宽带通信网--课程学习指导

1、宽带通信网课程学习指导资料 本课程学习指导资料根据该课程教学大纲的要求，参照现行采用教材通信网络基础（第2版）（李建东、盛敏、李红艳 编著，高等教育出版社，2011年5月），并结合远程网络业余教育的教学特点和教学规律进行编写，适用于计算机、通信及相关专业学生。第一部分 课程学习目的及总体要求一、课程的学习目的 近年来，通信网络在传统的电话交换网、分组交换网、计算机通信网的基础上得到了飞速发展，出现了多种新型的网络和技术，例如，宽带综合业务网（B-ISDN）、Internet、帧中继、千兆以太网、第三代移动通信系统（IMT-2000）等等。目前正在向下一代Internet、全光网络、第4代移动通

2、信等方向发展。尽管这些网络在形式上千差万别，但它们许多基本的原理都是相同的。本课程的主要目的就是要讨论这些网络的共性原理。希望通过本课程的学习，使学生们能够理解现在的各种新型通信网络的设计原理和依据，同时为通信专业的学生设计和构思其他新型的通信网络打下理论基础。二、课程的总体要求 本课程主要讨论以下问题：1)主要讨论通信网络的基本构成和协议体系、本书所需的数学基础及通信网络的基本理论问题；2)详细讨论了链路层、网络层和传输层的端到端传输协议：包括组帧、差错检测、自动请求重发（ARQ）、协议的初始化、差错控制和流量控制等；3)描述了单个排队系统的基本时延性能，并描述了多个排队队列组成的网络的时延

3、性能，给出的分析模型是常用的网络时延模型；4)分析了多个用户共享一个信道的问题多址技术，重点研究随机多址的基本特征（时延、通过量和稳定性）及其改进的方法；5)研究如何为数据分组选定合适的传输路径问题路由算法，给出了常用的最短路由算法，并讨论了路由信息的广播；6)讨论了维持网络正常运行的基本手段流量和拥塞控制，重点研究了窗口式和漏斗式流量和拥塞控制方法。7)简要讨论了通信网的拓扑设计。 本课程着重从基础理论出发，详细地讨论了通信网络的基本构成、协议体系以及相关的基础理论。同时，本课程又对通信网络设计中需要考虑的各种问题进行了系统深入的理论分析，通过这种由表及里、由浅入深的过程，加深学生们对通信网

4、络共性原理的理解。教学内容的安排综合考虑了通信网络的基础理论知识及最新发展现状，其主要目的就是要讨论这些网络的共性原理。希望通过本课程的学习，使学生们能够理解现在的各种新型通信网络的设计原理和依据，同时为通信专业的学生设计和构思其他新型的通信网络打下理论基础。第二部分 课程学习的基本要求及重点难点内容分析第一章 通信网络概论及数学基础 本章主要讨论通信网络的基本构成和协议体系、通信网络的基本理论问题及本书所需的数学基础。通信网络由一系列的终端、链路和节点构成，它们连接在一起，能使任意两个终端的用户进行通信。典型的通信网络有：计算机网络、互联网、电信网等。随着通信网络和计算机网络技术的飞速发展，

5、人们现在不仅可以享用传统的电信业务，如电话、传真等，还可以享用多种信息服务，如电子邮件、网上浏览、信息搜索、电子商务、网上娱乐等。如果希望在任何时间、任何地点都可以享用自己所需的信息服务，就必须要有一个通信网络作支撑。该网络能使用户通过多种传输手段连接到网络之中，并以高速骨干网为基础，实现多种类型网络的互联、互通，为不同要求的用户提供不同速率、不同服务质量、不同类型的信息传输。本章首先讨论通信网络的基本构成，接着讨论网络的分层结构，最后讨论通信网络的数学基础和应解决的基本理论问题。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容 通信网络中的数学基础；通信网络的基本理论问题。（2）应掌握的内容 通信网络的基

