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,宽带无线通信 第二讲郑国莘 吴雅婷,OSI：起源和发展OSI层层的原理和益处层之间的交互TCP/IP网络协议,1.3.1 OSI协议栈,1.3 网络协议栈,分层的好处,各层之间是独立的。灵活性好。结构上可分割开。易于实现和维护。能促进标准化工作。,1.3 网络协议栈,层数多少要适当,若层数太少，就会使每一层的协议太复杂。层数太多又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时遇到较多的困难。,1.3 网络协议栈,OSI层,应用层表示层对话层传输层网络层数据链路层物理层,1.3 网络协议栈,五层协议的体系结构,应用层(application layer)传输层(transport layer)网络层(network layer)数据链路层(data link layer)物理层(physical layer),数据链路层,5 应用层,4 传输层,3 网络层,2 数据链路层,1 物理层,1.3 网络协议栈,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用进程数据先传送到应用层,加上应用层首部，成为应用层 PDU协议数据单元,1.3 网络协议栈,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应 用 程 序 数 据,10100110100101 比 特 流 110101110101,注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次,应 用 程 序 数 据,1.3 网络协议栈,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,10100110100101 比 特 流 110101110101,计算机 2 的物理层收到比特流后交给数据链路层,1.3 网络协议栈,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层,H2,T2,1.3 网络协议栈,H3,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层,1.3 网络协议栈,H4,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层,1.3 网络协议栈,应 用 程 序 数 据,H5,应 用 程 序 数 据,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,应用层剥去应用层 PDU 首部后把应用程序数据交给应用进程,1.3 网络协议栈,计算机 1 向计算机 2 发送数据,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,计算机 1,AP2,AP1,计算机 2,我收到了 AP1 发来的应用程序数据！,1.3 网络协议栈,OSI层应用层,1.3 网络协议栈,OSI层表示层,1.3 网络协议栈,例子,FTP允许你选择binary和ASCII两种传输方式。如果是binary方式，发送端就不会改变文件的内容。如果是ASCII方式，发送端就会先把内容从发送端的字符集转换成标准的ASCII码再发送。接受端再从ASCII码转换为本地的字符集。,1.3 网络协议栈,OSI层对话层,1.3 网络协议栈,OSI层传输层,1.3 网络协议栈,例子,TCP提供了一个4200字节的数据段给IP进行投递。如果某种媒体不能传输4200个字节的包，那么IP将对数据进行分片。这样，接收端的TCP也许就会接收到3个不同的1400字节的段。并且，接收段可能按照和发送不同的顺序接收，所以它需要记录接收的段，并将它们重组为4200字节的段。然后将数据送给上一层。,1.3 网络协议栈,OSI层网络层,1.3 网络协议栈,网络层功能路由,Fred,R1,BunchesOfRouters,R2,Barnery,Step1,Step2,Step3,将数据从源计算机发送到最近的路由器。将数据投递到离目标最近的路由器。将数据从离目标最近的路由器投递到最终路由器。,1.3 网络协议栈,OSI层数据链路层,1.3 网络协议栈,OSI层物理层,1.3 网络协议栈,例子,RJ45定义了连接器的形状和电缆芯/针的数量。Ethernet和802.3定义了1，2，3，6芯/针的使用。所以一根给Ethernet使用的带有RJ45连接器的5类电缆，同时应用了Ethernet和802.3物理层规范。,1.3 网络协议栈,OSI层,某些协议可能同时定义了多层的细节。例如，TCP/IP应用层等价于OSI 5到7层，所以NFS实现同时适合这三层。类似的，802.3，802.5和以太网同时定义了数据链路层和物理层的细节。