于银辉教授吉林大学通信工程学院整理ppt.ppt

1,于银辉 教授 吉林大学 通信工程学院,IP技术与综合宽带网,2,教 材： 宽带IP网络 毛京丽编著 人民邮电出版社 2010年,1、谢希仁计算机网络 人民邮电出版社 2、龚向阳宽带通信网络原理 北京邮电大学出版社 3、翟禹宽带通信基础与组网技术人民邮电出版社,3,课程宗旨：,4,第一章,本章介绍宽带IP网络的基本概念和发展过程及发展趋势，主要包括：,宽带IP网络概述,5,6,1.1 宽带IP网络的概念及发展过程,1.1.1 宽带IP网络的概念 1、IP网络的概念 Internet是由世界范围内众多计算机网络（包括各种局域网、城域网和广域网）通过路由器和通信线路连接汇合而成的一个网络集合体，它是全球最大的、开放的计算机互联网。,7,2、宽带IP网络的概念 由路由器和窄带通信线路互联起来的Internet是一个窄带IP网络，这样的网络只能传送一些文字和简单图形信息，无法有效地传送图像、视频、音频和多媒体等宽带业务。,8,宽带IP网络： 所谓宽带IP网络是指Internet的交换设备、中继通信线路、用户接入设备和用户终端设备都是宽带的，通常中继线带宽为几至几十Gbit/s，接入带宽为1100Mbit/s。,9,在这样一个宽带IP网络上能传送各种音视频和多媒体等宽带业务，同时支持当前的窄带业务，它集成与发展了当前的网络技术、IP技术，并向下一代网络方向发展。,10,1.1.2 宽带IP网络的发展过程 1、Internet发展的三个阶段 Internet的基础结构大体上经历了三个阶段的演进（是有部分重叠的）。,11,（1）Internet发展的第一阶段 在19831984年，由美国的单个分组交换网ARPANET采用网络互连技术和TCP/IP协议，逐渐发展演变成早期的Internet。,12,ARPANET,世界上第一个采用分组交换技术组建的网络 使用报文处理器（IMP）实现网络互连 全面采用TCP/IP 1983年分解为两个网络： -科研网 -军用网,13,（2）Internet发展的第二阶段 1986年美国国家科学基金会NSF（National Science Foundation）采用TCP/IP通信协议建立起NSFNET网络，要求所有NSF资助的网络都必须采用TCP/IP协议集，且与ARPANET连通，并逐渐取代了ARPANET网，形成了Internet。,14,此后，其他发达国家也相继建立了本国的TCP/IP网络，并连接到美国的Internet，逐步形成了覆盖全球的Internet。 第二阶段的Internet的网络结构是三级结构。,15,（3）Internet发展的第三阶段 20世纪90年代，美国政府开始鼓励商业部门介入。 而且由于TCP/IP技术的推广，使得越来越多的国家将接入Internet列为促进本国国民经济发展的重要措施。 第三阶段的Internet的网络结构是多级结构。,16,多级结构的因特网,网络接入点NAP 国家主干网（第一层ISP） 地区ISP(第二层ISP) 本地ISP 校园网、企业网或PC上网用户,17,2、宽带IP网络的发展 随着信息技术 的发展，人们对 信息的需求不断 提高。,18,初期的Internet提供文件传输、电子邮件等数据业务，如今的Internet集图像、视频、声音、文字、甚至动画等为一体，即以传输多媒体宽带业务为主，由此Internet的发展趋势便是宽带化向宽带IP网络发展，宽带IP网络技术则应运而生。,19,1.2 宽带IP网络的组成,从宽带IP网络的工作方式上看，它可以划分为两大块：边缘部分和核心部分，如图1-3所示。,20,图1-3 IP网的边缘部分与核心部分,21,1.2.1 IP网络的边缘部分 边缘部分由所有连接在IP网络上的主机组成，这部分是用户直接使用的，用来进行通信（传送数据、音频或视频）和资源共享。,22,在网络边缘的端系统中运行的程序之间的通信方式通常可划分为两大类： 客户服务器方式（C/S方式）客户是服务的请求方，服务器是服务的提供方。 对等方式（P2P方式）两个主机在通信时并不区分哪一个是服务请求方还是服务提供方。