通信网络基础1-1.ppt

1、第1章 通信网络概论 及数学基础,通信与信息工程学院,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,内容, 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 通信网络中的数学基础 1.4 通信网络的基本理论问题,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,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 网络的互连,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1 通信网络的基本构成,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,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

2、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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,通信网络举例（1）,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,通信网络举例（2）,它包括的网络（通常称为子网）有：ATM网络（Asynchronous Transfer Mode，异步转移模式） 、X.25分组数据网、PSTN/ISDN（Public Switched Telephone Network / Integrated Service Digital

3、Network）、移动通信网/卫星通信网、FDDI环网（Fiber Distributed Data Interface，光纤分布式数据接口）、局域网及高速骨干核心网等。整个网络通过以WDM链路（Wavelength Division Multiplexing）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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,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

4、输的货运站、集装箱码头）,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,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R3ATM网络路由器R14用户G）转发给任一目的用户（用户G）。（图1.2）,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,通信网络举例（5）,在该网络中，以分组作为载体来运载不同类型的业务。这些业务可以是话音、图像、视频，也可以是电子邮件、Web业务等等。 为了向用户提供不同的服务，除通信网络本身以外，网络中还挂有不同类型的服务器，如S1、S2、S3等。因此在通信网中，通信的双方可以

5、是人与人、机器与机器、人与机器等，通信的形式既可以是一个用户对一个用户，也可以是一个用户对多个用户或多个用户对多个用户。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.1 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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,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）

6、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）。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.1 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（Digital Subscriber Line）。DSL的前缀x表示不同的传输方案。例如：ADSL（Asymmetric DSL,非对称数

7、字用户线）的上行速率为640 kb/s1 Mb/s，下行速率为68Mb/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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,ADSL,例如： DMT full rate downstream (up to 8Mbps) DMT full rate upstream (up to 640Kbps) G.lite ADSL downstream (up to 1.5

8、Mbps) G.lite ADSL upstream (up to 512Kbps),2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,Cable Modem,例如：The DCM-201 has a maximum downloading speed at 38Mbps(256 QAM) and a maximum uploading speed at 10Mbps(16 QAM). The DCM-201 uses the Reed-Solomon error correction method for data packet integrity.Downstream Modulation

9、: 64QAM,256QAM Frequency Range: 91-857MHz UpstreamModulation: QPSK, 16QAM Frequency Range: 5-42MHz,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,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、1000 Mb/s。这是在办公室环境下，最常用的接入方式。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,GPRS/CDMA链路,高速上网： 支持GPRS class 8; 支持最高53.6Kbps的下载速度。 双频支

10、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，CDMA网络升级到3G,无需更换设备 速度更可高达1.9MBps,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.1 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（Synchronous Digital Hierachy，同步数字系列）是在美国贝尔实验室提出的SONET（Synchronous Optical Network，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

11、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（2488.320 Mb/s），STM-64（9953.280 Mb/s）。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.1 数据传输链路（5）,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

12、*2.5 Gb/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）、16*10Gb/s，160*2.5Gb/s、128*10Gb/s等，理论上可达5Tb/s的传输速率。,1550nm窗口的DWDM光缆系统,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,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(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

13、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，。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,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）。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.2 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：分组交换网和ATM网等。,2018/9/16,西安邮电学院通信工

14、程系 郭娟,1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。）,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1分组交换网（2）,重装,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1分组交换网（2）,如何选择一条合适的传输路径？基本方式： 虚电

15、路方式 数据报方式,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1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SD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SD之间为消息A建立了一条逻辑通路。每一条逻辑通路中的逻辑链路可用一个虚电路号（VCn）来表示。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1分组交换网（4）,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SD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

16、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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,电路交换,电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。,20

17、18/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,2ATM网络（1）,ATM（Asynchronous Transfer Mode）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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,2ATM网络（2）,它与分组交换的差别是采用一个全网统一的固定长度的 分组（称之为信元）进行传输和交换。ATM网络中，信 元的长度为53个字节，其中5个字节为信元头，48个字节用来运载信息。 好处：由于信元长度和格式固定，可用硬件电路对信元进行处理，因而缩短了每一个信元的处理时间。 它采用面向连接（