6、本构成；协议体系及分层的概念。2、本章重点难点分析（1）重点 通信网络的基本构成。（2）难点 协议体系及分层的概念。 通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）通信网络有哪些基本要素组成？试举例列出五种常用的通信网络。（2）常用的通信链路有哪些？其主要特征是什么？（3）试简述分组交换网的要点。（4）什么叫做虚电路？它与传统电话交换网中的物理链路有何差异？（5）ATM信元与分组有何差别？ATM网络是如何支持不同种类业务的？（6）分层的基本概念是什么？什么是对等层？（7）试述OSI七层模型和TCP/IP协议体系的区别和联系。（8）一个典型的通信网络可由哪些物理子网构成？路由器在该网络中的作用是

7、什么？（9）通信网络要研究的基本理论问题有哪些？3、本章典型例题分析例题1：设随机过程定义为：，其中Y是离散随机变量，且。试求该过程在时的均值，和时的自相关函数值。解： X(1) P1/2 1/2例题2：设随机过程是一个随机相位信号，即，式中A和wc为常量，q是一个均匀分布的随机变量，其概率密度函数为。试求的均值函数和自相关函数。并讨论其平稳性和各态历经性。解： 显然，的均值为常数，相关函数仅与时差有关，且为二阶矩过程，所以该随机过程是广义平稳的。 故的均值和相关函数都具有各态历经性，是各态历经过程。例题3：试求Poisson过程的均值函数，方差函数和相关函数。解：定义：称计数过程是参数为的P

8、oisson过程，如果：（1）；（2）是平稳的独立增量过程；（3）服从参数为的Poisson分布， 不妨设，则第二章 端到端的传输协议 本章详细讨论了链路层、网络层和传输层的端到端传输协议：包括组帧、差错检测、自动请求重发(ARQ)、协议的初始化、差错控制和流量控制等。物理层是为链路层提供一组虚拟的比特管道，本章将讨论在这样的比特管道上如何形成一条可靠的业务通道为上层提供可靠的服务。为了形成一条可靠的业务通道，首先解决如何标识高层送下来的数据块(分组)的起止位置，接着就要解决如何发现传输中的比特错误，最后要解决的就是发现错误后，如何消除这些错误。根据通信双方所处的相对位置不同，所采用的解决方法

9、(协议)也不同。若通信双方之间是通过一条物理链路直接相连，这时需采用链路层的协议来解决数据帧的传输错误；若通信双方是在一个通信子网内通过多条数据链路形成的通路相连，这时需要采用网络层的端到端传输协议采解决分组的传输错误；当通信双方处于不同的通信子网时，需要采用运输层的端到端传输协议来解决报文的传输错误。本章首先讨论组帧技术、差错检测、自动请求重发的协议和典型的数据链路层协议；接着讨论网络层的端对端传输协议、IP协议；最后讨论运输层的端到端传输协议。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容 链路层的差错控制技术；标准数据链路控制协议及其初始化。（2）应掌握的内容 组帧技术；网络层和运输层的点对点传输协

10、议。2、本章重点难点分析（1）重点 组帧技术。（2）难点 本章的难点就在于网络层和运输层的点对点传输协议。 通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）常用的组帧方式有哪几种？哪一种方式的传输开销最小？（2）接收机收到了如下一个采用十六进制表示的字符串，C0 C0 10 36 87 DB DC DB DC DC DD DB DD C0 7C 8D DC DB DC C0，试根据SLIP帧格式恢复出接收的帧。（3）针对输入序列01101111100111111010111111111101111010应用2.1.2节的比特插入技术，给出相应的输出结果。如果接收到的序列为：01111110111

11、1101100111110011111011111011000111111010111110,试移去插入的比特并指出Flag的位置。（4）设有一个奇偶校验码由3个数据比特和4个校验比特组成。假定3个码字分别为1001011, 0101101和0011110。试求产生该码的运算规则，并写出所有8个码字。并求出该码的最小距离（两个相同长度的码字之间的距离定义为两个码字比特取值不同的位置数）。3、本章典型例题分析例题1：令，求的余数。解：余数为 例题2：试证明停等式ARQ的序号可采用模2表示。证：根据停等式ARQ协议，当序号采用模2表示时仍可正常运行。描述如下： 发端A：（1）置SN0；（2）若从高

