现代通信网络,南京理工大学通信工程系蔡征宇 Mail:caizhengyumail.njust.edu.cn,第一章 绪论,1.1 现代通信网络的现状与类型 1.2 电话通信网 1.3 数据通信网 1.4 计算机通信网 1.5 N-ISDN与B-ISDN 1.6 现代通信网络技术基础 1.7 标准化组织,1.1 现代通信网络的现状、功能及类型,1.1.1 现状与功能 现代通信的基本形式：是在信源与信宿之间建立一个传输或转移信息的通道，从而实现信息的传输。 现代通信网络定义：现代通信网络是由现代通信网元组成的集合体，用以支持组织内外部的话音、数据、多媒体形式的通信要求。 现代通信网络的三大组成部分：传输、交换和终端设备，其发展是和这些通信设备、电子器件、计算机技术的发展紧密相关的。,1993.9. 美国提出建设国家信息基础设施NII的行动，兴起筹备“信息高速公路”的热潮 1994.9. 美国又提出建设全球信息基础设施GII的倡议，将各国的NII连接起来，组成世界信息高速公路，实现全球信息共享1995.5. 西方七国集团部长会议在布鲁塞尔确定了8项原则和11个示范项目；亚太地区经济合作组织召开了17国通信与信息产业部长会议，发布了“APEC”信息基础设施汉城宣言，确立亚太信息基础设施的5个目标和10项建议。 1996.4. 20多个国家的代表出席了在北京召开的国际信息基础机构会议，通过了一份纲领性的文件信息时代宣言。 1996.10. 克林顿签署了开发新一代Internet计划，动用联邦资金5亿美元，用5年的时间，采用IP技术，带宽达到1GB，能传输声音、图像、文字和数据交互的多媒体信息，100-1000倍的原来速度。,通信业务的带宽需求,电话,语音业务 CD音频,音视频会议/VOD,高速传真,电视,高清晰图象,大批量文件传输,可视图文,远程CAD,局域网互连,10kb/s,100kb/s,1Mb/s,10Mb/s,100Mb/s,音频业务,视频业务,数据业务,通信网的定义补充对于这样一个复杂的大系统，站在不同的角度，有不同的观点。从用户的角度：通信网是一个信息服务设施，可以从中获取信息、发送信息、娱乐等；而从工程师的角度：通信网则是由各种软硬件设施按照一定的规则互连在一起，完成信息传递任务的系统。网络不是目的，而是手段。通信网构成要素实际的通信网是由软件和硬件按特定的方式构成的通信系统，从硬件构成来看：通信网由终端节点、交换节点、业务节点和传输系统构成，完成接入、交换和传输；软件设施包括了信令、协议、控制、管理、计费等，完成网络的控制、管理、运营和维护、实现通信网的智能化。,通信网的基本结构,电话网,internet,移动网,ATM网,FR网,信令网,同步网,管理网,SDH/SONET,光传输网,业务网,传送网,支撑网,上述的网络在传输信息的类型、方式、所提供的服务的种类等方面各不相同，但它们在网络结构、基本功能、实现原理上都是相似的，它们都实现了以下四种功能： （1）信息传送它是通信网的基本任务，传送的信息有三大类：用户信息、信令信息、管理信息，信息传输主要由交换节点、传输系统来完成。 （2）信息处理网络对信息的处理方式对最终用户是不可见的，主要目的是增强通信的有效性、可靠性和安全性。,（3）信令机制它是通信网上任意两个通信实体间为实现某一通信任务，进行控制信息交换的机制，如NO.7信令、TCP/IP协议等。 （4）网络管理 它负责网络的运营管理、维护管理、资源管理，以保证网络在正常和故障情况下的服务质量。是整个网络中最具有智能的部分，已形成的网络管理标准有：电信管理网标准TMN系列，计算机网络管理标准SNMP等。,通信网络发展的两个方面：,通信网络发展呈现日益数字化趋势，具有宽带化、智能化、个人化和多媒体化的特征；通信基础设施投资巨大，回收周期较长，使得在研究应用更先进的通信网络理论技术的同时，必须考虑市场的需求，兼顾到回报率，形成与原有的通信网长（短）期并存的局面，即各种网络的共存、互联、融合、演进等已成为现代通信网络的重要特征。,1.1.2 现代通信网络及交换技术的类型,现代通信网络的类型依据信号的传输方式和载体形式分类：分为电话通信网、数据通信网和计算机通信网、综合业务数字网等四种类型 交换技术类型它们所采用的交换技术是：电路交换或分组交换，并随着交换技术的发展而发展的。,“交换”的含义,在这里，“交换”(switching)的含义就是转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。,用户,交换机,链路,C,B,A,D,路径,用户、交换机、链路与路径,1,1,1,1,n,m,n,m,输入缓冲区,输出缓冲区,交换机,电路交换,分组交换(虚电路)X.25分组交换的使用,分组交换(数据报)路由器的使用,第二层交换(网桥的使用),第二层交换(局域网交换机使用),第三层或多层交换(路由器的使用),多速率电路交换NISDN,帧中继,各种IPover ATM,ATM交换,MPLS交换,广域网,局域网,通信网络的主要交换技术,维护管理,路由表,路由信息交换,UNI信令,呼叫处理,NNI信令,转发控制,转发表,交换模块,管理信息,用户信息,信令信息,路由协议,信令信息,用户信息,面向连接型交换节点中的交换功能,维护管理,路由表,路由信息交换,转发控制,交换模块,管理信息,路由协议,用户信息,用户信息,无连接型交换节点的功能,（1） 电路交换（Circuit Switching）,ITU定义为：“根据请求，从一套入口和出口中，建立起一条为传输信息而从指定入口到指定出口的连接”。