,23,1.2.2 IP网络的核心部分 组成核心部分由大量网络和连接这些网络的路由器组成。 作用为边缘部分提供连通性和交换。,24,1、核心部分的网络 核心部分的网络根据覆盖范围可分为广域网（WAN）和城域网（MAN）。,25,广域网（WAN）在广域网内，通信的传输装置和媒介由电信部门提供，其作用范围通常为几十到几千公里。 城域网（MAN)其作用范围在广域网和局域网之间(一般是一个城市)，作用距离为550km。,26,核心部分的网络根据采用的通信方式不同包括分组交换网、帧中继网、ATM网等。,27,(1) 分组交换原理,A.概述 分组交换技术是为满足数据通信的需要而产生的。 数据通信凡是在终端以编码方式表示的信息，用脉冲形式在信道上传送的信息都叫数据通信。,28,29,分组交换的诞生,30,分组交换的本质特征,数据被封装成分组后，对于占用的传送位置无要求，可采用统计复用，先来先传。 由于要求交换节点对数据进行纠错检验，必须等一个分组完全抵达交换节点后才能执行，所以分组交换采用“存储-检查-转发”的交换方式。,31,分组交换的概念,分组交换的基本思想是：把用户要传送的信息分成若干个小的数据块，即分组(packet)，这些分组长度较短，并具有统一的格式，每个分组有一个分组头，包含用于控制和选路的有关信息。,32,两个关键,统计复用：也称异步时分复用，指将用户数据划分数据单元，若干比特；用逻辑标号标识数据单元，构成分组，按照先来先服务复用传输信道。属于动态分配共享资源，可提高传输信道的带宽利用率。,存储转发：指分组数据抵达交换机先进行缓存，检查无错后再根据分组中携带的目的地址和资源状况选择路由，将分组经出口连路转发输出。,33,分组的形成,34,统计时分复用,35,工作过程,各分组按 排队，形成队列，复用器按照FIFO的原则，从队列中逐个取出分组向线路上发送。 在高速传输线上，形成了各用户分组的交织传输。输出的数据不是按固定时间分配，而是根据用户的需要进行的。 这些用户数据的区分不像同步时分复用那样靠位置来区分，而是靠各个用户数据分组头中的“标记”来区分的。,36,分组交换过程,37,B.分组交换的特点,(1) 传输质量高。 (2) 可靠性高。 (3)异种终端通信方便。 (4) 能满足实时性要求。 (5) 经济性好。 信息传送时延大。 增加开销。 协议和控制比较复杂。,38,C.分组交换网的主要形式,两种主要形式：面向连接和无连接 面向连接，通信前先要分配资源和进行通信参数协商，然后进行数据交换传送，通信结束后释放所占用资源。 无连接，随时可进行数据传送，网络总是处于准备好状态。,39,两种工作模式 数据报方式:用户之间通信无需经过呼叫建立、呼叫释放阶段；各分组逐节点地独立选择路由、转发。 虚电路方式:先在用户之间建立逻辑连接（虚电路），分组沿虚电路顺序发送，发送完，逻辑连接释放。,特点：是无连接的交换方式。灵活，网络利用率高，软件复杂，传输时延大。 internet采用数据报方式。,特点：是面向连接的交换方式。延时小，软件简单，故障时需要重新建立连接。 X.25分组交换网采用。,40,A,存储器,PAD接口,PAD接口,存储器,D,D,2,C,1,C,C,分组交换机甲,分组交换机乙,1,C,存储器,B,2,A-C:用数据报方式,各分 组独立选择路由 B-D:采用虚电路方式,各 分组按已建立的虚电 路顺序传送 PAD:packet Assemble and Disassemble分组装拆接 口,2,分组交换机丙,工作原理示意,41,虚电路的特点是： (1) 虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候，在以后的传送过程中，路由不再改变，这可以减少节点不必要的通信处理。 (2) 由于所有分组遵循同一路由，这些分组将以原有的顺序到达目的地，终端不需要进行重新排序，因此分组的传输时延较小。 (3) 一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细的目的地地址，而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息，这可以减少每一分组的额外开销。,42,(4) 虚电路是由多段逻辑信道构成的，每一个虚电路在它经过的每段物理链路上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连构成了端到端的虚电路。 (5) 虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可能导致虚电路中断，必须重新建立连接。 (6) 虚电路的使用场合：虚电路适用于一次建立后长时间传送数据的场合，其持续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。,43,数据报的特点是： (1) 用户的通信不需要有建立连接和清除连接的过程，可以直接传送每个分组，因此对于短报文通信效率比较高； (2) 每个节点可以自由地选路，可以避开网中的拥塞部分，因此网络的健壮性较好。对于分组的传送比虚电路更为可靠，如果一个节点出现故障，分组可以通过其它路由传送。 (3) 数据报方式的缺点是：分组的到达不按顺序，在终点各分组需重新排队；并且每个分组的分组头要包含详细的目的地址，开销比较大。 (4) 数据报的使用场合：数据报适用于短报文的传送，如询问/响应型业务等。,44,D.分组的格式 整个报文信息分成数据块， 每个数据块加上高级数据链路 控制规程标识、 分组头、帧校检序列 以帧的形式在信道上传输。 F：定界标志，标识分组的边界 A：地址字段，表示链路层的次站地址与网络层的目的地址及选路无关 C：控制字段，指示帧的类型 （信息帧，监控帧(按级就绪、未就绪等)，无编号帧(控制链路的断开和建立)） FCS：帧校验序列，为CRC校验码,F,A,C,分组头,信息字段,FCS,F,报文,45,分组头: 通用格式标示符:主要用来区分分组是用户信息还是控制信息，还有确认方式、分组顺序编号的模式。 逻辑信道组号和逻辑信道号:是分组的地址标记，标示不同的子信道或用户信息。 分组类型识别符:区分不同的分组,通用格式标示符,逻辑信道组号,逻辑信道号,分组类型识别符,46,分组类型: 呼叫建立分组:用于两个DTE之间建立虚电路。(呼叫请求分组，入呼叫分组，呼叫接受分组，呼叫连接分组) 数据传输分组: 恢复分组:实现分组层的差错控制(复位分组，再启动分组，诊断分组) 呼叫释放分组:用于释放虚电路(释放请求分组，释放指示分组，释放证实分组) 不同类型分组的格式有所不同，如有的就不包括信息字段。,47,(2)帧中继（Frame Relay）,在X.25网络发展初期，网络传输设施基本上是借用了模拟电话线路，这种线路分厂容易受噪声的干扰而误码。为了确保传输无差错，X.25在每个节点处进行了严格的差错控制，占用了大量的时间。 现在的数字光纤网的误码率非常低，可以简化X.25的差错控制过程，从而使分组在节点处的处理时间减少，提高网络的传输速度。 帧中继采用面向连接的通信方式，将X.25网络的下三层协议进行简化，差错控制、流量控制推到网络的边界，即将下层的某些功能有终端的上层协议完成，从而实现了轻载协议网络。,48,路由选择、虚电路复用,数据成帧、差错/流量控制,电气机械特性、比特流传输/流量,(a) X.25分组交换网,差错/流量控制,数据成帧、路由选择,电气机械特性、比特流传输/流量,(b)帧中继网,分组网络和帧中继网络协议比较,49,分组交换网中信息的传输情况,源站,中间站,中间站,目的站,发送,确认,发送,确认,发送,确认,发送,确认,端到端确认信息,发送,确认,发送,确认,在每个节点处都要进行确认，没有收到确认消息的节点会重发信息。 目的节点收到消息还要向源节点发送确认信息，该信息经过网络的每个节点同样要确认，没有收到确认消息的源节点会重发信息。,50,帧中继网中信息的传输情况,源站,中间站,中间站,目的站,发送,发送,发送,发送,端到端确认信息,发送,发送,在每个节点处不用进行确认，只进行端到端确认。 