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第三章 网络通信3.1 局域网概述局域网的概念、特点 （数字通信与计算机网络）、局域网的组成（计算机通信与网络-南大）局域网的硬件设备、拓扑、局域网体系结构、应用与发展局域网LAN(Local Area Network),是一种在有限的地理范围内将大量PC机及各种设备互连一起实现数据传输和资源共享的计算机网络。局域网的主要技术特点1、地理分布范较小,一般为数百米至数公里。可覆盖一幢大楼、一所校园或一个企业。它适用于公司、机关、校园等有限范围内的计算机连网的需求；2、数据传输速率高，一般为0.1-100Mbps，目前已出现速率高达1000Mbps的局域网。可交换各类数字和非数字(如语音、图象、视频等)信息。3、误码率(错误接收的码元数/传输的码元总数 )低，一般在10-11-10-8以下。这是因为局域网通常采用短距离基带传输，可以使用高质量的传输媒体，从而提高了数据传输质量。4、以PC机为主体，包括终端及各种外设，网中一般不设中央主机系统。5、一般包含OSI参考模型中的低三层功能，即涉及通信子网的内容。协议简单、结构灵活、建网成本低、周期短、便于管理和扩充。决定局域网特性的三项主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法；其中最重要的是介质访问控制方法。从介质访问控制方法的角度来看，局域网可分为共享介质式局域网与交换式局域网两类。局域网的定义与发展过程 在较小的地理范围内，利用通信线路将许多数据设备连接起来，实现彼此之间的数据传输和资源共享的系统称为局域网。它的发展般分为三个阶段：（1）60年代末至70年代初是萌芽阶段 。（2）70年代中期是局域网发展的一个重要阶段。 （3）80年代初期是局域网走向大发展的时期。利用光导纤维作为通信介质构成的高速主干环网，是目前许多局域网系统采用的一种结构形式。 局域网（LAN）组成 共享的传输媒体？ 广播式信道 与媒体接口的设备 规范媒体接入的硬件和软件 局域网硬件网络接口卡（NIC）及其驱动程序 计算机接入网络的必要部件 实现计算机上使用的数据链路层协议 提供网络层协议与网络媒体之间的链路网络传输媒体 几种常用电缆和无线信道ANSI/TIA/EIA-568 为UTP规定的类别网络连接设备 建立更大规模的网络 集线器、网桥、交换机、路由器、网关服务器及网络存储设备 为客户机提供应用服务和各种软硬件资源 拓扑结构：环状、总线、星状、树状问题的提出传统的局域网是“共享”式局域网；共享式局域网的传输介质是共享的；数据传输应该按照“半双工”方式进行；两个或多个节点同时发送将产生“冲突”； 局域网体系结构物理层的功能 信号的编码/解码 前导码的产生/去除 (用于同步) 比特传输/接收 传输媒体与拓扑的规范MAC子层的功能 在发送方，将数据配以地址与差错检测字段组装成帧 在接收芳, 拆解帧 地址辨识 差错检测 监管传输媒体的接入 在传统的第二层数据链路控制中无此功能LLC子层的功能 与高层进行接口 流量控制与差错控制分裂数据链路层的原因 在传统的数据链路(DL)层中不具有管理共享访问媒体的接入所需的逻辑 对于相同的 LLC, 可以提供几种 MAC选项 以太网：IEEE 802.3标准 令牌环：IEEE 802.5 标准 令牌总线：IEEE 802.4 标准 FDDI：ANSI X3T9.5标准 体系结构各层之间的关系 高层数据下传到LLC LLC层建立一个LLC PDU并将其传递给MAC层 加上一个首部 MAC层形成一个 MAC帧 加上一个首部和一个尾部局域网的应用与发展计算机局域网所具有的这些优点决定了它在社会各个领域有着广泛的应用，它可以用于办公自动化、工业生产自动化、企业管理信息系统、生产过程实时控制、军事指挥和控制系统、辅助教学系统、医疗管理系统、银行系统、软件开发系统和商业系统等方面，其中主要作用如下：1. 办公自动化 2. 工业生产自动化 数字化变电站3. 应用于教育领域 4. 计算机协同工作技术 千兆位以太网、万兆以太网、交换式802.3局域网（组网与网络管理技术）32流量控制和差错控制3.21定义l 流量控制 就是一系列程序，用来限制发送方在等到确认之前发送的数据量。任何接收设备都有处理进入数据的速度限制和存储进入数据的容量限制（缓冲区）。接收设备必须能够在达到这些限制前提示发送设备，并要求传输设备发送的帧少一些或暂停发送。l 差错控制 包括差错检测和纠正。数据链路层的差错控制基于自动重复请求（ARQ automatic repeatrequest）它使接收方能够提示发送方在传输过程中有帧的丢失或破坏，并协调发送方重新传输这些帧3.2.2协议3.2.3 停止等待自动重传请求 当帧到达接收端站点时，它被检测，如果他被破坏了，他被无声地丢弃。 帧丢失的判断 接收到的帧可以是正确的，或者是复制的（重传的），也可是失序的。