,1.3 网络协议栈,层之间的交互不同计算机相同层之间的通讯,HOST A,HOST B,Router 1,1.3 网络协议栈,1.3 网络协议栈,1.3.2 TCP/IP协议,TCP/IP,OSI,1.3 网络协议栈,层之间的交互TCP/IP Headers and Trailers,1.,2.,3.,4.,5.,Application,Transport,Internet,NetworkInterface,1.3 网络协议栈,层之间的交互帧，包和段,Data,Segment,Packet,Frame,1.3 网络协议栈,面向连接的协议，非面向连接的协议，流量控制,面向连接的协议 VS 非面向连接的协议如何进行出错处理流量控制,1.3 网络协议栈,面向连接的协议 VS 非面向连接的协议,1.3 网络协议栈,1.5 计算机网络范例,网络用于计算机之间的数据传送，而不是为了打电话。网络能够连接不同类型的计算机，不局限于单一类型的计算机。所有的网络结点都同等重要，因而大大提高网络的生存性。计算机在进行通信时，必须有冗余的路由。网络的结构应当尽可能地简单，同时还能够非常可靠地传送数据。,1.5 计算机网络范例,请注意名词“结点”,“结点”的英文名词是 node。虽然 node 有时也可译为“节点”，但这是指像天线上的驻波的节点，这种节点很像竹竿上的“节”。在网络中的 node 的标准译名是“结点”而不是“节点”。,1.5 计算机网络范例,ARPANET的成功使计算机网络的概念发生根本变化,早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网各终端通过通信线路共享昂贵的中心主机的硬件和软件资源。分组交换网则是以网络为中心，主机都处在网络的外围。用户通过分组交换网可共享连接在网络上的许多硬件和各种丰富的软件资源。,1.5 计算机网络范例,从主机为中心到以网络为中心,以主机为中心,以分组交换网为中心,1.5 计算机网络范例,互联网发展的第一阶段,第一个分组交换网 ARPANET 最初只是一个单个的分组交换网。ARPA 研究多种网络互连的技术。1983 年 TCP/IP 协议成为标准协议。同年，ARPANET分解成两个网络：ARPANET进行实验研究用的科研网MILNET军用计算机网络19831984 年，形成了因特网 Internet。1990 年 ARPANET 正式宣布关闭。,1.5 计算机网络范例,互联网发展的第二阶段,1986 年，NSF 建立了国家科学基金网。NSFNET。它是一个三级计算机网络：主干网地区网校园网1991 年，美国政府决定将因特网的主干网转交给私人公司来经营，并开始对接入因特网的单位收费。1993 年因特网主干网的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率）。,1.5 计算机网络范例,三级结构的互联网,各网络之间需要使用路由器来连接。有时在结构图中可不画出路由器。,校园网,校园网,校园网,校园网,校园网,校园网,国家主干网,1.5 计算机网络范例,三级结构的互联网,主机到主机的通信可能要经过多种网络。,校园网,校园网,校园网,校园网,校园网,校园网,国家主干网,1.5 计算机网络范例,互联网发展的第三阶段,从1993年开始，由美国政府资助的 NSFNET逐渐被若干个商用的 ISP 网络所代替。1994 年开始创建了 4 个网络接入点 NAP(Network Access Point)，分别由 4 个电信公司经营。NAP 就是用来交换因特网上流量的结点。在NAP 中安装有性能很好的交换设施。到本世纪初，美国的 NAP 的数量已达到十几个。从 1994 年到现在，因特网逐渐演变成多级结构网络。,1.5 计算机网络范例,今日的多级结构的互联网,大致上可将互联网分为以下五个接入级 网络接入点 NAP国家主干网（主干 ISP）地区 ISP本地 ISP校园网、企业网或 PC 机上网用户,1.5 计算机网络范例,多级结构的互联网,大公司,地区 ISP,网络接入点NAP（对等点）,公司,主干服务提供者,本地 ISP,地区 ISP,地区 ISP,地区 ISP,本地 ISP,本地 ISP,大公司,大公司,网络接入点NAP（对等点）,主机到主机的通信可能经过多种 ISP。,1.5 计算机网络范例,无线接入AP,光缆,1.5 计算机网络范例,无线接入AP,光缆,，,广域网,城域网，局域网,无线局域网,1.5 计算机网络范例,1.5.1 广域网：线路交换的特点,两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。,1.5 计算机网络范例,更多的电话机互相连通,5 部电话机两两相连，需 10 对电线。N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。当电话机的数量很大时，这种连接方法需要的电线对的数量与电话机数的平方成正比。,1.5 计算机网络范例,使用交换机,当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。,交换机,1.5 计算机网络范例,“交换”的含义,在这里，“交换”(switching)的含义是：转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。,1.5 计算机网络范例,电路交换的特点,电路交换必定是面向连接的。