12、层接收到一个分组，则将SN指配给该分组，若没有分组则等待；（3）将第SN个分组装入物理帧中发送给接收节点B；（4）若从B接收到RNSN，则将SN模2加1，返回（2），若在规定时间内，并未收到B的RNSN的应答，则返回（3）。 收端B：（1）置RN0；（2）无论何时从A端收到一个SN=RN的分组，将该分组传送给高层，并将RN模2加1；（3）在接收到分组的规定有限时长内将RN放入一帧的RN域发送给A，返回（2）。例题3：在停等式ARQ中，设重发分组之间的间隔为（包括分组传输时间、传播时延、等待应答时间和处理时延等），分组正确接收的概率为，试证明最大的可传送的分组到达率。解：设任意一个分组平均需要发

13、送次才能成功，而一个分组发送次成功的概率为，从而有成功发送一个分组所需要的时间为，故第三章 网络的时延分析 本章主要讨论了信息网络中常用的时延模型，这些模型常用于多种网络的性能分析和评估。衡量网络传输能力的重要指标之一是：一个分组从源节点传到目的节点的时延。对时延的考虑将会影响网络算法和协议(如多址协议、路由算法、流量控制算法等)的选择。因此必须了解网络时延的特征和机制，以及网络时延取决于哪些网络特征。 网络中的时延通常包括四个部分：处理时延、排队时延、传输时延和传播时延。处理时延是指分组到达一个节点的输入端与该分组到达该节点输出端之间的时延(它可能包括CRC计算、分组头的重新计算、路由信息的

14、计算、控制信息的处理等)。若节点的传输队列在节点的输出端，则排队时延是分组进入传输队列到该分组实际进入传输的时延。若节点的输入端有一个等待队列，则排队时延是指分组进入等待队列到分组进入节点进行处理的时延。传输时延是指发送节点在传输链路上开始发送分组的第一个比特至发完该分组的最后一个比特所需的时间。传播时延是指发送节点在传输链路上发送第一个比特的时刻至该比特到达接收节点的时延。 本章首先描述了单个排队系统的基本时延性能，接着描述了多个排队队列组成的网络的时延性能，给出的分析模型是常用的网络时延模型。讨论了用于网络时延特性分析的主要定理和模型，包括Little(李特尔)定理、M/M/m排队系统、M

15、/C/1及其推广型排队系统、排队系统的网络等内容。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容 了解M/G/1型排队系统；M/M/m型排队系统。（2）应掌握的内容 Little定理；排队网络。2、本章重点难点分析（1）重点 Little定理；排队网络。（2）难点 本章的难点就在于Little定理；排队网络。 通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）设顾客到达一个快餐店的速率为每分钟5人，顾客等待他们需要的食品的平均时间为5分钟，顾客在店内用餐的概率为0.5，带走的概率为0.5。一次用餐的平均时间为20分钟。问快餐店内的平均顾客数是多少？（2）一个健忘的教授将与两个学生的会谈的时间安排在相同时间，设

16、会谈的区间是独立的，服从均值为30分钟的指数分布。第一个学生准时到达，第二个学生晚到5分钟，问第一个学生到达时刻到第二个学生离开的平均间隔是多少？（3）一个通链路的传输速率为50kb/s，用来服务10个Session，每个Session产生的Poisson业务流的速率为150分组/分钟，分组长度服从指数分布，其均值为1000bit。1）当该链路按照下列方式为Session服务时，对于每一个Session，求在队列中的平均分组数，在系统中的平均分组数，分组的平均延时。 10个相等容量的时分复用信道； 统计复用。2）在下列情况下重做1）： 5个Session发送的速率为250分组/分钟； 另5个S

