《现代通信网》第一章绪论

1、现代通信网Modern Communication Networks1.1 通信网的基本概念1.2 通信网的交换技术1.3 通信网的体系结构及标准化组织1.4 通信网的服务质量1.5 通信网的发展史第1章 绪 论1.1.1 从通信系统到通信网通信系统：点到点的通信给定传输信道，如何进行有效的传输？任意点之间如何通信？各个相连：点到点的网络节点大量增加时，怎么办？交换式网络大量的用户通过交换节点连到骨干通信网上，节点间用少量的中继线路以共享的方式为大量用户服务，大大降低了骨干网的建设成本。交换节点的引入也增加了网络扩容的方便性，便于网络的控制与管理。网络举例：PSTN/IN 和 GSM Edge

2、AccessCoreGatewayCPESCPSDPSLCSLCTransitBSCBTSBTSATMHLRVLREIRAuCSCPSDPMSCSSPGMSC网络举例：互联网MetropolitanNetworkSLCRASISPBackbone NetworkGPRSNetworkISPBackbone NetworkMetroNetworkCampusNetworkISPBackbone NetworkDSLAMBTSGGSNWiFi定义：通信网是由一定数量的节点(包括终端节点、交换节点)和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。 1.

3、1.2 通信网的定义和构成硬件：通信网由终端节点、交换节点、业务节点和传输系统构成，它们完成通信网的基本功能：接入、交换和传输。软件：包括信令、协议、控制、管理、计费等，它们主要完成通信网的控制、管理、运营和维护，实现通信网的智能化。通信网的构成要素 3通信网的基本结构从功能的角度看，一个完整的现代通信网可分为相互依存的三部分：业务网传送网支撑网业务网负责向用户提供各种通信业务。如基本话音、数据、多媒体、租用线、VPN等。构成一个业务网的主要技术要素：网络拓扑结构、交换节点技术、编号计划、信令技术、路由选择、业务类型、计费方式、服务性能保证机制等，其中交换节点设备是构成业务网的核心要素。 1)

4、 业务网主要业务网的类型负责按需为交换节点/业务节点之间的互连分配电路，在这些节点之间提供信息的透明传输通道，它还包含相应的管理功能。构成传送网的主要技术要素有：传输介质、复用体制、传送网节点技术等。目前主要的传送网有SDH/SONET、PTN、和光传送网(OTN) 。 2) 传送网同步网。实现网络节点设备之间和节点设备与传输设备之间信号的时钟同步、帧同步以及全网的网同步，保证地理位置分散的物理设备之间数字信号的正确接收和发送。信令网。信令网负责在网络节点之间传送业务相关或无关的控制信息流。管理网。通过实时和近实时来监视业务网的运行情况，并相应地采取各种控制和管理手段，以达到在各种情况下充分利

5、用网络资源，保证通信的服务质量。 3) 支撑网从网络的物理位置分布来划分，通信网还可以分成用户驻地网CPN、接入网和核心网三部分。用户驻地网是业务网在用户端的自然延伸。接入网可以看成传送网在核心网之外的延伸。核心网包含业务、传送、支撑等网络功能要素。用户驻地网接入网接入网用户驻地网核心网网关网关其它运营商其它运营商按运营方式分公用通信网专用通信网按信号传输方式分数字通信网模拟通信网按空间距离分广域网(WAN：Wide Area Network)城域网(MAN：Metropolitan Area Network)局域网(LAN：Local Area Network)按业务类型分电话通信网(如PS

6、TN、移动通信网等）数据通信网(如X.25、Internet、帧中继网等)广播电视网1.1.3 通信网的类型通信网的拓扑结构1.1.4 通信网的拓扑结构1.1 通信网的基本概念1.2 通信网的交换技术1.3 通信网的体系结构及标准化组织1.4 通信网的服务质量1.5 通信网的发展史第1章 绪 论通信网的交换技术交换设备是通信网中最核心的设备，通信网可以按照节点交换信息的方式来分类。交换技术电路交换分组交换数据报虚电路（电话网，2G/2.5G等）（SS7，Internet等）(ATM，帧中继，X.25等)什么时候确定路由？信息从源端到目的端应走的路由是否进行资源预留？路由途经的节点是否进行资源预

7、留 1.2.1 电路交换(Circuit Switching)面向连接：三个阶段连接建立数据转发连接释放 静态复用：预先分配资源，没有空闲资源时,通信无法进行。例子：电话网（固定和移动2G/2.5G，N-ISDN）面向连接和无连接面向连接三个阶段连接建立数据传输连接释放适用于大批量、可靠的数据传输业务，网络控制机制复杂。无连接不需建立连接，可以直接通信 适用于突发性强、数据量少的数据传输业务。面向连接DATA电路建立 数据传输 电路释放 在节点1的处理时延交换节点1交换节点2主机1和2之间的传播时延主机1和节点1之间的传播时延静态复用每个“对话”分配一个“时隙”，固定的时隙数组成一“帧”。帧中

