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第一部分：现代通信网络系统Electric&InformationCollege,HunanUniversity通信网络的作用我们已经进入了21世纪。21世纪的一些重要特征就是数字化、网络化和信息化，它是一个以通信网络为核心的信息时代。信息的传递要依靠通信网络，因此实现信息化离不开完善的通信网络。通信网络已成为信息社会的命脉和重要基础。1.1概述通信网络的定义通信网络是把多台具有独立功能的通信终端通过通信设备和线路连接起来，再配有相应的软件，以实现资源共享和相互通信的系统。从用户的角度看，通信网络是一个透明的通信传输机构。现有几种主要的通信网络–电信网络（电话网）–计算机网络–有线电视网络–无线网络1.2电话网络的演进与反思电话网络的演进1876年，Bell发明了电话。此时的电话网络传输线路是模拟的，在用户之间通信采用两两简单互联。如果有n个用户，则需布n(n-1)/2根电话线。电话网络的演进随着用户数的增加，布线数目呈几何级数增长，导致交换技术的出现。由于用户分布在不同区域，将某区域用户汇接到端局交换机，形成了多端局交换机网络。1...n1...m1...n1...m电话网络的演进1890年前后的电话网络，通过手工操作来完成交换，建立呼叫的整个过程可能要求若干个接线员完成。每响应一次呼叫，就必须为双方建立一条电路连接，接线员通过改变连接进行电路交换。接线员后来被机械交换机替代，100年后，电子交换机替代了机械交换机。电话网络的演进从20世纪中期开始，电话网络中的每个终端通过低速专用链路访问当地交换机，交换机之间通过主干相联。主干线为高速链路，通过复用可以同时传输多路语音会话,复用技术产生。20世纪后期，电话网络主干链路被分为不同层次的逻辑信道，如北美地区的信道为DS1、…DS4等，传输速率从1.544Mbps到274.176Mbps不等。电话网络的演进1988年前后的电话网络，电话端到交换机之间是模拟信号，交换机之间是数字信号，使用电子交换机及CCS交换控制信息。CCS：CommonChannelSignaling,公共信道信令。主要功能是将呼叫控制功能从语音传输中分离。CCS是一种数据通信网络，功能分离有利于通信商提供新的服务，如呼叫等待、呼叫转移、呼叫返回等。电话网络的演进从1980年开始，电话网络的传输链路开始使用光纤链路，主干网络使用同步光纤网络（SynchronousOpticalNetwork,SONET）。当今主干网最通用的链路是OC-3、OC-12、OC-48，OC-192链路也开始投入使用。使用波分复用技术，一条单独的光纤可以携带100个OC-192的链路，速率达到1Tbps。电话网络的演进1990年后的电话网络一个主要的技术创新是通过ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork,综合业务数据网）将语音和数据信号集成起来，实现多媒体通信。传输线路可以是模拟的或数据的。目前出现一种替代ISDN的新技术为ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine,非对称数字用户线路）。电话网络的技术创新电话网络演进过程中的关键技术创新包括：电路交换复用技术数字化处理呼叫控制与语音传输相分离光纤链路综合业务集成等电话网络技术的反思电话网络采用电路交换技术，面向连接，即在传送信号之前，必须先通过信令建立连接；它所承载的业务是固定速率的端到端连接，其延迟等于电路的传播延迟；固定路径，固定带宽，固定时延，以电话连接64kb/s为基础；100多年来，电话网络尽管在数字化、光纤化、综合业务等方面有所创新，其语音质量不断提高、服务更加可靠、价格也稳定下降，但总体感觉这些改进是缓慢、累积与不明显的。