17、ession发送的速率为50分组/分钟。3、本章典型例题分析例题1：在M/G/1系统中，试证明：P系统空闲=1- 忙区间之间的平均长度=忙区间的平均长度=在一个忙区间内服务的平均顾客数=证：（1）M/G/1系统中，系统繁忙的概率为系统空闲（2）忙区间之间的平均长度为闲期间的平均长度。由于闲期间是系统处于一顾客被服务后，下一个顾客到达之间的时期，即顾客到达的时间间隔，所以闲期间服从参数为的指数分布，所以忙区间之间的平均长度为 。（3）设忙区间平均长度为,则（4）在一个忙区间内服务的平均顾客数第四章 多址技术 本章分析了多个用户共享一个信道的问题多址技术，重点研究随机多址的基本特征(时延

18、、吞吐量和稳定性)及其改进的方法。本章讨论的主题是多址接入协议，它主要解决多个用户如何共享信道的问题。首先讨论了固定多址接入协议(TDMA、FDMA等)的特点并分析了它们的性能；然后讨论了最基本的随机多址接入协议ALOHA协议，并针对它的稳态性能及其稳定性做了深入的研究，同时还利用伪贝叶斯算法构造了一个稳定的ALOHA协议；接着针对ALOHA协议信道利用率不高的原因，研究了载波侦听型的多址接入协议(CSMA协议)，它可以有效地减少想接入信道的分组对正在传输的分组的影响。在CSMA协议基础上，还讨论了CSMA/CD协议和CSMA/CA多址接入协议。在随机多址接入协议的基础上进一步讨论了冲突分解算

19、法，给出了树形算法和FCFS算法。在研究了固定多址接入和随机多址接入协议之后，本章还讨论了基于预约的多址接入协议。当要传输的分组较长时，可以用一个很短的分组进行预约，如果预约成功，则该分组将无冲突的进行传输，预约可以是显式的也可以是隐式的。例如在CSMA/CD中，以分组头部来进行预约，如果分组头部未与其他分组碰撞，则该分组将无冲突地进行传输。以上几种多址接入方式都是针对全连通的网络来讨论的。在本章的最后部分，还对多跳连通的网络分组无线电网络进行了讨论，并讨论了在PRNET中利用无冲突的矢量集来提高系统利用率的方法。 从前面讨论的基本协议出发，可以构造出多种类型的协议，其基本方法就是预约与冲突分

20、组和固定分配相结合，所构造的多址接入协议不仅要支持单一的业务，而且还需支持多种不同类型的业务。这一方面仍然是多址接入协议需要研究的重点问题。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容 了解多址协议概述。（2）应掌握的内容 冲突分解算法；固定多址接入协议；随机多址接入协议；预约多址接入协议。2、本章重点难点分析（1）重点 冲突分解算法；固定多址接入协议；随机多址接入协议；预约多址接入协议。（2）难点 本章的难点就在于固定多址接入协议；随机多址接入协议；预约多址接入协议。 通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）固定多址接入协议的优缺点是什么？（2）在ALOHA协议中，为什么会出现稳定平衡点和不稳定

21、的平衡点，重传概率对系统的性能有何影响？（3）n个节点共享一个9600bit/s的信道，每个节点以每100s产生一个1000bit分组的平均速率发送数据分组。试求在纯ALOHA系统和时隙ALOHA系统中最大可容许的系统用户数N的值？（4）什么叫稳定的多址接入协议？使用伪贝叶斯算法的时隙ALOHA协议是不是稳定的多址接入协议？如果是，其稳定的最大通过率是多少？（5）CSMA协议的基本原理是什么？与ALOHA系统相比，为什么CSMA系统有可能获得更高的系统吞吐率？3、本章典型例题分析例题1：假设有以下两个CSMA/CD网：网络A是LAN（局域网），传送速率为5Mbit/s，电缆长1km，分组长度1

