1、第1章 概述1.1通信网概念通信网概念1.2现代通信网特点现代通信网特点1.3网络体系分层结构及通信网协议网络体系分层结构及通信网协议1.4通信网发展方向通信网发展方向思思 考考 与与 练练 习习1.1 通信网概念通信网概念1.1.1 通信网的组成通信网的组成 一个最简单的通信网至少由三部分组成：交换系统、传输系统和终端设备。三者的关系如图1.1所示。图1.l交换、传输和终端的关系1.1.2通信网的分类通信网的分类1按网络结构分类按网络结构分类通信网的网络结构（即网络拓扑）是指网络在物理上的连通性问题。根据节点（如交换机）互连的不同方法，可构成多种类型的结构。常见的网络结构有六种，即树型结构、
2、星型结构、环型结构、网状结构、总线结构、蜂窝结构。图1.2 传统的通信网2按网络交换技术分类按网络交换技术分类现代通信网都是用交换设备将各用户连接起来的，即网内用户间通过交换机实行信息交换。根据通信业务的需要以及通信技术的发展，交换技术可分为电路交换与信息交换两大类，这两大类又可进一步细分，如图1.3所示。图1.3交换技术分类3按网络服务的业务分类按网络服务的业务分类（1）电话通信网电话通信网可以进一步细分为如图1.4所示。图1.4电话通信网分类（2）数据通信网目前，数据通信网的主要内容是计算机通信网。计算机通信网由主机（或工作站）与通信子网构成。根据网络结构及所采用的数据传输技术，通信子网可
3、分为交换通信网和广播通信网两大类，两者的区别如下：交换通信网。在交换通信网中，不共有一条传输线路的两节点间不能直接进行通信，只能经过中间节点的交换来传送数据。广播通信网。在广播通信网中，所有节点共享传输介质，网中任何一个节点发送到网上的信息，可被网中所有其他节点接收，而不需中间节点进行交换。计算机通信子网按网络覆盖范围大小又可分为局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）三大类。局域网的覆盖范围在几米到10km，常用于某一个单位内部的计算机网络；城域网的覆盖范围在30150km（通常指一座城市），目前习惯上将城域网划归局域网；广域网的覆盖范围则大得多，超越国界，直至全球。Intern
4、et是一个高速数据网络集，是一个以统一标准协议（TCP/IP）连接全球的计算机通信网，它允许全球千百万人同时相互通信，共享资源。3）移动通信网移动通信网是通信网的一个主要分支，其信息交流机动、灵活、迅速、可靠，具有广阔的发展前景。移动通信系统分类示意图如图1.5所示。图1.5移动通信网络分类现代移动通信网按照网络的覆盖范围和工作方式又可分为：宽域网和局域网；双向对话式蜂窝公共移动通信；单向或双向对话式专用移动通信；单向接收式无线电寻呼；家用无绳电话及无线电本地用户环路网；集群移动通信。（4）卫星通信网卫星通信是指利用人造卫星作中继站转发无线电信号，在每个地球站之间进行的通信。该网传送的信号可以
5、是声音、数据或图像。卫星通信网以其传输容量大，覆盖面宽的特点广泛应用于国际、国内通信，广播电视，定位系统等领域。卫星通信网按多址技术可分为FDMA卫星网、TDMA卫星网、SDMA卫星网、CDMA卫星网和随机接入（ALOHA）卫星网等。其中，最常用的是把公用信道用频分多址（FDMA）或时分多址（TDMA）划分成多个子信道，每对通信用户占用其中两个子信道（上、下行）来实现相互双向通信。（5）综合业务数字网前面介绍的每一种通信网都是为某一种专门的业务而设计的，它们的传输速率和特性各不相同。虽然某些数据通信业务在几个不同的网络中同时存在，但不同的网络中的数据终端是互不兼容的、它们之间的互通只有通过特殊
6、的网关设备才能实现。一直以来，这种分别建立、操作和控制的网络导致了人力和物力的巨大浪费。综合业务数字网实现了用一个单一的网络来提供各种不同类型的业务。其特点如下：提供端到端的数字连接。支持一系列广泛的业务（包括数字语音、数据、文字、图像在内的各种综合业务）。为用户进网提供一组有限标准的多用途入网接口。业务综合化和网络宽带化是通信网发展的方向和目标。以异步转移模式（ATM）为技术核心的宽带综合业务数字网可以灵活地支持现有的和将来可能出现的各种业务，能达到很高的网络资源利用率，是目前最先进的一种通信网络。4按经营网络的主管部门分类按经营网络的主管部门分类（1）公用网公用网又称公众网，是由国家通信主