解决的途径是为帧编号。 重传被损坏和丢失的帧 发送方保留已发帧的副本。与此同时，它启动一个定时器。如果定时器到没有收到已发送帧的ACK，就重发该帧。注意：停止等待协议，只有一个特定帧需要ACK. ACK帧同样会被损坏和丢失，他也需要冗余位和一个序号。发送方只要简单的丢弃一个损坏的ACK帧或忽略一个无序的ACK帧。 序列号 我们使用序列号给帧编号。序列号基于模2运算。（需一位的字段。区分确认帧与非确认帧） 确认号 确认号总是以模2运算告知接收方期待的下一帧的序列号 设计 算例Assume that, in a Stop-and-Wait ARQ system, the bandwidth of the line is 1 Mbps, and 1 bit takes 20 ms to make a round trip. What is the bandwidth-delay product? If the system data frames are 1000 bits in length, what is the utilization percentage of the link?SolutionThe bandwidth-delay is productThe system can send 20,000 bits during the time it takes for the data to go from the sender to the receiver and then back again. However, the system sends only 1000 bits. We can say that the link utilization is only 1000/20,000, or 5 percent. For this reason, for a link with a high bandwidth or long delay, the use of Stop-and-Wait ARQ wastes the capacity of the link. What is the utilization percentage of the link in Example 11.4 if we have a protocol that can send up to 15 frames before stopping and worrying about the acknowledgments?SolutionThe bandwidth-delay product is still 20,000 bits. The system can send up to 15 frames or 15,000 bits during a round trip. This means the utilization is 15,000/20,000, or 75 percent. Of course, if there are damaged frames, the utilization percentage is much less because frames have to be resent.3.2.4回退N帧自动重发请求为了提高传输效率（填满管道），在等待确认时必须传输多个帧。回退N帧自动重发请求，在接收到确认之前能发送几个帧，在确认到达之前保存这些帧的副本。 序列号 帧头部允许序列号有m位，则序列号的范围就是0-2m-1（序列号是模2m） 滑动窗口 n 发送滑动窗口 Sf 、Sn、Ssize、四个区域的定义当有效的确认到达时，发送窗口能滑动一个或多个时隙 n 接收滑动窗口当一个正确的帧到达后，窗口滑动，但每次只滑动一个时隙 定时器 定时器只有一个，与第一个待处理帧对应，定时器到时，发送所有的待处理的帧。 确认 当一个安全有序的帧到达时，接收方发送一个肯定确认。如果一个帧被损坏或次序颠倒，接收方不响应并将丢弃所有后来的帧直到它收到一个他所希望的帧。 重复帧 定时器到时，发送方会重发所有待确认的帧。 设计 发送窗口大小 发送窗口的大小必须小于2m 接收窗口的大小始终为1Flow diagram for Example 11.63.2.5选择性重复ARQ一个帧损坏时不必重发N个帧。 窗口n 发送窗口 尺度为2m-1比回退N帧协议小很多。n 接收窗口 与发送窗口尺寸相同，允许与其大小相同的帧乱序到达，并被保留直到有一组有序的帧能交付给网路层。 设计n 窗口的大小 等于2m-1 如a所示最后发frame0时接收端期待收序号为2的帧但3号帧也可接收。大于2m-1时如b所示，最后发的frame0，收端期待接收frame3但frame0和frame1也可接收。出现错误 定时器 每发送或重发一个帧都需要一个定时器，这就意味着定时器也要有编号。 