计算机网络与通信文档-武汉工程大学药物仿真实验.doc

绪 论进入21世纪，人类进入了网络信息化时代，从日常生活、学习到科学研究再到人们的行为和思维无不打下了信息时代的烙印。借助无处不在的无线和有线网络，人们之间的沟通变得更方便、更快捷。人们可以在网上交友、冲浪、游览、购物、休闲娱乐，可以享受即时通信，接受远程教育，发行电子刊物，而电子银行、电子商务、网上图书馆的便利更是不言而喻。同时还有网络警察、网络部队时刻为人们维护网络秩序，提供安全保障。现实生活中存在的东西几乎都能在网络上找到，因此越来越多的人们加入到网络使用的行列中。根据著名的梅特卡尔菲定律（Metcalfes Law），网络的价值将随着用户数的增加而按指数规律增长。既然网络如此重要，与人们的生活又联系得如此紧密，那么我们就有必要掌握好网络技术，并充分利用它武装自我，迎接挑战，为自己在当今网络信息社会中的立足和发展做好准备。众所周知，从日常通信使用的IP电话、移动通信设备、聊天工具QQ，到网络通信新技术10G以太网、下一代网络（NGN）等都包含着信息技术的结晶，那么，该如何把握网络发展动向，掌握并利用好目前流行的网络技术呢？本章内容就将围绕这些问题展开。本章重点 计算机网络的基本概念 实现“三网合一”的基础 无线网络 下一代Internet技术（NGN）的基本概念 计算机网络工程架构1.1 计算机网络技术概述计算机网络是计算机技术和通信技术结合的产物，这种结合对计算机系统的组织方式产生了深远的影响。为了实现数据交换和资源共享，就得将计算机互连起来，这样原来“计算机中心”的形式，即由一台计算机来处理整个组织中所有计算需求的模型，就被新的计算机互连模型取代。这种互连模型就是计算机网络，它由资源子网和通信子网组成。人们通常所熟悉的万维网不同于计算机网络，它是运行在Internet上的分布式系统。在一个分布式系统（distributed system）中，一组独立的计算机展现给用户的是一个统一的整体。对用户来说，分布式系统通常只有一个模型，操作系统之上的中间件（middleware）负责实现这个模型。实际上，分布式系统是建立在网络之上的软件系统。正是由于这种软件实现，分布式系统才具有高度的内聚性和透明性。分布式系统和计算机网络是两个容易混淆的概念，其区别更多地在于软件层面，而非硬件层面。当然，两者之间也有许多重合的地方。例如，这两种系统都需要移动文件。两者的不同之处在于由谁来发起移动操作，是系统还是用户。“计算机网络”可表示为通过某种技术相互连接起来的一组自主计算机的集合。如果两台计算机能够交换信息，就称这两台计算机是相互连接的。它们之间的连接除了通过铜线，还可以通过光纤、微波、红外线和通信卫星等来建立。网络可以大小不同，形状和形式各异。根据网络大小，可划分为局域网（范围在10km以内）、城域网（范围在10100km）和广域网（通常覆盖一个地区或国家）；根据其在传输媒体上的信号传输类型，可划分为模拟信号和数字信号，相应地可将网络划分为模拟信道网络和数字信道网络；根据信息传输的方式，又可将网络划分为有线网与无线网。展望计算机网络技术的前景，虽然有线网已经有了很大的发展，广泛采用光纤通信传输，特别是局域网中的以太网带宽已扩展到10Gbps，但相对而言，经济易用的无线网络发展更为迅速，以3G为代表的移动通信已成为现实，增值服务的进一步开展创造了网络通信的新天地。超高速的光通信技术、无线通信技术等一批先进技术也将在未来十年里产生新的飞跃，相应地一批新型网络技术将会随之蓬勃发展，如10G以太网技术、最后1公里接入技术、多层交换、全光网络、3G、MPLS技术等。这些新兴的网络技术大大革新了目前的网络环境和应用方式，使其提供的服务“更大、更快、更安全、更及时、更方便”。下一代高速计算机网络将具有主动性、可扩展性、适应性和服务的可集成性等特征。