1、1通信原理2通信原理第第14章章 通信網通信網3第14章 通信網l14.1 概述概述n通信網是在多點之間傳遞信息的通信系統。n通信網的基本組成部分u終端設備：包括電話機、傳真機、電臺、計算機等發送和接收信號的設備。 u通信鏈路：定義在一定的頻域和空域，它占用給定的頻帶和物理空間。鏈路可以被時分復用或頻分復用。 u交換設備：按照信令將通信鏈路傳來的信號轉接到另一條鏈路的設備。u有些通信網中還包含轉發設備。 4第14章 通信網n通信網的分類u按照功能區分p電報網、電話網、電傳(Telex)網以及電視網等等。p綜合業務數字網(ISDN) 窄帶綜合業務數字網(N-ISDN)寬帶綜合業務數字網(B-IS

2、DN)p移動通信網：蜂窩網u按照拓撲結構區分p網形：網形網的任意兩個節點之間都有一條鏈路直接相連。所以若網中共有N個節點，則需要N(N-1)/2條鏈路連接。當N增大時，所需鏈路數目將急劇增加，故經濟性較差。但是，若各節點有轉發功能，則可靠性大為增加。5第14章 通信網p星形網：在星形網中，若共有N個節點，則共需(N-1)條鏈路；除中心節點外，其他節點之間的通信都需要經過中心節點轉接。故在中心節點處需要有交換設備為其他各個節點轉接信號。和網形網相比，星形網需要的鏈路數目減少了，但是需要增加交換設備。 p環形網環形網所需的鏈路數目N等于節點數目，并且每個節點都需要有轉發功能。在這里，任意兩個節點之

3、間都有一條迂回鏈路，所以可靠性比星形網高。但是，在某些節點之間可能需要多次轉發，這個因素又會使傳輸時延增大和可靠性下降。 6第14章 通信網p總線形網在總線形網中，利用一條“總線”連接所有節點。由于所有節點共用這條總線，即總線同時只能為兩個節點服務，所以它主要用于分時工作的計算機局域網中。由于總線形網和環形網的上述特點，當網中節點數目較大時，可能使信號傳輸的時延較長。這兩種網主要適合用于節點數目較少的計算機網中。p復合形網復合形網是上述幾種基本型網的組合。根據對網絡的性能要求，常將幾種基本型網結合使用，以求達到技術和經濟指標優化的目的。 7第14章 通信網l14.2 電話網電話網n14.2.1

4、電話網的結構u組成：由終端設備（電話機）、傳輸線路和交換設備組成。u分類：p專用交換電話網p公共交換電話網(PSTN) p下面以公共網為例，介紹其結構和功能。 8第14章 通信網nPSTN的拓撲結構示意圖 國際電路用戶線中繼線國際局C1C2C3C4端局匯接局電話機本地網國內長途網國際長途網9第14章 通信網u本地電話網：p是指在一個統一號碼長度的編號區內，由電話機、用戶線、用戶端局（簡稱端局）、匯接局、局間中繼線和長話-市話中繼線組成的電話網。p各用戶的電話機經過用戶線接到端局。在一個端局內的線路一般構成星形網。在端局中的用戶交換機用于按照呼叫用戶的信令連接被呼叫用戶。p匯接局則匯聚各端局的連

5、接，并與其他匯接局連接。各端局和匯接局之間用局間中繼線連接。p長話-市話中繼線則用于將本地電話網和國內長途電話網相連接。中繼線一般是大容量電纜，用于傳輸時分復用PCM信號。10第14章 通信網u國內長途電話網：p是指全國各市（縣）間用戶進行長途通話的電話網，網中各市（縣）都設一個或多個長途電話局。各長途局間由長途電話線路連接起來。p國內長途電話網的結構在我國采用分級匯接制，它包含4個等級的交換中心，即大區交換中心（C1），省交換中心(C2)，地區交換中心(C3)和縣市交換中心（C4）。p分級匯接制在圖中顯示為樹狀結構。但是不排除個別的跨區連接，如圖中虛線所示。11第14章 通信網u國際長途電話

6、網：p是指將世界各國的電話網相互連接起來進行國際通話的電話網。p為此，每個國家都需設有一個或幾個國際電話局。國際長途通話實際上需要經過通話雙方國內電話網和國際電話局，以及國際電路等幾部分進行的。12第14章 通信網n 14.2.2電話網中的交換u電路轉接方法：用于早期的電話網p雙向交換矩陣不適宜用于數字電路 p單向交換矩陣 和雙向交換矩陣相比，這種單向交換矩陣中的開關數目要加倍。用戶2用戶4用戶6用戶8用戶1用戶3用戶5用戶7用戶9用戶2用戶4用戶6用戶8用戶1用戶3用戶5用戶7用戶9用戶3用戶1用戶2用戶4用戶5用戶6用戶7用戶8用戶9（入線）（出線）13第14章 通信網u時分數字交換技術p

7、由于數字通信技術的發展，在交換設備中目前一般采用時分數字交換技術。這時，被交換的信號是數字信號。p若由用戶線路輸入的是模擬信號，則首先應將其數字化，再進行交換。交換后，再經過數/模變換，變成模擬信號送回用戶。p在數字交換設備中，均采用時分復用PCM體制。這樣，只需將分配給各用戶的時隙位置搬移，即可達到交換的目的。時隙的搬移，雖然在原理上可以用時延的方法實現，但是在實際中時隙交換器通常是用隨機存儲器(RAM)完成的 。u上述兩種方法中，前者用開關矩陣實現交換的方法常稱為空分交換，后者則稱為時分交換?？辗纸粨Q時刻保持連接通信兩端用戶的線路處于持續接通狀態。時分交換則不然。14第14章 通信網n 1