7、管部门经营管理的，向全社会开放的通信网。（2）专用网专用网是根据各专业部门内部通信需要而组成的内部通信网。该网只为本专业部门服务，有各行业自己的特点，如军用通信网、公安通信网、铁路通信网、电力通信网、银行通信网等。1.2 现代通信网特点现代通信网特点1.2.1现代通信网的构成和功能现代通信网的构成和功能1现代通信网的构成现代通信网的构成现代通信网的硬件设备由各种业务的用户终端、交换中心、集中器、连接器以及连接它们之间的传输线路组成。软件由各种标准、信令、协议来实现各种业务在网络中运行的管理和网络性能的支撑。此外，现代通信网与传统通信网的区别在于前者，除了有传递各种用户信息的业务网之外，还有若干
8、支撑网，以使网络更优化。（1）业务网业务网是现代通信网的主体，它向用户提供诸如电话、电报、传真、数据、图像等各种电信业务。通常业务网也叫用户信息网。业务网按其功能可分为用户接入网、交换网和传输网三个部分。其中，用户接入网是一个适用于各种业务和技术、有严格规定并以较高功能角度描述的网络概念，它负责将电信业务透明地传送到用户，即用户通过接入网的传输，能灵活地接入到不同的电信业务节点上。（2）支撑网支撑网是在业务网的基础上，为增强业务网功能，保证全网服务质量，快速、方便、经济、灵活地提供新的电信业务而设置的附加网络结构。支撑网包括信令网、同步网、管理网和智能网。信令网。信令网是专门用来传送信令的公共
9、网络，可实现网络节点间信令的传输和转接。同步网。为提高数字信号传输的完整性，必须使数字设备中的时钟速率同步。同步网的功能就是使全网中的数字交换系统和数字传输系统工作于相同的时钟频率。管理网。在业务网中为防止由于某一路由或局站（节点）的阻塞而引起全网阻塞，必须对网络实行自动监控。管理网的功能就是对网络运行进行实时监测，保证网络安全运行，控制异常状态的扩散。同时做好网络设备的调度，以达到在任何情况下，最大限度地使用网络中一切可以利用的设备。智能网。智能网是在7号信号网的基础上发展起来的。它应用智能因素对网络资源进行动态分配，使网络结构的灵活性增大，从而使用户对网络的控制能力增强。2现代通信网功能现
10、代通信网功能现代通信网应具备以下几种功能：（1）协议变换。使具有不同字符、码型、格式、信令、协议、控制方法的终端用户能互相“听懂”对方。（2）寻址。被传输的信息有地址标明，使之具备寻址能力，能够正确到达目的地。（3）路由选择。具有在网络发送节点和目的节点间选择一条最佳通路的能力。（4）分组装拆（PAD）。在信息发送端，由PAD将用户数据进行编号、打包或分组；在信息接收端，PAD按其原样再组装成用户信息。1.2.2现代通信网拓朴类型和结构现代通信网拓朴类型和结构网络的拓扑和结构泛指网络的布局和形状，可以进一步分为物理配置结构和逻辑配置结构。物理配置结构指实际网络节点和传输链路的布局或几何排列，反
11、映了网络的物理形状和物理上的连接性。逻辑配置结构指各种信号通道在媒质中使用的方式，反映了网络的逻辑形状和逻辑上的连接性，决定了网络的业务特性。网络拓扑设计的原则如下所列：为信息流选择一条优质低价路由，即选择中间节点最少的路由。为终端用户提供最短的响应时间和最大的业务通过量。网络应具有良好的差错控制和恢复丢失信息的能力，保证信息流能准确到达目的地。按照节点互连的不同方法，常见的网络拓扑类型如图16所示。图16典型的网络结构1树型网树型网图1.6（a）为树型网结构，树型网也叫辐射网。这种结构像树一样逐层分支，是一种具有顶点的分层或分级结构。我国长途电话网的网络结构采用的就是树型拓扑，此外，传统的C
12、ATV网也采用树型拓扑，因而它很适于单向广播式业务。2星型网星型网图1.6（b）为星型网结构。在这种结构中，有一个特殊节点（即枢纽点）与其他所有节点直接相连，而这些节点之间互相并不直接相连，由枢纽节点执行全网的交换和控制。星型网的优点是节省传输线路设备，缺点是可靠性差，存在枢纽节点“瓶颈”效应。3环型网环型网图1.6（c）为环型网结构。环形拓扑主要用于计算机网络中，它将许多节点（如PC机）一个接一个地连接起来，环中的每一个节点将至少有两个连接：一个用于接收从相邻节点发来的数据，一个用来把数据发送到环中的下一个节点。在这种结构中，信息流沿环形信道流动，环上的每一个节点除了发送和接收数据外，还必须
13、转接其他节点间的数据。每个节点应能判别数据包头标，以确定地址是否为自己的，如果不是，数据包就再次沿环传到下一个节点，这一过程一直持续到数据包到达它的目的地。由于环中的每个节点都要重发数据，这意味着环型拓朴有中继器功能，数据包从一个节点传到下一个节点时，电信号都被再生了。但是，在环型网中，每个节点在确定地址和重传数据包时都会产生延时。此外，一旦某一节点或某一段信道失效，会影响全局。为了解决这个问题，一些环型网络使用双环拓扑，即一个环在一个方向上传送数据，而另一个环则在相反的方向上传送数据，若一个环中断了，网络可以提供两个环间的连接而形成一个邻接的环，从而达到自愈的目的。同步光纤网络（SONET）
