通信网络概论及数学基础

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1、通信网理论基础 Fundamental of Communication Networks信息与通信工程系李晓艳Date1第1章 通信网络概论课程概况课程名称：通信网理论基础课程学时：32学时授课教师：李晓艳 工5楼-507室 考核方式：成绩由三部分组成随堂大作业： 30% （准备作业本）课后作业： 30%考试： 40%答疑时间：第2-17周 周四 14:00-16:00 工5楼-514室 Date2第1章 通信网络概论课程描述Course Description 通信网络出现了多种新型的网络和技术（例如全光网络、第4代移动通信等），这些网络在形式上虽然千差万别，但是它们的许多基本原理是相同

2、的。 本课程的目的： 讨论这些网络的共性原理； 理解当今各种新型通信网络的设计原理和依据； 为设计和构思其他新型的通信网络打下理论基础。Date3第1章 通信网络概论课程描述Course Description课程学习的特点 省去繁琐的理论推导 记住结果 结论 以实例来理解和掌握相关理论记住应用 是通信方面特别是网络方面的基础理论课程 以概率论和随机过程为数学基础 研究通信网络中的流量、路由、排队等模型。 学习图论、排队论等分析技术 应用到网络规划与设计、网络优化等方面Date4第1章 通信网络概论内容概述 第1章 通信网络概论及数学基础： 基本构成 协议体系及分层 基本理论问题 第2章 端到

3、端的传输协议 组帧技术 差错控制 链路控制协议 点对点传输 第3章 网络的时延分析 排队论 Little定理 M/m型排队系统 排队网络 第4章 多址技术 固定多址接入 随机多址接人 冲突分解算法 第5章 路由算法 第6章 流量和拥塞控制 第7章 网络结构化Date5第1章 通信网络概论第一章 通信网络概论及 数学基础Date6第1章 通信网络概论第一章 内容概述1.1 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 网络的互联1.2 协议体系及分层的概念1.2.1 分层的概念1.2.2 OSI协议的体系结构1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构1.2.4 混合

4、的分层协议体系1.2.5 通信网络的基本理论问题Date7第1章 通信网络概论第一章 内容概述1.1 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 网络的互联1.2 协议体系及分层的概念1.2.1 分层的概念1.2.2 OSI协议的体系结构1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构1.2.4 混合的分层协议体系1.2.5 通信网络的基本理论问题Date8第1章 通信网络概论1.1 通信网络的基本构成网络节点 （汇聚作用）网络节点网络节点的主要功能：1）将多个用户的信息 复接到骨干链路上；2）从骨干链路上分离 出用户的信息；3）网络节点的汇聚功 能使得用户可以低成本

5、 共享骨干链路，实现任 意用户之间的信息交换 。通信网络的基本问题：通信网络的基本问题：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的信息传递问题。Date9第1章 通信网络概论通信网络的分类 用户活动的类型：移动、固定业务的种类：电话、计算机数据、多媒体 传输媒介：有线、无线技术体制：ATM交换体制、电路交换体制、分组交换体制应用领域：军用、民用/公用、专用通信网络举例：固定电话网、移动通信网、ATM网络、局域网、IP网络等。Date10第1章 通信网络概论通信网络举例 (1) 覆盖全国乃至全球的通信 网中，通常由多种不同类型 的子网互联而成。以WDMWDM链路链路作

6、为核心路由器的高速通道，形成高速 信息传输平台，将各子网互 联互通，形成一个无缝覆盖 的网络。Date11第1章 通信网络概论通信网络举例 (2) 路由器路由器是网络互连核心设备；它的基本功能之一：根据路由表，将分组（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）转发到正确的目的地（为分组选择适当的传输路径）。Date12第1章 通信网络概论通信网络举例 (3) 路由器它的基本功能之二：维持和更新决定分组传输路径的路由表。路由表中指明到达目的地应将分组送入与路由器相连的哪一个子网。Date13第1章 通信网络概论通信网络举例 (4) 路由器工作方式：从接收分