8、4.2.3 電話網中的信令u信令的用途：在電話網中，交換設備是根據用戶發來的信令控制接通哪一條或幾條電路的。 u信令的分類：p用戶信令和局間信令：用戶信令：從用戶發到端局的信令，它規定了要求呼叫的終端目的地。局間信令：在各局和各中心之間傳輸的信令，它根據用戶信令的要求按照網絡的構成決定著信號通過的鏈路。p模擬信令和數字信令：公共電話網中模擬信令：由電話機到端局之間的用戶線一般都是模擬線路，所以用戶信令都是模擬信令。數字信令：局間中繼線都是數字線路，故局間信令是數字信令。 15第14章 通信網u用戶信令：p撥號脈沖：由機械（撥號盤）或電路產生直流脈沖，用脈沖的數目表示電話號碼，其工作原理見下圖。

9、當掛機時，用戶直流線路處于斷開狀態，電壓為0。當用戶摘機后，直流線路接通，電壓為正。若撥號“4”，則線路上發出4個脈沖。每個脈沖占100 ms時間，其中0電壓約占66 ms，正電壓約占33 ms。脈沖數目等于撥號數字，但撥號“0”時發出10個脈沖。故發送每個數字平均需用0.55 s時間。當電話號碼較長時，撥號費時太長。另外，它易受脈沖干擾，發生錯誤。 66 ms33 ms摘機掛機撥號“4”撥號“3”0V16第14章 通信網p雙音多頻(DTMF)信令：DTMF信令是從8個不同頻率的單音中選取兩個表示1位數字，見下表。它共有16組頻率組合可用。由于用DTMF發送每位數字僅需約0.08 s的時間（包

10、括數字間隔時間），速度較快。1209 Hz1336 Hz1477 Hz1633 Hz697 Hz123備用770 Hz456備用852 Hz789備用941 Hz*0#備用17第14章 通信網u局間信令：p隨路信令(CAS) ：是指信令和用戶信息（語音）在同一信道中傳輸的信令。R2信令是一種基于E-1時分復用系統的隨路信令。在E-1系統中時隙TS16被預留用來傳遞這種信令。p共路信令(CCS) ：將呼叫控制信息和其他業務信息通過一個獨立的信令網絡傳輸。SS7信令為一種共路信令 。它比R2信令更高效，更可靠。SS7信令的標準化程度要比R2信令好。 18第14章 通信網u呼叫和通話過程舉例 應答復

11、原啟動拆線復原用戶信令用戶信令局間信令呼叫復原撥號音撥號音撥號撥號準備好啟動送出電話號碼應答振鈴振鈴回鈴音或忙音回鈴音或忙音摘機監聽掛機監聽通話摘機掛機通話通話通話tttt 10 s 3 min端局A端局B19第14章 通信網n14.2.4 電話網的性能指標u話務量：p電話網中負擔的業務量多少由話務量衡量，它分為流入話務量A ：其定義是單位時間（1 h）內平均呼叫次數和每次呼叫平均持續（占用線路）時間h之積，即式中，h 的單位是h/次，的單位是次/h，故A是無量綱的。而A的單位則稱為愛爾蘭。流入話務量表示每小時中平均線路占用時間。成功話務量：成功話務量A0的定義是單位時間（1h）內呼叫成功次數

12、0和每次呼叫平均持續（占用線路）時間h之積，即)(ErlhA)(ErlhA0020第14章 通信網u呼損率p由于一般的通信網并不能保證所有呼叫都能夠成功地被轉接到對方用戶，所以必然會有少量的呼叫失敗，即發生“呼損”。p呼損率則是指損失的話務量(A A0)與流入話務量A之比，即p成功話務量和呼損率之間的關系為由上式可見，呼損率越小，成功話務量越大。u一個電話網的流入話務量決定于客觀需求，在設計電話網時應該將流入話務量作為給定條件之一。呼損率和電話網的設計能力有關，例如交換機和中繼線等設備的容量都直接和呼損率有關。設備容量越大，呼損率越小，但是投資和運行費用也大。 00AAAB)1 (0BAA21

13、第14章 通信網l14.3 數據通信網數據通信網n14.3.1 概述u數據通信網的分類p按照覆蓋范圍區分：局域網：局域網的覆蓋范圍較小，一般在一幢建筑物或一個庭院的范圍。城域網：城域網的覆蓋范圍為一個城市，一般約在50 km范圍以內。廣域網：廣域網的覆蓋范圍則可達幾千千米。個（人區）域網：近年來新出現的，它的覆蓋范圍一般在一間室內；由于采用無線傳輸方式，所以又稱為無線個域網(WPAN) 。22第14章 通信網p按照傳輸方式區分：無線數據通信網：在無線數據通信網中目前發展最快的是無線局域網。 有線數據通信網p按照用途區分：專用數據網公共數據網：公共數據網在概念上包括增值網和信息交換網。增值網是在

14、數據通信的基本業務上附加了新的通信功能或業務，使其原有價值增高。例如，增加電子函件、語音信箱、可視圖文、電子數據交換(EDI)、在線數據庫檢索、因特網、虛擬專用網、“800”號受方付費業務、“200”號電話呼叫卡業務等。 23第14章 通信網l14.3.2 數據通信網的組成數據通信網的組成n電路交換和信息交換u電路交換：p它的特點是在用戶之間建立一條連接通路，以直接傳遞信號。 p電路交換時，在兩個用戶通話的持續時間內，需要有一條通信電路始終保持在為他們連接的狀態，不論他們是否正在講話。平均而言，在通話時間內，一個用戶收聽和講話的時間各占一半，再考慮到找人等待時間和講話時的間隙，實際發送話音的時

15、間只占不到40%。所以多一半時間是空閑的。這是很大的資源浪費。24第14章 通信網u信息交換：p一個通路可以被多個用戶發送的信息分時利用。所以通路的時間利用率可以大為增加。p由于交換設備需要將收到的數據格式變成適合傳輸的格式，在數據到達接收端前再將其格式變成適合接收端的格式，所以收發兩端設備所用的數據格式可以不同。p由于信息交換是按照“存儲-轉發”方式工作的，交換設備將收到的數據先存儲起來，等到有通路可以利用時才轉發，所以有一定的時間延遲。p信息交換又分為報文交換：將整個報文一次轉發，由于其長度可能很長，所以，其存儲時間也可能很長，從而造成時延可能很大。分組交換：首先將消息在交換設備中分成長度

