1、1,数字通信网系列讲座 （一）,中山大学信息科学与技术学院 电子与通信工程系 张光昭 2001.6,2,数字通信网系列讲座,1 概论 2 快速以太网与千兆以太网 3 TCP/IP网（1） 4 TCP/IP网（2） 5 ATM网（1） 6 ATM网（2）,3,1 概论,1.1 数字通信与模拟通信 1.2 数字通信网的发展历史 1.3 数字通信网的拓扑结构 1.4 数字通信网的体系结构 1.5 常用的几种数字通信网,4,1.1 数字通信与模拟通信,1.1.1 数字信息与模拟信息模拟信息：信号强度连续变化，如自然的话音与图像信号。数字信息：信号强度只能取有限个离散值，如二进制或多进制编码的数据、话音
2、、图像等。1.1.2 数字通信与模拟通信模拟通信：传输的信息为模拟信息，如电视广播，它们将模拟信息调制在载波上传输。数字通信：传输的信息为数字信息，如电子邮件、IP电话、HDTV等，它们将编码后的数字信息调制在载波上传输。,5,1.1.3 频分复用与时分复用频分复用：在频率域将频率划分为一段一段，每个信道占有其中固定的一段。这样，多个信道可以共享一条物理链路。如电视广播、载波电话等。时分复用：在时域将时间轴划分为一个个小时隙，每个信道周期性地占有其中一个固定的时隙（同步时分复用），或者非周期性地占有一组时隙（异步时分复用）。这样，多个信道可以共享一条物理链路。如数字程控电话信道、分组传输信道等
3、。模拟传输一般采用频分复用，而数字传输一般采用时分复用，或同时采用时分和频分复用。,6,t,t,f,f,1 2 3 4 5 6 1 2 3,1,2,3,4,5,6,7,时分复用 频分复用,7,1.1.4 电路交换与分组交换电路交换：电路交换是面向连接的，在通信前先通过信令在信源与信宿之间建立一条物理连接即沿路交换机的相应的输入、输出端口间建立物理连接。如旧式的电话交换机。对于数字程控交换机，每个话音信道都周期性地占有一个固定的时隙，交换机内的交换是时隙交换，也属于电路交换。分组交换：分组交换属存储转发方式，信道统计时分复用。它可以是面向连接的，也可以是面向非连接的。如果是面向连接的，它在通信前
4、先通过信令在信源和信宿之间建立一条虚拟连接即沿路交换机建立相应的路由表。如X.25分组交换。如果是面向非连接的，则每个数据包的包头都含有信宿地址，交换机根据信宿地址路由到相应的输出端口去。如IP数据报交换。,8,模拟通信都采用电路交换，而数字通信一般采用分组交换，也可以采用电路交换。电路交换的优点是：信道专用，适合传输实时信息，有QoS保证。缺点是：信道利用率低，通信费用高。分组交换的优点是：信道共享，信道利用率高，适合于突发性强的数据通信，通信费用低。缺点是：没有QoS保证，实时通信较困难。将电路交换与分组交换的优点结合起来，可采用在分组交换基础上的电路仿真如ATM的电路仿真，IP网上的资源
5、预约（RSVP）。,9,1.1.5 模拟传输和数字传输的比较模拟传输：（1）非线性失真问题；（2）滤波器多，设备龎大；（3）模拟电路较难集成；（4）价格昂贵。数字传输： （1）无失真；（2）无滤波器，设备小巧；（3）适于大规模集成；（4）价格便宜。因此，数字化是今后发展的必然趋势。,10,1.2 数字通信网的发展历史,（1）60年代是萌芽时期 ： 远程终端连接、计算机通信（不是资源共享，因而还不是计算机网络）。（2）70年代是兴起时期 ： 各大公司推出各自的网络，如IBM公司的SNA网、DEC公司的DNA网、Intel公司的INA网，最有影响的是美国国防部高级研究计划局的ARPANet（它的目
6、的是将不同的异种网和异种机连成统一的网络，它第一次提出了TCP/IP协议）； 1976年推出X.25协议。,11,（3）80年代是发展和完善时期 ： 1980年IEEE802出台，局域网大发展； 1983年发布OSI模型； X.25升级到FR，并出现了DDN网； 1988年提出了BISDN的概念，并确定ATM为其传输方式； Internet开始发展，并逐渐占统治地位。（4）90年代是大发展时期 ： 93.9美国提出NII计划，计划在20年内投资4000亿美元，建成世界上最完善、最庞大的信息高速公路系统，接着各国也先后提出了各自的NII计划； Internet大发展，到2000年底，全球Inte
