1、现代网络技术基础,孙延涛,北京交通大学计算机学院研究生专业基础课程,课程目的,网络在飞速发展 理解网络互连、网络协议的基本原理 定性分析和数学分析 提高研究能力,主要内容,网络体系结构 2 点对点协议和链路 4 网络性能分析 10 多路访问通信（多址技术） 6 网络路由 4 流量和拥塞控制 4,参考数目,数据网络(第2版中文版 ）伯塞卡斯等著，卢刚译人民邮电出版社 远程通信网络基础 (美)Tarek N.Saadawi等著 电子工业出版社 信息网络理论基础 李建东,西安电子科技大学出版社,第一章 信息网络概论,导言：网络演进 1 信息网络的基本构成 2 协议体系及分层的概念 3 信息网络的基本
2、理论问题,导言：网络演进,电信网络的发展PSTNISDN（2B+D）BISDN 计算机网络的发展LAN，WANInternet 无线通信网络的发展AMPSGSM，GPRS3G4G 业务的发展语音数据交互式的多媒体业务 速度的发展KpbsMbpsGbpsTbps,第1节 信息网络的基本构成,1.1 网络组成概述 1.2 数据传输链路 1.3 数据传输网络,1.1 网络组成概述,网络分类,用户类型(移动网络、固定网络) 业务的种类（电话、计算机数据） 传输媒介（有线、无线） 节点采用的技术体制（ATM交换体制、分组转发体制）,子网类型,当前实用的覆盖全国乃至全球的通信网中，通常由多种不同类型的网络
3、互连互通而构成。ATM(Asynchronous Transfer Mode, 异步转移模式)网络 X.25分组数据网 PSTN (Public Switched Telephone Network, 公用电话交换网) ISDN(Integrated Service Digital Network, 综合业务数字网)移动通信网/卫星通信网 FDDI(Fiber Distributed Data Interface,光纤分布式数据接口)环网、 局域网及高速骨干网等。 网络互联：WDM(Wavelength Division Multiplexing, 波分复用)链路、核心路由器 ,路由器是网络互
4、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。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E3路由器C1路由器C3ATM网络路由器E4用户G)转发给任一目的用户(用户G)。,路由器,1.2 数据传输链路,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。
5、,接入链路：是用户到网络节点(路由器或交换机)之间的链路 网络链路：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。 ,接入链路,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。,Modem链路是利用传统PSTN的电话线路, 在用户侧和网络侧分别添加Modem设备来实现数据传输的, 其传输速率可以为300 b/s到56 kb/s。 xDSL链路是通过数字技术, 对PSTN端局(本地电话交换机)到用户终端之间的用户线路进行改造而成的数字用户线DSL(Digital Subscriber Line)。 DSL的前缀x
6、表示不同的传输方案。例如: ADSL(Asymmetric DSL, 非对称数字用户线)的上行速率为640 kb/s1 Mb/s,下行速率为68 Mb/s; HDSL(High Speed DSL)上下行速率相同, 均为768 kb/s或1.5 Mb/s; VDSL(Very High Speed DSL)下行速率12.96 Mb/s、 25 Mb/s、 52 Mb/s, 上行速率为1.62.3 Mb/s。,ISDN链路也是利用传统的电话线路实现数据传输, 它提供两个基本的信道: B信道(64 kb/s)和D信道(16 kb/s或64 kb/s)。 供用户使用的基本接口速率为2B+D(144
7、kb/s), 一次群速率接口为23B+D(1 544 kb/s)或30B+D(2 048 kb/s)。,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(如:GSM、IS95, IMT2000等)的不同, 支持的数据传输速率为十几kb/s到2 Mb/s。,局域网链路中最典型的是以太网, 链路在双绞线上可传输的峰值数据速率为10 Mb/s、100 Mb/s。 这是在办公室环境下, 最常用的接入方式。 ,网络链路,X.25链路帧中继 SDHWDM,X.25网络,速率：根据使用的接口标准不同, 可以提供48 kb/s, 56 kb/s或64 kb/s的速率 分组交换, 以虚
8、电路的形式向用户提供传输链路。 大量的差错处理,以保证节点间可靠的传输, 这导致X.25网络具有较大的时延和较低的吞吐量。,帧中继(Frame Relay),它假定数据帧的传输基本不会出错, 因此一旦从帧的头部知道帧的目的地址就立即开始转发该帧。这样减少了每个节点的处理时间, 提高了吞吐量。 帧中继中常用的速率为64 kb/s、2.048 Mb/s。,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构等级ST
9、M-N(N=1,4,16,64)。它们的码速率分别为:STM-1(155.520 Mb/s), STM-4(622.080 Mb/s), STM-16(2 488.320 Mb/s)，STM-64(9 953.280 Mb/s)。 时分复用,SDH,光波分复用(WDM, Wave Length Division ultiplexing)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425 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，后同)、1610 Gb/s