16、相等的短的分組（或稱“包” ），例如1000 b為一個分組，然后再傳輸。故延遲時間很小，目前應用廣泛。25第14章 通信網n面向連接和無連接u面向連接的數據通信網：通信雙方的終端之間必須有線路連接，才能通信。此連接可以是通過呼叫建立的；也可以是永久性或半永久性的專線連接。u無連接的數據通信網：通信雙方終端之間不需要有線路連接。這時是采用信息交換方式，將數據分組發出。由于一個消息被分成若干分組后，每個分組在網絡中的傳輸路由可能不同，所以各組不一定按原順序到達接收端。因此，在發送端交換設備中除了要在消息上加上發送目的地的地址外，還需要將每組消息按照先后次序編號，在接收端交換設備中需要按照編號排列各

17、組的次序，再將完整的接收消息送給終端用戶。所以分組交換的實現過程比較復雜的。若所有分組都經過同一路由傳輸并用同一方式處理，則可以設想在收發終端之間好像存在一個虛擬信道，稱為虛信道，又稱為邏輯信道，并將這種通過虛信道的連接稱為虛連接。 26第14章 通信網n通信協議u數據通信需要將數據分組、編號、加上糾錯編碼和目的地址等。終端和交換設備完成這些步驟時必須遵守一些規定。這些規定稱為通信協議。u通信協議，也稱通信規程。這兩個名詞是通用的。u為了制定一個通用的通信協議，需要將復雜的通信過程分成一些層次，每個層次承擔一定的任務，并為每個層次制定相應的協議。我們將這些層次和相應的協議的總和稱為數據通信網的

18、體系結構。u1983年國際標準化組織(ISO)就為數據通信網的體系結構制定出了一個通用的標準，它稱為開放系統互連(OSI)參考模型。它雖然在理論上比較完善，但是卻不太實用。下面先介紹這個模型，然后也對于因特網的體系結構作介紹。27第14章 通信網n14.3.3 開放系統互連(OSI)參考模型應用進程AP2表示層應用層會話層運輸層網絡層數據鏈路層物理層開放系統1開放系統2表示層應用層會話層運輸層網絡層數據鏈路層物理層應用進程AP1數據76543217654321物理傳輸媒體HAHPHSHT數據HNHAHPHSHT數據HAHPHS數據數據HA數據HAHP數據HDHNHAHPHSHTHD數據HDHN

19、HAHPHSHTHD28第14章 通信網u第第7層層 應用層應用層：應用層是OSI中的最高層，它確定進程之間通信的性質以滿足用戶的需要。其功能決定于用戶的需求和網絡服務目的。應用層還要提供應用進程所需要的信息交換、遠程操作、系統管理和應用管理。應用層直接和用戶的應用程序通信。u第第6層層 表示層表示層：表示層將上一層提供的數據作必要的編碼或語法變換，以通信通用的格式送給網絡，使不同類型的設備能夠互相通信。其功能包括數據文件的格式化、編碼（ASCII碼、EBCDIC碼，等等）、加密和解密、對話過程、數據壓縮、同步、中斷和終結。表示層還完成編碼和字符集的轉換和決定報文顯示方式。29第14章 通信網

20、u第第5層層 會話層會話層：會話層在兩個實體之間建立起進行一次“對話”的邏輯連接關系，負責網絡登錄和注銷、身份鑒別和運作方式（單工、雙工或半雙工）等，并對“對話”進行管理和控制，但是不包括呼叫建立、設置和斷開連接等功能。u第第4層層 運輸層運輸層：運輸層傳送數據的單位是報文。它負責在網絡內的兩個實體之間建立一條端到端的信道，并為通信兩端提供可靠和透明的傳輸。它還進行端到端間的差錯控制、順序控制和流量控制等。運輸層是通信的最高層。更高的3層已經和網絡技術無關，而是涉及到網絡的應用方面。因此，運輸層是網絡層和會話層之間的接口，它將上下兩層隔開，使上一層看不見下層中數據傳輸的細節。30第14章 通信

21、網u第第3層層 網絡層網絡層：網絡層的任務是選擇適當的路由和交換節點，使數據透明地傳輸到目的地。網絡層中的傳輸數據單位是分組分組，或稱包。因此，該層要負責將上一層送來的數據分組和對方發來的分組進行拆卸，并解決分組的丟失、重復傳送和順序顛倒等問題。u第第2層層 數據鏈路層數據鏈路層：數據鏈路層負責在兩個相鄰節點間的鏈路上，以幀為單位無差錯地傳輸數據。它需要將上一層送來的數據加上所需的控制信息組成幀，然后按順序發送給物理層，并處理對方送回來的“確認”幀。它還需要負責鏈路的連通、維持和釋放，并且識別幀的邊界和在檢測到接收數據中有差錯時通知對方重發這一幀，直至正確接收為止。在此層中加入的控制信息包括幀

22、同步信息、地址信息、差錯控制和流量控制信息等。高級數據鏈路控制高級數據鏈路控制(HDLC)規程是此層的主要通信協議之一。31第14章 通信網u第第1層層 物理層物理層：物理層的任務是為上一層送來的數據提供一個透明傳輸比特流的物理連接。所以物理層傳輸數據的單位是比特，而不管這些比特代表什么意義。物理層還負責物理媒體的連通（或激活）、維持和釋放（或去激活）等。所以物理層要解決的問題包括：確定傳輸電壓和電路阻抗值、傳輸速率、傳輸方向、連接器的物理參數（插孔數目、形狀和尺寸等）。物理層的協議主要有EIA-232和RS-449接口標準。EIA-232標準適用于通過標準電話線路傳輸數據時的物理層接口，而R