电路交换是一种电路间的实时交换，所谓实时，是指任意用户呼叫另一用户时，应立即在两用户之间建立通信电路的连接，这时通信网内的相关设备和线路都被这一对用户占用着，不能再为其他用户服务，这种在一次呼叫中由通信网根据用户要求在指定的呼叫路由上固定分配设备的交换方式，称之为电路交换方式。,采用电路交换的通信网工作方式：为任一个发起呼叫的主叫用户提供一条临时的专用的物理通路，它是由通路上各交换设备内部在空间上或时间上完成电路交换而构成的（空分和时分），为主叫和被叫之间建立起来的一条直通线路。由电路交换而实现通信的三个阶段：呼叫建立阶段、话音传输或数据传输阶段、连接释放阶段。电路交换的主要特点：话音或数据的传输时延小且无抖动，“透明”传输。无需存储、分析和处理、传输效率比较高；但是，电路的接续时间较长，电路资源被通信双方独占，电路利用率低。,电路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换举例,C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,时分复用（TDM）与频分复用（FDM）,（2）分组交换（Packet Switching）,分组交换也称包交换，它将用户的一整份报文分割成若干数据块，即分组。分组交换是一种综合电路交换和报文交换的优点而又尽量避免两者的缺点的第三种交换方式。它的基本原理是“存储转发”，是以更短的、被规格化了的“分组”为单位进行交换、传输。分组交换相对于电路交换的方式来说，具有高效、灵活、迅速、可靠等特点。,分组交换的最基本思想是实现通信资源的共享，但是，分组交换会造成较大的时延及其抖动，不能很好的满足实时通信的需要。分组交换最适合数据通信，由于它在降低通信成本，提高通信可靠性和灵活性方面的巨大成功，促使20世纪70年代以后的数据通信网几乎全部采用分组交换，我国的公用分组交换网于1989年开放业务。,报文,在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。,分组：,数 据,数 据,数 据,添加首部构成分组,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,分组交换的传输单元,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。,分组首部的重要性,每一个分组的首部都含有地址等控制信息。 分组交换网中的节点交换机根据收到的分组的首部中的地址信息，把分组转发到下一个节点交换机。 用这样的存储转发方式，最后分组就能到达最终目的地。,收到分组后剥去首部,接收端收到分组后剥去首部还原成报文。,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,收到的数据,数 据,数 据,数 据,最后还原成原来的报文,最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。,注意分组的存储转发过程,H1,A,互联网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,路由器,主机,在路由器 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,在路由器 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在路由器 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口,路由器,在路由器中的输入和输出端口之间没有直接连线。 路由器处理分组的过程是： 把收到的分组先放入缓存（暂时存储）； 查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发； 把分组送到适当的端口转发出去。,主机和路由器的作用不同,主机是为用户进行信息处理的，并向网络发送分组，从网络接收分组。 路由器对分组进行存储转发，最后把分组交付目的主机。,分组交换的优点,高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组。 可靠 保证可靠性的网络协议；分布式的路由选择协议使网络有很好的生存性。,分组交换带来的问题,分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。,存储转发原理 并非完全新的概念,在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,数据传送 的特点,比特流直达终点,报文,报文,报文,分组,分组,分组,存储 转发,存储 转发,存储 转发,存储 转发,数据报,虚电路,分组交换的两种形式：,统计的时分复用（STDM）,（3）快速分组交换,面对新的用户需求及通信环境，尤其是光纤通信技术的巨大成就，分组交换也在不断地进步，出现了帧中继、ATM等快速分组交换技术，其应用领域也从数据通信的领域延伸到传统的视频、电话通信领域。快速分组交换是一个概念，它包含多种不同的实现方式，且所有的方式都有一个共同的特征，就是具有最小网络功能的分组交换。即：通过定义一个短而固定长度的分组，简化网络内部节点对分组的识别与转发、差错检验、流量控制等操作，提高了转发的效率和业务的吞吐量，支持业务对时间透明性和语义透明性的要求。,