通信网络理论与应用

第1章　绪论 从人类社会诞生以来，人们就生活在各种各样的网络中。这些网络包括人际关系网络、交通网络，以及用于信息交互的通信网络等。随着社会不断发展，人们的日常生活也越来越离不开网络。在当前信息化社会中，其他网络往往需要通信网络的支撑得以运行，例如，为了维持良好的人际关系，人们往往需要通过通信网络进行沟通和交流；为了使交通网络运行流畅，也需要通信网络来进行流量监控、数据支撑和资源调度等。换一个角度来看，通信网络的运行与日常所见的人际关系网络、交通网络也有很多相似之处，甚至本质是相同的，构造和维护通信网络的很多方法也是受这些网络启发而得来的。因此，透过所熟知的人际关系网络，能更深刻地理解通信网络的运行。希望读者在本书后续的阅读中能借鉴这一思路，这样很多关于通信网络的理解就会更轻松，一些问题也能更容易理解。 1.1通信网络的概念 通信网络是由一定数量的节点（包括终端节点、交换节点或转发节点等）和连接这些节点的传输链路有机地组织在一起，按约定的信令或协议完成网络内任意用户间信息交换的通信系统。对于一般的通信网络系统，可以用图1-1所示的模型来抽象地描述（图中圆圈表示网络节点，可以是计算机、路由器、手机、传感器等，每个节点都起到信源和/或信宿的作用；连接各节点的线段表示传输链路，它们可以是有线的，一如光纤、双绞线、电话线等，也可以是无线的）。 图1-1通信网络系统模型示意图 通信网络的发展需要基础理论的支撑和不断演进。通信网络正朝着泛在化、移动化、多媒体化、宽带化和智能化的方向发展，这对通信网络理论的研究提出了新的需求。当前，通信网络理论已经成为一门独立的学科，其内涵丰富、前景广阔。近年来，网络科学、随机网络、复杂网络等相关理论不断开枝散叶，出现了很多新的进展。然而，追根溯源，其仍植根于排队论、图论等基础通信网络理论。掌握这些理论不仅对于通信网络的规划、设计、建设、管理和维护等具有重要的指导意义，而且对于理解不断涌现的通信网络新理论也大有裨益。 通信网络的发展是以应用来驱动的，其演进本质是需求、理论、技术、产业相互作用并不断迭代完善的过程。人们一直希望打破不同地域或客观条件的限制实现“5W”的目标，即“任何人（Whoever）在任何时候（Whenever）的任何地方（Wherever）与任何人（Whomever）进行任何方式（Whatever）的通信”的目标，从早期的电话网到互联网，再到移动互联网等都是在这一目标需求驱使下发展起来的。当前，通信网络已经不再只是满足于人与人的连接，人与物的连接、物与物的连接成为更重要的发展趋势。为了达到“万物互联”的目标，传感器网络、物联网等不断成为研究热点。近年来，随着新一代移动通信网络的发展，不少专家学者也提出了“知识的互联”“意识的互联”“人-机-物-灵的互联”等需求和应用场景，通信网络也要不断发展来适应这些需求和应用场景。 因此，本书从通信网络的理论和应用两方面进行阐述，希望读者有一个较全面的认识，本书的内容安排如图1-2所示。本章首先讨论通信网络的基本构成与分类，然后讨论通信网络体系结构和网络协议，*后讨论通信网络的性能指标和基本理论问题。这样对通信网络的全貌有一个基本了解后，才能理解通信网络中有哪些基本的理论和技术，以及有哪些不同的应用场景。有了这样一个概貌，后面的各章再对各部分的细节内容进行阐述。 图1-2本书的内容安排 1.2通信网络的基本构成与分类 1.2.1通信网络的基本构成 如前所述，通信网络是由若干有连接关系的网络节点和连接它们的传输链路所构成的集合，也就是说通信网络是由相互依存、相互制约的许多要素组成的有机整体，用以完成规定的功能。在通信网络中，信息的交换可以在用户之间进行，也可以在设备之间进行，还可以在用户和设备之间进行。