23、S-449標準則適用于寬帶線路。32第14章 通信網u為了實現各層的功能，各層需要在上一層送來的數據分組前加上控制信息，稱為報頭(HA、HP、HS)，如上圖所示。但是，第2層（數據鏈路層）的報頭(HD)分成兩部分，分別加在數據的前后；第1層（物理層）則由于功能是傳送比特流，所以不需加上控制信息。但是，從應用進程來看，開放系統2的應用進程AP2接收到的只是AP1發出的數據本身，沒有報頭，如圖中虛線表示的那樣，直接從AP1將數據發送到AP2。在兩個應用層之間的通信，則只有數據和報頭HA，其他的報頭都被下面各層剝離掉了。類似地，下面各層也如此。u從功能上看，最高3層主要是有關網絡控制、管理和應用方面

24、等的功能，基本上和信息傳輸沒有直接關系；下面4層才直接是信息傳輸方面的功能。33第14章 通信網uTCP/IP體系結構 p上面介紹的OSI體系結構雖然在理論上比較完整，但是由于它的全部標準制定拖延時間較長，實現起來過分復雜，和缺乏投入市場的驅動力量等原因，至今未能得到廣泛應用。而在它的全部標準制定出來之前，因特網已經在全球得到了極大發展。因特網的體系結構是從實踐中產生的，它稱為TCP/IP。TCP/IP體系結構只分4層。它和OSI體系結構的比較示于下圖中。34第14章 通信網pTCP/IP體系結構中的應用層相當于OSI體系結構中的最高3層，它直接為用戶的應用進程提供服務。這層的協議有多種，例如

25、支持萬維網萬維網(WWW)的HTTP協議，支持電子函件的SMTP協議和支持文件傳送的FTP協議等。pTCP/IP中的運輸層和OSI中的運輸層對應，它負責兩個應用進程之間的通信。運輸層有兩種協議，即面向連接的TCP協議和無連接的UDP協議。應用層表示層會話層運輸層網絡層數據鏈路層物理層應用層運輸層網際層網絡接口層OSI體系結構TCP/IP體系結構35第14章 通信網pTCP/IP中的網際層相當于OSI中的網絡層，它用IP協議支持無連接的分組傳送服務。由于因特網是一個很大的互聯網，它將大量的各種不同類型的計算機網互連起來，故將其網絡層稱為網際層。pTCP/IP中的網絡接口層對應OSI中的最低兩層。

26、但是，嚴格講此層并不是一層，僅僅是一個接口而已。u無論是OSI還是TCP/IP體系結構，其中各層分別都有自己的協議，而且每層的協議不止有一種。特別是高層協議與網絡的性質和用途關系很大，協議的種類也很多。下面僅就數據鏈路層的一種主要協議(HDLC)為例作詳細介紹。36第14章 通信網n14.3.4 高級數據鏈路控制規程(HDLC)u在HDLC中將一個分組稱為一幀。HDLC規定的幀結構示于下圖中。u由圖可見，HDLC的一幀分為6個字段，下面分別給出其功能：標志F地址A控制C信息I標志F幀校驗序列FCS01111110011111108 b8 b16 b長度任意校驗范圍需插入”0”的范圍37第14章

27、 通信網p標志字段F：標志字段F標明一幀的邊界，它由“01111110”組成，共8比特。為了使一幀的頭尾兩個標志F之間不會出現6個連“1”，避免和標志F混淆，HDLC規程規定發送端分組時若在兩個F之間發現有5個連“1”，則立即插入一個“0”。接收端則在發現5個連“1”后，即將其后繼的“0”刪除。當有兩幀連續傳輸時，前一幀的結束標志字段F就可以兼作后一幀的起始標志字段。38第14章 通信網p地址字段A：地址字段表示此幀發送的目的地址，它規定共有8 b (1字節)。全“1”地址是廣播地址，全“0”地址是無效地址。故有效地址共有254個。對于一般情況，此地址數目是足夠的。在有效地址仍嫌不夠的情況下，

28、容許將地址字段的長度擴展。擴展的方法是事先規定用第1比特表示“擴展”，其余7比特為地址位。當地址字段中某個字節的第1比特為“0”時，表示下一字節的后7比特仍為地址位；當第1比特為“1”時，表示此字節已是地址字段的最后一個字節了。39第14章 通信網p控制字段C：控制字段用于信令、應答和管理等。它的長度也規定為8 b，其具體功能示于下圖中。由圖可見，它規定了本幀的性質并給出控制信息。按照其第1比特或第1和2比特的取值不同，它將HDLC幀分為3類：信息幀I、監督幀S和無編號幀U。 當C的第1比特是“0”時，表示本幀是信息幀I，攜帶有用戶信息。當第1比特是“1”時，本幀的功能由第2比特決定。此時，若

29、第2比特為“0”，則本幀是監督幀S；若第2比特為“1”，則本幀是無編號幀U。 比特12345678信息幀I0N(S)P/FN(R)監督幀S10SP/FN(R)無編號幀U11MP/FN (R)40第14章 通信網控制字段第5比特為查詢/終止(P/F)比特。在主站發出的命令幀中若將其置為“1”，則表示要求對方立即發送應答。在對方的應答幀中若將其置為“1”，則表示數據已經發送完畢?？刂谱侄蔚钠渌忍氐墓δ軐⒃诤竺媪硇薪榻B。在信息幀I中，控制字段的第2至4位表示當前發送的信息幀的序號N(S)，第6至8位表示期望收到的幀在對方發送序列中的序號N(R)。N(S)和N(R)都是按模8運算的數字，即只能取值0

30、至7。N(R)還含有確認信息，表示序號為N(R) 1(mod 8)的幀和更前的幀都已經正確接收到了。這里模8運算的意思就是使序號的取值達到7后又回到0，這樣繼續循環計數。41第14章 通信網在監督幀S中，控制字段的第3和4位的功能示于下表中，它給出接收狀態。無編號幀本身不帶編號，即不帶N(R)。它用控制字段的第3、4、6、7、8比特表示對網絡控制的各種信令。這5比特的排列可以得出32種控制信令。S名稱功能00RR 準備好接收表示準備好接收下一幀N(R)，并確認已收妥序號為N(R) 1和其前的各幀。10RNR 未準備好接收表示未準備好接收下一幀，并確認已收妥序號為N(R) - 1和其前的各幀。0

