通信网理论基础课件

2本课程讨论的主要问题（1）通信原理课程：给定传输信道，如何进行有效的传输？信号的表示：PCM/M/信源编码；信道：恒参信道、变参信道；基带、带限射频信道；噪声+干扰；传输方式：模拟传输、数字传输；AM/FM/PM，PSK/FSK/MSK，（基带）最佳传输同步：位同步、帧同步、群同步4本课程讨论的主要问题（3）假定有N个用户数，共需要N×(N-1)N2条物理传输通道。缺点：成本昂贵，且极难扩展，每条物理传输通道的利用率极低。通信网络的基本问题：就是如何以尽可能低的成本有效地解决处于任何地理位置的任意两个用户之间即时信息传递问题。它完全类似于当今的交通运输系统解决人和物资流动的问题。5本课程讨论的主要问题（4）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，出现了多种类型的网络和技术，例如，光传输网、宽带综合业务网（B-ISDN）、Internet、千兆以太网、3G（第3代移动通信系统）等等。目前正在向下一代Internet、全光网络、LTE（3G长期演进）、4G(第4代移动通信)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。6本课程讨论的主要问题（5）本课程的主要目的：就是要讨论这些网络的共性原理。（具体的网络形态将由专业课来介绍。）希望通过本课程的学习:使大家能够理解现在的各种新型通信网络的设计原理和依据，同时为大家设计和构思其他新型的通信网络打下理论基础。7本课程讨论的主要问题（6）第1章主要讨论通信网络的基本构成和协议体系；第2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；第3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；8本课程讨论的主要问题（7）第4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、通过量和稳定性）及其改进的方法；第5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；8第一章概论1.1通信网络的基本构成1.2协议体系及分层的概念1.3通信网络的数学基础（略）1.4通信网络的基本理论问题31.1通信网络的基本构成1.1.1数据传输链路1.1.2数据传输网络1.1.3网络的互连41.1通信网络的基本构成（电话机、传真机、计算机）链路汇聚点传输链路（路由器、程控交换机）（电话线、光纤）用户终端基本网络由物理传输链路和链路汇聚点组成6通信网络举例（1）不同类型的基本网络通过路由器互连而成7通信网络举例（2）通信网包括的网络（通常称为子网）有：ATM（AsynchronousTransferMode，异步转移模式）网络、X.25分组数据网、PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork，公用电话交换网）/ISDN（IntegratedServiceDigitalNetwork,综合业务数字网）、移动通信网/卫星通信网、FDDI（FiberDistributedDataInterface，光纤分布式数据接口）环网、局域网及高速骨干核心网等。整个网络通过以WDM（WavelengthDivisionMultiplexing，波分复用）链路作为核心路由器的高速通道，形成高速信息传输平台，将上述各子网互连互通，可形成一个无缝覆盖的网络。8通信网络举例（3）路由器是网络互连的核心设备，它负责分组（分组是由若干数据比特组成的可进行独立传输的数据块，其长度为几十个字节到几千个字节）的转发和为各个分组选择适当的传输路径。（铁路运输的货运站、集装箱码头）InterfacesInterfaces9通信网络举例（4）正是由于路由器的存在，我们可以将任一用户（用户A）的分组，通过一个最优的路由（用户A→路由器R13→路由器R1→路由器R3→ATM网络→路由器R14→用户G）转发给任一目的用户（用户G）。（图1.2）Interconnect(Crossbar+Scheduler)ReceiveBufferingTransmitBufferingReceiveBufferingTransmitBuffering10GLinecards1..16111.1.1数据传输链路（1）所谓数据传输链路是指在物理传输媒介（如双绞线、同轴电缆、光纤、微波传输系统、卫星传输电路等）上利用一定的传输标准（它通常规定了电气接口、调制解调的方式、数据编码的方式、比特同步、帧格式和复分接的方式等）形成的传输规定速率（和格式）的数据比特通道。121.1.1数据传输链路（2）数据传输链路分为两大类：一类是用户到网络节点（路由器或交换机）之间的链路（简称为接入链路）；另一类是网络节点（路由器或交换机）到网络节点（路由器或交换机）之间的链路（简称为网络链路）。131.1.1数据传输链路（3）接入链路有多种形式，如Modem（调制解调器）链路、xDSL链路、ISDN链路、无线链路（移动通信和卫星通信链路）、局域网链路等。例如：xDSL链路是通过数字技术，对PSTN端局（本地电话交换机）到用户终端之间的线路进行改造而成的数字用户线DSL（DigitalSubscriberLine）。DSL的前缀x表示不同的传输方案。