网络通信技术基础.ppt

Page1 课程目标 学习完此课程 您应能 了解区别语音及数据业务的流量特征理解共享资源系统的两个基本原理掌握较静态 动态复用技术的特点理解按照业务需求选择通信技术 架构网络 Page2 内容介绍 网络通信技术理论基础链路通信技术子网通信技术未来网络的架构及实现技术 Page3 通信网络的业务需求 PSTN接入设备 LAN 通信网中存在着各类资源 其中最重要的是信道带宽资源 如何采用合适通信技术以对入网数据在信道中进行有效 可靠的传输与交换 Page4 通信网络的业务需求 PSTN接入设备 LAN 通信网中存在着各类资源 其中最重要的是信道带宽资源 如何采用合适通信技术以对入网数据在信道中进行有效 可靠的传输与交换 Page5 通信网络的业务需求 PSTN接入设备 LAN 通信网中存在着各类资源 其中最重要的是信道带宽资源 如何采用合适通信技术以对入网数据在信道中进行有效 可靠的传输与交换 传送网络 Page6 通信网络的业务需求 PSTN接入设备 LAN 通信网中存在着各类资源 其中最重要的是信道带宽资源 如何采用合适通信技术以对入网数据在信道中进行有效 可靠的传输与交换 宽带综合传送网络 语音业务 数据业务 综合业务 Page7 通信网的业务分析 通信网内被操作的最基本动态实体 就是 数据 体现为比特流或是报文 通信的对象语音业务 以人为受体 数据业务 以机器为受体 传送的过程语音业务 体现为比特流 数据业务 体现为报文或是分组 思考 我们的生活中 有哪些通信网络 并简单描述它的1 2个特点 Page8 业务的流量特征 计算机数据业务 在时间上是 间歇 式的 在需求量上是 突发 式的 若提供大容量资源让其完全占用 极不经济 若只提供小容量系统 则在它们有峰值需求的时候却不能满足 一种典型的用户需求表现为稀疏的访问次数 但每次访问却要求获得对通信处理能力的高速度要求 由测量表明 从终端到主机的通信线路平均使用时间不超过5 用户业务体现为高的突发峰值率和的平均数据率 这样的话 语音业务 流量均衡 带宽需求小 实时要求高 时延要求小于200ms PSTN网络 一路PCM话音业务的速率为64Kb s 实时传送 GSM网络 一路RPE LTP 或CELP 话音业务的速率为13Kb s 实时传送 Page9 共享资源系统的传送模型 在介绍数据流量特征之后 我们以一个共享资源的多业务传送系统为例 我们可以应用某些方案去调度信道资源以完成数据的传送 图1是其中的两种方案 图1 a 把总资源分成m个单独的个体资源 划归给m个用户各自专用 构成m个专用资源系统 图1 b 所有个体资源都集中起来 只要有任一个用户请求资源 就可以分配空闲的资源归它使用 从资源被分割的程度上 我们称图1 a 为复杂系统 图1 b 为简单系统 Page10 共享资源系统传送模型分析 图1 a 复杂系统优点 用户的数据在各自的专用小系统中传送 资源有保证 可以达到满意的服务质量等级 缺点 资源浪费 即使在某个用户空闲期间 它仍占据着分配给它的那部分资源 若某一用户的瞬间需求量超过其所占资源的容量时 无法满足需求 经济效益较低 图1 b 简单系统优点 大的资源容量 虽然总容量不变 能更好的满足用户在某个短时间内的大业务需求 同时意味着系统将以更高的速度提供服务 缩短用户请求的服务时间 缺点 用户对资源存在竞争的情况 服务质量难以实现 Page11 共享资源的两个基本原理 一 大数定律 数据通信中 通信流量是波动的 例如 视频流的峰值速率可以比它的平均速率高出10倍 为防止数据丢失 网络节点要能给每个流分配的带宽等于这个流的峰值速率 但这种分配资源利用率极低 网络可以考虑某些方法来减少分配给每一条连接的带宽 基于这样的事实 不同信道的通信流量 其流量波动是独立分布 当一个信道速率大于平均值时另一个信道的速率却可能小于平均值 所以 许多信道速率的重叠将更接近期平均值 理论上 根据大数定律 设 1 2 是一相互独立同分布的数学期望为a的随机变量序列 则当变量数n 时 它们的算术平均值以等于1的概率落在客观真值a的任意小的邻域内 大数定律应用到资源共享系统的表述 如果所有用户对资源的需求是相互独立的 同分布的随机需求 则当用户数n 时 它们对资源的总合平均需求非常接近于每个用户的平均需求的算术和 Page12 共享资源的两个基本原理 一 大数定律 续 结论1 在系统资源总容量相同的情况下 简单系统优于复杂系统 