下面介绍三网合一，然后按照作用范围的不同依次介绍无线网络中的无线个域网技术、无线局域网技术、无线城域网技术及移动通信技术，接着介绍融合了新技术的下一代网络体系结构，最后结合实际给出网络工程构架。1.2 数字语音多媒体“三网合一”目前网络通信技术应用发展的突出特点之一是要实现“三网合一”。所谓“三网合一”，就是将计算机网、电视网和电话网有机融合起来，以降低成本，方便使用，提高效率，增加经济效益和社会效益。其目标是以一个统一的宽带多媒体平台，最大限度地承载现有和将来可能的业务；其实现途径是数字、语音、多媒体信号（即计算机网络、电话电信网络、电视广播网络）走同一网络；其主要目的是充分利用现有资源，避免重复投资。“三网合一”是网络发展的必然趋势。Internet的出现造就了一个庞大的产业，同时推动着其他相关产业的蓬勃发展。一些新兴业务如电子商务、电子政务、电子科学、远程教学医疗、视频点播、视频会议和在线咨询等，使人们能够突破时间和空间的限制，坐在家中就可以工作、学习和娱乐。而目前“三网合一”正逐渐成为世人瞩目的焦点，国内外大型IT企业如微软、索尼等公司已经把“三网合一”作为今后业务发展的重点。尽管“三网合一”有较好的应用前景，但要真正实现“三网合一”，还必须面对技术方面的问题和现有体制条块分割、现有集团利益垄断的问题。因此，实际的“三网合一”组网工程应该围绕上述两方面问题的解决来展开。1.2.1 “三网合一”的技术基础随着数字通信技术的迅速发展和全面应用，使语音、数据和图像信号在数字网中都成为统一的0/1比特流。光通信技术的发展为综合传输各种业务信息提供了必要的带宽，保证了传输质量，也使传输成本大幅度下降。软件技术的发展使得三大网络及其终端都能通过软件变更来满足各种用户需求，而TCPIP协议的普遍采用则使得各种以IP为基础的业务都能在不同的网络上实现互通，在技术上为“三网合一”奠定了坚实的基础。但是三大网络必须找到共同认可的网络结构、技术标准和通信协议，才能实现融合。目前普遍认为IP交换是可以被“三网”同时接纳的通信协议，而卫星和光纤是“三网”都能接受的传输手段。1.“三网合一”的物理上的选择（1）电信业务网 电信业务网是以传统的电话网为基础逐步发展起来的。目前信息到户主要是用双绞线将电话网与骨干网相连。电话网是最早实现数字化的网络，传输方式正逐步向光纤到户发展，传输协议从准同步体系（PDH）到同步体系（SDH）、进而向非同步转移模式（ATM）发展，但由于发展不平衡，尚未做到全网传输和交换的数字化。虽然有非对称用户环路（ADSL）和高速用户环路（VDSL）等方式，速率可以从几Mbit/s到几十 Mbit/s，但整个网络的通信能力仍受到电话双绞线传输容量这一瓶颈的限制（即“最后一公里问题”）。（2）计算机网计算机网络的初期形式主要是局域网，广域网是在国际互联网大规模发展后才进入普通用户家庭的。目前的网络主要基于电信网，因此同样受到入户双绞线传输容量和电缆调制解调器（cable modem）速度的限制，但因为其网络协议实用简单的优点正在被其他网络所采纳。（3）广播电视网中国的有线电视网络是一个新兴的产业，是世界上用户规模最大的有线电视网络，市场潜力巨大。由于其带宽比电话网要高得多，因而其网络具有一定优势。有线电视网具有其他网络无法比拟的优点：技术设备先进，以光缆为主干线，贯通全国和各省市首府及大部分城镇，宽带双向与光纤同轴电缆混合网（HFC）入户。与电话接入方式相比，其传输的带宽远远超过电话线，而且在有线电视网的同一根同轴电缆上，利用频分技术可以实现互不干扰地同时看电视、打电话、上网。但由于发展不平衡，全国各地网络带宽不一，使用器材离散性高等诸多原因，只有在对现有网络进行不同程度的升级改造之后，才有可能进一步拓展广播电视业务以外的其他增值业务。综上所述，目前三网在技术上各有长短，但在三网逐渐趋于融合的大前提下，尽早确定最终的物理网络将避免重复、低效的投资，有利于我国信息产业的长远发展。