10、已投入商用, 1602.5Gb/s、12810 Gb/s的系统已在试验, 理论上可达5 Tb/s的传输速率。,光波分复用,1.3 数据传输网络,分组交换网 ATM网络,一、分组交换网, 在分组交换网中,将消息分成许多比较短的、格式化的分组(Packet)进行传输和交换。每一个分组由若干比特组成一个比特串。 每一个分组都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。在每一个节点采用存储转发的方式来实现分组的交换。,虚电路传输方式,数据报传输方式,分组交换的过程, 分段和重装的过程。在发端需将一条消息分成规定长度的分组, 在收端需要将分组重新装配,恢复原始的消息。 选择传输路
11、径(确定路由)的过程。在图 1-2 中, 节点SD之间可有多种选择：路径A: S146D路径B: S1246D, 路径C:S1356D 各网络节点的交换过程。,分组交换网的三个基本过程,虚电路方式 在一个会话过程开始时,确定SD的一条逻辑通路 数据报方式 会话过程中的每一个分组独立地选择路由,选择路由的方式,每个交换节点有N条输入链路和M条输出链路, 每一条输入输出链路可以配置相应的缓冲区,来存储未及时处理的分组。 交换网络的作用是根据选定的路由将输入队列的分组送到指定的输出队列中。,节点的交换过程,X.25分组交换网,X.25分组网,提供虚电路服务 用户数据终端设备(DTE，比如终端主机)和
12、网络的数据通信设备(DCE，比如modem)之间的接口规范。 分组在网络内部如何传输由各网络自己决定 分组交换网之间互连采用X.75标准建议。,二、 ATM网络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的交换。 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。 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
13、时间。它采用面向连接(即虚电路)方式, 以提高信息传送的实时性。ATM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。,ATM网络的接口,ATM信元的格式,ATM信元的交换过程,第2节 协议体系及分层的概念,2.1 分层的概念 2.2 OSI协议的体系结构 2.3 TCP/IP协议的体系结构 2.4 混合的分层协议体系,红军和蓝军的部署情况,仅仅有通信链路双方还不能进行有效的通信。我们需要一系列的通信规则或协议方可进行通信。 假设有三支部队, 红军1队、红军2队和蓝军部队。红军的两支部队被蓝军隔开, 如图 1- 5 所示。,完善的
14、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。通信协议通常可通过完善的协议体系来描述。,2.1 分层的概念信息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。,信息网络的分层结构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,图1-7 通信系统中模块组成,每一层中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。一个节点中第n层的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
15、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。,2.2 OSI协议的体系结构,国际标准化组织(ISO) 开放系统互连(OSI)参考模型应用层 表示层 会话层 运输层网络层 数据链路层 物理层,OSI的分层协议体系,典型信息网络的分层协议模型,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。 物理层有四个主要特性, 即机
16、械特性、电气特性、功能特性和过程特性。其中,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激活(即建立)保持和解除激活的方法。,第一层: 物理层(physical 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。,第二层: 数据链路层(data link layer),网络层提供系统之间的连接, 它负责将两个终端系统经过网络中的
17、节点用数据链路连接起来,组成通信通路, 实现两个终端系统之间的数据透明传送。网络层的功能包括寻址和选择路由, 连接的建立、 保持和终止等。第三层提供的服务使它的上层不需要了解网络内部的数据传输和交换技术。,第三层: 网络层(network 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)的差错纠正和流量控制功能。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。
18、,第四层: 运输层(transport 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)。 除此之外, 会话层还可以提供一些其他服务, 例如提供不同的对话类型(两个方向同时进行, 两个方向交替进行, 或单方向进行等), 以及遇到故障时的对话恢复。 (利用在对话中插入一系列检查点, 一旦故障发生, 会话层可以从故障发生前的一个检查点开始, 重新传送所有数据。) ,第五层: 会话层(session 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
19、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。,第六层: 表示层(presentation 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。 以上七层功能又可按其特点分为两类, 即低层功能和高层功能。 低层功能包括了第一第三层的全部功能, 其目