也就是说 虽然每个用户对于资源的需求在时间上是间歇式的 在量上突发式的 但如果我们将各用户对资源的需求进行集中的调度 整体上将平滑对资源的需求 提升了网络资源利用率 可以更小的带宽满足客户的需求 举例 投掷硬币 投掷1000次硬币 出现约500正面 出现600次以上正面的概率非常小 约为10 10 同样的 若某共享通道存在1000个数据源 每一个有一半的时间不发送信息 另一半的时间以速率a传输 那么总速率很少超过600a 概率小于10 10 Page13 共享资源的两个基本原理 二 规模经济性 通信网络与经济规模有密切的关系 大规模网络有两点优势 例如 若将一个数据通信子网中所有链路容量加倍 同时也使入网的业务量加倍 从而保持子网内业务强度不变 则由排队理论不难证明 这时对用户报文的平均迟延将缩短一倍 结论2 在业务强度相同的情况下 较大型系统优于较小型系统 资源总容量和用户的需求量同时都按比例增加时 在一定范围内 系统规模愈大 系统的性能愈好 网络上用户的平均费用随着网络规模增大而减少 1 光纤通信 传输连接的费用增长比自身的容量和速度的增长要慢 2 网络运维费用并不会随网络规格的变化而有太大的波动 Page14 共享资源的两个基本原理 二 规模经济性 续 要体现规模经济性 必须吸引更多的客户 高性能网络应支持多业务应用 网络要能够以高速率 低延迟来传送用户的数据 举例 性能提升 对于单用户的2M速率网络 用户所允许峰值速率为2M 若要传送1518字节的报文 传送时延为 6 07ms 对于50个用户组成的共享资源100M速率网络 用户所允许的峰值速率为100M 若要传送1518字节的报文 传送时延为 0 12ms 考虑到共享系统的排队时间 典型值为4个报文 时延为0 48ms 当若干个独立的网络互连 对用户而言 网络的重要性增加了 因为人数多了就意味着可以和更多的人交流 另一方面网络合并的规模经济效应 这两点形成了正馈 促时了网络的指数增长 最典型的例子是Internet Page15 问题 Q1 简单系统和复杂系统分别有何优缺点 Q2 请简单描述一下大数定律和规模经济性的基本概念 Page16 本节我们主要学习了 通信网络的基本业务需求通信网的业务分析和业务的流量特征共享资源系统的传送模型共享资源系统的两个基本原理 小结 Page17 内容介绍 网络通信技术理论基础链路通信技术子网通信技术未来网络的架构及实现技术 Page18 常见网络通信技术 在网络通信中 广泛采用多个通信实体共用一条公共信道的方法实现同时多对实体间的通信 主要的公共信道多址通信技术有 公共信道复用技术 将传输信道在频率域时间域上进行分割 形成若干个相互独立的子信道 每一子信道单独传输一路数据信号 随机多址接入技术 网络结点在一定的限度内独立随机地以信道总带宽所允许的最高速率发送和接收报文 思考 SDH 波分 ATM 以太网分别是属于哪种复用技术 Page19 同步时分复用 一 在发送端 将多路数据分段在一系列等宽的时隙内 通过复合电路将数据按序交错在一起发送到线路传输 在目的端 通过同步定时扫描电路 将时隙序列中的各路数据分离开来 Page20 同步时分复用 二 A B C D 第1帧 第2帧 T1 T2 T3 复用线路 收发两端需要同步工作 要求有良好的同步系统 设备内部各复用电路部件基本通用 易实现高速传送 适宜用于流量稳定的实时网络 由于通信的间歇性 势必存在一些空闲时隙 带宽利用率不高 TDM 思考 若上图反映的是PCM系统的结构 请简述其工作框图 Page21 同步时分复用 三 技术应用 SDH 问题 SDH的接口速率 155M 622M 2 5G 10G 远高于大多数宽带数据网络 DDN2M 10M 100M 为什么却定位在窄带网络传送中 SDH 是一整套可进行同步数字传输 复用和交叉连接的标准化数字信号的等级结构 字节间插方式复用 低速信号在高速信号的帧中的位置是固定的 可预见的 这样易实现高速大容量的光纤通信系统 基本传输模块 STM 1 可以容纳PDH的三个数字信号系列和其它体制的数字信号系列 ATM FDDI DQDB等接入业务以2M的实时传送为主 Page22 统计时分复用 一 A B C D 第1帧 第2帧 T1 T2 T3 复用线路 统计时分复用 又称异步时分复用 根据数据源对信道带宽的实际需求 动态地分配时隙的数目 Page23 统计时分复用 二 A B C D 第1帧 