交换的信息包括业务信息（如语音、数据、图像、视频等）、控制信息（如信令信息、路由信息、测控信息等）和网络管理信息（如服务质量、故障信息、配置信息等）等。为了便于理解，以常见的移动通信网络为例，来介绍移动通信网络的一般架构，如图1-3所示。 通信网络中的每一次通信都需要软硬件的协调配合来完成。软件主要包括信令、协议、控制、管理、计费等单元，主要作用是完成通信网络的控制、管理、运营和维护。硬件主要包括终端设备、接入设备、交换设备、传输系统和支撑系统，它们完成通信网络的接入、交换、控制和传输等功能。下面将依次介绍这些硬件设施的定义和功能。 1.终端设备 终端设备是指用户与通信网络之间的接口设备，包括信源、信宿，以及变换器和反变换器的一部分。*常见的终端设备有手机、固定电话、计算机、传真机、打印机、机顶盒、可视电话终端、网络摄像头等。终端设备的功能如下。 （1）将待传送的信息和传输链路上传送的信息进行相互转换。在发送端，将信源产生的信息转换成适合在传输链路上传送的信号；在接收端则将从链路上接收的信号转换为信宿要接收的信息。 （2）将信号与传输链路相匹配，由信号处理设备完成。 （3）信令的产生和识别，即终端设备产生和识别网内所需的信令，以实现呼叫建立、监控、拆除、网络管理等一系列通信控制功能。 2.接入设备 接入设备是指将终端设备连接入网络的设备。早期个人计算机常用调制解调器（即Modem，俗称“猫”）接入互联网，到后来的宽带综合接入设备，包括DSL（DigitalSubscriberLine，数字用户线）、ADSL（AsymmetricDigitalSubscriberLine，非对称数字用户线）等。目前，随着无线网络的发展和大量普及，大家更常见的是无线网络的接入设备，包括蜂窝网络中的各种基站（如宏基站、小基站、微基站等）、无线热点（Wi-Fi的接入点）等。它们相当于一个连接有线网络和无线网络的桥梁，其主要作用是将各个无线网络客户端连接到一起，从而达到网络无线覆盖的目的。 3.交换设备 交换设备是指实现一个网络节点和它所要求的另一个或多个网络节点之间的交换连接的设备，其基本功能是集中、转发终端节点产生的用户信息，或转发其他交换节点需要转接的信息。常见的交换设备有电话交换机、分组交换机、路由器、集线器、转发器等，这些设备是核心网中设备的主体。 尽管路由器和交换机都属于交换设备，但它们还是有明显区别的，有必要在概念上对它们进行区分。为了使读者更容易理解，在学习网络的七层架构后再来分析两者的区别。 4.传输系统 传输系统即传输链路，是信息的传输通道，是连接网络节点的媒介。传输链路可以分为不同的类型，如有线链路和无线链路（每一种还可再细分为不同的链路），各有不同的实现方式和适用范围。通常传输系统的硬件包括线路接口设备、传输媒介、连接设备等。传输系统的一个主要设计内容就是如何提高物理线路的使用效率，因此传输系统通常会采用多路复用技术，如频分复用、时分复用、码分复用、空分复用、波分复用等。 另外，为保证交换节点能正确接收和识别传输系统的数据流，交换节点必须与传输系统协调一致，包括保持帧同步和位同步、遵守相同的传输协议等。 5.支撑系统 除了上述业务性的设备外，一个复杂的通信网络中往往还包括专门支持运营和管理整个网络系统的支撑系统，包括构建数据中心的设备、网络状态监测设备、网络安全设备等。 需要指出的是，上述设备或系统在实际中也并不是严格进行区分的，因为不同网络根据其应用场景的不同，构成可能不同，一个设备也可在网络中承担多个不同的角色。 1.2.2通信网络的分层体系结构 网络设备庞多，网络运行起来也会很繁杂。如果一个问题太大或者太复杂，往往可以将其分解成多个子问题，而且为了加快问题解决的速度，这些子问题*好可以由各自领域的专业人士解决。