31、1REJ 拒絕表示從N(R)起的所有幀的接收有差錯，但確認已收妥序號為N(R) 1和其前的各幀。11SREJ 選擇性拒絕只序號為N(R)的幀接收有差錯。42第14章 通信網p信息字段I：信息字段I的長度可以任意規定，但是其中定義的每個字符的比特數必須是固定的。p幀校驗序列FCS： 它用于監督本幀中的誤碼，但是標志F不在監督范圍內。FCS規定采用循環冗余校驗(CRC)法。所用的循環碼生成多項式規定為x16 + x12 + x5 + 1 。p43第14章 通信網n14.3.5 局域網以太網u以太網的結構p目前廣泛應用的以太網多采用帶集線器的星形網結構，見下圖。p圖中畫出4個計算機通過線路和集線器相

32、連。集線器有多個端口，每個端口接一個計算機。集線器的功能是將每個計算機發出的信號通過線路轉送給其他各計算機。計算機集線器44第14章 通信網p集線器和計算機間的線路是兩對雙絞線（見下圖），分別用于發送和接收信號，其長度不超過100 m。p由以太網的線路連接關系可見，一個計算機發出的信號可以送到其他各個計算機。但是，一般情況都是只希望將信號發送給一個指定的計算機。因此，在發送信號中需要帶有地址信息，只有此地址的計算機才能接收到此信號。 計算機集線器雙絞線45第14章 通信網p此外，這種網絡中同時只允許有一個發送信號在線路中存在。若同時有多個發送信號，勢必造成互相干擾。為了解決上述這些問題，需要制

33、定一個通信協議，為各計算機遵守。在以太網中采用的協議稱為載波監聽多點接入/碰撞檢測(CSMA/CD)協議。下面就將介紹這個協議。46第14章 通信網uCSMA/CD協議的數據格式 p假定：一個計算機在發送信號之前處于監聽網絡的狀態。只有當監聽到線路上沒有“載波”時，才能向線路上發送信號。這里的“載波”一詞是指線路中其他計算機發出的任何電信號，不必須是正弦載波。p在以太網中數據是分組傳輸的，其數據格式如下圖所示。p上圖中顯示每組數據共分6個字段，其中5個字段共26個字節是用于網絡開銷，只有一個字段是用戶數據。下面給出這種數據格式的詳細規定：每個分組的最大長度為1526字節，最小長度為72字節。每

34、個字節含8比特。 報 頭前同步碼8 B目的地址6 B源地址6 B類型2 B數據46 1500 B幀校驗4 B47第14章 通信網每個分組分為6個字段：前同步碼8字節，報頭14字節，數據46至1500字節，校驗位4字節。分組間最小間隔為9.6 s。前同步碼包含8字節的“1/0”交替碼，但是最后以兩個比特“11”結束，即前同步碼為(101010101011)。具體說，前同步碼的前7個字節是“1/0”交替碼，它用于建立比特同步，因為在一個計算機開始接收分組數據時比特同步尚未建立；最后1個字節是“10101011”，它表示在這個字節后面就是報頭的開始。報頭包括：48比特目的地址碼，48比特源地址碼，1

35、6比特類型碼。接收站需檢查報頭中的目的地址，看該組是否應當接收。其中第1個比特指示地址類型（0表示單地址，1表示群地址）；地址碼若為全“1”表示是向所有站廣播。48第14章 通信網源地址碼是發送站的地址碼。類型碼決定數據域中的數據如何解釋。例如，用于表示數據的編碼方法、密碼、消息優先級等。數據字段中字節數目必須為整數。當用戶數據長度不足46字節時，需要用整數字節的字段填充。幀校驗字段中校驗碼的生成多項式如下：X32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X12 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X + 1 幀校驗序列的校驗范圍不包括前同

36、步碼。p最后指出，上述數據格式中的報頭、數據和幀校驗序列屬于OSI參考模型中數據鏈路層的協議，而前同步碼則屬于物理層的協議。49第14章 通信網uCSMA/CD協議的工作當一個計算機要發送數據時，它的可能狀態如下：p延緩：當線路中存在載波時，或在最小分組間隔時間(9.6 s)內，不能發送。p發送：若不在延緩期，用戶可以發送直到分組結束或直到檢測有碰撞。p中斷：若檢測到碰撞，用戶必須終止傳輸，并發送一個短的人為干擾信號，以確保所有碰撞方注意到此碰撞。p重新發送：用戶必須等待一個隨機延遲時間，再試圖重新發送。這樣做的目的是使碰撞各方的延遲時間不同，以避免再次同時發送而引起碰撞。p退避：延遲重新發送

37、稱為退避。第n次重發之前的延遲時間等于一個隨機數乘以基本延遲時間。此隨機數在0 (2n -1)間均勻分布(0 10，此區間仍為0 1023。重發的基本延遲時間是51.2 s，它對于10Mb/s速率的以太網相當于512 b（64 B）的持續時間。50第14章 通信網u例：下圖為以太網采用雙相碼以10 Mb/s速率傳輸的數據格式。p這時，每個碼元中都包含一次跳變。碼元“1”中的跳變是從低電平到高電平；而碼元“0”的跳變是從高電平到低電平。所以，存在跳變就是向所有監聽者表明網上有載波存在。若從最后一次跳變開始在0.75 1.25個碼元時間內看不到跳變，就表明載波沒有了，即表示一組的終結。100 ns