广播电视网络中的有线电视网既可同时支持模拟业务和数字业务，又拥有丰富的带宽资源和广泛的用户资源，在适应性和可改造性方面，都具有一定的优势。因此一般认为，无论是从技术角度还是从经济实用角度出发，有线电视网都可以作为三网合一的物理网络的最佳参考。2IP将作为未来“三网合一”的公共平台（1）IP挑战ATMATM曾经备受传统电信企业的推崇，然而近年来，一向被电信界忽视的IP技术异军突起，尤其引人注意的是，在局域网领域诞生了千兆和万兆以太网。目前的情况是：传统电信企业为保护自身利益，核心网络仍然会采用ATM，而企业网将由IP一统天下，二者之间的交汇将成为引发争论的焦点。ATM与IP之争实质是两种标准为争夺全球信息产业控制权所进行的竞争。（2）IP将作为未来“三网合一”的公共平台用户数量的指数级增长和多种业务需求的高增长势态，使IP业务所需的网络带宽随之巨增，形成新时期网络带宽需求的主要驱动力。IP协议无形中已成为电信网的主导通信协议，网络逐渐向使IP业务最佳化的分组网方向演化和发展。未来的高速网络将以IP为主体，已是不争的事实。以TCPIP协议为基础的Internet在近些年有了较大的发展。1997年，Internet的IP流量首次超过了通信网的语音流量，而且近年来仍在直线上升。 IP网络已经从过去单纯的数据载体逐步发展成支持语音、数据、视频等多种信息格式的多媒体信息通信平台。数据化、宽带化、综合化已成为目前和今后网络发展的潮流。国际上，优化的IP业务宽带分组网结构方式向传统的电路交换方式提出了挑战，并已在一些新兴的电信运营公司得到推广。在实际运行中，新的分组网结构已显示出简捷和高效等优势，因此在网络构架方面，一些传统的电信运营公司也开始考虑向宽带分组网过渡。思科、华为、朗讯、北电、阿尔卡特、西门子、3COM等著名厂商描述了下一代通信网模型，其核心思想是利用软交换技术将传统电话网和IP网相结合，即实现Voice over IP。QoS（Quality of Service）的概念是伴随着ATM（Asynchronous Transfer Mode）诞生的。当Internet向语音、数据和视频等实时业务渗透时，对IP也提出了QoS问题。目前，IP QoS的解决方案为IP与ATM结合，利用ATM的QoS机制，其支持的业务有以下 几种。 集成业务：利用资源预留协议进行管理，需要维护每个流的状态，并需要多个路由器的配合。 差分业务：将数据包进行分类，根据分类结果，确定整形、路由和调度策略，不需要维护每个流的状态。差分业务是当前研究的热点。 多协议标记交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）：多协议标记交换用标记分配协议（Label Distributed Protocol, LDP）替代复杂的ATM信令协议，实现面向连接的功能。MPLS明确规定了一整套协议和操作过程，最终在IP网内通过ATM和帧中继技术实现快速交换。其中的关键概念是用标签来识别和标记IP报文，并把标签封装后的报文转发到已升级改善过的交换机或路由器，由它们在网络内部继续交换标签，转发报文。MPLS最重要的优势以及设计初衷在于：它能够为ISP（Internet服务提供商）提供现有的IP路由技术所不能支持的要求保证QoS的业务。通过MPLS技术，ISP可以提供各种新兴的增值业务，有效实施流量工程和计费管理措施，扩展和完善更高等级的基础服务。3. 网络带宽飞速增长光纤通信作为通信网的基础，正飞速向宽带化方向发展，所依赖的技术是密集波分复用。所谓密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技术，指的是一种光纤数据传输技术，这一技术利用激光的波长按照二进制位并行传输或者字符串行传输方式在光纤内传送数据，是一种扩展带宽的新方式。在宽带产品中，传输系统的宽带化是网络宽带化的核心和关键。