网络内部不需要差错控制，所以可以去掉第三层协议（网络层）。第二、第三层的纠错、流量控制等留给智能终端去完成。 传输同样的信息量，帧中继网的载荷明显轻。 帧中继网的传输线必须是光纤。,51,链路层采用高级数据链路控制规程(HDLC)帧结构，是一种面向比特的同步通信规程。目前常用的为它的一个子集，平衡型链路接入规程(LAPB)。,52,A、HDLC帧结构,53,(1) 标志F，采用0111 1110序列，区分两个不同的分组单元，标志一个分组的开始或结束。 为了避免分组单元内出现伪标志，采用信息码中连续5个连“1”自动插入“0”，收端5个连“1”自动除去“0”的比特填充技术，保证对数据透明传送。,HDLC帧结构,54,HDLC帧结构,(2) 帧地址字段(A)，在X.25协议中，该字段用来区分两个方向的命令/响应帧以及单链路/多链路。 单链路，DCE发送命令/响应用A类，DTE用B类。多链路，DCE用C类，DTE用D类。,55,HDLC帧结构,(3) 帧的控制字段(C)，指示帧类型，规定了3种类型。 信息帧，bit 1为0，其余用作模8的发送顺序号N(S)和接收顺序号N(R)。 监控帧，用于保证信息帧的正确传送，3个类型： RR帧：收端准备好，期望接收序号为N(R)的下一个帧； RNR帧：示忙，希望对方暂停发送； REJ帧：拒绝了序号N(R)的帧，要求重发，此前帧确认。 未编号帧，用于对链路建立和断开过程控制。包括置以不平衡方式(SABM)、断开链路(DISC)、已断开链路(DM)、确认(UA)和拒绝(FRMR)帧。,56,HDLC帧结构,(4) 信息字段(I)，信息字段只在信息帧中有，其他类型帧没有。其内容为分组层帧。 (5) 帧校验序列(FCS)，通过16bitCRC校验操作后的余数，收端利用CRC校验检错，出错时丢弃该分组，并通知对端重发。,57,在不使用帧中继时，要使任何一个局域网可以通过广域网和任何一个其他的局域网进行有效的通信（即足够小的时延），就必须在广域网中使用专用线路。,令牌环网,R,R,以太网,R,R,本地专用线路,长途专用线路,58,若使用帧中继，通过帧中继交换机建立连接，不需要那么多的专用线路，节省了费用。 局域网将数据以帧格式而不是分组格式交到帧中继网中传输，帧中继网不负责差错控制，就想当于专用线路实现局域网的互联。,令牌环网,R,R,以太网,R,R,FR,FR,FR,FR,FR,FR,帧中继网,59,B、帧中继的虚电路,帧中继可以有两种虚电路： 永久虚电路（PVC permanent virtual channel ) 交换虚电路（SVC switched virtual circuit ） 永久虚电路（PVC） 在帧中继用户终端之间建立固定的虚电路连接。PVC路由表由网络服务商事先写入帧中继交换机中。 交换虚电路（SVC） 两个帧中继用户终端通过呼叫建立交换虚电路，形成SVC路由表，通过呼叫清除操作释放虚电路。,60,C、帧中继技术的功能,主要用于传递数据业务 物理层和链路层的二级结构 逻辑连接方式 防止阻塞功能强 面向连接的虚电路交换技术,61,D、帧中继的特点,高效性 有效的带宽利用率 网络时延短 经济性 可靠性 灵活性 长远性,62,(3)异步转移模式-ATM,ATM的产生 分组交换的特点： 其工作模式是将信息分成若干段，装配成有源目的地址、控制码、校验码及包封的分组，并以分组为单元进行交换和统计复用传送。 其特点是占用带宽随意，资源利用率高，但实时响应差，逐段转发模式转送效率低，网络吞吐量较小，不能适应宽带高速业务交换传送的需要。,63,A、 ATM 的概念,ATM定义 (ITU-T I.113) ATM is “A transfer mode in which the information is organized into cells; it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from an individual user is not necessarily periodic”,ATM (Asynchronous Transfer Mode)是一种传递模式，在这一模式中，信息被组织成信元，包含一段信息的信元不需要周期的出现，从这个意义上讲，这个传递模式是异步的。