38、跳變搜索窗1.25 T0.75 TT為碼元持續時間碼元“1”碼元“1”碼元“0”51第14章 通信網u高速以太網高速以太網p上面介紹的以太網一般稱為10BASE-T，其中的“10”表示工作在10Mb/s速率，“BASE”表示傳輸的是基帶信號，“T”表示雙絞線。這種以太網至今仍在使用。不過，從1994年開始出現了100 Mb/s速率的以太網，稱為100BASE-T。它仍使用CSMA/CD協議，但是集線器等硬件的工作速度提高了，并使用不同規格的雙絞線或光纖。p現在將速率達到和超過100Mb/s以太網稱為高速以太網。除了100BASE-T以太網外，到1996年又出現了能工作在1Gb/s速率的吉比特以

39、太網。在2002年IEEE又完成了10吉比特以太網標準的制定。52第14章 通信網n 14.3.6 ALOHA網u什么是ALOHA網？p它通過衛星的一個公共信道，采用隨機接入協議，把幾個地方的計算機連接起來。ALOHA系統采用分組傳輸方式，分組的長度是一定的。早期ALOHA系統的工作協議很簡單，工作效率不高。因此，ALOHA系統的工作協議不斷改進，出現了時隙ALOHA系統和預約ALOHA系統，并將早期的ALOHA系統稱為純ALOHA系統。 53第14章 通信網u純ALOHA系統：p工作模式： 發送模式：用戶在需要發送數據時可以隨時發送。發送的分組具有糾錯能力。收聽模式：在發送后，該用戶收聽來自

40、接收端的“確認(ACK)”消息。當有幾個用戶同時發送信號時，由于信號間的重疊會造成接收數據中出現誤碼。我們稱這種現象為碰撞。這時發送端將收到接收端送回的“否認(NAK)”消息。重發模式：當發送端收到“NAK”后，將重發原來的數據分組。當然，若碰撞對方也立即重發，將再次發生碰撞。所以，要經過一段隨機延遲時間后再重發。超時模式：若發送后在規定時間內既沒有收到ACK，也沒有收到NAK，則重發此數據分組。54第14章 通信網p系統性能分析歸一化通過量和歸一化總業務量設每個數據分組的長度為b比特，由用戶送入系統的總業務到達率為每秒t個分組，其中成功接收率為每秒個分組，拒收（發生碰撞）率為每秒r個分組，則

41、有t r（分組/秒）于是可以將系統的平均成功傳輸量（或稱通過量、吞吐量）定義為將系統的總業務量定義為若系統容量（最大傳輸速率）為R (b/s)，則定義歸一化通過量為定義歸一化總業務量為)/(sbbp)/(sbbPtRbp/RbPt/55第14章 通信網由于平均通過量p 不可能大于系統的容量R，所以歸一化通過量p不可能大于1。總業務量P 決定于用戶的需求，它可能很大，所以歸一化總業務量P可以大于1。一般說來，可以寫成0 P 。這樣，一個分組的（最?。﹤鬏敃r間應該等于將上式代入式中，得到前兩式中，得到及)s/pkt(/RbptP 56第14章 通信網避免碰撞的最小間隔時間由上圖可以看出，為了避免碰

42、撞，一個分組至少需要2 的空閑時間。因為若在本分組發送前 秒內有另一個用戶在發送，則會和前一分組的后部碰撞；若在本分組開始發送的 秒內有另一分組發送，則會和后一分組的前部碰撞。換句話說，成功發送一個分組的條件是在相鄰兩個 的時間間隔內沒有其他的消息到達。2前一分組后一分組t本分組57第14章 通信網歸一化通過量p和歸一化總業務量P之間的關系若有大量不相關的用戶向一個通信系統發送消息，則此通信系統中消息到達的統計特性通常用泊松分布表示。這就是說，在 秒時間間隔內有K個新消息到達的概率可以表示為泊松分布：式中，為消息的平均到達率將上式中的用總業務到達率t代替，K用0代替，就表示在一個 的時間間隔內

43、沒有消息到達的概率：0!e)()(KKKPKtteePt! 0)()0(058第14章 通信網因此，在ALOHA系統中一個消息成功傳輸的概率Ps應該是相鄰兩個 內都沒有消息到達。故有：由于總業務到達率t等于平均成功接收率和平均拒收率r之和。所以根據概率的定義可知，和t之比就是成功傳輸的概率，即由上兩式可以求出將上式代入并且考慮到得到歸一化通過量上式就是要求的歸一化通過量p和歸一化總業務量P的關系tePPPs2)0()0(tsP/tet2pPPep2tP 59第14章 通信網性能曲線：在上圖中標記為“純ALOHA”的曲線就是按上式畫出的。由圖可見，隨著P增大，p也逐漸增大，直至某一點后由于碰撞大

44、量增加而開始下降。p的最大值等于1/2e = 0.18，它發生在P等于0.5時。即“純ALOHA系統”的信道容量利用率只有18。 純純時隙時隙歸一化總業務量 P歸一化通過量p60第14章 通信網u時隙ALOHA系統（S-ALOHA系統）p改進之處：衛星向所有站發送一同步脈沖序列，將時間劃分為等于分組長度的時隙 。在這種系統中，分組的長度 仍然是固定的，但是規定分組開始發送的時間必須在時隙 的起點。這樣的一種簡單規定就能使碰撞率減少一半，因為只有在同一時隙中發送的消息才可能發生碰撞。 61第14章 通信網p工作原理圖中僅顯示出兩個站。站1的分組a和站2的分組c的到達時刻不在同一時隙中，所以它們都

45、能成功地發送。站1的分組b和站2的分組d的到達時刻在同一時隙內，所以會發生碰撞。這樣就將對分組到達時間間隔的要求從純ALOHA系統的2 減小為 ，使碰撞率減少一半。這時的歸一化通過量p和歸一化總業務量P的關系式變為分組c到達時刻t分組d到達時刻站2分組c發送時刻分組d發送時刻發送成功分組發送碰撞分組t分組b到達時刻分組a到達時刻站1分組a發送時刻分組b發送時刻發送成功分組發送碰撞分組PPep62第14章 通信網p按上式畫出的曲線示于下圖中。此曲線的最大值等于1/e = 0.37，它是純ALOHA系統的兩倍。p在重發模式下，S-ALOHA系統的重發必須延遲時隙的整數倍時間。這一點稍有別于純ALO