7、rnet用户数已达3.5亿； ATM网开始并迅速发展。,12,1.3 数字通信网的拓扑结构,1.3.1 什么叫拓扑结构？ 1.3.2 局域网的拓扑结构 1.3.3 城域网的拓扑结构 1.3.4 广域网的拓扑结构,13,1.3.1 什么叫拓扑结构？,计算机网络是由节点和物理链路组成的。 节点：计算机，终端，通信处理机等 物理链路：传输电路，交换机等计算机网络的拓扑结构：各节点连接起来的几何形状。,节点 物理链路,网状拓扑结构,14,1.3.2 局域网的拓扑结构,局域网一般都用广播型信道 一点发送，所有点都能收到。 （1）总线型：如Ethernet。,（2）环型：如Token Ring Net,（
8、3）星型：如以Hub或交换机为中心的局域网,15,局域网的特点：（1）网络范围较小，一般在2公里以内； （2）网络规模不大，一般在几千台计算机以内； （3）数据速率较高，一般在10Mbps到1000Mbps； （4）属于一个单位管理和使用。目前，主要流行10M/100M Ethernet，在比较大的局域网里，甚至使用千兆以太网（Gigabit Ethernet）。,16,1.3.3 城域网的拓扑结构,城域网的特点： （1）网络范围较大，一般在几十公里左右； （2）网络规模较大，一般有几十万台计算机； （3）数据速率较快，一般在100Mbps到1000Mbps； （4）一般由电信部门或网络公司经
9、营和管理。目前，主要流行的城域网是光纤环行网，过去多用FDDI（光纤分布式数字接口，100Mbps），现在多用交换型的Gigabit Ethernet（100/1000Mbps）。,17,城域网的拓扑结构一般采用光纤环型网：,光纤环型网,用户局域网,干线节点,根据需要，光纤环型网可以是单环或者是多环链接起来的。,18,1.3.4 广域网的拓扑结构,广域网的特点： （1）网络范围很大，可以跨市、跨省、跨国； （2）网络规模很大，可以有几百万、几千万、甚至几亿台计算机； （3）数据速率不高，一般在几十Kbps到几Mbps左右； （4）网络都由电信部门管理。目前，光纤骨干网多用SDH网，主干速率可达
10、2.5Gbps，如果采用DWDM（密集波分复用），数据速率可达200Gbps，甚至向1000Gbps发展。因此，主干网的信道带宽问题已基本解决，当前的主要瓶颈在于接入网。,19,广域网的拓扑结构：,广域主干网,接入网,接入网,用户局域网,用户局域网,用户局域网,用户局域网,接入网,用户局域网,用户局域网,广域主干网：由网状结构的光纤网（如SDH、ATM、HFC）组成。 接入网：窄带PTSN、X.25、FR、DDN等（几十kbps 2Mbps）；宽带ATM、HFC、ADSL、LMDS、快速Ethernet等（几Mbps几百Mbps)。 用户局域网：Ethernet等,20,1.4 数字通信网的体
11、系结构,1.4.1 什么是计算机网络的体系结构？ 1.4.2 计算机网络体系结构中各层的功能 1.4.3 三种最主要的计算机网络体系结构 1.4.4 网络部件,21,1.4.1 什么是计算机网络的体系结构？,计算机网络是一个十分复杂的大系统，要实现异种网之间和异种机之间的通信和资源公享，所有的节点都必须遵从统一的通信协议。这些协议的内容十分复杂，包括信息流的格式、流量控制、拥塞控制、差错控制、网络同步、电路接口等。为了使系统简化，将复杂的通信协议按功能进行分类，做成分层结构，每一层只完成某些特定功能，相互间不重复，下层功能的完成不依赖于上层，而上层功能的完成却依赖于下层。每个对等层之间要执行相
12、同的通信规程（通信协议），每个相邻层之间要执行接口规程。这种分层结构的通信协议的集合，就称为计算机网络的体系结构。,22,1.4.2 计算机网络体系结构中各层的功能,按照ISO的OSI（开放系统互连）模型，它可以分为7层：,应用层,物理层,链路层,网络层,传输层,会晤层,表示层,物理层主要用于系统与通信线路间的连接，完成位流的传输,链路层主要用于两个相邻节点间数据帧(frame)的传输,网络层主要用于数据分组(packet)在通信子网内的传输,传输层主要用于信源和信宿之间数据报文(message)的传输,会晤层主要用于两个应用之间会晤的建立和同步,表示层主要用于数据的表示和编/解码,应用层是面
13、向用户的各种应用软件,简化的OSI模型将高三层合并为一层高层。,23,各层的数据格式：,应用层数据,报头 应用层数据 报尾,包头 传输层报文 包尾,帧头 网络层数据包 帧尾,应用层报文,传输层报文（message),网络层数据包（packet),链路层帧（frame),帧头、包头、报头：主要包含地址信息和控制信息（流量控制和拥塞控制，顺序号等）。 帧尾、包尾、报尾：主要包含差错控制信息（CRC校验）。,24,1.4.3 三种最主要的计算机网络体系结构,（1）OSI模型 （2）TCP/IP模型 （3）ATM模型这三种模型是独立发展起来的，但在一定的意义下，又可以互相对比和参考。三种不同的模型发展