为了实现用户接入网的数字化、宽带化，提高用户上网速度，光纤到户（FTTH）是今后发展的必然方向，但由于光纤的成本过高，在今后若干年内大多数用户仍将继续使用现有的铜线环路。为此，近年来人们提出了多种过渡性的宽带接入网技术，其中非对称数字用户环路（ADSL）和电缆调制解调器最具竞争力，将在未来若干年内占主导地位。1.2.2 企业数据网与电话网的融合Internet语音通信技术的出现和发展是数据网与传统语音网融合的技术基础，同时代表了一种发展趋势，即数据、语音、图像三网合一，而这三位一体的网络一定是基于TCP/IP协议的网络。如果说在Internet和广域网上真正实现三网融合还受技术、政策和管理等因素限制的话，那么在企业内部网中真正实现数据和语音的两网融合是完全可能，而且很有必要的。目前，许多设备厂商已经将Internet语音通信的焦点指向企业用户，这是因为：首先，对于Voice over IP领域而言，保证服务质量是至关重要的。在Internet上传送语音目前还有许多问题有待解决，但是在企业网和IP-VPN（虚拟私有网）上，由于网络的可控性较高，所以语音与传统数据在这两种网上集成相对而言更具可行性。其次，在企业推广数据和语音的两网融合，即企业级的IP语音技术存在诸多好处。其中最大的优点是可以控制数据流量，保证语音质量，充分利用企业租用的数据线路资源，节省传统的长途话费。随着社会的发展，越来越多的企业（公司）呈现出多地域分布的特征，在企业的各分部之间、分部与总部之间经常存在大量的信息交互，所以许多企业组建了自己的企业网。但是传统的企业网主要是传输数据，而企业内部的电话通信通常采用专用小交换机（PBX）方式，分部与分部、分部与总部之间的电话、传真通信采用长途方式。在企业网上开发语音增值业务，对原有的数据网络的投资增加很少，又可节省长途话费，而且将语音与网上已有的其他应用相结合，可实现多媒体业务，提高综合服务质量。1.3 无 线 网 络无线网络是以无线信道作为传输媒介的网络，它是目前整个数据通信技术领域中发展最快的方向之一。无线网解决方案在某些场合作为传统有线网络的补充或替代，以其灵活性、移动性及较低的投资成本等优势，获得了家庭网络用户、中小型办公用户、企业用户及电信运营商的青睐，得到了快速的普及。而新兴的无线通信技术的应用和随处可得的Internet接入，更推动了无线网络的发展，也改变了人们工作、居家、旅行时使用计算机及其他电子设备的方式。根据频率、带宽、范围和应用方式，可以把目前流行的无线通信技术加以区分。如图1-1所示，这些技术可大致分成四类，按作用范围的大小依次为无线个域网、无线局域网、无线城域网、无线广域网。图1-1 无线通信技术按范围分成四大类1无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）无线个域网是非常小的网络（ad hoc网络），范围通常不超过10m。由于通信范围有限，无线个域网通常用于取代导线，连接相邻设备并传输数据。蓝牙技术（Bluetooth）是目前流行的无线个人区域网络技术，运行于ISM频带 2.4GHz。图1-2显示蓝牙技术由1.1版（速率为1Mbps）到1.2版（增强了信号及频率波段共存的机制）的演变。此外，速率为3Mbps的蓝牙2.0+增强数据传输速率（Enhanced Data Rate，EDR）标准于2004年11月正式通过，相关产品目前已陆续上市。一些无线个域网应用需要更高的数据传输率，可能会选择目前新兴的超宽频（UWB）技术。因为UWB技术不但频宽高、传输耗电量低，而且可采用的频率范围相当宽。UWB物理层（PHY）规范IEEE 802.15.3a目前正在由IEEE制定。此外还有一个可与之竞争的规范，是由多频带联盟（MultiBand Orthogonal Frequency Division Multiplexing Alliance，MBOA）着手开发的。