第2帧 T1 T2 T3 复用线路 节省信道资源 允许接入更多的数据源复用帧的时隙与数据源的对应关系不会固定不变 为了使复用数据源能在接收端正确地被分离出来 每个时隙必须附加地址域 Page24 统计时分复用 三 技术应用 ATM ATM 异步转移模式 是一种定长信元的统计复用技术 地址域采用VPI和VCI进行标识 面向连接的多速率的快速分组交换 支持多业务应用 在保证业务质量要求的前提下 业务间动态地分配带宽 以达到最佳的资源利用率 对实时业务提供完全的QoS保证 虚通路 VC Page25 随机多址接入 一 数据业务具有很明显的突发性和间歇性 在业务量和发送速率上都有很高峰值 平均比率 即每个网络结点绝大部分时间不产生报文 一旦出现报文要求传送 立即以信道的总带宽所允许的最高速率突发发送出去 Page26 随机多址接入 二 思考 CSMA CD在减少发送冲突方面所采取的控制策略 各独立节点随机地使用信道是会出现报文冲突 只要不同节点发送的报文在时间上有一个比特以上的重叠 就会使被重叠整个报文出错 改进方案 信道监测 随机退避延时 碰撞检测 报文分组 Page27 随机多址接入 三 以太网广泛应用于局域网 尤其是在数据流量不均匀的计算机网络中 存储 转发 分组交换 通过MAC址址实现二层交换 半双工时采用CSMA CD访问机制 Page28 问题 Q1 请简述同步时分复用和统计时分复用的区别 Q2 CSMA CD在减少发送冲突方面所采取的控制策略 Page29 本节我们主要学习了 主要的公共信道多址通信技术分类同步时分复用技术的基本概念统计时分复用技术的基本概念随机多址接入技术的基本概念 小结 Page30 内容介绍 网络通信技术理论基础链路通信技术子网通信技术未来网络的架构及实现技术 Page31 子网通信 通信子网是由若干网络结点和链路按某种拓扑形式互连起来的网络 能为所有的进网数据流提供从源结点到宿结点的通路 而实现这种数据通路的技术就称为 数据交换技术 通信子网以交换和传输数据为目的 存储 转发式交换根据交换的数据单元不同 又分为报文交换 messageswitching 和分组交换 packetswitching 数据交换方式按网络结点对途经的数据流所实施的转接方法不同来分类 Page32 线路交换 线路交换在入网数据流的源端与宿端之间建立起一条直通线路 通信过程包括三个阶段 1 线路建立阶段 2 数据传输阶段 3 线路折除阶段 A站与B站在数据传输期间 通信子网各结点始终保持线路连结 不对数据流的速率和形式作任何解释 变换和存储等处理 完全直通的透明传输 线路交换方式下的信道利用率是很低的 因为通路上所有链路在通信建立期间都被占用 在性能方面 除线路的传输时延外 没有其它附加时延 因此适于连结时间长 批量大的实时数据传输 对于需要长期连结的站之间可使固定连结 这时不存在呼叫建立和拆除线路这两个阶段 Page33 报文交换 报文交换不要求在源端与宿之间建立一条专用数据通路 每个结点是先将报文完整地接收并存储下来 然后选择合适的链路转发到下一结点 报文是按接力方式传送的 通信的双方事先并不确知报文所要经过的传输通路 一个结点对于一份报文所造成的时延包括转发报文传送时间存储处理时间排队时间 报文交换的特点 不要求每条链路的数据速率相同 传输的差错控制各条链路上进行 不必由终端设备介入 任何时刻一份报文只占用一条链路的资源 Page34 分组交换 分组交换 亦称 包交换 与报文交换同属于存储 转发式交换 其差别在于参与交换的数据单元的长度不同 分组交换会首先将报文按规定长度划分成若干分组 每个分组都上附上地址及其它信息 分组交换的通信方式可以采用与报文交换相同的转发方式 也可以采用类似前述的线路交换方式 即虚线路分组交换 通过类似于呼叫的过程建立一条通往目的站的逻辑通路 并对分组数据分配一个 逻辑信道 标识号 以保证所有分组能沿着同一条通路传输到目的地 分组交换的优点减少存储 转发时延 节省存储空间 减少传送的出错概率 虚线路分组交换与线路交换的区分 网络结点仍是存储 转发过程 虚线路标识号只是逻辑信道 不是专用的物理线路 信道资源是共享的 Page35 分组交换与电路交换的不同特征 每当建立新的连接或是拆除旧的连接时 电路交换机的配置就要改变 每当新的分组到达时 分组交换机必须做出转发的决定 由于电路交换呼叫的持续时间为几分钟 而新分组到达只是几微秒 