20、的是保证系统之间跨越网络的可靠信息传送; 高层功能指第四第七层的功能, 是一些面向应用的信息处理和通信功能。,第七层: 应用层(application layer),2.3 TCP/IP协议的体系结构TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议族是在美国国防远景研究规划局(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。TCP/IP协议重点强调应用层、运输层和互连网层, 而对网络接入层和物理层只要求能够使用
21、某种协议来传送互连网层的分组。 TCP/IP协议与OSI七层模型的对应关系如图 1-9 所示。,TCP/IP协议与OSI七层模型的对应关系,网络接入层关心的是如何在一个网络中两个端系统之间传送数据的问题。它主要解决一个端系统(计算机)和它连接的网络之间的数据交换。发端计算机必须给网络提供目的计算机的地址,以便网络将数据传到相应的目的地。发端可以充分利用网络提供的服务。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。,TCP/IP协议族中的运输层(也称为主机到主机层)
22、采用两种不同的协议:TCP和UDP。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(User Datagram Protocol)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。,TCP/IP协议族中应用层的主要协议有: 文件传送协议(FTP, File Transfer Protocol)、简单邮件传送协议(SMTP, Simple Mail Transfer Protocol)、远程登录协议(TELNET)， 以及近几年发展起来的: 域名服务(DNS， Domain Name Service)、 网络新闻传送协议(NNTP
23、, Network News Transfer Protocol)和超文本传送协议(HTTP, HyperText Transfer Protocol)等。 ,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 1-10 所示。它包括应用层、运输层、网络层、数据链路层和物理层。,图 1-10 混合分层协议 (a) 分层协议； (b) 举例,第3节 信息网络的基本理论问题,从网络的角度, 我们要关心每一个会话过程的下列特征: (1) 消息到达率和
24、到达的变化率。它主要用来刻画(描述)用户信息的产生过程。消息的到达率可以从“0”开始变化, 变到足以使网络饱和。常用的简单到达模型有: 泊松(Poisson)到达、确定性到达和均匀分布到达等。 (2) 会话过程的保持时间。它根据不同的用户应用需求, 可长可短。短的保持时间如一个简单的E-mail消息, 长的保持时间可以是一个或几个工作日, 甚至是永久性的。,(3) 平均的消息长度和长度的分布。消息的长度可以从几个比特到109比特。常用消息长度分布有: 指数分布、均匀分布和固定长度等。 (4) 允许的时延。不同的应用允许的时延是不同的, 如对于实时的应用通常要小于几十毫秒, 对于交互应用通常要小
25、于几秒, 对于文件传送通常要小于几分钟。 (5) 消息传输的可靠性。对于某些应用, 如银行、帐目、 计算机程序、文件等类型的消息必须准确无误; 对于某些应用, 如Email等要求消息必须传到, 但允许有个别错误; 对于某些应用，如分组语音要求低的时延, 但允许有消息丢失和传输错误。,(6) 消息和分组的顺序。对于某些应用, 一个消息中的分组传输和存储的顺序必须维持,而对于另一些应用, 分组顺序是不重要的。评价网络性能的主要性能指标: 时延特性、 吞吐量(通过量)、 网络的成本和网络的用户容量等。,要设计一个网络所碰到的一个最基本的问题是众多的用户如何共享一个物理媒介, 即多址问题。第二个问题是
26、如何设置网络的接入点和网络节点, 使得众多的用户能够方便地接入到网络之中, 经济地共享高速大容量的骨干链路和网络。 这是网络拓扑设计和网络覆盖问题。第三个问题是如何为用户的消息或分组选择最佳的传输路径, 从而使得用户的消息或分组在一个子网内或跨越多个网络时能快速、 可靠地传送到对方。 这是路由问题。 第四个问题是如何保证网络稳定运行, 即如何避免网络中某条链路、某个子网或整个信息网络发生拥挤和阻塞, 它包括用户接入网络的业务流量和网络内部的流量管理和控制。 这是流量控制问题。,本课程内容安排如下: 第一部分：点对点的传输协议。主要讨论错误检测, 自动请求重传协议, 组帧的主要问题以及网络层和运
27、输层的点对点的协议。 第二部分：网络性能分析基础。主要介绍排队论的基本知识, 它是后面章节讨论的基础。 第三部分: 多址协议。本章以共享传输媒介的网络(如局域网和无线通信网)为基础,讨论随机多址的基本问题、冲突分解方法及其性能改进的方法。,第四部分: 路由算法。主要讨论最短路由算法、路由信息的广播以及最佳路由算法等。 第五部分: 流量控制。主要讨论接入允许控制、窗口流量控制和闭环流量控制等。,习 题,1.1 常用的通信链路有哪些?其主要特征是什么?1.2 试简述分组交换网的要点。1.3 什么叫做虚电路? 它与传统电话交换网中的物理链路有何差异?1.4 ATM信元与分组有何差别? ATM网络是如何支持不同种类业务的?1.5 分层的基本概念是什么?什么是对等层?1.6 试述OSI七层模型和TCP/IP协议体系的区别和联系。1.7 一个典型的信息网络可由哪些物理子网构成?路由器在该网络中的作用是什么?1.8 信息网络要研究的基本理论问题有哪些?,作业,网络新技术综述（3000字以上） 要求: 核心思想 关键技术 主要特点 发展状况 应用 Mail: ,