发送方分析 n 每一帧发送都启动一个定时器n 如果有效的ACK到达，要清楚缓冲区，停止相应定时器，并移动窗口的左墙n 如果一个有效的NAK帧到达了，只需重发相应的帧n 只有超时的帧才从发 接收方分析n 一旦相应的帧到达并被保存，我们会用一系列变量来标记接收窗口中的时隙。n 如果我们收到一个损坏的帧而NAK帧未发送，我们发送一个NAK去告知另一方我们未收到期待的帧。n 如果帧没损坏且序号在窗口中，我们保存这个帧并在时隙上做标记。并在适当的时候发NAK告知我们期待接收的帧n 如果从Rn开始的相邻的帧都被标记了，我们将他们交付给网路层并滑动窗口 例子n 定时器要编号（0,1,2,3） 启动、停止时刻。n 接收站点要分辨帧的接收和向网络层交付。帧一的副本到达时交付。交付的条件：第一，一组连续的帧到达；第二，这组帧从窗口的起点开始。n NAK的发送 不想让网络因不必要的NAK帧和不必要的重发帧而拥堵n ACK 只有当数据被交付时才发送一个ACK3.3多路访问（介质访问控制）l 问题的提出传统的局域网是“共享”式局域网；共享式局域网的传输介质是共享的；数据传输应该按照“半双工”方式进行；两个或多个节点同时发送将产生“冲突”；l 主要任务尽量避免“冲突”的发生；解决“冲突”发生时产生的问题。l 常用的介质存取方法对传输介质进行控制通常采用分散方式即网络中的所有节点都参与对共享介质的访问控制。 带有冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）方法； 令牌总线（Token Bus）方法； 令牌环（Token Ring）方法。 以太网-CSMA/CD FDDI-令牌环l 多路访问协议3.31随机访问（或竞争访问）在随机访问方法中，没有任何站点优于其他站点，也没有任何站的能控制其他站点。l 特性n 每个站点的传输没有特定的时间表，站点的传输是随机的n 没有规则来规定下一个将要发送的站点是哪一个。为了访问介质，站点展开竞争l 协议要回答的问题n 站点何时能访问介质？n 如果介质忙碌，站点能做点什么？n 站点如何确定传输的成功和失败？n 如果发生访问冲突，站点能做什么？3.3.1.1ALOHAl 工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；规定时间内若收到应答，表示发送成功；否则重发l 重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止l 缺点：极容易冲突l 性能：网络负载 0. 5 吞吐量 0. 184l 脆弱时间 可能发生冲突时间的长度。下图示例假设站点发送固定长度的幀，且每帧发送时间是Tfr。图显示了A站点的脆弱时间A pure ALOHA network transmits 200-bit frames on a shared channel of 200 kbps. What is the requirement to make this frame collision-free?SolutionAverage frame transmission time Tfr is 200 bits/200 kbps or 1 ms. The vulnerable time is 2 1 ms = 2 ms. This means no station should send later than 1 ms before this station starts transmission and no station should start sending during the one 1-ms period that this station is sending. 不懂。第一句，因为当A站开始发送前1毫秒钟以内有人发送，肯定在A站开始发送时有冲突。第二句：当A站开始发送后1毫秒内，如果有其他站发送，则会冲突。l 吞吐量 G定义为一帧传输时间内系统产生的幀的平均数量。能证明纯ALOHA成功传输帧的平均数量是S=G*e-2G。G=1/2时Smax=0.1843.3.1.2时隙ALOHA(略)3.3.1.3载波侦听多路访问（CSMA）l 工作原理：发送前监听。附加硬件装置，每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。若有，则此站暂停发送，等待一段时间后重试。l 冲突的产生示意 冲突的概率依然存在的原因是因为传播的延迟。一个站点之所以能够侦听到介质处于空闲状态，仅仅是因为其他站点的传播信号还没有到达该站点。l 脆弱时间是传播时间Tp这是一个信号从介质的末端到另一端的传播时间。（保证所有的站点都侦听到信号）。l 载波侦听策略持续n CSMA（1-持续CSMA ）u 监听到信道忙时仍继续监听，直到信道空闲，一听到信道空闲就立即发送数据（以概率1发送）n 非持续CSMAu 一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。