8、时隙的相对位置确定数据属于哪一个“对话”。发送方和接收方之间需要保持“同步”。1帧时隙电路交换的主要特点在连接建立阶段，为用户静态地分配通信所需的全部网络资源。在通信期间，资源将始终保持为该连接专用。在数据传输阶段，交换节点只是简单将用户信息在预先建立的连接上进行转发，节点处理时延可忽略不计，效率极高。很适合实时性要求高的通信业务。主要缺点是信道资源的利用率低。1.2.2 分组交换 (Packet Switching)信息以分组（packets)为单位在网络上传递分组以存储-转发的方式在节点进行交换以统计复用方式使用带宽资源两种类型:数据报：无连接虚电路：面向连接典型应用： X.25，Inte

9、rnet，ATM等分组交换网应用报文控制字段用户数据应用报文分组交换输入链路输出链路交换节点Memory1）数据报（Datagram）无连接统计复用无连接Packet 1Packet 2Packet 3Packet 1Packet 2Packet 3Packet 1Packet 2Packet 3分组1在节点2的处理时延主机1和节点1之间的传播时延分组1的传输时延主机1主机2交换机1交换机2无连接Host AHost BHost EHost DHost CNode 1Node 2Node 3Node 4Node 5Node 6Node 7统计复用来自一个“对话”的数据可以在任何时间传送，没有时

10、隙的限制。按需分配数据报特点每一个分组在节点被独立交换每个分组头包含全局的目的地地址无连接不为“对话”预先分配资源数据报优缺点主要优点协议简单，无需建立连接，无需为每次通信预留带宽资源，带宽利用率高。抵抗网络故障的能力很强。特别适合于突发性强，数据量小的通信业务。主要缺点分组在网络上传输时，需要携带全局有效的网络地址。在每一个交换节点，都要经历一次存储、选路、排队等待线路空闲，再被转发的过程，因而传输时延大。数据报不适用于大数据量、实时性要求高的业务。例子: IP网，SS7网2）虚电路方式(Virtual Circuit)分组交换和电路交换的结合数据以分组为单位传输面向连接:来自同一个”对话”

11、的所有分组沿着预先建立的一条路径传输统计复用虚电路分组交换：面向连接Packet 1Packet 2Packet 3Packet 1Packet 2Packet 3Packet 1Packet 2Packet 3VC建立VC释放数据传输主机1主机2交换机1交换机2主机1到交换机1之间的传播时延虚电路分组交换：面向连接Host AHost BHost EHost DHost CNode 1Node 2Node 3Node 4Node 5Node 6Node 7虚电路特点“虚”的含义：只确定路由，不预留资源虚电路建立阶段，网络完成的工作只是确定两个终端之间用户分组传输应走的路由，并不进行静态的带宽

12、资源预留。来自不同虚电路的分组可能交织在一起分组头不必携带全局的目的地地址例子: ATM，X.25CO vs. CL面向连接：适用于大批量可靠的数据传输业务，但网络控制机制复杂。电话网，ATM等无连接方式：控制机制简单，适用于实时，突发性强、小批量的数据传输业务。信令网，Internet等电路交换 vs. 分组交换电路交换：资源利用率不高但实时性好适用于：实时性要求高的业务分组交换：资源利用率高实现统计复用，支持可变速率业务引入节点转发时延，要处理拥塞问题适用于：突发性强的业务总结：电路交换：确定路由，资源预留虚电路：确定路由，不预留资源数据报：不确定路由，不预留资源 3帧中继主要用于局域网高

13、速互连业务主要设计思想：取消了逐段差错控制和流量控制功能，网络只检错，不纠错，纠错和流量控制由终端来完成第二层的统计复用和面向连接控制分组和用户分组分离 4ATMATM (Asynchronous Transfer Mode),异步传送模式，主要设计目标是在一个网络平台上用分组交换技术来实现话音、数据、图像等业务的综合传送交换。ATM技术特点固定长度的分组，称为信元。继承了统计复用和虚电路技术，但又对传统分组交换使用的纯统计复用技术作了改进。继承了不在核心网中进行逐段流量控制和差错控制的思想。引入ATM适配层，即AAL层，与特定类型业务相关的功能，均在该层实现。主要广域网交换技术比较1.3.1