例如：ADSL（AsymmetricDSL,非对称数字用户线）的上行速率为640kb/s～1Mb/s，下行速率为6～8Mb/s;HDSL(HighSpeedDSL)上下行速率相同，均为768kb/s或1.5Mb/s；VDSL（VeryHighSpeedDSL）下行速率12.96Mb/s、25Mb/s、52Mb/s，上行速率为1.6～14ADSL例如：•DMTfullratedownstream(upto8Mbps)•DMTfullrateupstream(upto640Kbps)•G.liteADSLdownstream(upto1.5Mbps)•G.liteADSLupstream(upto512Kbps)•RJ-11PortforConnectiontoADSL•Four10/100MbpsEthernetPortsforConnectiontoComputers15CableModem例如：TheDCM-201hasamaximumdownloadingspeedat38Mbps(256QAM)andamaximumuploadingspeedat10Mbps(16QAM).TheDCM-201usestheReed-Solomonerrorcorrectionmethodfordatapacketintegrity.•DownstreamModulation:64QAM,256QAM•FrequencyRange:91-857MHz•UpstreamModulation:QPSK,16QAM•FrequencyRange:5-42MHz16局域网链路局域网链路中最典型的是以太网（Ethernet）链路，在双绞线上可传输的峰值数据速率为10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。这是在办公室环境下，最常用的接入方式。17GPRS/CDMA链路高速上网：支持GPRSclass8;支持最高53.6Kbps的下载速度。双频支持：GSM双频（900MHz/1.8GHz）CDMA上网卡：数据传输速率最高达256Kbps，实际接入速度平均可达每秒233Kbps，网速是GPRS的3-4倍，拨号上网（56KB）的4倍，CDMA网络升级到3G,无需更换设备速度更可高达1.9MBps181.1.1数据传输链路（4）网络链路也有多种形式，如：帧中继、SDH、WDM等。例如：SDH（SynchronousDigitalHierachy，同步数字系列）是在美国贝尔实验室提出的SONET（SynchronousOpticalNetwork，光同步数字网）的基础上制定的技术标准，它具有一套标准化的结构等级STM-N（N=1，4，16，64），它们的传输速率分别为STM-1（155.520Mb/s），STM-4（622.080Mb/s），STM-16（2488.320Mb/s），191.1.1数据传输链路（5）光波分复用（WDM，WaveLengthDivisionMultiplexing）技术是在一根光纤中能同时传输多个波长光信号的一种技术。在发端将不同波长的光信号组合（复用）起来。在接收端又将组合的光信号分开（解复用）并送到不同的终端。目前在一根光纤上可提供的数据速率为4×2.5Gb/s（第一个数字4为波长数，第二个数字2.5为每一波长上的速率，后同）、16×10Gb/s，160×2.5Gb/s、128×10Gb/s等，理论上可达5Tb/s的传输速率。201.1.2数据传输网络（1）数据传输网络的基本功能是通过网络中的交换机（或路由设备）为运载用户业务的分组，选择合适的传输链路，从而使这些分组迅速可靠地传送到目的用户。（一个分组经过的所有传输链路的集合称为一条路径(或路由)）。在数据传输网络中，要传送的基本内容称为消息（Message）。根据不同的应用场合，消息可有不同的含义。比如，消息可以是一份电子邮件（E-mail），一份文件，一幅图像，……。211.1.2数据传输网络（2）会话过程（Session）：BA在要进行交互操作的场合，如：A可以发一个消息给B，B可以发一个应答给A，双方需要交互多次才可完成信息交换的过程，或者说，双方需要按一定的顺序交换大量的消息。我们称这样一个消息的序列为一个会话过程（session）221.1.2数据传输网络（2）数据传输网络必须保证每一个会话过程可靠、及时、高效地完成。典型的数据传输网络：分组交换网，电路交换网，ATM网。231．分组交换网（1）在分组交换网中，将消息分成许多比较短的、格式化的数据块称为分组（Packet）进行传输和交换。每一个分组由若干比特的数据组成。每一个分组通常包括一个附加的分组头。分组头指明该分组的目的节点及其他网络控制信息。在每一个网络节点中采用存储转发的工作方式来将输入的分组送到选定的输出链路上。（这种按照一定的规则（路由算法）将输入分组送到选定的输出链路上的过程称为交换。）分组交换网如241．分组交换网（2）消息A分段重装节点的交换过程251．分组交换网（2）分组交换网中，选择一条合适的传输路径，有哪些方式？基本方式：虚电路方式数据报方式261．分组交换网（3）在虚电路方式中，在一个会话过程开始时，确定S→D的一条逻辑通路（即实际分组传输时才占用物理链路，无分组传输时不占用物理链路。此时物理链路可用于其他用户分组的传输）。会话过程中所有的分组都沿此逻辑通道进行。例如图1-3（a）的S→D之间为消息A建立了一条逻辑通路。每一条逻辑通路可用一个虚电路号来表示271．分组交换网（4）BAC在数据报方式中，为会话过程中的每一个分组独立地选择路由，也就是S→D之间一次会话过程中的分组可以独立地选择路径A，路径B或路径C或其他路径。因而，到达目的节点D的分组所经过的链路可能各不相同。28电路交换（或称线路交换）是指根据用户的呼叫请求，将输入物理电路直接与输出物理电路相连接的一种交换技术。电路交换机在功能上等效为一个开关矩阵，当某一输入电路要与某一输出电路相连时，则将对应的开关闭合，形成直接的通路。在电路交换网中，在双方通信之前，需要在双方建立一条直接的物理通路，在通信结束后，要拆除该物理通路。在通信过程中，收发双方独占该道物理通路。在电路交换方式中，信息的传输具有很短的时延，且可以保持收发双方严格的同步关系。但与分组交换相比，链路使用效率相对较低。2.电路交换交换网络控制系统293．ATM网络（1）ATM（AsynchronousTransferMode）是在传统电话网使用的电路交换以及分组交换网基础上发展起来的一种交换技术，可以较好地支持不同速率、不同种类的宽带信息交换。ATM=电路