这个差别很大程度上影响了交换机的设计和性能 电路交换 当处于连接建立阶段时 网络为所允许的呼叫分配一条贯穿网络的路由 并为沿该路由的每条链路分配一条空闲电路 由于是端到端的有固定带宽的连接 交换机内部不需要缓冲区 分组交换 首先 从同一个输入链路连续到达的两个分组的目标可能是不同的输出链路 在分组交换机中的转发决定会随着每个分组的到达而改变 其次 控制器必须检查流入的每个分组 以获得目的地址标识符或是虚电路标识符 第三 控制器必须决定该分组的输出链路和分组可能的新头部 第四 一个流入的分组可能会被复制发往多个输出端口 如组播应用程序 最后 分组交换在一个很短的时间可能会有超过链路带宽的分组通过相同的输出链路 必须有缓冲区来保存分组 Page36 分组交换网的流控技术 流量控制简称 流控 是协调链路两端的发送 接收端口之间的数据流量 以保证双方的数据吞吐量达到平衡的一种技术 在不同的层次上 各种流控协议独立地按照各自的机理发生控制作用 下图示出流控协议的层次关系 接下来我们讨论几种流控技术 Page37 流控技术 停等式流控 Stop and Wait应用于短距离的链路上 1 XON XOFF开关式流控 2 协议式流控 发送端将欲传输的数据分组装配并给予编号 发送一个数据帧后便主动停顿 等待接收端回送的表示认可的响应帧 ACK 一旦收到认可帧 就可发下一个帧 XON 请继续发送 XOFF 请停止发送 XON XOFF控制字符的发送权利在接收端 它对发送施行开关式控制 Page38 流控技术 滑窗式流控技术 SlidingWindow 停等式流控的不足 发送站一次只允许发送一个数据帧 然后就得等待对方的认可 链路利用率低改进目标 允许发送站一次能连续发送多个数据帧 使一次连续发送数据的时间大于等待认可的时间 滑窗式流控原理 发送端存有一个允许连续发送的帧序号集和即将发送帧号变量NS 在接收端存有一个允许连续接收的数据帧序号集和当前期望接收的帧序号NR 上述两个序号集分别称为发送窗口和接收窗口 窗口的大小以上限值和下限值为界 Page39 流控技术 滑窗式流控技术 SlidingWindow 以TCP为例 接收端 7 发送端 Page40 流控技术 停等式与滑窗比较 a 停等式 b 滑窗式 Page41 流控技术 基于速率的流量控制 当光纤容量被少量的源利用时 滑窗控制并不适用 因为 在目的地能给源发出某种拥塞正在发生的信号 当这种目的地发出的分组应答到达了源节点时 很多分组已被传送 这时对于源对降低它的传输速率可能太迟了 滑窗使得建立双路连接来传递应答成为必要 这也使得网络的操作复杂化 为了避免这些问题 我们可以使用基于速率的拥塞控制 这种基于速率的拥塞控制并不限制网络中每个源发出的分组的数量 而是限制了源传输分组的平均速率 应用一 对于Internet 基于速率的流量控制能在UDP中实现 接收器给源发送消息 指定期望的分组发送速率 这个源通过计算和控制分组间隔时间来实现这个速率 分组到达的比较晚 接收器发送一个经修正的较小速率 如果分组正常到达 接收器就要求正常速率或是线性增加 应用二 漏桶控制器 它也是基于速率的拥塞控制 推荐用于ATM网络中 Page42 问题 Q1 请简述虚线路分组交换与线路交换的区别 Q2 请简述分组交换与电路交换的不同特征 Q3 请简述各种流控技术的基本原理 Page43 本节我们主要学习了 数据交换技术流控技术的基本原理 小结 Page44 内容介绍 网络通信技术理论基础链路通信技术子网通信技术未来网络的架构及实现技术 Page45 高性能网络 能够支持多种网络应用并具有可扩展性的通信网络 网络的5个性质 异构性 处理各种各样的传送和终端技术以及应用的能力 PSTN Internet CATV Wi Fi LAN 服务质量 在网络和终端设备内预留资源的能力 确保满足某些可以预期和预料得到的性能指标 移动性 提供网络移动访问点的能力 可扩展性 适应将来各种新应用和用户的需要 体系结构必须能适应新技术和应用 安全性和可靠性 包括保证用户通信不被截取以及确保网络服务的高效性的能力 讨论 您心中的未来通信网络应是怎样的 衡量的参数 采用的技术 未来网络的架构及实现技术 Page46 高性能网络 能够支持多种网络应用并具有可扩展性的通信网络 技术指标 1 带宽 2 时延及时延抖动 3 分组出错率 Qos 1 服务优先级 2 队列 3 拥塞控制 4 资源预留协议 RSVP 带宽 简单看来 