n P-持续CSMAu 监听到信道忙时仍继续监听，直到信道空闲，听到信道空闲时，以概率p发送数据，即以概率1-p延迟一段时间后再发送 3.3.1.4 CSMA/CD：带冲突检测的载波监听多点访问l 工作原理：边发送边监听。若监听到冲突，则冲突双方都立即停止发送。信道很快空闲，从而提高效率。先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。l 实现流程与ALOHA协议相似，但存在不同：第一 在开始发送帧之前使用了持续程序中的一种来侦听通道。第二 传输与冲突检测是连续的和同步的（ALOHA是先发一帧然后等待确认）第三 发送一个短小的干扰信号使冲突加强，以便其他站点检测到冲突l 幀的最小长度A站传输的时间是t4-t1，C站传输的时间是t3-t2。在任何被比特率所分割的帧长度都必须大于这些持续是时间段。需要限定帧长度。在发送帧的最后一位前，发送站点必须检测冲突，如有任何冲突都要放弃传输。一旦整个帧被发出了，站点就无法保留幀的副本并无法掌控线路冲突的检测。考虑最坏的情况，两个站点发生冲突且两个站点距离最远。信号从第一个站点发出到达第二个站点的时间花费Tp，冲突的作用使得到达第一个站点还需要花费Tp，要求第一个站点在2Tp时间后仍在进行传输。A network using CSMA/CD has a bandwidth of 10 Mbps. If the maximum propagation time (including the delays in the devices and ignoring the time needed to send a jamming signal, as we see later) is 25.6 s, what is the minimum size of the frame?SolutionThe frame transmission time is Tfr = 2 Tp = 51.2 s. This means, in the worst case, a station needs to transmit for a period of 51.2 s to detect the collision. The minimum size of the frame is 10 Mbps 51.2 s = 512 bits or 64 bytes. This is actually the minimum size of the frame for Standard Ethernet.3.4 以太网以太网Ethernet是Digital Equipment(DEC) 、Intel(英特尔)和Xerox(施乐)三家公司开发的局域网组网规范，并于80年代初首次出版，称为DIX1.0。1982年修改后的版本为DIX2.0。 这三家公司将此规范提交给IEEE(电子电气工程师协会)802委员会，经过IEEE成员的修改并通过，变成了IEEE的正式标准，并编号为IEEE802.3。3.4.1数据链路层分成了LLC子层对应IEEE802.2和MAC子层对应IEEE802.3l 面向比特的链路控制规程HDLCn HDLC的帧结构 标志F地址A控制C信息Info标志F帧校验序列FCS校验区间透明传输区间比特 888可变168l 以太网帧n LLC定义了一个协议数据单元（PDU），它在一定程度上与HDLC相似。头部包含的控制字段就像HDLC中的一样；这个字段用以流量控制和差错控制。另两个头部字段界定了使用LLC的源和目的地的上层协议。称为目的业务接入点（destination service access point DSAP）和源业务接入点（source service access point SSAP）n MAC帧格式（蒋融融）PA : 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD : 帧首定界 - 10101011DA: 目的地址 - MAC 地址SA: 源地址 - MAC地址LEN:数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B）（Type: 类型：高层协议标识）LLC PDU+pad - 最少46字节, 最多1500字节 pad 填充字段，保证帧长不少于64字节FCS : 帧校验序列（ CRC-32 ）n 帧长度n 寻址以太网中每个站点都有自己的网卡（NIC）网卡给自己的站点提供一个6字节的物理地址：n 单播地址、多播地址和广播地址源地址永远是单播地址。目的地址可以是单播地址、多播地址、广播地址。广播地址48位全13.4.2物理层（略）3.4.3快速以太网与千兆以太网技术l 快速以太网IEEE802.3委员会于1992年提出制定快速以太网标准。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。