18、即虚电路）方式，以提高信息传送的实时性。 ATM设计是以光纤传输为基础，因此在传输链路上采用了非常简单的差错控制和流量控制等措施，提高了信元在网络中的传输速率。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,2ATM网络（3）,ATM用户（终端）到ATM交换机（网络）之间的接口称为UNI（User-Network Interface，用户网络接口）。 交换机（网络节点）之间的接口称为NNI（Network-Node Interface，网络节点接口）。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,2ATM网络（4）,ATM的信元格式：UNI接口和NNI接口的信元格式除前12个比特格式

19、不同外，其余格式完全相同。GFC（Generic Flow Control）是流量控制比特。VPI/VCI用来表示信元传递的路径。其中，VPI（Virtual Path Identifier）是虚通道标识；VCI（Virtual Channel Identifier）是虚信道标识。PT（Payload Type,负荷类型）用来区分该信元是用户信息还是控制信息。CLP（Cell Loss Priority，信元丢失优先级）指示信元的丢失优先级。HEC（Header Error Control，信元头差错控制）提供信元头四个字节的差错控制，可进行多个比特的检错和单个比特的纠错。,2018/9/16

20、,西安邮电学院通信工程系 郭娟,2ATM网络（5）,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,2ATM网络（6）,ATM信元通常是在SDH链路上进行传输的。为了支持不同类型的业务，ATM网络向用户提供四种类别的服务，即A类、B类、C类和D类。服务类别是根据业务的比特率是固定的还是可变的、源节点到目的节点是否需要同步、以及是面向连接还是无连接来划分的。对于不同类别的业务，ATM网络采用不同的适配方法（即如何将业务比特流分段，形成数据协议单元（CS-PDU），再如何将CS-PDU分成信元，最后如何有效地传输这些信元）。这些适配的方法称为AAL1AAL5。,2018/9/16,西安邮电学院通

21、信工程系 郭娟,2ATM网络（7）,AAL1支持A类：恒定比特流、收发需要定时关系、面向连接的业务。AAL2支持B类：可变比特流、收发需要定时关系且面向连接的业务（如话音和图像等业务）。AAL3/4支持C类/D类业务，服务既可以是面向连接的也可以是无连接的，支持的业务可以是报文模式也可以是流模式。AAL5为面向连接的应用提供更为有效的运载措施。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.3 网络的互连（1）,前面两个小节，我们主要讨论的是一个子网内的问题，这时所有的链路具有相同特性，采用某种数据传输链路协议和寻址方式，通过交换设备来实现子网内的路由选择和信息交换。当多个（不同传

22、输和交换方式的）子网要互联互通构成一个大的网络时，需要采用路由器（设备）。如图1-5所示。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.3 网络的互连（2）,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.3 网络的互连（3）,路由器的基本功能有两个：一是根据路由表，将报文（datagram）发送到正确的目的地；二是维持和更新决定报文传输路径的路由表。 路由表中指明到达目的地应将报文送入与路由器相连的哪一个子网。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.3 网络的互连（4）,路由器工作方式是：从接收报文中提取目的地址，并确定该地址中的网络号，查找路由表

23、以获得与该目标网络相匹配的表项。该表项包括报文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）。报文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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.3 网络的互连（5）,为了实现全网互连需要两个基本条件：一是全网统一编址，二是路由算法。 编址解决如何区分网络中的节点、用户终端等，例如，在Internet中是采用IP地址来区分路由器、服务器、用户计算机等。 路由算法解决从源到目的地之间应经过的子网、路由器、网络节点等。例如，可以采用从源到目的地经过的路由器最少的原则来选择一条路由。,201