电路交换的三个阶段：建立连接通信释放连接,1.5 计算机网络范例,电路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,1.5 计算机网络范例,数 据,数 据,数 据,分组交换的原理（二）,每一个数据段前面添加上首部构成分组。,首部,首部,首部,请注意：现在左边是“前面”,1.5 计算机网络范例,分组交换的原理（三）,分组交换网以“分组”作为数据传输单元。依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。,1.5 计算机网络范例,分组交换网的示意图,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,1.5 计算机网络范例,结点交换机,在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。结点交换机处理分组的过程是：把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。,1.5 计算机网络范例,分组交换的优点,高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。灵活 以分组为传送单位和查找路由。迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。,1.5 计算机网络范例,分组交换带来的问题,分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。,1.5 计算机网络范例,存储转发原理并非完全新的概念,在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。现在报文交换已经很少有人使用了。,1.5 计算机网络范例,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,1.5 计算机网络范例,数字数据网DDN,数字数据网DDN 数字数据网DDN(Digital Data Network)是利用光纤、数字微波、卫星等数字信道，进行数据通信的基础网络，主要为用户提供永久或半永久的出租数字线路。,1.5 计算机网络范例,DDN 采用时分复用TDM,DDN 使用TDM、按时间片分配用户，在中继传输时有幀结构，如 E1。在用户速率为 N*64kb/s(N=1-31)或子速率时，复用/解复用都由硬件实现，用户无需任何软件协议。所以，对用户数据是透明的，可支持其它协议或开放各种业务网。DDN 因为使用TDM，用户使用的带宽是固定的。当用户不使用时，带宽也不能分配给其它用户使用；当用户需要高带宽时，网络也不能马上提供。这就不适用于信息突发率较高的用户的需求。,1.5 计算机网络范例,时分复用的信号，为了在接收端能够正确地还原各路信号，必须保持收端与发端的同步。要保持收、发同步，除了保证码元的节拍一致外，还必须准确地识别各路信号的轮流排队次序。为此在各路信号排队的开头加入标志码。,标志码与各路样值脉冲编码轮流发送一次构成的码组称为1帧。（如图2.6-2)标志码称为帧同步码。,时分复用原理,1.5 计算机网络范例,30/32路话音PCM码流的帧结构,30路语音信号以8KHz的抽样速率采样，帧长度Ts=1/fs=1/8kHz=125s。,在A律PCM基群中，一帧共有32个时间间隔，称为时隙。各个时隙从0到31编号，记为Ts0,Ts1.Ts31,如图2.6-3所示。32个时隙中的30个供用户（即30话路）使用。每个时隙包含8位二进制码。,时分复用原理,1.5 计算机网络范例,32路时隙,帧同步码,语音编码,语音编码,标志信号,1帧=32时隙=125s,时分复用原理,1.5 计算机网络范例,语音编码占：Ts1 Ts15,Ts17 Ts31，共30个时隙。,Ts16：用于传送话路信令。,第0个时隙Ts0：帧同步码时隙。,时分复用原理,1.5 计算机网络范例,(1)PCM 30/32系统传码率RBp,例如：,1.5 计算机网络范例,DDN 的组成,DDN节点,DDN节点,DDN节点,DDN节点,DDN 网,DTE 用户数据单元,DTE 用户数据单元,NAU 网络 接入单元,NAU 网络 接入单元,网络管理控制中心 NMC,用户环路,数字通道,1.5 计算机网络范例,帧中继网络FR,帧中继网络FR 帧中继(Frame Relay)是综合业务数字网标准化过程中产生的一种重要技术，它是传输线路数字化和用户终端智能化的趋势下，由X.25分组交换技术发展起来的一种传输技术。它在用户网络接口之间提供用户信息帧的双向传送，并保持顺序不变。我国的帧中继网络以DDN为物理传输基础。,1.5 计算机网络范例,FR与OSI的对应关系,FR是ITU-T和ANSI标准，定义了在公共数据网(PDN)上发送数据的流程，属于高性能的链路层协议。它对应于OSI层次模型的最下二层。,1.5 计算机网络范例,帧中继的帧格式,标志(Flag)：用于指示一帧的开始和结束，其值为01111110。其唯一性使用比特填充法来保证。