46、HA系統。這個整數倍時隙的延遲時間決定于各站的隨機數產生器。當然，兩個隨機數產生器產生的隨機數可能相同，但是這種情況發生的概率極?。灰坏┌l生，會發生再次碰撞。若出現這種情況，則使用另一個隨機數再次重發。純純時隙時隙歸一化總業務量 P歸一化通過量p63第14章 通信網u預約ALOHA系統（R-ALOHA系統）p基本模式：未預約模式和預約模式p未預約模式（靜止狀態）下： 將時間分為若干小的子時隙。 用戶使用這些子時隙來預約消息時隙。 在發出預約請求后，用戶等待收聽確認和時隙分配的信息。p預約模式下： 一旦有了一個預約，時間將被分成幀，每幀又分成M+1個時隙。 前M個時隙用于消息傳輸。 最后一個時隙

47、再分成N個子時隙，用于請求和分配預約。 用戶只能在M個時隙中分配給他的時隙內發送消息分組。64第14章 通信網p例：有不同的實現方案。在下圖中畫出一個例子 ：在靜止狀態時（圖中最右端），沒有預約，故時間被分成短的子時隙，用于進行預約。一旦有了預約，系統將時間分成幀。每幀有6個時隙(M=5)，其中最后一個時隙又分為6個子時隙(N=6)。在第3時隙有一個站發出請求，要求預約3個消息時隙。請求靜止狀態t預約模式：6個時隙N個子時隙預約分組的第一個可用時隙的發送0510152025ACK第一時隙的發送t往返傳輸1次的時間65第14章 通信網在第9個時隙該站收到確認和分配給它的發送第1個分組的位置。該站

48、在發送第1個分組之后，繼續在下一個時隙發送第2個分組。但是，該站知道再后一個時隙是用于預約的，它被分成6個子時隙。所以，在這個預約時隙之后才發送第3個分組。因為這種體制是分散控制的，所有各站都能收到衛星發送的下行信號中包含的預約時隙格式和分配，故只需指定分配的第1個分組的位置就夠了。在傳輸完預約分組后，若再沒有發送請求，則系統返回靜止狀態的子時隙格式，并通過下行信道向各站發送同步脈沖。66第14章 通信網uS-ALOHA系統和R-ALOHA系統的性能比較（2個時隙，6個子時隙）pp歸一化通過量p平均延遲 (時隙)67第14章 通信網l14.4 綜合業務數字網綜合業務數字網(ISDN)n14.4

49、.1 窄帶綜合業務數字網(N-ISDN)uN-ISDN的信道類型的信道類型p B信道：傳輸速率64 kb/s?？梢杂糜趥鬏敂底终Z音或數據等用戶數字信息。p D信道：傳輸速率為16或64 kb/s，用于傳輸電路交換的信令，還可以傳輸遙控信息和分組數據等。p H信道：它有3種不同的傳輸速率，即H0信道 傳輸速率為384 kb/s，H1信道：又分兩種速率H11信道 傳輸速率為1536 kb/s，（主要用于北美、日本和韓國等）H12信道 傳輸速率為1920 kb/s，（主要用于歐洲和中國大陸）H信道用于傳輸用戶信息。 68第14章 通信網uN-ISDN的接口p基本結構圖 家庭或小單位接口舉例用戶的各種

50、ISDN終端設備(第1類終端設備TE1) 多至8個，可以同時接到第1種網絡終端(NT1)的連接器上。 網絡終端NT1和終端設備的接口位于圖中參考點T，而NT1和ISDN的接口參考點是U。NT1具有OSI第1層的功能。NT1LTISDN電話機ISDN終端ISDN傳真電信公司設備用戶設備T電信局本地環路ISDN交換機UTE1TE1TE169第14章 通信網大單位的終端接口舉例用戶的各種ISDN終端設備接到第2種網絡終端NT2的連接器上。此接口位于圖中參考點S。NT2是有智能的， 并且可能有集中和交換功能，即相當于具有OSI第3層的功能。它可以有多個連接參考點S。ISDN用戶交換機電信公司設備用戶設

51、備電信局本地環路NT2NT1LTUTSISDN電話機ISDN終端非ISDN終端TARSSTE2TE1TE170第14章 通信網圖中還示出非ISDN終端設備(第2類終端設備TE2)，它可以通過終端適配器TA接到參考點S。非ISDN終端和TA的接口參考點是R。 適配器TA能將用戶數據變換成ISDN的數據格式，并在需要時加入附加的信令。它還可以將輸入的模擬語音和傳真信號數字化，變成ISDN格式，再送入網絡。 71第14章 通信網p網絡-用戶物理接口的標準結構 基本速率接口BRI：由兩個B信道和一個D信道(2B+D)組成。在這種接口中，D信道的速率是16 kb/s；兩個B信道可以獨立地使用，即可以分別

52、連接不同終端；其中一個B信道用于數字電話，另一個B信道可以用于傳輸數據、可視圖文或PCM電話等。在BRI接口上，除了傳輸(2B+D)信號外，還有傳輸同步信息等其他開銷，所以總傳輸速率是192 kb/s。基群速率接口PRI ：它由若干B信道和一個D信道組成，D信道的比特率為64 kb/s。這種接口適合用于需要更大傳輸容量的用戶。在歐洲和中國大陸，PRI使用30個64 kb/s的B信道和1個64 kb/s的D信道，合成的比特率是2048 kb/s 72第14章 通信網在北美、日本和韓國，PRI使用23個64 kb/s的D信道和一個64 kb/s的D信道(23B+D)，合成的比特率是1,544 kb