14、 网络分层的概念1网络分层的原因可以降低网络设计的复杂度。方便异构网络设备间的互连互通。增强了网络的可升级性。促进了竞争和设备制造商的分工。 1.3 通信网的体系结构及标准化组织1.3 通信网的体系结构及标准化组织1.3.1 网络体系结构网络体系结构不是指网络的物理结构，而是指为实现互连，网络设备必须实现的通信功能的逻辑分布结构，以及必须遵守的相关通信协议所组成的一个集合。 举例：邮政系统的结构与运行过程 举例：信封的书写方法1.3.1 网络体系结构 从广义的角度讲，人们之间的交往就是一种信息交互的过程，我们每做一件事都必须遵循一种事先规定好的规则与约定。那么，为了保证通信网络中的大量通信设备

15、之间有条不紊地交换数据，就必须制定一系列的通信协议。因此，协议是通信网中一个重要与基本的概念。1.3.2 分层通信体系结构为什么分层？人们对于一些难以处理的复杂问题，通常是分解为若干个较容易处理的小一些的问题。举例：距离对于邮政通信系统，它是一个涉及全国乃至世界各地区亿万人民之间信件传送的复杂问题。解决方法：将总体要实现的很多功能分配在不同的层次中，每个层次要完成的服务及服务实现的过程都有明确规定；不同地区的系统分成相同的层次；不同系统的同等层具有相同的功能；高层使用低层提供的服务时，并不需要知道低层服务的具体实现方法。 1.3.2 分层通信体系结构将通信的功能划分为若干层次，每一个层次完成一

16、部分功能。每一层经处理和过滤后，将有效信息传递给上一层，称为“提供服务”，同时向下一层“请求服务”，每一层都只和与其直接相邻的两层打交道，其中上一层称为它的服务用户，下一层称为它的服务提供者。 1. 对等层(Peer)位于不同系统上的对应层实体 2. 协议位于一个系统上的第N层与另一个系统上的第N层通信时所使用的规则和约定的集合。一个通信协议主要包含以下内容：语法：协议的数据格式；语义：包括协调和错误处理的控制信息；时序：包括同步和顺序控制。3. 对等层间的通信4. 接口和服务接口：位于每一对相邻层之间，定义了层间原语操作和下层为上层提供的服务。相邻层间的接口也称为服务接入点SAP（Servi

17、ce Access Point）。SAP用一组确定的服务原语实现。服务只在服务访问点(SAP)处有效，也就是说，第N+1层必须通过第N层的SAP来使用第N层提供的服务。OSI定义了请求、指示、响应、证实四种类型的原语。相邻层间的接口关系1.3.3 OSI和TCP/IPOSI参考模型ISO International Standard OrganizationOSI Open System Interconnection开始于 1978年；第一个标准发布于 1979目标：一个通用的 open standard 允许设备提供商用自己的实现来制造符合标准的设备，并实现互联、互通，以促进市场的开放和公

18、平竞争！ 七层1至3层称为通信子网，它只负责在网上任意两个节点之间传送信息，而不负责解释信息的具体语义。5至7层称为资源子网，它们负责进行信息的处理，信息的语义解释等。第4层为运输层，它是下三层与上三层之间的隔离层，负责解决高层应用需求与通信子网提供的服务之间的不匹配问题。OSI参考模型ApplicationPresentationSessionTransportNetworkDatalinkPhysicalApplicationPresentationSessionTransportNetworkDatalinkPhysicalNetworkDatalinkPhysicalPhysical

19、medium关注如何在终端上实现进程通信和业务关注如何将数据通过网络传给特定主机OSI模型中的数据传输每一层只能使用它的相邻层提供的服务。每一层都可能修改或增加一个Header字段到穿越它的一个分组。datadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadatadata物理层服务：在两个通过物理链路直连的系统之间传递信息。接口：规定比特收发的详细规则。 协议：比特编码方案, 比特的电压, 比特速率。实现物理层规范的主要部件：线缆系统组件适配器，连接器HubNetwork Interface Card(NIC)数据链路层服务： Framing：成帧数据帧

20、的收发：在直连的两点之间通过物理介质其它 (可选项)：媒介访问控制可靠传输流量控制接口：发送帧到连接物理媒介的设备上。协议：帧格式，物理地址, 访问控制协议 (例子：CSMA/CD)网络层服务： 将分组交付给指定的目的地分段/重装 可选项:分组调度缓存管理接口：将分组发给指定的目的地send 协议：定义全局唯一地址; 定义构建路由表的规则实现该层功能的主要设备路由器三层交换机运输层服务： 提供一个 error-free 和 flow-controlled端到端的连接基于传输层连接的复用在一个网络连接上复用多个传输层连接。接口：发送分组到指定目的地协议：实现可靠性和流量控制实例: TCP 、 U