电话网络技术的反思电话网络不适宜于数据传输（数据包长度不定，固定带宽电路不能灵活适配）；在传送短数据包时效率低下（为传送此数据包，须先建立连接，随后需拆除连接）。由于固定路径，当路径出现拥塞或破坏时，通信将中断，需重新建立连接。网络的“智能体”放在昂贵的交换机中，网络设备复杂，而终端设备（如电话机）简单，功能很少，引入新的服务就需要改变网络基础设施，这种改变既缓慢又昂贵，需要精心考虑和计划，导致电话网络技术进展缓慢。计算机网络的演进1946年第一台计算机诞生，计算机之间并未通信，直到1969年RS-232-C计算机串口通信标准的实行。该标准规定一次传输8比特的字符，并通过时间间隔分开。串行线路的距离与速率都是受到限制的。1.3计算机网络的演进与反思计算机网络的演进20世纪70年代同步传输标准增加了传输速率与传输链路的有效距离。该标准采用同步数据链路控制（SynchronousDataLinkControl,SDLC)协议，SDLC将数据按一定的数据结构组成一个一个分组，分组头部（H）包含的前导码包括接收者的时钟，通过自同步的编码比特保持相位一致。接收者通过CRC进行错误检测。SDLC避免了RS-232-C中连续字符的空白间隔而造成的时间浪费。计算机网络的演进20世纪60年代开始，针对多台计算机相连，提出存储转发的分组交换技术。其传输过程是源节点向目的节点不断发分组，一个节点接收到分组，将检查路由表，并判断使用哪个链路发送该分组。计算机网络的演进20世纪60年代末至70年代初，提出多路访问的连接方法，如以太网，大大降低了局域网中计算机互连的成本，也大大降低了访问广域网的费用。计算机网络的演进20世纪80年代初，IBM公司开发了另一种多路访问方法，叫令牌环（tokenring)，网络中计算机共享环，如何访问是由令牌传递协议进行控制的。计算机网络的演进20世纪80年代后期，开发出光纤分布式数据接口（FDDI），令牌传递协议用于共享环，计算机对持有令牌的节点进行计时，保证每个终端能够在协议时间内进行传输。计算机网络的演进20世纪90年代提出异步传输模式（ATM）网络。结合了电路交换与分组交换的优点，网络通过53字节的信元传输信息，整个网络的吞吐量比FDDI或者100M的以太网要大的多。计算机网络的演进计算机网络的速率从1970年代到至今的30年间增长了6个数量级。计算机网络的演进从20世纪80年代开始出现的Internet是一个全球性的计算机网络。它是由不同类型和规模的独立运行和管理的计算机网络、按照标准协议、通过各种通信媒体连接起来所组成的一个世界范围的巨大网络。现在的Internet网络包括全球范围内成百万个局域网，这些局域网通过主干广域网进行互联。TCP／IP（TransmissionControlProtocol／InternetProtocol）是Internet互联的标准协议。计算机网络的演进Internet在节点的数量、用户、数据量和应用方面正处在爆炸性增长时期，其原因在于IP数据报服务的简单性和层次性的域名及地址分配机制带来的。计算机网络的演进Internet由许多网络支持，又支持各种应用，承载服务由简单的IP数据报提供，形成两头大中间小的网络模型。Internet的成功首先在于普通的路由器就能够传输不同的IP数据报，IP承载服务的重要特点是，它没有性能上的要求，老的慢的路由器可以和新的高性能路由器共存。而先进的端主机能够运行复杂的应用程序，因此简单的网络基础设施可以兼容广泛的应用。其次，由于域名和IP地址的分配方式是一种非集中式的，所以网络的增长不是按计划而是随机的。计算机网络的技术创新计算机网络中的关键技术创新为：数据包中的数据结构；分组交换；多路访问方式；异步传输模式(ATM)；TCP/IP协议体系；综合业务集成等。计算机网络技术的反思只有20多年历史的计算机网络与电话网络相比，它的进步很戏剧化。