在IEEE802.3基础上，把传输速率从10Mbps提高到100Mbps，并于1995年6月，正式把它定为快速以太网标准IEEE802.3u。包括：100Base-TX100Base-T4100Base-Fxl 千兆位以太网是IEEE802.3标准的扩展，在保持与以太网和快速以太网设备兼容的同时，提供1000Mbps的数据带宽。千兆位以太网的关键是利用交换式全双工操作部件构建主干网络，连接超级服务器和工作站。可有多种网络拓扑结构。它基于以太网结构，保留了IEEE802.3以太网标准帧格式以及IEEE 802.3的网络管理功能，且网络管理原理保持不变，现存的软件（如LAN协议）都可运行。 l 万兆以太网2002年6月12日802.3以太网标准组织批准了10G以太网标准的最后草案。1万兆以太网的特点万兆以太网并非将千兆以太网的速率简单地提高到10倍，有很多复杂的技术问题要解决。万兆以太网主要具有以下特点：万兆以太网的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s的帧格式完全相同万兆以太网仍然保留了802.3标准对以太网最小帧和最大帧长度的规定。这就使得用户在将已有的以太网升级时，仍便于和较低速率的以太网进行通信。由于数据传输速率高达10Gb/s，因此万兆以太网的传输介质不再使用铜质的双绞线，而只使用光纤。它使用长距离的光收发器与单模光纤接口，以便于能够在广域网和城域网的范围内工作。它也可以使用较便宜的多模光纤，但传输距离限制在65300m。万兆以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题。由于不使用CSMA/CD协议，这就使得万兆以太网的传输距离不再受冲突检测的限制。标准中采用了局域网和广域网两种物理层模型，从而使以太网技术方便被引入广域网中，进而使LAN、MAN和WAN网络可采用同一种以太网网络核心技术。这样，也方便对各网络的统一管理和维护，并避免了繁琐的协议转换，实现了LAN、MAN和WAN网络的无缝连接。3.44交换式局域网l 局域网交换机工作原理局域网交换机（此处指第二层的网络交换机）的原理很简单,它是依据第二层的地址传送网络帧。第二层的地址又称硬件地址（MAC地址），第二层交换机通常提供很高的吞吐量（线速）、低延时（10左右），每端口的价格比较经济。第二层的交换机对于路由器和主机是“透明的”，主要遵从802.1标准。局域网交换机地址表MAC帧DA=结点CDA工作站工作站工作站工作站工作站MAC帧DA=结点BDA结点A:00-01-0C-12-D1-28结点B结点E结点C结点D:01-31-00-0C-12-D1123456转发机构缓冲器端口局域网产品类型与相互之间的关系 3.5广域网的基本概念l 广域网的构成 当主机之间的距离较远时，例如，相隔几百公里，甚至几千公里，局域网显然就无法完成主机之间的通信任务,这时就需要另一种结构的网络，即广域网。 广域网由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。结点交换机执行将分组存储转发的功能，结点之间都是点对点连接，但为了提高网络的可靠性，通常一个结点交换机往往与多个结点交换机相连。l 由于广域网的造价较高，一般都是由国家或较大的电信公司出资建造。 l 关广域网、局域网和互联网的关系n 广域网是因特网的核心部分，其任务是通过长距离传输主机所发送的数据。连接广域网各结点交换机的链路都是高速链路，其距离可以是几千公里的光缆线路，也可以是几万公里的点对点卫星链路，通信容量必须足够大。n 广域网和局域网都是互联网的重要组成构件。相距较远的局域网通过路由器与广域网相连组成了一个覆盖范围很广的互联网。l 主要的几种广域网与提供的速率 3.6SONET/SDH数字传输网l SDH产生的背景n PDH的局限性 接口方面：（1）只有地区性的电接口规范，不存在世界性标准。现有的PDH数字信号序列有三种信号速率等级：欧洲系列、北美系列和日本系列。各种信号系列的电接口速率等级、信号的帧结构以及复用方式均不相同，这种局面造成了国际互通的困难，不适应当前随时随地便捷通信的发展趋势。三种信号系列的电接口速率等级如图所示。(2) 没有世界性标准的光接口规范。为了完成设备对光路上的传输性能进行监控，各厂家各自采用自行开发的线路码型。典型的例子是mBnB码。其中mB为信息码，nB是冗余码，冗余码的作用是实现设备对线路传输性能的监控功能。由于冗余码的接入使同一速率等级上光接口的信号速率大于电接口的标准信号速率，不仅增加了发光器的光功率代价，而且由于各厂家在进行线路编码时，为完成不同的线路监控功能，在信息码后加上不同的冗余码，导致不同厂家同一速率等级的光接口码型和速率也不一样，致使不同厂家的设备无法实现横向兼容。这样在同一传输路线两端必须采用同一厂家的设备，给组网、管理及网络互通带来困难。 