7、组中提取目的地址，确定该地址中的网络号，查找路由表以获得与该目标网络相匹配的表项。该表项包括分组应到达的下一网络及到达下一网络的必要信息（如对应的路由器输出端口）。分组被封装在选定的输出端口的数据帧中(采用输出子网的数据格式)，并由输出端口输出。路由器与交换机的区别：路由器可以连接使用不同物理传输媒介、具有不同传输协议的数据链路。 Date14第1章 通信网络概论通信网络举例 (5) 由于路由器的存在，任一 用户的分组可以选择一个最 优的路由进行传输。Date15第1章 通信网络概论第一章 内容概述1.1 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 网络的互联

8、1.2 协议体系及分层的概念1.2.1 分层的概念1.2.2 OSI协议的体系结构1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构1.2.4 混合的分层协议体系1.2.5 通信网络的基本理论问题Date16第1章 通信网络概论1.1.1 数据传输链路 (1)数据传输链路：在物理传输媒介上利用一定的传输标准形成的传输规定速率（和格式）的数据比特通道。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。传输标准：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。Date17第1章 通信网络概论1.1.1 数据传输链路 (2)数据传输链路分为两大类：一类

9、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）。Date18第1章 通信网络概论接入链路接入链路有多种形式，如Modem链路、xDSL链路、ISDN 链路、无线链路（移动/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端局到用户终 端之间的线路进行改造而成的数字用户线DSL（Digital Subscriber Line）。DSL的前缀x表示不同的传输方案。ADSL（Asymmetric DSL）上行速率为640 kb/s1 Mb/s， 下行速率为68Mb/

10、s; HDSL (High Speed DSL)上下行速率相同，均为768kb/s或 1.5Mb/s；VDSL（Very High Speed DSL）下行速率12.96Mb/s、 25Mb/s、52Mb/s，上行速率为1.62.3Mb/s。Date19第1章 通信网络概论接入链路无线链路中最典型的链路就是数字蜂窝移动通信的链路，根据使用的空中接口标准（GSM、IMT-2000等）的不同，支持的数据传输速率为13kbps-2Mbps。卫星链路根据星座结构和卫星数目的不同，支持的数据传输速率从kbps到几百kbps。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

11、据速率为10Mbps、100Mbps和1000Mbps 。Date20第1章 通信网络概论1.1.1 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）。Date21第1章 通信网络概论网络链路网络链路也有多种形式，如：帧中继、SDH、WDM等。例如：SDH（同步数字系统）是在美国贝尔实验室提出 的SONET（光同步数字网）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：S

12、TM-1（ 155.520Mbps）STM-4 （ 622.080Mbps）STM-16（2488.320 Mbps）STM-64（9953.280 Mbps）Date22第1章 通信网络概论网络链路光波分复用（WDM，Wave Length Division Multiplexing）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*2.5 Gbps（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）、16*10Gbps, 160*2.5Gbps

13、、128*10Gbps等，理论上可达5Tbps的传输速率。Date23第1章 通信网络概论1.1.1 数据传输链路 (3) 通信网中的任意两个用户根 据它们在网络中所处的位置不 同，它们之间的信息传输所经 过的链路是多种多样的。例如局域网B中的任意两个用户之间的链路；用户D和用户F之间的链路。Date24第1章 通信网络概论第一章 内容概述1.1 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 网络的互联1.2 协议体系及分层的概念1.2.1 分层的概念1.2.2 OSI协议的体系结构1.2.3 TCP/IP 协议的体系结构1.2.4 混合的分层协议体系1.2.5

14、 通信网络的基本理论问题Date25第1章 通信网络概论1.1.2 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。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，。Date26第1章 通信网络概论1.1.2 数据传输网络 (2)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

15、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。称这样一个消息的序列为一个会话过程（Session）。Date27第1章 通信网络概论1.1.2 数据传输网络 (3)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ATM网X.25分组交换网移动GPRS系统Date28第1章 通信网络概论分组交换网 (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（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和/或尾。分组头指明该分组的目的节点及其他网络控制信息。每一个网络节点中采用存储转发的工作方式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。Date29第1章 通信网络概论分组交换网 (2)分组交换网的基本操作：分段和重装。在发送端将一条消息分成规定长度的分组，在收端将分组进行重新装配，恢复原始信息。分组交换网的基本操作：选择路由方式。虚电路（Circuit-Switching）数据报（Datagram-Switching）Date30第1章 通信网络概论分组交换网 虚电路在虚电