从将一台有打印机的计算机互连到另一台计算机开始，现在，这些网络已经扩展到可以使全世界的用户进行数据、文本、图像、电影、动画等形式的通信。计算机网络采用分组交换技术，无连接，信道统计复用，极大提高带宽利用率，适宜用于不定长的突发数据；计算机网络技术的反思基于分组交换技术的IP数据报在延迟、带宽和数据丢失方面不能提供任何保证，路由器一视同仁处理所有分组，因此不能区分不同的应用与连接；IP地址的匮乏问题；对实时业务的服务质量问题（QoS）；海量信息挖掘与网络安全问题；面向动态（变化、移动）网络的问题；面向新型的智能网络问题。有线电视网络的演进CATV原指共用天线电视。现在指任意的用于传输视频信号的电缆系统以及混合的光纤/电缆（HFC）系统。标准的CATV分发系统如下图所示，中心负责分发模拟视频节目。若干节目在前端频分复用并通过排列成单向树的同轴电缆进行传输，宽带放大器用于补偿信号的衰减，每个节目占用6MHz的信道。单工通信，所有用户收到相同节目。1.4有线电视网络的演进与反思有线电视网络的演进近年来CATV主要技术创新就是将光纤用于电视信号的远距离传输（光纤到户），主干传输为数字信号，入户后为同轴电缆及模拟信号，为增加电视频道数目采用数据压缩技术（MPEG)。该方案中，CATV网络仍然是单向的。有线电视网络的演进为了提供新的服务，下一步CATV向双向的网络业务发展，主干传输为光纤及数字信号，入户后仍为同轴电缆。有线电视网络的技术创新有线电视网络关键的技术创新有：频分复用；光纤馈线链路；视频信号数字化；数字压缩技术；双工通信；综合业务服务集成等。有线电视网络技术的反思技术特点：网络双向化，管理智能化，信号数字化，业务多样化；现有的有线电视网需进行大量的改造工作，如全数字网络改造，必须投入大量的资金；高效实用的信息严重不足，限制了业务的开展；目前CATV宽带综合业务网尚无国际、国家标准可以遵循；现阶段设备制造商“各自为政”，开发力量分散，无法形成产业的规模化效应；有线电视台在计算机、数据通信和数字传输网络方面的技术力量储备不足，缺乏综合业务运营经验。无线网络的演进1895年马可尼实现第一次无线电传输。1902年第一个点到点的无线电报传输链路在美国建立。1906年第一次无线电广播。1920年美国建立第一个商业无线电主站。1941年播出第一个商业电视节目。1946年第一个公共移动电话系统在美国5个城市建立。1.5无线网络的演进与反思无线网络的演进1947年第一个微波中继系统在纽约与波士顿之间运行。1958年SCORE通信卫星升空。20世纪60年代出现彩色电视。1971年第一个分组交换无线网络在夏威夷开发成功。1981年第一个模拟蜂窝系统北欧移动电话（NMT)建立。1998年，第一个数字蜂窝系统（全球移动通信系统GSM）在欧洲建立。无线网络的技术创新无线网络关键的技术创新有：无线电报；广播电视；卫星通信；蜂窝电话；无线局域网；语音数据集成等。无线网络技术的反思移动终端功能复杂与轻巧灵便的矛盾越来越突出；无线频谱匮乏，频谱的利用受限，导致信道带宽有限；无线信道是一个不可预知和难以使用的通信媒体；安全性在无线系统中更是难以实现；对分散的移动用户定位困难，传输IP数据更甚；无线链路的性能、用户连接、网络拓扑随时变化，增加了无线网络设计的难度等。下一代网络(NGN)的定义NGN是一个分组网络，它提供包括电信业务在内的多种业务，能够利用多种带宽和具有QoS能力的传送技术，实现业务功能与底层传送技术的分离；它提供用户对不同业务提供商网络的自由地接入，并支持通用移动性，实现用户对业务使用的一致性和统一性。1.6下一代通信网络展望NGN的特点传输层控制层业务层开放接口开放接口开放接口开放接口有线网有线网PSTNPSTN互联网互联网移动网现有网络下一代网络NGN的基本特征传输和控制的分离；呼叫/会话和业务应用的分离；业务和网络的分离普遍的看法是：IP网是NGN的基础。NGN的层次结构未来网络是异构的、可扩展的和灵活的