复用方式：现在的PDH体制中，只有1.5Mbit/s和2Mbit/s速率的信号（包括日本系列6.3Mbit/s速率的信号）是同步的，其他速率的信号都是异步的，需要通过码速的调整来匹配和容纳时钟的差异。由于PDH采用异步复用方式，那么就导致当低速信号复用到高速信号时，其在高速信号的帧结构中的位置没规律性和固定性。也就是说在高速信号中不能确认低速信号的位置，而这一点正是能否从高速信号中直接分/插出低速信号的关键所在。既然PDH采用异步复用方式，那么从PDH的高速信号中就不能直接的分/插出低速信号，例如：不能从140Mbit/s的信号中直接分/插出2Mbit/s的信号。这就会引起两个问题：(1) 从高速信号中分/插出低速信号要一级一级的进行。例如从140Mbit/s的信号中分/插出2Mbit/s低速信号要经过如下过程。如图1-2所示。 从图中看出，在将140Mbit/s信号分/插出2Mbit/s信号过程中，使用了大量的“背靠背”设备。这样不仅增加了设备的体积、成本、功耗，还增加了设备的复杂性，降低了设备的可靠性。(2) 由于低速信号分/插到高速信号要通过层层的复用和解复用过程，这样就会使信号在复用/解复用过程中产生的损伤加大，使传输性能劣化，在大容量传输时，此种缺点是不能容忍的。这也就是为什么PDH体制传输信号的速率没有更进一步提高的原因。 运行维护方面：PDH信号的帧结构里用于运行维护工作（OAM）的开销字节不多，这也就是为什么在设备进行光路上的线路编码时，要通过增加冗余编码来完成线路性能监控功能。由于PDH信号运行维护工作的开销字节少，因此对完成传输网的分层管理、性能监控、业务的实时调度、传输带宽的控制、告警的分析定位是很不利的。 没有统一的网管接口：由于没有统一的网管接口，这就使你买一套某厂家的设备，就需买一套该厂家的网管系统。容易形成网络的七国八制的局面，不利于形成统一的电信管理网。（重复）由于以上这种种缺陷，使PDH传输体制越来越不适应传输网的发展，于是美国贝尔通信研究所首先提出了用一整套分等级的标准数字传递结构组成的同步网络（SONET）体制。CCITT于1988年接受了SONET（sychronous Optical Network）概念，并重命名为同步数字体系（SDH Sychronous Digital Hierarchy），使其成为不仅适用于光纤传输，也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。n SDH所具有的优势 接口方面：(1) 电接口方面 接口的规范化与否是决定不同厂家的设备能否互连的关键。SDH体制对网络节点接口（NNI）作了统一的规范。规范的内容有数字信号速率等级、帧结构、复接方法、线路接口、监控管理等。这就使SDH设备容易实现多厂家互连，也就是说在同一传输线路上可以安装不同厂家的设备，体现了横向兼容性。SDH体制有一套标准的信息结构等级，即有一套标准的速率等级。基本的信号传输结构等级是同步传输模块STM-1，相应的速率是155Mbit/s。高等级的数字信号系列例如：622Mbit/s（STM-4）、2.5Gbit/s（STM-16）等，是通过将低速率等级的信息模块（例如STM-1）通过字节间插同步复接而成，复接的个数是4的倍数，例如：STM-44STM-1，STM-164STM-4。SONET定义了称为同步传输信号（synchronous transport signal,STS）的电子信号等级系列。SDH也定义了一个相似的系统，称为同步传输模块（synchronous transport model,STM）（2）光接口方面线路接口（这里指光口）采用世界性统一标准规范，SDH信号的线路编码仅对信号进行扰码，不再进行冗余码的插入。想想看，为什么会这样？扰码的标准是世界统一的，这样对端设备仅需通过标准的解码器就可与不同厂家SDH设备进行光口互连。扰码的目的是抑制线路码中的长连“0”和长连“1”，便于从线路信号中提取时钟信号。由于线路信号仅通过扰码，所以SDH的线路信号速率与SDH电口标准信号速率相一致，这样就不会增加发端激光器的光功率代价。 复用方式：由于低速SDH信号是以字节间插方式复用进高速SDH信号的帧结构中的，这样就使低速SDH信号在高速SDH信号的帧中的位置是固定的、有规律的，也就是说是可预见的。这样就能从高速SDH信号例如2.5Gbit/s（STM-16）中直接分/插出低速SDH信号例如155Mbit/s（STM-1），从而简化了信号的复接和分接，使SDH体制特别适合于高速大容量的光纤通信系统。另外，由于采用了同步复用方式和灵活的映射结构，可将PDH低速支路信号（例如2Mbit/s）复用进SDH信号的帧中去（STM-N），这样使低速支路信号在STM-N帧中的位置也是可预见的，于是可以从STM-N信号中直接分/插出低速支路信号。