信息(Information)：长度可变的用户数据（一般为16002048个字节，理论上最大长度为4096字节）。帧校验序列(FCS)：包括2字节的循环冗余校验。当通过帧校验序列检测出帧出现差错时，就将该帧予以丢弃。,1.5 计算机网络范例,帧中继和其它通信方式的比较,帧中继网络可直接利用现有的DDN网络硬件资源，只需更新网络软件就可实现，所需费用较低，因此，我国的帧中继网络以DDN为物理传输基础。ATM比较适合构造高速宽带网的骨干网，而帧中继网可作为宽带业务的接入网,1.5 计算机网络范例,异步传输？以字符为单位在发送每个字符代码时，其前、后分别加上“起”信号（长度为1个码元，极性为“1”）和“止”信号（长度为1或2个码元，极性为“0”），实现串行传输收发双方码组或字符的同步。同步传输？以同步的时钟节拍来发送数据信号在一个串行数据流中，各信号码元之间的相对位置是固定的。接收端为正确的区分收到的数据流中的每个码元，必须首先建立准确的时钟信号，实现比特同步。异步传输相对于同步传输效率较低。,1.5 计算机网络范例,SDH 同步数字序列,1.5 计算机网络范例,1.5 计算机网络范例,美国电器和电子工程师学会IEEE802物理层的功能：传输位，信号编码、译码，同步码的产生 与接收。媒体访问控制层(MAC)：帧的装配与拆分，位差错检验，寻址。逻辑链路控制层（LLC)：逻辑数据链路的建立、维持和释放，差错控制，提供高层服务的访问接口。,1.5.2 局域网与城域网,网络硬件 OSI层次网关 7.应用层路由器、三层交换机 3.网络层网卡，网桥，交换机 2.数据链路层网卡，集线器，中继器 1.物理层,1.5 计算机网络范例,1.5 计算机网络范例,传输介质：,1.5 计算机网络范例,网络硬件：网卡：也称网络适配器、网络接口卡（NIC，Network Interface Card），在局域网中用于将用户计算机与网络相连，大多数局域网采用以太（Ethernet）网卡。,1.5 计算机网络范例,网络硬件：网卡：也称网络适配器、网络接口卡（NIC，Network Interface Card），在局域网中用于将用户计算机与网络相连，大多数局域网采用以太（Ethernet）网卡。调制解调器：modem，实现信号的模数转换。,1.5 计算机网络范例,网络硬件：交换机：具有多个网桥的功能。交换机组成的系统在物理上是星形连接。交换机上同时有多个数据通道并存，端口间既隔离又连接的功能反映在逻辑上就是一个受控制的多端口的开关矩阵。,1.5 计算机网络范例,网络硬件：网桥：连接两个局域网的存储转发设备，工作在数据链路层，可以完成相同或相似体系结构网络系统的连接。在网络的连接中，如果只有MAC层，则要桥接的两个网必须是同样的网。而同时具有MAC层和LLC层的网桥则可以在不同的网络间传送信息。,局域网络的组建,网络硬件：交换机：具有多个网桥的功能。交换机组成的系统在物理上是星形连接。交换机上同时有多个数据通道并存，端口间既隔离又连接的功能反映在逻辑上就是一个受控制的多端口的开关矩阵。路由器：路由器就像一个带有两个网卡的计算机。连接多个逻辑上分开的网络。异种网络、多个子网互联。在主干网主要是路由选择。,1.5 计算机网络范例,局域网络的组建,网络硬件：网 关(Gateway)：也称为协议转换器，网关用于将具有不同体系结构，协议差别较大的网络,经协议转换,使不同的网络可以互相通信。因此，网关是一种可进行高层协议转换的网络连接设备,也是最复杂的一种网络设备。网关的功能就是把信息重新进行包装以适应目标网络环境的要求。,1.5 计算机网络范例,以太网的物理层,以太网（IEEE802.3）标准,1.5 计算机网络范例,以太网（IEEE802.3）标准,IEEE 802.3i 10Mbps以太网的基本特性,1.5 计算机网络范例,100Base-T物理层100BASE-T 的三种不同的物理层协议,1.5 计算机网络范例,快速以太网的体系结构,1.5 计算机网络范例,无线局域网,1.5 计算机网络范例,（1）载波监听：指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否忙，如果忙则暂时不发送数据，以免发生碰撞。（2）碰撞检测：（也称冲突检测）就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。“边听边说”，即一边发送数据，一边检测是否产生冲突。,用户接入方式：CSMA/CD工作原理,1.5 计算机网络范例,用户接入方式：CSMA/CD工作原理,1.5 计算机网络范例,ADSL 与电话频分复用同一条电话线频分复用：不同的信号(话音，上行，下行)同时在同一条线路上传输,网关,ADSL,300 4000 20k 130k140k 1.1M,1.5 计算机网络范例,SAN FRANCISCO,SHANGHAI,BEIJING,SDH光传输网,海底光缆,电视网用于传输互联网信息-HFC,网关,1.5 计算机网络范例,网关,电视网,互联网,电视网用于传输互联网信息-HFC,1.5 计算机网络范例,第一章问题：1、简述电信网与互联网的发展趋势。2、简述OSI 7层协议中各个层的任务。3、简述DDN的帧结构。4、简述三种交换的各自特点。,