53、/s。除了上述兩種B信道接口外，還有H信道接口，例如，由(5H0 + D)組成2048 kb/s的基群接口，由4H0或(3H0 + D)組成1544 kb/s的基群接口，以及由B信道和H信道組成的混合接口等。 73第14章 通信網n14.4.2 寬帶綜合業務數字網(B-ISDN)信道速率高于2 Mb/s的ISDN，稱為寬帶綜合業務數字網。 ITU-T建議在B-ISDN中采用異步傳遞方式(ATM)作為B-ISDN中的信息傳遞方式。 uB-ISDN的協議參考模型p物理層和OSI參考模型中的第1層功能基本相同。ATM屬于面向連接的網絡類型。pATM層負責連接和復用。p ATM適配層(AAL)在ATM

54、層之上，其功能是提供各種業務、進行信元的裝配和拆卸、解決傳輸抖動、進行流量控制和差錯控制等。p更高層是用戶層，其功能還有待研究。4 更高層3 ATM適配層2 ATM層1 物理層74第14章 通信網uATM網絡的結構pATM網絡的組成：包括ATM用戶網絡和ATM傳輸網絡。ATM用戶網絡：由用戶終端設備TE、網絡終端NT 和傳輸鏈路組成。ATM傳輸網絡：由ATM交換節點SN和傳輸鏈路組成。pATM網絡示意圖：75第14章 通信網pATM網絡示意圖： 用戶-網絡接口: UNI 網絡節點接口：NNI NTTETENTTETESNSNSNSNNNINNINNINNINNINNINNIUNIUNI用戶網絡

55、用戶網絡傳輸網絡UNI76第14章 通信網uATM層pATM層的連接功能：ATM連接由一些ATM層鏈路串聯組成，為接入點之間提供端-端傳遞能力。在給定接口處和給定方向上，同一物理層連接在ATM層被若干虛路徑VP 所復用；這些虛路徑用虛路徑標識符VPI 來區別。在一段虛路徑連接VPC 中又有若干虛信道VC ；這些虛信道用虛信道標識符VCI 來區別。 VCIaVCIbVCIbVCIa鏈路（物理層連接）虛信道虛路徑VPIxVPIy77第14章 通信網VPI和VCI的關系在一個給定的接口上，分別屬于兩段不同VP的兩段VC可以具有相同的VCI值。所以，一段VC在一個接口上需要由VPI和VCI兩個值才能被

56、完全識別。若一段虛信道連接VCC是在交換線路上，則VCI的一個特定值沒有端-端意義，因為當VP終結（例如，經過交換機或交叉連接）時，VPI可能改變。VCI僅在VC鏈路終結處才能改變。所以，VCI值只在一段虛路徑連接VPC內保持不變。下圖示出，不同VPI值的兩段虛路徑內，可以有相同VCI值的虛信道虛信道虛信道78第14章 通信網ATM層的連接功能中還包含交換和交叉連接。交換設備和一般數字交換機的基本原理相同。交叉連接設備在ATM網中完成VP交換，不需要進行信令處理，從而能實現極高速率的交換。pATM層的復用功能：ATM使用異步時分復用技術和面向分組的傳遞方式。復用的信息流由給定長度的分組構成，這

57、種分組稱為信元。這些信元可以來自不同的用戶。信元由一個信息域和一個信元頭組成。信元頭的長度規定為5 B，信息域的長度規定為48 B： 信元頭信 息 域48 B5 B79第14章 通信網信元頭的功能：識別屬于同一虛信道(VC)的信元。信元頭中包含的信息：虛信道標識符(VCI)虛路徑標識符(VPI) 一般流量控制(GFC)信元丟失優先等級(CLP)有用負荷類型(PT)信元頭差錯控制(HEC) 在不同的接口UNI和NNI上，信元頭的格式略有不同，如下圖所示： 80信元頭信 息 域48 B5 B4 b34 b4 b 4 b4 b8 b8 b11 B1 B1 B1 B1 BVCIGFCVPIVPIVCI

58、VCIPTHECCLPVPIVCIVPIVCIVCIPTHEC4 b34 b4 b 4 b4 b8 b8 b11 B1 B1 B1 B1 BCLPUNI處信元頭NNI處信元頭第14章 通信網p由于在NNI處不需要規定一般流量控制GFC，所以可以用于標識符VPI和VCI的比特數達28 b，比UNI處多4 b。81第14章 通信網p每個用戶的傳遞容量根據用戶的要求和系統能提供的容量用協商的辦法分配。由于ATM是一種面向連接的技術，當需要時將連接標識符分配給連接的每一鏈路，當不再需要時即釋放。通常，信令和用戶信息是分開在不同的ATM連接上傳輸的。82第14章 通信網uATM適配層（AAL）pAAL的

59、功能：它在B-ISDN參考模型中位于ATM層和更高層之間，將更高層的協議數據單元PDU映射到ATM信元中的信息域，或反之，從而將更高層和ATM層的特性隔開。具體講，無論更高層送來的數據是語音、圖像，還是報文，在AAL中都將其劃分成一些48 B的分組，裝入信元的信息域中。AAL支持多種應用業務，包括固定和可變比特率，面向連接和無連接，以及有定時關系和無定時關系等類型的業務。此外，AAL的功能決定于更高層的要求，主要有處理傳輸差錯、處理信元丟失和信元錯位，以及流量控制和定時控制等。83第14章 通信網l14.5 移動通信網移動通信網n14.5.1 概述u移動通信分類p按照移動通信類型區分：移動電話

60、、移動數據（包括電報）、移動多媒體通信、無線尋呼(paging)等。p按照移動通信工作方式區分：單工、半雙工、雙工通信等。p按照組網方式區分：專線（對講）、廣播網、集群網、自組織（無中心）網、蜂窩網(Cellular Network)等。在本節中我們將以目前廣泛應用的蜂窩電話網為例，作重點介紹。84第14章 通信網u蜂窩網的發展p第一代蜂窩網：模擬調制、電話通信p第二代蜂窩網：數字調制、電話通信為主（第2.5代蜂窩網：增加數據通信功能）p第三代蜂窩網 ：數字調制、多媒體通信85第14章 通信網n14.5.2 蜂窩網的小區劃分和頻率規劃u劃分小區的目的：p解決無線頻率資源不足，在不同地區重復使用