正是基于这样的理念，为了让不同设备制造厂商生产的产品能够很好地协作，需要切分不同设备的界面，解耦设备间的紧密接口联系，这样对某一个设备进行替换或升级后不会影响到其他设备的正常运行。由此，建立了基于开放系统互连（OpenSystemInterconnection，OSI）参考模型的分层体系结构。分层就是将完成计算机通信全过程的所有功能划分成若干层，每一层对应一些独立的功能，从而将庞大而复杂的问题转化为若干较小的局部问题，而这些较小的局部问题是比较容易研究和处理的，而且是可以并行研究和处理的。 1.网络体系结构定义 网络体系结构是一套顶层的设计标准，这套标准用来指导网络的技术设计，特别是协议和算法的工程设计。它包括以下两个层次。 （1）网络的构建原则，本层次确定了网络的基本框架。 （2）功能分解和系统的模块化，本层次指出了实现网络体系结构的方法，具体包括以下方面：网络状态的维护和转移；网络中的实体命名规则；命名、寻址和路由功能的内在关系及工作原理；通信功能的模块化划分；信息流之间的网络资源分配、网络终端系统与这种分配法则的相互作用、公平性和拥塞控制的实现；网络安全的实现和保证；网络管理功能的设计与实现；不同服务质量（QualityofService，QoS）的实现方法。 根据以上定义，通信网络的网络体系结构必须完成以下三项具体工作。 （1）按一定规则把网络划分成为许多部分，并明确每一部分所包含的内容。 （2）建立参考模型，将各部分组合成通信网络，并明确各部分间的参考点。 （3）设置标准化接口，对参考点的接口标准化。接口标准化的实质就是从整体上使通信网络*优化，但局部可能暂时出现一些问题，如成本上升、处理信息量增加，并导致性能下降。一旦硬件大规模集成化和高速化，这些问题会迎刃而解。 2.网络的分层和分段 通信网络采用分层体系结构、通信协议和分组交换方式实现了远程网络通信。任意一个网络总可以从垂直方向分解为若干独立的层。网络采用分层体系结构具有以下好处。 （1）各层相互独立。某一层并不需要知道它下面的层是如何实现的，而仅仅需要知道该层通过层间接口所提供的服务即可，故各层均可以采用*合适的技术来实现。由于每一层只实现一种相对独立的功能，因此可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的问题。这样，整个问题的复杂度就下降了。 （2）灵活性好。当任何一层发生变化时，只要接口关系保持不变，上下相邻层则均不受影响。而且，某层提供的服务可以修改，如果某层提供的服务不再需要，可取消这一层，故易于扩充或者改变协议。 （3）实现和维护方便。分层体系结构通过把整个系统分解成若干个易于处理的部分，而使通信网络的实现、调试和维护等变得容易。 （4）易于标准化。因为每一层的功能及其所提供的服务都有精确的说明，所以，每一层的工作都可根据说明进行标准化设计。 当然，凡事都有两面性，分层也有一些缺点。例如，有些功能会在不同的层次中重复出现，因而产生了额外开销；每个层都单独做设计和优化，可能难以达到全局的*优化等。故在分层的时候，应该遵循一系列的原则。 作为计算机网络发展里程碑的阿帕网（AdvancedResearchProjectAgencyNetwork，ARPANET）就是采用分层方法实现的。ARPANET确定了通信子网和资源子网两层网络及网络层次结构等概念，并研究了检错、纠错、中继路由选择、分组交换和流量控制等多种控制方法与协议。另外，其还制定了远程通信和文件传输等多种用户协议，为网络体系结构的完善和发展提供了实践经验。 网络分层后，每一层仍然很复杂。为了便于管理，在分层的基础上，再从水平方向把每一层网络划分为若干个分离的部分，这就是分段。采用分段概念的重要特点是允许层网络的一部分被层网络的其余部分看成一个单独实体。因而，层网络的内部结构是隐藏不露的，对于减少层网络管理控制的复杂性十分有利，使网络运营