14、就采用了双环拓扑。4网状网网状网图1.6（d）为网状网结构。在该网中，每个节点彼此互连，不需经过第三个节点。此外，由于任意两节点间存在多条可以通达的路径，以供选择路由，这就大大提高了该网的可靠性。网状网的缺点是投资费用大，且网络协议复杂。目前的分组交换网主要采用这种结构。5总线网总线网图1.6（e）为总线网结构。总线网结构是比较流行的一种网络拓扑，常用于计算机通信网中。在总线型网中，节点都被连接到一条公共的总线上。为了标识每个数据包的目的地，使用了编址技术。当数据在总线上传输时，每个节点都检查数据包头标，以确定其中的地址是否为自身的，如果是，这个节点就将数据存入内存，而原有的传输信号仍停留在总
15、线上，它必须在总线的终点被吸收。总线结构具有遍及全网的公共设施，因而易于控制信息流动。缺点是公共信道若失效，将影响全网工作。此外，信息的保密性也较差。因此，总线网结构较适于分配式业务。6蜂窝网蜂窝网图16（f）为蜂窝网结构。蜂窝网结构主要用于公共移动通信网中。该结构可提高频谱利用率，减少相互干扰，增加系统容量。蜂窝网目前采用小区制覆盖区半径在10 km以内的正六边形结构。因为在服务区面积一定的情况下，正六边形小区的形状最接近理想的圆形，用它覆盖整个服务区所需的基站最少，最经济。未来的蜂窝拓扑将是微蜂窝和微微蜂窝混合结构，覆盖区半径只有几米到几百米，其技术将靠重复使用频率和大基站的“延伸部件”小
16、功率发射机来扩展业务处理能力。综上所述，各种网络结构都有其特点，因而在网络结构选择和设计时要综合考虑现有的及长远的规划，包括节点的地理位置、网络的重要性、需要提供的业务、保护要求、经济性以及维护管理等。传统的通信网是各自业务范围的独立网络，通常是依据业务的性质来选择不同的网络结构。现代通信网已经开始向综合业务网发展，通信网往往不再是单纯的上述某一种结构形式，而是它们的组合，形式则更加多样化。下面就电话通信网、计算机通信网、移动通信网、接入网、综合业务数字网中常用的拓扑结构做一介绍。1.2.3网络拓扑类型举例网络拓扑类型举例1电话通信网拓扑电话通信网拓扑电话网按覆盖面的大小，主要可分为市话网和长
17、话网两类。（1）市话通信网 单星网。单星网结构如图1.7所示。图1.7单星网该结构适用于小城镇或县局市话网，其特点是：1 单局制的市话局。2 用户话机通过用户线（细线）与交换机相连；小交换机通过中继线（加粗线）与交换机相连。3长途业务通过长途电话局送出。4 119、110等特种业务台通过专线与交换机相连。多星网与网状网的复合网。该网结构如图1.8所示。图1.8多星网与网状网的复合网该结构适用于中等城市的市话网。其特点是：1 各市话分局分布在距本局用户较近、业务量集中的地方。分局之间用中继线互连起来，构成由多个星型网和一个网状网复合后的网络。2缩短了用户线的平均长度，节省了投资。3改善了时延，提
18、高了传输质量指标。4汇接多星网。汇接多星网结构如图1.9所示。图1.9汇接多星网（2）长话通信网长话通信网通常采用树型分层网与网状网的复合网。长话网是一个长距离、大范围的电话通信网，故应采用分层或分级汇接制组网。我国的长途网是以北京为中心，按行政区建立起来的四通八达的四级汇接电话网，如图1.10所示。图1.10我国长途电话网的网络结构树型分层网与网状网复合网的特点如下:(1)大区交换中心,即C1局。这是设立于全国六大行政区中心城市的长途交换局,有华北的北京、东北的沈阳、华东的南京、中南的武汉、西南的成都、西北的西安。此外还新增了四个辅助大区中心局,它们位于天津、重庆、广州和上海。大区中心局之间
19、按网状网方式彼此相连,并与本辖区各省的中心局做辐射式(树型)相连。(2)省交换中心,即C2局。这是汇接省内各地区长途电话业务的中心。省中心局与所属大区的中心局都有直达电路,与省内各地区中心局也做辐射式相连。(3)地区交换中心,即C3局。这是汇接区内各县长途电话业务的中心。(4)县交换中心,即C4局。这是长话网的末端局。需要说明的是,为了增加长途电话接续的灵活性和减少长途转接的次数,提高通话质量,任何两个交换中心之间,只要长途电话业务量大,地理环境合适,又有经济效益,都可以建立直达电路。2.2.计算机通信网拓扑计算机通信网拓扑目前,计算机通信网主要采用局域网拓扑结构。在局域网中不必采用路由选择和