初期的、数据传输率介于100480Mbps范围内的UWB产品，预计2006年初可开始上市，后续的版本预计数据传输率可高达1Gbps。但如果不能解决规范标准彼此竞争的问题，就可能会阻碍UWB技术的市场商机。此外，虽然美国联邦通讯委员会（Federal Communications Commission，FCC）已经为UWB开放大范围频谱以供在美国境内使用，但在美国以外的地区，仍然有一些法规及政策上的限制。图1-2 无线通信技术的发展还有一套无线技术也属于无线个域网的范畴ZigBee（802.15.4），这类技术最适合于某些特定的低带宽应用，可用于组建传感器网络，例如测试仪器与家庭环境自动化。2无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）相对于无线个域网，无线局域网能提供更为强大的网络连接能力和更大的覆盖范围（大约100m）。无线局域网以IEEE 802.11标准（又称Wi-Fi网络）为基础。802.11b是第一个成功实现商业化的无线局域网技术，运行于2.4GHz频带上，并能提供11Mbps的传输速率。在改变数据传输方式后，2003年802.11g（2.4GHz频带）及802.11a（5GHz频带）将数据传输速率提高到54Mbps。目前常见的“双频”Wi-Fi无线网卡可以同时支持802.11a、802.11b、802.11g中的两种。另外，高度集成的单芯片解决方案使体积更小、用电量更低的各种新型设计与应用成为可能。 除此之外，新标准也特别考虑到Wi-Fi网络的安全性，其中Wi-Fi访问保护规范（WPA）及802.11i规范（WPA2）加强了用户的身份验证与信息加密。WPA及WPA2中采用的IEEE 802.1x标准，提供了端口级的验证架构。WPA2还采用了新一代高级加密安全（AES）技术。另外，即将问世的802.11e标准特别强调服务质量（Quality of Service，QoS），以便使语音、多媒体等实时数据能在网络上优先传送。Wi-Fi联盟是专门负责Wi-Fi认证及兼容性测试的机构，目前该联盟已开发出Wi-Fi多媒体（WMM）测试规范，可对新产品的802.11e兼容性进行认证。下一代的无线局域网标准为IEEE 802.11n，其规范目前还在制定中。802.11n将与802.11a、802.11b、802.11g兼容，并提供超过100Mbps的数据传输率。802.11n的性能提高，主要得益于新型多输入/多输出（Multiple-Input, Multiple-Output，MIMO）无线电技术、更宽的射频（RF）信道以及通信协议栈（protocol stack）的改进。MIMO技术通过增加无线装置中无线电以及天线的数目来提高数据传输速率。IEEE预计于2006年中制定并批准802.11n规范。3无线城域网（Wireless Metro Area Network，WMAN）无线城域网是一种可覆盖城市或郊区等较大地理区域的无线通信网络。以往具备T1或T3数据传输速率的远距离无线通信技术都是由大型电话公司、独立区域电信公司（Independent Local Exchange Carriers，ILEC）以及其他供应商所专有和经营，用来连接距离较远的地区或大范围园区。目前IEEE已将一套新的无线城域网技术标准化，这套新技术运行于需要执照以及免执照的多个频带。其中最著名的是IEEE 802.16d，又称“WiMax”，运行于211GHz的频率范围（美国使用2.5GHz、3.5GHz、5.8GHz三个频带）。在无障碍物阻隔的理想状况下，50km距离的最高数据传输速率高达70Mbps。最初建立的WMAN需要在用户所在的建筑物外架设天线。移动版规范（IEEE 802.16e）预计于2007年发布。