如果可能建造一个非常快的网络 性能问题就不存在了 路由转发协议 可以根据应用需求的不同来对各分组进行标号或者根据有可能进行的预先计算出的路由来对各个分组标号 而不单是根据目的地址来处理分组 未来网络的架构及实现技术 Page47 21C网络架构 企业总部 分支机构 CG CG PublicWLAN NTE 驻地用户 ADSL 移动通讯 无线局域 WLAN 移动 MOLO 数据中心 CG WiFi EthernetGE G 703 Cu Fibre Fibre ADSLSDSLFibre GE FCPISCSI ESCON LAN LAN LAN LAN Bluetooth WiFi Ethernet Cu Fibre WiFi EthernetGE G 703 CG NTE Fibre Fibre Fibre NTE NTE 包交换核心 Optical OEODWDM MPLSVPN 其它电信业者 互连网 GSM GPRS 3GNetwork 固定电话网 SDH GFP RPR GE PE IN DWDM 多媒体内容主站 Page48 21C网络架构 企业总部 分支机构 CG CG PublicWLAN NTE 驻地用户 ADSL 移动通讯 无线局域 WLAN 移动 MOLO 数据中心 CG WiFi EthernetGE G 703 Cu Fibre Fibre ADSLSDSLFibre GE FCPISCSI ESCON LAN LAN LAN LAN Bluetooth WiFi Ethernet Cu Fibre WiFi EthernetGE G 703 CG NTE Fibre Fibre Fibre NTE NTE 包交换核心 Optical OEODWDM MPLSVPN 其它电信业者 互连网 GSM GPRS 3GNetwork 固定电话网 SDH GFP RPR GE PE IN DWDM 多媒体内容主站 Page49 MSAN设备功能 Page50 Metro设备功能 物理 链路层网络接口支持 50MSAN节点CWDM波分接口SDHVC4交叉连接 数据包业务G703 ATM EthernetModemIPSec L2TP PPPQoSFirewallInternet MPLSroutingIPv4 IPv6 10 x x xNAT NetworkControlPlane 语音包业务TDM媒体网关OLO International ISDN30VoIP连接控制 Page51 Core设备功能 SDH Optical控制平台业务恢复 快速保护方案usingITU TG 841 智能控制平面definedinITU TG 771xseries 业务区分服务1到n的软硬件冗余 高性包交换目标 时延最大425us 抖动最大62us支持ATMCBRSLAs 2 5Gbpsto10Gbps接口支持MPLS Page52 21C网络架构分析 对光网络的设备的需求主要集中在以下几个方面 1 接入层具有FTTH综合接入能力的OMCPE设备 可以接入VoIP ADSL VDSL Ethernet 数字电视 VOD视频等接口 2 汇聚层 需要带有智能特性的小容量OCS 160G 和具有智能特性的CWDM设备 上述设备必须能够和业务层面的MPLS交换机能够进行管理层面和控制层面的互通 3 核心层 需要带有智能特性和具有波长交换功能的大容量的OCS 640G 和智能特性的DWDM设备 上述设备同样需要和核心层的Core Router 大容量MPLS 交换机进行管理层面和控制层面的互通 说明 1 因为TDM业务也将要IP化 现有的Metro设备在BT的21CN网络上不适用 2 光网络设备和数通设备的融合趋势在BT21CN中体现的淋漓尽致 最终需要由GMPLS协议来统一整个业务交换和传输层面 Page53 思考题 一 在传输突发性通信量时分组交换比电路交换更有效 因为A 分组交换的交换延迟更小 B 分组交换使用更快的链路 C 当带宽不再需要时不用再保留 D 电路交换使用低速的调制解调器传输 三 分组延迟取决于分组的大小和信息编码速率 对于下面的情况 有两种分组 ATM信元和1000字节的IP包 提供分组传送服务 请计算它们的延迟 1 每秒钟采样8000次的语音 每次采样编码为1个字节 即按照64Kbps的数据流进行编码传送 2 MPEG1 每秒钟要传输30帧 按照1Mbps的数据流进行编