24、8/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.1.3 网络的互连（6）,路由器区别于交换机的关键特征是它可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。 在一个典型的网络中，通常会有一种以上的局域网（LAN）和广域网（WAN）技术，而每个子网都有独立的数据链路传输协议和寻址方式。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,内容, 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 通信网络中的数学基础 1.4 通信网络的基本理论问题,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2 协议体系及分层的概念, 1.2.0 通信协议的重要性 1.2.1 分层的概

25、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,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,通信协议（1）,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,通信协议（2）,通信协议的重要性： 占据两个山顶的蓝军与驻扎在山谷的白军作战。力量对比是：一个山顶上的蓝军打不过白军，但两个山顶的蓝军协同作战就可战胜白军。一个山顶上的蓝军拟于次日正午向白军发起攻击。于是发送电文给另一山顶上的友军。但通信线路很不好，电文出错的可能性很大。因此要求收到电文的友军必须发送确认电文。但确认电文也可能出错。试问能否设计出一种协议，使得蓝军能实现协

26、同作战因而一定(即100%)取得胜利？,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,这样的协议无法实现！,通信协议（3）,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,通信协议（4）,不难看出，如此往复下去将引起无穷多次信息的交换，也不可能使双方同时进入进攻的状态。这个问题出现的关键是：每一方很难相信自己是正确的，它要求双方的信息都必须严格正确。 如果我们把前面严格确认的条件放松，即要求同时进攻的概率很高，这样上面的问题就可以解决。 解决的方法是：如果红军一方要在某个时间发起进攻，它就同时派出多个信使，并确信对方会以很大的概率获得该信息，而对方确信请求进攻方会发起进攻。这样双方取胜的

27、可能性很大。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,通信协议（5）,上述例子说明了通信协议（规则）的重要性，完善的通信协议应当保证通信的终端能高效地向用户提供所需的服务。 不同的通信功能需要不同的通信协议，如IEEE 802.3，IP，TCP， HTTP, 。 一个完整的通信(信息)系统需要一组通信协议。通信协议通常可通过完善的协议体系来描述。 为了描述协议体系，这里首先给出分层的概念。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.1 分层的概念（1）,通信网络的协议可按照分层的概念来设计。 分层概念的基础是“模块”的概念。 例如：在计算机系统中，一个模块就是一个过程

28、或一台设备，它完成一个给定的功能；若干个模块组成一个完整的系统功能。 模块提供的功能通常称之为“服务”。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.1 分层的概念（2）,采用模块概念的好处是：设计简单、可懂性好、标准化、互换性好，有大量现存的模块可以利用。 对于模块设计人员，要关心该模块内部的细节和模块的操作。 而对于模块使用人员，把模块当作一个黑盒子，只关心该模块的输入、输出以及输入输出的功能关系，而不关心模块内部的工作细节。 模块可以嵌套组成更大的模块。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.1 分层的概念（3）,例如：一个高层的模块由低层模块加上一些简

29、单模块组成。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.1 分层的概念（4）,通信网络的分层可以看成 由一套模块组成的体系结构，除了最低层由物理通信链路组成以外，每一个高层模块是由低层黑盒子通信系统加一组简单的模块组成 。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.1 分层的概念（5）,对等模块：由于信息的交换必须在双方进行，通信的双方必须有相同（或相应）的功能块，才能完成给定的功能，因此在每一层双方两个功能相对应的模块就称为对等（peer）模块或对等过程。如图1-8中的模块H和H，模块L和L都是对等模块。在该图中，低层模块（通信系统黑盒子）本身由 更低层的对等

30、模块和更低层的 通信系统黑盒子组成。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.1 分层的概念（5）,假设我们讨论的是第n层，那么一个节点中第n层对等模块与对方节点中第n层对等模块通过第n-1层进行通信时，有两个非常重要的方面。 第一方面是：需要有一个分布式算法（或称为协议）来供两个对等层相互交换消息，以便为高层提供所需的功能和业务。 第二方面是第n层和第n-1层之间的接口（API），该接口对于实际系统的设计和标准化非常重要。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,国际标准化组织（ISO）将协议体系结构模型分为七个层次：应用层、表示