20、差错控制,因此,局域网通常应设计为总线型、环型和星型网,如图1.11所示。图1.11中(a)所示的总线型拓扑是计算机网中应用比较广泛的一种结构。其终端都被连接到一条公共总线上,从一台终端发出的数据被放到总线上,以供所有其他终端查看。这是一个无中央处理设备或集中器的分布式结构。图 1.11 局域网拓扑(a)总线型网;(b)环型网;(c)星型网 图1.11中(b)所示的环型网拓扑是由许多转发器用点到点链路连成的单向环。这是一种不用控制中心控制的轮询方式。在上述两种网中,只有目的站才接收分组,中间节点只读取一些控制信息作判断,而不接收分组,故减少了时延。图1.11中(c)所示的星型网拓扑是一种由中央
21、处理器集中控制的局域网,它易于汇集各终端的信息,使之通过调制解调器和公用网方便地连接起来。图1.12是一个综合了星型、树型、环型的计算机网络结构。图 1.12 计算机网络 3.3.移动通信网拓扑移动通信网拓扑移动通信网是由许多正六边形小区组成的,呈蜂窝状,如图1.13所示。图 1.13 蜂窝移动通信网 蜂窝拓扑网络把整个服务区域划分成若干个较小的区域(Cell),各小区均用小功率的发射机(即基站发射机)进行覆盖,许多小区像蜂窝一样能覆盖任意形状的服务地区。移动通信网拓扑结构具有以下两个特点:(1)正六角形小区中心间距最大,小区群间中心间隔也最大;覆盖面积最大;交叠区宽度最小,交叠区面积也最小。
22、(2)当小区群中的小区数增加时,群间中心间隔增大,同频干扰降低。4.4.接入网拓扑接入网拓扑接入网(AN)是市话端局或远端交换模块(RSU)与用户之间的部分,或者说是用户-网络接口(UNI)和业务节点接口(SNI)间所包含的网络部分,主要完成交叉连接、复用和传输功能。接入网环境下的网络拓扑结构常有星型、树型、总线型和环型。(1)星型结构。在传统的电缆接入网中,逻辑上总是配置成星型结构,即每个用户都直接与本地交换机连接,业务量都集中在本地交换机上。在光纤接入网中,星型网同样具有意义。其结构如图1.14所示。图 1.14 星型接入网结构(2)树型结构。树型结构接入网有两种典型形式,即无源光网络(P
23、ON)形式和数字环路载波(DLC)形式,如图1.15所示。无源光网络形式和数字环路载波形式的区别是:前者采用的是光分路器,后者采用的是光复用器。在PON技术的树型结构中,采用无源光功率分路器来完成分路点上的光信号分路功能。PON技术结构主要用于窄带双向业务和单向广播业务,而不太适合于双向宽带业务。在DLC技术的树型结构中,复用器用来完成分路点上的光信号复用功能,具有复用功能的有源远端(RT)可以设置在分路点。RN主要用来完成信号终结和复用功能,不具备任何交换功能。DLC技术接入网可提供宽带双向业务传输。图1.15树型接入网结构(3)总线结构。在总线结构中采用同步数字体系(SDH)的分插复用器(
24、ADM)作RN,如图1.16所示。图1.16中,中间一系列的ADM作为RN串接在一起。每个ADM具有十分经济灵活的能够处理各种速率业务信号的能力,它不仅可以传输低速双向通信业务,而且可以传输分配型业务。图 1.16 总线型接入网结构(4)环型结构。环型结构与总线结构相似,只是没有开放点,如图1.17所示。在环型结构中,利用ADM作RN可以构成各种可靠性很高的自愈环型网结构。其中最适用于像接入网这样业务量集中于端局的一种环形结构,即叫单向通道倒换环。其网络结构请参阅有关书籍,这里不再叙述。图 1.17 环型接入网结构5.5.综合业务数字网拓扑综合业务数字网拓扑综合业务数字网结构是一种基于ATM交
25、换的BISDN拓扑结构,如图1.18所示。ATM用户交换机通过专用的用户-网络接口(UNI)可以连接到具有实时业务要求的语音交换设备(PBX)和视频业务系统(Video),为用户提供面向连接的业务信息转送服务;也可以连接到计算机通信的局域网(LAN)以及工作站和主计算机,为用户提供无连接的数据通信业务;还可以通过公共UNI接到ATM节点交换机或者广域网,为本地用户的上行业务提供汇集功能,并为远端用户到本地的下行业务提供分配指定功能。ATM节点交换机的作用是为本地业务的上/下行业务提供出/入口,主要负责网络中的节点之间的业务流量疏导和路由选择。图 1.18 基于ATM交换的B-ISDN拓扑结构