,64,ATM本质上是一种高速分组交换模式，它将语音、数据、图像等所有数字信息分解成长度固定的数据块，并在数据前装配地址、丢失优先级等控制信息构成信元，空信元以一定速率发送，只要获得空信元即可插入信息发送。 信息插入位置无周期性，需要排队等待空信元到来才能发送信息，所以ATM是以信元为单位的存储转发方式，成为信元交换。 在ATM中，语音、数据、图像等业务的信息被分解成固定长度（48字节）的数据块，加上5字节的信元头，形成53字节的完整信元。 采用异步时分复用的方式，将来自不同信息源的信息汇聚到一起，信元头中的虚通路标识符（VPI）、虚信道标识符（VCI）作为地址标签，网络根据信元头中的标签识别和转发信元。,65,与分组交换方式的不同,使用了固定长度的分组ATM信元 使用了空闲信元来填充信道 由用户在申请信道时，提出业务质量要求 不使用逐段反馈重发方法，必要时采用端到端的差错纠正措施。,66,B、ATM传送模式,ATM，一种高速分组交换模式，将信道划分成53字节定长单元，48字节承载信息数据，5字节装配上地址、优先级等控制信息，以定速方式传送。 待传数字信息分成多个48字节定长块，以统计复用方式占用信道上的ATM空信元，交换系统以信元为单位进行存储转发。 由于信元定长、定速传送，信元无包封，交换控制类似电路方式，较简单，网络吞吐量大；用户以统计复用方式占用空信元，可适应不同速率需求的业务应用，资源利用率高。,67,C、 ATM信元结构,ATM信元头部包含流量控制信息、虚连接标识符、净荷类型、信元丢失优先级和信头差错控制信息。 与分组交换的分组头比，ATM信头功能大大简化： -只对信头进行差错控制，不进行逐段链路的检错和纠错； -端到端的差错控制只在需要时由终端完成； -只用VPI/VCI标识一个虚连接，无需源地址、目的地址和分组序号； -信元顺序由终端保证。,68,信元头（5字节） GFC：一般流量控制。GFC为一般流量控制，4比特， 用于流量控制或共享介质网络中标识不同的接入。 VCI （Virtual Path Identifier ）：虚通路标识。 用来区分传输信道上不同的虚通路。 VPI （Virtual Channel identifier ）：虚通道标识。可标识65536个虚信道。 PTI：净荷类型指示。 3比特，可标识8种类型。 （见下表）,ATM 信元结构,69,CLP：信元丢失优先级。1比特,用于拥塞控制。CLP=0时网络应保障带宽资源供给；CLP=1时如有拥堵可丢弃信元。 HEC：信头差错控制。8比特，用于信头中的差错控制和信元同步。I.432建议，这一区域的处理在物理层进行。 净荷(48 字节)：信息段。,70,ATM信元类型,表，ATM信元的净荷类型,71,ATM传输链路上的最大虚连接数,UNI,NNI,72,CLP（信元丢失优先级）,在网络拥塞期间丢弃信元的优先级 CLP=0 高优先 CLP=1 低优先,GFC用在UNI接口上控制流量 周期性地阻止UNI接口上所有连接的业务流量 （Cyclic HALT) 对受控ATM连接进入网络的业务量进行接入控制 指明UNI接口上的流量是否属于受控ATM连接,73,2、核心部分的路由器 路由器是IP网络中实现网络互连的关键构件，其任务是根据某种路由选择算法进行路由选择并转发收到的分组。,74,1.3 宽带IP网络的特点,宽带IP网络具有以下几个特点： （1）TCP/IP协议是宽带IP网络的基础与核心。 （2）通过最大程度的资源共享，可以满足不同用户的需要，IP网络的每个参与者既是信息资源的创建者，也是使用者。,75,（3）“开放”是IP网络建立和发展中执行的一贯策略，对于开发者和用户极少限制，使它不仅拥有极其庞大的用户队伍，也拥有众多的开发者。,76,（4）网络用户透明使用IP网络，不需要了解网络底层的物理结构。 （5）IP网络宽带化，具有宽带传输技术、宽带接入技术和高速路由器技术。