31、层、会话层、 运输层、网络层、数据链路层和物理层，并将它作为开发协议标准的框架。 该模型被称为开放系统互连（OSI）参考模型，如图1-9所示。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,第一层：物理层（physical layer）。在由物理通信信道连接的任一对节点之间，提供一个传送比特流（比特序列）的虚拟比特管道。在发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，在收端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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,第二层

32、：数据链路层（data link layer）。物理层提供的仅仅是原始的数字比特流传送服务，它并不进行差错保护。而数据链路层负责数据块（帧）的传送，并进行必要的同步控制、差错控制和流量控制。由于有了第二层的服务，它的上层可以认为链路上的传输是无差错的。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,第三层：网络层（network layer）网络层的基本功能是把网络中的节点和数据链路有效地组织起来，为终端系统提供透明的传输通路（路径）。网络层通常分为两个子层：网内子层和网际子层。 网内子层解决子网内分组的路由、寻址和传输问题；网际子层解决分组跨越不同子网的

33、路由选择、寻址和传输问题。 它还包括不同子网之间速率匹配、流量控制、不同长度分组的适配、连接的建立、保持和终止等问题。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,第四层：运输层（transport layer）。运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送。它根据发端和终端的地址定义一个跨过多个网络的逻辑连接（而不是第三层所处理的物理连接），并完成端到端（而不是第二层所处理的一段数据链路）的差错校正和流量控制功能。它使得两个终端系统之间传送的数据单元无差错，无丢失或重复，无次序颠倒。,20

34、18/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,第五层：会话层（session layer）。会话层负责控制两个系统的表示层（第六层）实体之间的对话。它的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，而这种表示层之间的连接就叫做“会话”（session）。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,第六层：表示层（presentation layer）。表示层负责定义信息的表示方法，并向应用程序和终端处理程序提供一系列的数据转换服务，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：数据表示（信息编码、加密

35、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。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,第七层：应用层（application layer）。应用层是最高的一层，直接向用户（即应用进程AP）提供服务，它为用户进入OSI环境提供了一个窗口。 应用层包含了管理功能，同时也提供一些公共的应用程序，如文件传送，作业传送和控制，事务处理，网络管理等等。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.2 OSI协议的体系结构,高 层 功 能,低 层 功 能,2018/9/16,西安邮电学院通信工程

36、系 郭娟,1.2.3 TCP/IP协议的体系结构,TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol ) 协议族是美国国防部高级研究规划局(DARPA)所资助的实验性分组交换网 络ARPARNET上研究开发成功的。 TCP/IP 协议族的通信任务组织成五个相对独立的层次：应用层、运输层、互连网层、网络接入层、物理层。（它没有OSI七层模型中的表示层和会话层）。 TCP/IP协议族重点强调应用层、运输层和互连网层，而对网络接入层只要求能够使用某种协议来传送互连网层的分组。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.3

37、 TCP/IP协议的体系结构,网络接入层的主要功能是解决与硬件相关的功能，向互连网层提供标准接口。从网络的角度来讲，它是解决在一个网络中两个端系统之间传送数据的问题，以及一个端系统（计算机）和它连接的网络之间的数据交换。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.3 TCP/IP协议的体系结构,如果两台设备连在两个不同的网络上，要使数据穿过多个互连的网络正确地传输，这是互连网层（网际层）要完成的功能。该层采用的协议称为互连网协议（IP），它提供跨越多个网络的选路功能和中继功能。IP解决了网络互连问题，但它是一个不可靠的传输协议。在传输过程中可能会出现IP报文的错误、丢失和乱序等

38、问题。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.3 TCP/IP协议的体系结构,TCP为应用程序之间的数据传输提供可靠连接，它是面向连接的传输控制协议。,UDP为应用层提供无连接的服务，它并不保证一定传到，也不保证按顺序传输以及不重复传送。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.2.4 混合的分层协议体系,由于现代通信网络的低层基本都是参照OSI的模型设计的，而TCP/IP协议随着Internet的飞速发展而被广泛采用，因而通常采用混合的分层协议体系来描述一个信息网络，如图1-11所示。它包括应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。,2018/9/16,西