注意此处不同于前面所说的从高速SDH信号中直接分插出低速SDH信号，此处是指从SDH信号中直接分/插出低速支路信号，例如2Mbit/s，34Mbit/s与140Mbit/s等低速信号。于是节省了大量的复接/分接设备（背靠背设备），增加了可靠性，减少了信号损伤、设备成本、功耗、复杂性等，使业务的上、下更加简便。 运行维护方面：SDH信号的帧结构中安排了丰富的用于运行维护（OAM）功能的开销字节，使网络的监控功能大大加强，也就是说维护的自动化程度大大加强。PDH的信号中开销字节不多，以致于在对线路进行性能监控时，还要通过在线路编码时加入冗余比特来完成。以PCM30/32信号为例，其帧结构中仅有TS0时隙和TS16时隙中的比特是用于OAM功能。SDH信号丰富的开销占用整个帧所有比特的1/20，大大加强了OAM功能。这样就使系统的维护费用大大降低，而在通信设备的综合成本中，维护费用占相当大的一部分，于是SDH系统的综合成本要比PDH系统的综合成本低，据估算仅为PDH系统的65.8%。 兼容性：SDH有很强的兼容性，这也就意味着当组建SDH传输网时，原有的PDH传输网不会作废，两种传输网可以共同存在。也就是说可以用SDH网传送PDH业务，另外，异步转移模式的信号（ATM）、FDDI信号等其他体制的信号也可用SDH网来传输。SDH：目的就是通过时分复用利用光纤资源。复用和解复用方便、成本低、性能高。& 诀窍：在SDH网中，SDH的信号实际上起着运货车的功能，它将各种不同体制的信号（本课程主要是指PDH信号）象货物一样打成不同大小的（速率级别）包，然后装入货车（装入STM-N帧中），在SDH的主干道上（光纤上）传输。在收端从货车上卸下打成货包的货物（其它体制的信号），然后拆包封，恢复出原来体制的信号。这也就形象地说明了不同体制的低速信号复用进SDH信号（STM-N），在SDH网上传输和最后拆分出原体制信号的全过程。3.6.1 SDH的连接和分层l SDH的连接（组网设备）n 四种常见设备：SDH传输网是由不同类型的网元通过光缆线路的连接组成的，通过不同的网元完成SDH网的传送功能：上/下业务、交叉连接业务、网络故障自愈等。下面我们讲述SDH网中常见网元的特点和基本功能。(1)TM终端复用器 终端复用器用在网络的终端站点上，例如一条链的两个端点上，它是一个双端口器件，如图它的作用是将支路端口的低速信号复用到线路端口的高速信号STM-N中，或从STM-N的信号中分出低速支路信号。请注意它的线路端口输入/输出一路STM-N信号，而支路端口却可以输出/输入多路低速支路信号。在将低速支路信号复用进STM-N帧（将低速信号复用到线路）上时，有一个交叉的功能，例如：可将支路的一个STM-1信号复用进线路上的STM-16信号中的任意位置上，也就是指复用在116个STM-1的任一个位置上。将支路的2Mbit/s信号可复用到一个STM-1中63个VC12的任一个位置上去。对于华为设备，TM的线路端口（光口）一般以西向端口默认表示的。(2) ADM分/插复用器分/插复用器用于SDH传输网络的转接站点处，例如链的中间结点或环上结点，是SDH网上使用最多、最重要的一种网元，它是一个三端口的器件，如图。 图4-2 ADM模型ADM有两个线路端口和一个支路端口。两个线路端口各接一侧的光缆（每侧收/发共两根光纤），为了描述方便我们将其分为西（W）向、东向（E）两个线路端口。ADM的作用是将低速支路信号交叉复用进东或西向线路上去，或从东或西侧线路端口收的线路信号中拆分出低速支路信号。另外，还可将东/西向线路侧的STM-N信号进行交叉连接，例如将东向STM-16中的3#STM-1与西向STM-16中的15#STM-1相连接。ADM是SDH最重要的一种网元，通过它可等效成其它网元，即能完成其它网元的功能，例如：一个ADM可等效成两个TM。(3) REG再生中继器光传输网的再生中继器有两种，一种是纯光的再生中继器，主要进行光功率放大以延长光传输距离；另一种是用于脉冲再生整形的电再生中继器，主要通过光/电变换、电信号抽样、判决、再生整形、电/光变换，以达到不积累线路噪声，保证线路上传送信号波形的完好性。此处讲的是后一种再生中继器，REG是双端口器件，只有两个线路端口W、E。如图4-3所示： 图4-3 电再生中继器它的作用是将w/e侧的光信号经O/E、抽样、判决、再生整形、E/O在e或w侧发出。注意到没有，REG与ADM相比仅少了支路端口，所以ADM若本地不上/下话路（支路不上/下信号）时完全可以等效一个REG。真正的REG只需处理STM-N帧中的RSOH，且不需要交叉连接功能（we直通即可），而ADM和TM因为要完成将低速支路信号分/插到STM-N中，所以不仅要处理RSOH，而且还要处理MSOH；另外ADM和TM都具有交叉复用能力（有交叉连接功能），因此用ADM来等效REG有点大材小用了。(4) DXC数字交叉连接设备数字交叉连接设备完成的主要是STM-N信号的交叉连接功能，它是一个多端口器件，它实际上相当于一个交叉矩阵，完成各个信号间的交叉连接，如图4-4所示。 