26、1.3 网络体系分层结构及通信网协议网络体系分层结构及通信网协议 1.3.1 1.3.1 网络体系分层的概念网络体系分层的概念实际的通信过程必须完成寻址、比特流传输、比特同步、流量控制、差错控制、路由选择、对话过程管理、信息加密等诸多方面的操作。它既包含网络的各项传输规定,又有计算机和用户终端的具体情况,涉及到网的结构与运行、操作系统和其他软件等内容。全面描述这些协议是很困难的。因此说,由单一通信实体完成所有可能要求的操作是不切合实际的,同时也不利于定义具体的操作功能。分层通信结构的思想就是将一个通信实体变成N个通信实体级联的结构,从而得到N层通信实体,每层实体完成特定的功能。在分层通信结构中
27、,两个进行通信的通信实体的相同层次必须对该层完成的功能有统一的认识,这就是同等层之间的协议。任何同等层协议的完成都是通过下层提供的逻辑传输功能实现的,而不是直接交互的，即上层根据下层(N-1层)提供的功能,增加本层(N层)相应的功能,进一步提交给更上一层(N1层),从而得到可靠的通信过程。图1.19给出了N个通信实体级联的分层概念。图 1.19 N个通信实体级联的分层概念 1.3.2 OSI1.3.2 OSI协议的体系结构协议的体系结构国际标准化组织(International Standardization Organization,ISO)提出了开放系统互连(Open Systems In
28、terconnection,OSI)参考模型数据通信网络体系分层结构。设定OSI参考模型的基本目的是使系统互连中的互连规则标准化,保证多种设备、多种网络的互通、互连,同时说明遵守这些国际标准的系统将对所有其他遵守同样标准的通信设备开放。OSI模型将通信过程分为七个层次,每一层可以用不同的协议向上层提供服务,同时每一层使其下一层与更高层分隔开。这七层分别是:应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。图1.20给出了OSI参考模型结构。图 1.20 OSI参考模型结构 1.1.物理层物理层物理层位于OSI参考模型的最低层,其任务是为它的上一层(即数据链路层)提供一个物理连接,以便
29、透明地传输比特流。在发送端,它将从高层接收的比特流变成适合于物理信道传输的信号;在接收端,它再将该信号恢复成所传输的比特流。物理信道包括双绞线、同轴电缆、光缆、无线电信道等。物理层的四个特性是:机械特性、功能特性、电气特性和过程特性。前两个特性为传输媒体提供了物理接口,并规定了比特流在物理链路上的传输特性,如信号电压幅度和比特宽度等;后两个特性则规定了物理链路的建立保持和解除建立的方法。2.2.数据链路层数据链路层位于第二层的数据链路层用于建立、维持或拆除链路,并负责在两个相邻节点间的线路上实现无差错地传输数据,保证以帧为单位的数据的可靠传递。在每一帧所包括的控制信息中,有同步信息、地址信息、
30、差错控制以及流量控制信息等。3.3.网络层网络层第三层的网络层具有寻址功能。其任务就是为终端选择合适的路由和交换节点,使发送站的传输层所传来的分组能够正确无误地按照地址找到目的地,并交付给目的站的传输层。4.4.传输层传输层第四层的传输层可以看成是用户和网络之间的“联络员”。它利用低三层所提供的网络服务向高层提供可靠的端到端的透明数据传输,保证数据传输的质量,满足高三层的要求。5.5.会话层会话层第五层的会话层虽然不参与具体的数据传输,但它却对数据传输进行管理,负责控制两个系统的表示层实体之间的对话。其基本功能是向两个表示层实体提供建立和使用连接的方法,组织、协调其交互。这种表示层之间的连接就
31、叫做“会话(Session)”。此外,会话层还可以提供其他服务,如提供不同的对话类型:双工工作、半双工工作(两个方向交替进行)、单工工作,以及遇到故障时的对话恢复。6.6.表示层表示层第六层的表示层主要解决用户信息的语法和语义表示问题,它向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务,将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法变换为适合于OSI系统内部使用的传输语法,以使两个系统用共同的语言来进行通信。表示层的典型服务有:数据翻译(信息编码、加密和字符集的翻译)、格式化(数据格式的修改及文本压缩)和语法选择(语法的定义及不同语言之间的翻译)等。7.7.应用层应用层第七层的应用层是OSI参考模型