目前还不确定电信运营商、网络服务供应商何时或是否愿意建构WiMax，以及何时才会大规模架设定点式或移动式WiMax所需的基础设施。但是，业界人士大多预测，WiMax的建设会综合考虑运用现有以及新增的“塔式”基础设施与安装设备。4无线广域网（Wireless Wide Area Network，WWAN）无线广域网是移动电话及数据服务所使用的数字移动通信网络，由电信运营商经营。无线广域网可覆盖相当广的地理区域，但到目前为止数据传输速率普遍偏低，只有115Kbps，与其他局域性的无线技术相去甚远。目前全球的无线广域网主要采用GSM及CDMA技术，预计未来这两套技术仍将并驾齐驱。目前GPRS技术、新一代EDGE技术（Enhanced Data GSM Evolution）以及很早就在欧洲完成标准化的GSM技术在内的无线数据技术，占据了全球约三分之二的市场，分布范围包括北美、欧洲及亚洲。新一代的EDGE 技术可将GPRS的数据传输速率提高34倍。而其他GSM运营商则力主WCDMA（Wideband CDMA）的商业化，WCDMA的预计数据传输速率可达2Mbps。此外还有HSDPA（High-Speed Downlink Packet Access）扩展技术，预期将于2006年开始架设，其数据传输率可高达3.6Mbps以上。CDMA技术在美国占主导地位，CDMA2000无线广域网技术在北美、日本、韩国及中国的建设已有相当规模。CDMA2000 1xRTT技术（Single-Carrier Radio Transmission Technology）已得到相当广泛的采用。而下一代的1xEV-DO技术（1xEVolution-Data Optimized）也正处在美国的Verizon Wireless公司及Sprint PCS公司的快速部署之中，将支持2.4Mbps的数据传输速率。今后，电信运营商将采用规格A版继续发展EV-DO，以支持更高的数据传输速率和VoIP（Voice over Internet Protocol）语音功能。1.4 下一代Internet技术（NGN）简介随着计算机及网络的普及，人们对数据通信的需要日益增长。传统的固定电话、手机、电视等终端设备开始用多媒体格式代替单纯的语音来实现互通。无论何时，身处何地，我们都可以实现自己作为网络的一员的美好愿望。从电信运营商的角度来看，新兴的运营商不断地给传统的运营商带来竞争压力，逐渐打破了电信行业的垄断状况。在竞争中，业务质量成了关键。谁能提供便宜的、灵活的、个性化的业务，谁就能在竞争中取得优势。计算机技术、网络技术的发展，软、硬件技术的不断提高，使数据业务和传统的语音业务实现了融合，现存的相互独立的电信网、计算机网和有线电视网有了一个公共点，“三网合一”成为可能，这个公共点就是IP。然而，现有的基于IP的数据网络在承载语音视频等多媒体业务还存在一些缺陷，主要体现在带宽不够、QoS还不能充分保证等方面。为改进和完善“三网合一”技术，在现代科技进步、企业竞争、人们的通信需求增长的情况下，“下一代网络”（Next Generation Network, NGN）便应运而生了。下一代网络技术现状由于电信网络中的传输交换基础设施引入了IP技术作为核心技术，由此产生了许多新的课题，其中DWDM宽带传输技术、IP高速包交换技术、基于IP的电信业务软交换技术、DSP信号处理技术以及基于IP网络的智能业务都是目前国际电信界的热门课题。因为下一代网络的体系结构与传统的电路交换网络有着本质的差异，IP电信网将有一套包括信源编码、信道编码、宽带传输、业务交换、网络控制和网络管理在内的全新的电信理论体系。目前下一代网络才刚刚起步，各个公司在实施方案方面各有各的见解，但都会按照业界已形成的标准协议进行，从而使各个公司的不同设备之间可以实现互连。下一代网络是以业务驱动为特征的网络，将业务从承载网中剥离出来，灵活地构建于一个统一的开放平