图4-4 DXC功能图DXC可将输入的m路STM-N信号交叉连接到输出的n路STM-N信号上，上图表示有m条入光纤和n条出光纤。DXC的核心是交叉连接，功能强的DXC能完成高速（例STM-16）信号在交叉矩阵内的低级别交叉（例如VC12级别的交叉）。通常用DXCm/n来表示一个DXC的类型和性能（注mn），m表示可接入DXC的最高速率等级，n表示在交叉矩阵中能够进行交叉连接的最低速率级别。m越大表示DXC的承载容量越大；n越小表示DXC的交叉灵活性越大。m和n的相应数值的含义见表4-1： 表4-1 m、n 数值与速率对应表m或n0123456速率64kbit/s2Mbit/s8Mbit/s34Mbit/s140Mbit/s 155Mbit/s622Mbit/s2.5Gbit/sl SDH的分层SONET defines four layers:path, line, section, and photonic.3.6.2 SDH的帧结构l SDH帧特点STM-N信号帧结构的安排应尽可能使支路低速信号在一帧内均匀地、有规律的排列。为什么呢？因为这样便于实现支路低速信号的分/插、复用和交换，说到底就为了方便的从高速SDH信号中直接上/下低速支路信号。鉴于此，ITU-T规定了STM-N的帧是以字节（8bit）为单位的矩形块状帧结构，STM-N的信号是9行270N列的帧结构。此处的N与STM-N的N相一致，取值范围：1，4，16，64，表示此信号由N个STM-1信号通过字节间插复用而成。由此可知，STM-1信号的帧结构是9行270列的块状帧，由上图看出，当N个STM-1信号通过字节间插复用成STM-N信号时，仅仅是将STM-1信号的列按字节间插复用，行数恒定为9行。SDH信号帧传输的原则是：帧结构中的字节（8bit）从左到右，从上到下一个字节一个字节（一个比特一个比特）的传输，传完一行再传下一行，传完一帧再传下一帧。STM-N信号的帧频（也就是每秒传送的帧数）是多少呢？ITU-T规定对于任何级别的STM-N帧，帧频是8000帧/秒，也就是帧长或帧周期为恒定的125s。8000帧/秒听起来很耳熟，对了，PDH的E1信号也是8000帧/秒。帧周期的恒定是SDH信号的一大特点，任何级别的STM-N帧它的帧频都是8000帧/秒。想想看PDH不同等级信号的帧周期是否恒定？由于帧周期的恒定使STM-N信号的速率有其规律性。例如STM-4的传输数速恒定的等于STM-1信号传输数速的4倍，STM-16恒定等于STM-4的4倍，等于STM-1的16倍。而PDH中的E2信号速率E1信号速率的4倍。SDH信号的这种规律性使高速SDH信号直接分/插出低速SDH信号成为可能，特别适用于大容量的传输情况。什么是字节间插复用方式呢？我们以一个例子来说明。有三个信号：帧结构各为每帧3个字节，若将这三个信号通过字节间插复用方式复用成信号D，那D就应该是这样一种帧结构：帧中有9个字节，且这9个字节的排放次序如下图： l STM-N的帧结构的组成：段开销，包括再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）；管理单元指针（AU-PTR）；信息净负荷（payload）。(1) 信息净负荷（payload）是在STM-N帧结构中存放将由STM-N传送的各种信息码块的地方。信息净负荷区相当于STM-N这辆运货车的车箱，车箱内装载的货物就是经过打包的低速信号待运输的货物。为了实时监测货物（打包的低速信号）在传输过程中是否有损坏，在将低速信号打包的过程中加入了监控开销字节通道开销（POH）字节。POH作为净负荷的一部分与信息码块一起装载在STM-N这辆货车上在SDH网中传送，它负责对打包的货物（低速信号）进行通道性能监视、管理和控制（有点儿类似于传感器）。信息净负荷并不等于有效负荷，因为信息净负荷中存放的是经过打包的低速信号，即将低速信号加上了相应的POH。(2) 段开销（SOH）是为了保证信息净负荷正常、灵活传送所必须附加的供网络运行、管理和维护（OAM）使用的字节。例如段开销可进行对STM-N这辆运货车中的所有货物在运输中是否有损坏进行监控，而POH的作用是当车上有货物损坏时，通过它来判定具体是哪一件货物出现损坏。也就是说SOH完成对货物整体的监控，POH是完成对某一件特定的货物进行监控。当然，SOH和POH还有一些管理功能。段开销又分为再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH），分别对相应的段层进行监控。我们讲过段其实也相当于一条大的传输通道，RSOH和MSOH的作用也就是对这一条大的传输通道进行监控。那么，RSOH和MSOH的区别是什么呢？简单的讲二者的区别在于监管的范围不同。举个简单的例子，若光纤上传输的是2.5G信号，那么，RSOH监控的是STM-16整体的传输性能，而MSOH则是监控STM-16信号中每一