39、安邮电学院通信工程系 郭娟,内容,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 通信网络中的数学基础 1.4 通信网络的基本理论问题,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3 通信网络中的数学基础, 1.3.1 随机过程的基本概念 1.3.2 Poisson过程 1.3.3 马尔可夫链 1.3.4 图论基础,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3 通信网络中的数学基础,为了定量地描述通信网络的运行过程、设计通信网络的体系结构和评估通信网络容量、时延和服务质量等，我们需要了解网络中每个链路、节点、交换机/路由器，用户终端等设备的输入输出业务流

40、的行为特征和处理过程。 描述这些行为特征和处理过程的基本数学基础是随机过程和排队论，描述网络结构的基本方法是图论。本节主要讨论常用的随机过程和图论基础，在第三章中将详细讨论排队论的基本内容。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.1 随机过程的基本概念（1）,随机过程是用来描述在一个观察区间内某一实体（瀑布的水流量、食堂中的人数）的随机行为。 例如: 在通信系统中的噪声就是一个典型的随机过程。( n台性能完全相同的通信接收机的输出如下图。,(1),(2),(n),2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.1 随机过程的基本概念（2）,随机过程是随机变量概念在

41、时间域上的延伸。直观地讲，随机过程是时间t的函数的集合，在任一个观察时刻，随机过程的取值是一个随机变量。或者说，依赖于 时间参数t的随机变量所构成的总体称为随机过程。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.1 随机过程的基本概念（3）,设X(t)是一个随机过程，则可以从两个方面来描述X(t)的特征： 一是在任意时刻t1，随机变量X(t1)的统计特征，如一维分布函数，概率密度函数，均值和方差等。 二是同一随机过程在不同时刻t1和t2对应的随机变量X(t1) 和X(t1) 的相关特性，如多维联合分布函数、相关函数、协方差矩阵等。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟

42、,1.3.1 随机过程的基本概念（4）,随机过程X(t)的一维分布函数，定义为 Ft(x)=PX(t)x 式中P 表示概率。 如果Ft(x)对x的微分存在，则X(t)的一维概率密度函数定义为,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.1 随机过程的基本概念（5）,通常一维分布函数不能完全描述随机过程的特征，需要采用n维联合分布函数。对于给定的n个时刻 t1，t2，tn，随机变量X(t1)，X(t2)，X(tn)的联合分布函数为：则随机过程X(t)的均值函数为,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.1 随机过程的基本概念（6）,若对任给的时刻t1和t2，如下列

43、函数存在，则称CX(t1,t2)为X(t)的协方差函数。为X(t)的方差函数。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.1 随机过程的基本概念（7）,若对任给的时间t1和t2，RX(t1,t2)=E X(t1) X(t2)存在，则 RX(t1,t2)为X(t)的自相关函数。协方差函数，自相关函数、均值函数有下列关系：Cx(t1,t2)=Rx(t1,t2)-mx(t1)mx(t2),2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.1 随机过程的基本概念（8）,几类典型的随机过程： 1. 独立随机过程 2. 马尔可夫(Markov)过程 3独立增量过程 4平隐随机过程

44、5Poisson过程 6. 马尔可夫链,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.独立随机过程,设有一个随机过程X(t) ，如果对任意给定的时刻t1，t2， ，tn，随机变量X(t1), X(t2), X(tn)是相互独立的，也就是其n维分布函数可以表示为：则称X(t)是独立随机过程。 该过程的特点是任意一时刻的状态与其他任何时刻的状态无关。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,2.马尔可夫(Markov)过程(1),设有一个随机过程X(t) ，如果对于一个任意的时间序列： t1t2 tn ，n 3，在给定随机变量的X(t1)= x1, X(t2)= x2 , ,X(