32、的最高层。它直接向用户提供服务,为用户进入OSI环境提供了一个窗口。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要,负责用户信息的语义表示,并在两个通信者之间进行语义匹配。图1.20也给出了信息流在OSI七层参考模型中的流动路径。用户的数据信息向下穿过七层模型,每次都在消息中加入控制和通信的功能以及协议报头。协议层将控制信息带到目的地节点所对应的那一层,然后通过物理线路到达网络中的第一节点(交换站),并向上穿过开始的三个层返回,控制报头也沿此路径返回。这个过程在网络交换中沿信息路径反复进行。信息沿层式体系结构向上直至最终的用户,而控制报头也沿此路径移动。按照协议的规则,每一层都检查它自己的协议报
33、头。1.3.3 TCP/IP1.3.3 TCP/IP协议的体系结构协议的体系结构TCPIP协议(传输控制协议互连网络协议)是由许多协议组成的一簇协议,其中每一个协议都面向Internet中的某一特定应用。每一个协议都可以不依赖于别的协议使用,兼容于其他的传输技术。TCPIP协议结构简单,容易实现,能达到数据交换可靠且编程服务有效的目的。在短时间内不会被OSI七层协议模型所取代。TCPIP协议结构如图1.21所示。图 1.21 TCPIP协议结构 其协议体系把通信过程分为四个相对独立的层次:应用层、传输层、网络层和接口层。相对于OSI模型,它没有定义五、六层。各层功能分述如下。1)应用层应用层的
34、主要协议有:文件传输协议(File Transfer Protocol,FTP),简单邮件传输协议(Simple Mail Transfer Protocol,SMTP),远程登录协议(Telnet),以及域名服务(Domain Name Service,DNS),网络新闻传输协议(Network News Transfer Protocol,NNTP)和超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol,HTTP)等。2)传输层传输层提供一个应用程序到另一个应用程序之间的通信,或端到端通信,它是面向连接的传输控制协议。传输层可以对信息流有调节作用,以提供可靠传输,确保数
35、据准确无误地传输,且不打乱顺序。3)网络层网络层负责计算机到计算机的通信。该层接收一个请求,要求把来自上层(传输层)的一个报文分组连同应当发送给哪个计算机的标识码一同发送出去。具体做法是将报文分组封装在一个数据报中,并填好数据报头,应用路由选择算法,确定把该数据报是直接递送出去,还是发送给一个网关，最后把该数据报传输给相应的网络接口发送出去。4)网络接口层网络接口层主要解决数据报的接收问题,并负责把接收到的数据报发送到指定的网络中去。分析TCPIP协议各层功能可以看出TCPIP协议具有以下两个特点:(1)可靠性高。这是因为有IP保证网间合适的数据传输,有TCP提供全双工的、基于连接的可靠通信，
36、同时也有纠错、重传、流量控制及协调高层应用软件之间的同步等。(2)灵活性大。它表现在不同计算机之间可以彼此通信,由文件传输协议(FTP)、简单邮件传输协议(SMTP)、远程登录协议(Telnet)三个标准的TCPIP实用程序体现出来。它们定义了用户软件与传输层以及网络之间的界面,并允许不同厂家实现相互兼容,提供异型机间通信的可能性。1.4 通信网发展方向通信网发展方向 一个多世纪以来,通信网的发展大致经历了三大阶段:(1)第一阶段是以传输语音发展起来的模拟电话网。(2)第二阶段是以传输数字信号为主的数字、数据网。在这个阶段通信网采用了脉冲编码调制(PCM)技术和同步转移模式(STM)技术实现了
37、数字传输与数字交换的综合。(3)第三阶段是以移动通信为主的移动通信网。第一代移动通信网采用模拟方式,在很短的几年内,移动通信就从模拟方式发展到数字方式(第二代数字移动通信网)。未来的通信网正在向着数字化、可视化、综合化、智能化、个人化的方向发展。1)数字化数字化就是在通信网中全面使用数字技术,包括数字传输、数字交换和数字终端等。2)可视化除传统的传真业务外,可视图文(Videotex)业务也在逐渐普及,用以向人们提供电子购物、新闻检索、经济信息等业务;可视电话与会议电视等交互型视频通信业务,亦在逐步进入人们的生活和工作中。3)智能化随着人们对各种新业务需求的不断增加,必须不断修改网络运行软件,