21、DP会话层服务：对话管理，访问控制同步, 提供检测点 接口：服务相关协议：对话管理表示层服务：在两个不同的表示方法之间执行转换接口：服务相关协议：定义数据格式，以及格式间转换的规则应用层服务：任何提供给端用户的网络服务接口：应用相关协议：应用相关实例：FTP，Telnet，WWW 浏览例：文件传送程序应用层：打开要传送的文件，提取收件人地址表示层：对文件加密会话层：初始化本次传送过程传输层：建立一个连接网络层：打包，添加收件人网络地址数链层：封装成帧物理层：将二进制电信号在电缆上传递强调： OSI的目标是用这一模型取代各种不同的互连通信协议，不过以OSI为背景虽已经开发了很多协议，但七层模型实

22、际上并未被接受。其中一个原因是OSI过于复杂。TCP/IP协议体系结构应用层：包含支持不同的用户应用的应用逻辑。运输层：为应用层提供可靠的数据传输机制。对每一个应用，运输层保证所有的数据都能按其发送时的顺序到达目的地。IP层：该层执行在不同网络之间IP分组的转发和路由的选择。网络接入层：负责一个端系统和它所在的网络之间的数据交换。物理层：定义数据传输设备与物理介质或它所连接的网络之间的物理接口。 Internet今天的成功主要归功于TCP/IP协议的简单性和开放性。从技术上看，TCP/IP的主要贡献在于：明确了异构网络之间应基于网络层实现互连的思想。一个独立于任何物理网络的逻辑网络层的存在，使

23、得上层应用与物理网络分离开来，网络层在解决互连问题时无需考虑应用问题，而应用层也无须考虑与计算机相连的具体物理网络是什么，从而使得网络的互连和扩展变得容易了。 OSI与TCP/IP应用层运输层网络层表示层会话层数据链路层物理层7654321OSI 的体系结构应用层网络接口层网际层 IP (各种应用层协议如Web, FTP, QQSMTP 等)TCP 或 UDPTCP/IP 的体系结构物理层OSI定义了分层体系的主要原则，概念TCP/IP提供了一个成功的实现范例互联设备的层次功能：协议栈描述ATM网络路由器主机服务器802.3LANApplicationTCPIPATMPhysicalIPATM

24、PhysicalMACPhysicalLLCIPMACPhysicalLLCApplicationTCP目前与通信领域相关的主要的标准化机构有ITU、ISO、IAB等。1.3.4 主要标准化组织 1ITUITU: International Telecommunication Union,国际电信联盟ITU-T：电信标准化部门前身是国际电报电话咨询委员会(CCITT)负责研究通信技术准则、业务、资费、网络体系结构等，并发表相应的建议书。ITU-R：无线电通信部门研究无线通信的技术标准、业务等，同时也负责登记、公布、调整会员国使用的无线频率，并发表相应的建议书。ITU-D：电信发展部门负责组织和

25、协调技术合作及援助活动，以促进电信技术在全球的发展。2ISOISO: International Organization for Standardization 国际标准化组织正式成立于1947年,总部设在瑞士日内瓦联合国的甲级咨询组织，和100多个国家标准化组织及国际组织就标准化问题进行合作。ISO制定的信息通信领域最著名的标准/建议有开放系统互连参考模型OSI/RM、高级数据链路层控制协议HDLC等。 3IABIAB：Internet Architecture Board，Internet结构委员会负责设计、规划和管理Internet，其工作重点是TCP/IP协议族及其扩充。 IETF

26、(Internet Engineering Task Force)：负责制定Internet相关的标准。现在IETF有12个工作组，目前主要的IP标准均由IETF主导制定。IRTF (Internet Research Task Force): 负责Internet相关的长期研究任务。1.4 通信网的服务质量服务质量总体要求可访问性保证合法用户随时能够快速、有保证地接入到网络以获得信息服务透明性网络保证用户业务信息准确、无差错传送的能力。可靠性整个通信网连续、不间断地稳定运行的能力U=/(+)= 可靠性指标失效率 ：系统在单位时间内发生故障的概率，。平均故障间隔时间(MTBF)：相邻两个故障发

27、生的间隔时间的平均值，MTBF=1/。平均修复时间(MTTR)：修复一个故障的平均处理时间，表示修复率，MTTR=1/。系统不可利用度(U)：在规定的时间和条件内，系统丧失规定功能的概率，有1.4.2 电话网的服务质量接续质量传输质量稳定性质量1.4.3 数据网的服务质量服务可用性(Service Availability)：传输时延(Delay or Latency)：时延变化(Delay Variation)：吞吐量(Throughput)：分组丢失率(Packet Loss Rate)：分组差错率1.4.4 网络的服务性能保障机制差错控制拥塞控制路由选择流量控制1差错控制负责将源端和目的地端之间传送的数据所发生的丢失和损坏恢复过来。通常控制机制包括差错检测和差错校正两部分。对于电话网，不提供差错控制机制。对于数据网，提供相应的差错控制机制。主要采用基于帧校验序列FCS(Frame Check