,77,（6）IP网络将当今计算机领域网络技术、多媒体技术和超文本技术等三大技术融为一体，为用户提供极为丰富的信息资源和十分友好的用户操作界面。,78,1.4 宽带IP网络的QoS,1.4.1 宽带IP网络的QoS性能指标 1、IP网服务质量(QoS)的概念 IP网服务质量(QoS:Quality of Service)是指IP数据包在一个或多个网络传输的过程中所表现的各种性能，它是对各种性能参数的具体描述。 这些性能参数包括带宽、时延、时延抖动、吞吐量和包丢失率等。,79,IP服务质量,80,QoS性能指标,带宽,过去的通信线路传输的是模拟信号，带宽本来是指信号具有的频带宽度，即该信号所包含的各种不同频率成分所占据的频率范围，单位是赫（Hz）、千赫(kHz)、兆赫(MHz)、吉赫(GHz)等。,在IP网络中，信道一般传输的是数据信号，带宽用来表示网络的通信线路所能传送数据的能力。 因此网络带宽表示从网络中的某一点到另一点所能通过的最高信息传输速率，单位是bit/s、kbits、Mbits、Gbits等。,时延,时延抖动,包丢失率,吞吐量,81,QoS性能指标,带宽,IP网的时延是指IP数据从网络（或链路）的一端传送到另一端所需的时间。,总时延 = 发送时延+ 传播时延+ 处理时延+ 处理时延,时延,时延抖动,包丢失率,吞吐量,82,QoS性能指标,带宽,时延抖动的定义是连续两个数据包时延的最大差值，用于描述数据包时延的变化程度。,IP网络是无连接的，可能导致同一传输流的数据包由于转发路径和网络状况的差异而产生不同的时延。,时延,时延抖动,包丢失率,吞吐量,83,QoS性能指标,带宽,吞吐量表示在单位时间内通过某个网络的数据量,它反映实际上到底有多少数据量能够通过网络。,吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制。,时延,时延抖动,包丢失率,吞吐量,84,QoS性能指标,带宽,包丢失率反映了传输期间数据包的丢失程度，其定义是在特定时间间隔内丢失的数据包占传输数据包总数的比例。,时延,时延抖动,包丢失率,吞吐量,85,一个目标,IP网保证QoS的措施,86,1.5 宽带IP网络的关键技术及发展趋势,1.5.1 宽带IP网络的关键技术 宽带IP网络的关键技术主要包括宽带传输技术、宽带接入技术和高速路由器技术。,87,1、宽带传输技术 目前常用的宽带传输技术主要有IP over ATM（POA）、IP over SDH（POS）、IP over DWDM和千兆以太网技术。,88,（1）IP over ATM IP over ATM（POA）是IP技术与ATM技术的结合，它是在IP网路由器之间采用ATM网传输IP数据报。,89,（2）IP over SD IP over SDH（POS）是IP技术与SDH技术的结合，是在IP网路由器之间采用SDH网传输IP数据报。,90,（3）IP over DWDM IP over DWDM是IP与DWDM技术相结合的标志。 首先在发送端对不同波长的光信号进行复用，然后将复用信号送入一根光纤中传输，在接收端再利用解复用器将各不同波长的光信号分开，送入相应的终端，从而实现IP数据报在多波长光路上的传输。,91,（4）千兆以太网技术 千兆以太网技术是在IP网路由器之间采用千兆以太网技术传输IP数据报。,92,2、宽带接入技术 宽带接入技术主要有ADSL、HFC、FTTX+LAN和无线宽带接入等（详见第6章）。,93,1.5.2 宽带IP网络技术的发展趋势 宽带IP网络技术向光互联网方向发展，具体地说，宽带IP网络的宽带传输技术将主要采用IP over DWDM。,94,思考题,宽带IP网络与窄带IP网络有什么区别？,95,思考题,宽带IP网络包括那两个部分？各部分的作用分别是什么？,96,思考题,宽带IP网络的基础与核心是什么？,97,思考题,反应宽带IP网络QoS性能的指标有哪些？,98,思考题,宽带IP网络的的关键技术主要包括哪些？,99,思考题,简述宽带IP网络的发展趋势,100,谢谢各位！,2012年4月,