38、这需耗费一定的人力、物力和时间,因而不能及时满足用户的需要。智能网将改变传统的网络结构,对网络资源进行动态分配,使网络能方便地引进新业务,并使用户具有控制网络的能力。4)综合化将语音、图像、数据等多种信息源的业务综合在一个数字通信网中传输,可大大减少网络资源的浪费,并且给用户带来了极大的便利,用户只需提出一次申请,用一条用户线和一个号码即可完成不同种类业务的通信。综合化的通信网不但能满足人们目前对电话、传真、广播电视、数据和各种新业务的需要,而且能满足未来人们对信息服务的更高要求。5)个人化实现个人通信的网络称为个人通信网(PCN)。个人通信被称做新一代移动通信,即第三代移动通信。所谓个人化,
39、就是指个人拥有的电话号码是全球惟一的,可在全世界通用。个人通信是人类企图实现的理想通信方式,它是在宽带综合业务数字网的基础上,以无线移动通信网为主要接入手段、智能网为核心的最高层次的通信网。它表明任何个人在全球跨越多个网络时,可在任何时间、任何地理位置的任何一个固定的或移动的终端上发起或接受呼叫。这将大大地解放个人,使其具备极大的灵活性。思思 考考 与与 练练 习习 1.通信网由哪几部分组成?试简述其相互间的关系。2.简述现代通信网的构成及功能。3.OSI模型将通信过程分为几层?分别简述各层的作用。4.未来通信网的发展趋势是什么？第 2 章 路由选择与流量控制 2.1 路由算法概论路由算法概论
40、2.2 路径选择路径选择2.3 流量分配与控制流量分配与控制2.1 路由算法概论路由算法概论 2.1.1 2.1.1 对路由算法的要求对路由算法的要求路由算法是网络层的协议,路由算法既要试图使网络的通信量最大,又要试图使网络的平均分组时延最小。路由算法通常很复杂,这主要表现在:(1)路由算法要求子网中的所有节点相互协调,而不像链路层和高层那样仅涉及一对对等模块之间的协调。(2)路由算法必须处理链路和节点的故障,要求对业务进行重新定向和对系统维持的数据库进行更新。(3)必须达到高的性能,当网络部分区域拥塞时,路由算法必须能够修正路由。一个理想的路由算法应具有如下一些特点:(1)最优性:指路由选择
41、算法选择最优路径的能力。(2)简易性和低开销。(3)强壮性和稳定性。(4)快速收敛性:路由选择算法必须能够迅速收敛,收敛是所有路由器在最佳路径上取得一致的过程。当一个网络由于某种事件造成路由器停机或开通时,路由器就会发送修正的路由消息,该消息在网络上传播,引发路由器重新计算最佳路由,并最终促使所有路由器承认新的最佳路由。路由选择算法收敛过慢,会导致路由循环或网络发生故障。(5)灵活性:表示路由选择算法必须迅速准确地适应不同的网络环境。目前已有许多种路由选择算法,大致可分为确定型路由选择算法和适应型路由选择算法。适应型算法在确定路径时或多或少要用到网络状况的当前信息(通信量、网络拓扑结构等),从
42、而得到路由匹配网络的实际状况。需要加以区分的是路由表和路径选择:路由表是一套确定信息传输路径的方法,这种路径的确定通常事先完成。路径选择是指信息传输前,在可能的路径中选择一条路径的方法。2.1.2 2.1.2 路由选择算法路由选择算法1.1.确定型路由选择算法确定型路由选择算法(1)静态路由法:网络管理员在路由选择开始前就已建立了路由映射表,如果网络管理员不改变它们,这些映射将保持不变。此方法设计简单,并在路由信息流相对可以预见且网络设计相对简单的环境里运行较好。但它不能对网络的变化做出反应,不适应当今大型、易变的网络环境。(2)泛洪法:源节点将消息以分组的形式发给其相邻的节点,相邻的节点再转
43、发给它们的相邻节点,继续下去,直到分组到达网络的所有节点。为了限制分组的传输次数,需要以下两个附加规则。若节点B从A收到一个广播的分组,则B不会将该广播分组再转发给A。每个节点仅将相同的广播分组最多一次转发给邻节点。具体的实现方法是:源节点广播的每一个分组都有一个标识符(ID)和序号,每发送一个新的分组,序号加1。每个节点在中转时,记录该分组的序号。每个节点仅中转大于记录中最大序号的分组,所有小于或等于记录序号的分组都被丢弃,而不会被中转,如图2.1所示。图中箭头上的标号表示该分组被中转的次数。图中A是广播的发起点。设L为网络的链路数,则该方法的分组传播次数在L2L之间。图 2.1 泛洪法路由
44、 2.2.适应型路由选择算法适应型路由选择算法(1)集中式:网络的路由是由路由控制中心计算的,该中心周期性收集各链路的状态,经过计算后周期性地向各网络节点提供路由表。该算法存在的问题是网络状态信息的实时性差,抗故障能力低,会导致出现不稳定的现象。(2)分布式:网络中所有节点通过相互交换路由信息,独立地计算到达各节点的路由。(3)隔离式:仅仅把节点的本地信息用于路由,采用分布式方法。具体有“热土豆法(Hot Potato)”、替代路径法和回头认路法(Backward Learning)等。(4)混合式：采用混合式是很普遍的,例如可在不同的网络等级层面采用不同的路由方法;电话采用静态路由法加上适应