22、000bit；网络B是MAN（城域网），电缆长50km，分组长度1000bit。那么，网络B需要多大的传送速率才能达到与网络A相同的吞吐率？解：由于吞吐量是关于归一化载波侦听时延的函数，所以只要LAN和MAN有相同的就会有相同的吞吐量。由知得例题2：K个节点共享10Mbit/s的总线电缆，用CSMA/CD作为访问方案（即以太网LAN）。总线长500m，分组长L比特，假设网络上的K个节点总有业务准备传送（重负荷情况）。P是竞争时隙中一个节点发送分组的概率。令，传播速度是m/s。求竞争周期的平均时隙数、竞争周期的平均持续时间及以下两种情况的信道利用率。(1) bit。 (2) bit。解： 是竞争

23、时隙节点发送的概率在一个时隙发生竞争的概率为：设竞争周期的时隙数为，则后面一个时隙为非竞争时隙 平均的竞争周期时隙数为： 归一化的竞争周期的平均持续时间：去归一化： 稳态时的通过率 当时，当时，第五章 路由算法 本章研究如何为数据分组选定合适的传输路径问题路由算法，给出了常用的最短路由算法，并讨论了路由信息的广播。本章主要解决在网络中任意两个节点之间如何选取最好的传输路径问题。一个网络的设计者面临的问题包括：采用什么策略来选择合适的路由？依据什么信息来进行这种选择?应该如何执行这种选择的策略？用什么标准来评判选择路径的好坏等问题。 本章首先讨论了路由算法的作用和各种常用的路由算法，包括广域网中

24、的路由算法、互联网中的路由算法以及Ad Hoc网络的路由算法。然后，给出了最短路由的定义，并且详细介绍了三种集中式的最短路由算法(B-F算法、Dijkstra算法和F-W算法)。在此基础上讨论了分布式最短路由算法(距离矢量算法和链路状态法)。接着就分布式路由算法的稳定性问题进行了详细的讨论。最后介绍了如何实现路由信息的广播问题。1、本章学习要求（1）应熟悉的内容 了解自适应最短路由的稳定性分析。（2）应掌握的内容 路由算法概述；常用的路由算法；最短路由算法；路由信息的广播。2、本章重点难点分析（1）重点 路由算法概述；常用的路由算法；最短路由算法；路由信息的广播。（2）难点 本章的难点就在于路

25、由算法概述；常用的路由算法；最短路由算法。 通过完成下面作业可以更详细地理解和掌握。（1）一个理想的路由算法应具有哪些特点？为什么实际的路由算法总是不如理想的？（2）路由算法有哪些类型？所谓“确定型”和“自适应型”的分类，是在什么意义上而言的？（3）试述广域网的路由与互连网的路由的区别和联系？3、本章典型例题分析例题1：链路状态法的基本步骤是什么？它与距离矢量法相比有何优点？答：步骤：（1）发现邻节点，并获取它们的地址；（2）测量到达每一个邻节点的时延或成本；（3）构造一个分组来通告它所知道的所有路由信息；（4）发送该分组到所有其他节点；（5）计算到所有其他节点的最短路径。距离矢量法收敛速度慢

26、，时延的度量主要考虑队长，并没有考虑后来链路带宽的增长，链路状态法克服了这些缺点。第六章 流量和拥塞控制 本章讨论了维持网络正常运行的基本手段流量和拥塞控制，重点研究了窗口式和漏斗式流量和拥塞控制方法。流量和拥塞控制的目的是限制网络中分组传输的平均时延和缓冲区溢出，并公平地处理各session。本章首先介绍了几种常用的数据流控制技术：流量控制技术、拥塞控制技术和死锁防止技术，并对其在网络中所处的位置以及功能进行了详细的描述。然后，着重讨论了窗口式流量拥塞控制和漏斗式控制算法。在窗口式流量及拥塞控制中，算法才艮据网络的拥塞情况，动态地调整拥塞窗口的大小，从而到达调整流量和控制拥塞的目的；在漏斗式流控