14、成三种不同的网络： OSI：X.25网，FR网，DDN网，IEEE802网 TCP/IP：Internet网 ATM：ATM网,25,应用层,物理层,链路层,网络层,传输层,IP层,TCP层,ATM层,AAL层,OSI模型 TCP/IP模型 ATM模型,三种模型的对比：,26,1.4.4 网络部件,应用层,LLC MAC,网络层,传输层,物理层,路由器，包含低三层功能，主要用于数据包的路由。,网桥，包含低2层功能,重发器，只包含物理层功能,网桥：主要用于不同的802网络之间的连接，以及局域网之间的隔离（地址过滤）。 重发器：主要用于电信号的放大，以增加传输距离。,27,应用层,链路层,物理层,
15、应用层,传输层,网络层,链路层,物理层,物理层,链路层,网络层,传输层,网络层,终端 路由器 终端,网络1 网络2,28,应用层,物理层,链路层,网络层,传输层,物理层,物理层,链路层,链路层,网络层,传输层,应用层,终端 网桥 终端,802网 802网,29,应用层,物理层,链路层,网络层,传输层,物理层,物理层,链路层,网络层,传输层,应用层,终端 重发器 终端,同一网络,30,HUB（集线器）：,总线型HUB 交换型HUB,R,R,R,R,R：重发器,MAC层交换机,B,B,B,B,B：缓存器,总线型HUB只包含 重发器的功能。,交换型HUB包含网桥的功能， 在第二层进行交换。,31,路
16、由器：,存储转发型路由器 交换型路由器,路由表,B,B,B,B,B：缓存器先存储整个数据包，然后再根据信宿地址进行转发。,三层或二层交换机,B,B,B,B,三层交换：在网络层进行交换 二层交换：在链路层进行交换，如MPLS。,只要识别了信宿地址，就立即进行交换。,32,1.5 常用的几种数字通信网,1.5.1 TCP/IP网 1.5.2 ATM网 1.5.3 宽带接入网,33,宽带网络结构模型：,骨干网（SDH，DWDM）,城域网（ATM，Ethernet1000M）,接入网（ATM，ADSL，HFC，FTTC，LMDS）,驻地网（Ethernet10/100),34,1.5.1 TCP/IP
17、网,放在数字通信网络系列讲座（3，4）讲。,35,1.5.2 ATM网,放在数字通信网络系列讲座（5，6）讲,36,1.5.3 宽带接入网,1 Internet用户日益普及,1994年以来，Internet的用户数以每年翻一番的速度增长。现在，全球连接到Internet的主机数已超过1亿台，我国也已超过1千万台。,2 网络提供的业务日益增加,除了传统的数据业务Web浏览、Email、FTP等以外，还有许多实时的多媒体业务如IP电话、视频会议、远程教育、远程医疗、电子商务、远程协同工作和家庭办公等。,3 信息技术革命的推动,信息化带动现代化已成为大家的共识。,（1）宽带网络发展的动力：,37,接
18、入网：,接入网是指由用户（或用户驻地网）到骨干网之间的哪一段网络也就是信息高速公路的最后一英里问题。接入网牵涉到千家万户，是网络建设中最复杂、也是最费钱的部分。接入网的带宽能否满足消费者的要求，它的费用消费者能否承受得起，是限制当前宽带网络发展的最重要因素之一。因此，接入网是当前宽带网络的瓶颈。,38,（2） 几种常用的宽带接入网,1 接入网技术的分类,39,2 ADSL（非对称数字用户环路）,ADSL是利用现存的电话双绞线作为接入网进行宽带数据通信的一种方法。 上行带宽：8Mbps 下行带宽：768kbps 传输距离：3kM,40,ADLS的频谱分配：,频分复用 回声消除,0 4 25 25
19、0 300 1000 kHz 0 4 25 250 1000 kHz,POTS 上行 下行 POTS 上行 下行,41,ADSL的系统结构：,42,43,ADSL的优缺点如下: 优点 1 利用现有的电话网线，不必重新敷设线路。 2 下行能提供8Mbps的带宽，可以传输多媒体信息。 3 电话和数据传输共用一对双绞线，频分复用，互不干扰。 4 可以根据用户的需要，随时配置ADSL Modem。缺点 不支持模拟电视的传输。 传输距离受业务速率和铜线本身特点的限制。,44,VDSL（Very high speed DSL，超高比特率数字用户线）是速率最高的DSL技术。VDSL是ADSL的升级，是DSL