45、型路由法;在数据网中有泛洪法与回头认路法的组合,当对网络缺少预先了解的情况下可采用泛洪法来进行路由,然后再采用回头认路法进行路由。2.2 路径选择路径选择 2.2.1 2.2.1 最小支撑树最小支撑树对于通信网络来说,利用支撑树来实现广播是比较经济的,但每一条链路的成本或时延通常是不同的,这时就要考虑树中各链路的重量(成本或时延)。若连通图本身不是一棵树,则其支撑树不止一个，但满足一定条件的权值之和为最小的支撑树(MST)至少存在一个。寻找最小支撑树(MST)是一个常见的问题。可分为两种情况:一种是无限制条件的情况,另一种是有限制条件的情况。以下分别讨论两种情况的算法。1.无限制条件的情况无限
46、制条件的情况(1)Kruskal方法。Kruskal方法简称K方法,具体步骤如下:K0:将连通图中所有的边按权值非递减次序排列。K1:取权值最小的边作树枝,再按K0的次序选边为树枝,使其不与已选边形成回路。若形成回路,则删去这条边。K2:直到n个点的图选出n-1条边结束。【例2.1】要建设连接如图2.2所示的六个城镇的线路网,图上所标权值为两城镇之间的距离,请用K方法找出连接这六个城镇线路费用最小的网路结构图(设线路费用与距离成正比)。图 2.2 六个城镇的地图 解解:这是一个求最小支撑树的问题。K0:将各城镇之间的距离按非减序排列,如表2.1所示。表表 2.1 各城镇之间的距离按非减序排列各
47、城镇之间的距离按非减序排列 K1:按顺序选边。(V1,V2)距离为1 km。(V1,V6)与已选边没有形成回路,故保留,距离为2 km。(V2,V6)与已选边形成回路,故舍去。(V4,V5)与已选边没有形成回路,故保留,距离为4 km。(V3,V4)与已选边没有形成回路,故保留,距离为5 km。(V2,V3)与已选边没有形成回路,故保留,距离为6 km。K3:至此已形成六个点、五条边的树,即为所求,如图2.3所示。图 2.3 最小费用网络结构图 网路总长度为:1+2+4+5+6=18 km(2)PrimDijkstra方法。PrimDijkstra方法简称P方法,具体方法为:选择任一个单节点作
48、为一个子树,然后每次选择一条具有最小权重的输出链路(输出链路指该链路的一个端点在子图内,另一个端点不在子图内)来扩展这个子图,最终即可生成MST。用P算法解【例2.1】中问题的过程如图2.4所示。图2.4中,我们先选择V3作为一个子树,得网路总长度为 5+4+6+1+2=18 km 有时用两种方法得到同一图的最小支撑树可能不同,但两棵最小支撑树的权值之和一定相同。图2.4P算法构造最小支撑树2.有限制条件的情况有限制条件的情况在设计通信网的网路结构时,经常会提出一些特殊要求,如两个交换中心之间通信时,转接次数不能太多;某条线路上的话务量不能太大等。这类问题可归结为在限制条件下求最小支撑树。例如
49、在图2.2中,假定任意两点间的转接次数不能超过3,那么可以将(V2,V5)连接,将(V3,V4)断开,则得到如图2.5(a)所示的有限制条件的最小支撑树T1,它的权值之和为20 km。又如(V1,V2)和(V2,V5)上话务量太大,则将(V2,V6)和(V2,V4)相连,将(V1,V6)和(V4,V5)断开,得到如图2.5(b)所示的最小支撑树T2,它的权值之和为25 km。图 2.5 有限条件的最小支撑树(a)T1;(b)T2 关于有限制条件的最小支撑树的算法,我们这里简单介绍以下两种:(1)穷举法。其基本思想是把图中所有主树穷举出来,再根据限制条件筛选,求得最短主树。这是一种计算量较大的求
50、解方法，仅适用于小容量的网络。(2)调整法。该算法采用启发式,不像穷举算法那样进行试探求树。它不能得出最小支撑树,只能得到最佳解。它先选定适当的求最小支撑树的准则来求树。但进行过程中,每一步要判断是否满足限制条件,否则进行调整,直至最后得到符合限制条件的最小树。2.2.2 2.2.2 点间最短路径算法点间最短路径算法1.1.指定点到其他各点的最短路径算法指定点到其他各点的最短路径算法通常我们采用Dijkstra(简称D算法)和BellmanFord算法(简称BF算法)。1)D算法D算法的基本思想是按照路径长度增加的顺序来寻找最短路径。假定所有链路的长度均为非负。显然有:到达目的节点的最短路径中