45、tn-1)= xn-1的条件下, X(tn)= xn 的分布可以表示为：则称X(t)为马尔可夫过程或简称为马氏过程。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,2.马尔可夫(Markov)过程(2),该过程的基本特点是无后效性。当该过程在t0时刻的状态为已知的条件下，则该过程在t (t0)所处的状态与该过程在t0时刻之前的状态无关。 式（1-9）右端的条件分布函数可以写成：该式称为马氏过程的转移概率。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,3独立增量过程,设X(t2) - X(t1)= X(t1 ,t2)是随机过程X(t)在时间间隔t1 ,t2)上的增量，如果对于时间t的任

46、意n个值0t1t2 tn，增量X(t1 ,t2), X(t2 ,t3), X(tn-1 ,tn)是相互独立的， 则称X(t)为独立增量过程。 该过程的特点是：在任一时间间隔上过程状态的改变并不影响未来任一时间间隔上状态的改变。 可以证明独立增量过程是一种特殊的马尔可夫过程。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,4平隐随机过程(1),如果对于时间t的任意n个值t1，t2 ， ，tn和任意实数 ，随机过程X(t)的n维分布函数满足关系式：则称X(t)为平稳随机过程或简称为平稳过程。 该过程的特点是随机过程的统计特性不随时间的平移而变化。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭

47、娟,4平隐随机过程(2),按照上述定义的随机过程通常称为严（狭义）平稳过程。在实际应用中，我们更关心这样一类过程：其E |X(t)|2 （二阶矩过程），且满足下列条件： 1）均值为常量（与时间t无关）； 2）对于任意时刻s和t，其相关函数满足Rx(s,t)=Rx(t-s),即相关函数仅与时差t-s有关，而与s,t的取值无关； 称这类过程为宽（广义）平稳过程。在实际应用中所指的随机过程通常是宽平稳过程。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,各态历经性(1),平稳过程中一个重要特征就是是否具有各态历经性。 为了说明各态历经性，在时间轴上定义下列两种平均：为随机过程的时间均值和时间相关

48、函数。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,各态历经性(2),如果X(t)是一个平稳过程，如果 = EX(t)= mx依概率1成立（即对所有样本都成立），则称随机过程X(t)的均值具有各态历经性； 如果 依概率1成立，则称过程X(t)的自相关函数具有各态历经性； 如果X(t)的均值和自相关函数都具有各态历经性，则称X(t)是（宽）各态历经过程，或者说X(t) 是各态历经的。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.2 Poisson过程(1),在日常生活中，如果我们观察顾客进入商店、银行或其它公共服务场所的过程，我们发现如果把一位顾客的到达看成一个“随机点”，则

49、这是一个源源不断出现随机点的过程。在这一过程中任一段时间内到达的顾客数也是随机的。 这类描述到达顾客数及其特征的过程通常称为计数过程。 如果我们考察一个交换局中电话呼叫到达（人们拨打电话的行为中拿起电话并拨出对方号码的动作称为一次电话呼叫到达）的过程也具有类似的特征。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.2 Poisson过程(2),设一个随机过程为A(t),t0的取值为非负整数，如果该过程满足下列条件，则称该过程为到达率为的Poisson(泊松)过程: (1)A(t)是一个计数过程，它表示在0, t）区间内到达的用户总数， A(0)=0, A(t)的状态空间为0,1,2,。 如图1-12所示。任给两个时刻s和t，且st，则A(t)- A(s)即为s,t)之间到达的用户总数。,2018/9/16,西安邮电学院通信工程系 郭娟,1.3.2 Poisson过程(3),(2) A(t)是一个独立增量过程。即在两个不同时间区间（区间不重叠）内到达的用户数是相互独立的。 (3)任一个长度为 的区间内，到达的用户数服从参 数为 的Poisson分布，即其均值和方差均为 。由于在区间内平均到达的用户数为 ，则即为单位时间平均到达的用户数或称为到达率。,