20、技术根据HDTV、视频会议以及对称/非对称业务的需要而发展的技术。 该技术是在94年下半年提出，目的就是为了能在双绞线上实现比ADSL更高的传输速率。VDSL提供了更高的带宽，满足更多的业务需求，它除了支持与ADSL相同的应用外，还支持包括高保真音乐、高清晰度的电视，多通道视频业务、 MPEG-2图象等，是真正的全业务接入（FSAN）手段。 它的特点是传输速率快，有效距离短，速率可变自适应，并可以按照要求配制成对称和非对称两种传输模式。,VDSL：,45,46,47,VDSL技术是电话网络发展的一个方向，随着VDSL的标准化及其技术不断发展与成熟，将有利促进VDSL的广泛应用，具有十分广阔的发
21、展前景。,48,3 HFC（光纤同轴混合网）,HFC是由CATV网发展起来的，馈线网采用光纤，配线网采用同轴线，双向不对称。,49,典型的HFC频谱分配图：,50,51,HFC的主要特点： 1 传输频带较宽HFC具有双绞铜线对无法比拟的传输带宽（1GHz）。 2 与目前的用户设备兼容视频信号可以直接进入用户的电视机，以保证现在大量的模拟终端可以使用。 3 支持宽带业务HFC网支持现有的和发展的窄带及宽带业务。 4 全业务网HFC网的目标是能够提供各种类型的模拟和数字通信业务，包括有线和无线，数据和话音，多媒体业务等等，并称之为全业务网（FSN）。,52,HFC网络是建立在模拟频分复用基础上的，
22、从技术发展趋势看，未来的通信一定是朝着数字化方向发展，因此HFC网络如何适应未来网络的发展，是一个值得研究的问题。此外，还存在以下几点受限因素： 上行信道拥挤问题 安全问题线路敷设和改造问题,HFC的局限性：,53,3.4 FTTH, FTTC（光纤到户或光纤到小区）,ONU：光纤网络单元 ADM：异步插入复用,54,根据光网络单元（ONU）与用户位置的远近，光接入网（ OAN）又可分成若干种专门的传输结构，主要包括： 光纤到户FTTH（Fiber To The Home） 光纤到大楼FTTB（Fiber To The Building） 光纤到办公室FTTO（Fiber To The Off
23、ice） 光纤到路边FTTC（Fiber To The Curb）。,55,56,根据目前的技术条件，无论采用哪一种方法，要实现光纤到家代价都过于高昂，用户尚不能接受。因此只能根据实际情况，尽量使光纤接近住户，在未端仍用铜线接入家庭。 目前各国较为普遍的策略是应用PON技术实现FTTC或FTTB，然后用5类双绞线连接到户（即FTTBLAN）。未来最终目标是FTTH。,57,3.5 LMDS（局域多点分布式系统）,频率范围： 20GHz-40GHz可用带宽： 1GHz传播方式： 点-多点广播（下行）点-点通信（上行）,58,LMDS 频谱 (by FCC),27.5,28.35,850MHz,2
24、9.1,29.25,150MHz,31.075,31.225,150MHz,31-31.075,31.225-31.30,75MHz,75MHz,Block A,Block B,GHz,GHz,59,LMDS的系统结构,ESP,RF TX,RF RX,Internet,ATM,CATV,DS,ESC,ESC,ESP:End-Service Provider ESC:End-Service Consumer DS:Distribution System,ESC,60,LMDS的应用前景,LMDS的特点：可用频带很宽（1GHz以上）；传输范围有限，频率可反复使用；无线连接，安装易、维护易，建设周期
25、短；单位带宽成本低于其它接入方式。,61,LMDS的应用多频道视频广播；视频点播（VOD）；视频会议；视像电话；高速Internet接入；高速专用数据网；,62,LMDS存在问题在我国LMDS的可用频谱还没有划定；视距传输，阴影问题难解决；无线信道噪声大，传输受气候影响大；传输距离较短。,63,4 结语,（1）宽带网络的发展是必然趋势，它是与市场的需要相适应的。（2）发展宽带业务作为一个经济的新增长点是很值得重视的，但必须注意市场的需要，不可“一窝蜂”上。（3）宽带接入是当前宽带业务应用的瓶颈，目前的各种宽带接入方案各有优缺点，相信在很长一段时间内都会并存。它们之间的竞争是价格和服务质量的竞争。,64,谢谢,
