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信息通信网

信息通信网. 2008 年 3 月. 信息通信网. 地址：中国科学技术大学西区电三楼信息网络实验室 电话： 3603634 Email ： hclu@ustc.edu.cn. 联系方式. 信息通信网. 第一章 信息通信网络的演进 传统电信网络、 Internet 第二章 接入网技术 ADSL 接入、 802.11 、 802.16 第三章 分组交换 第四章 下一代互联网协议 IPv6 第五章 移动互联网 第六章 IP 网络的服务质量 第七章 网络拥塞控制 第八章 MPLS 技术 第九章 对等网络 存储、流媒体 第十章 应用层组播

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  1. 信息通信网 2008年3月

  2. 信息通信网 • 地址：中国科学技术大学西区电三楼信息网络实验室 • 电话：3603634 • Email：hclu@ustc.edu.cn 联系方式

  3. 信息通信网 第一章 信息通信网络的演进 传统电信网络、Internet 第二章 接入网技术 ADSL接入、802.11、802.16 第三章 分组交换 第四章 下一代互联网协议IPv6 第五章 移动互联网 第六章 IP网络的服务质量 第七章 网络拥塞控制 第八章 MPLS技术 第九章 对等网络 存储、流媒体 第十章 应用层组播 第十一章 自组织网络 第十二章 IP电话 课程内容 宽带、无线接入 核心网、骨干网 应用层网络 新的网络体系结构和技术

  4. 信息通信网 网 络 体 系 结 构 IP电话 课程结构 自组织网络 P2P网络 应用层组播 移动性管理 服务质量管理 网络拥塞控制 IPv6/MPLS 802.21 MIH 有线/无线接入技术

  5. 信息通信网 • 讲授 • 欢迎大家讨论 • 实验 • 鼓励就实验中发现的问题进行进一步的思考 • 课下阅读 • 指定领域 • 对等网络、自组织网络（Ad Hoc Network） • 移动互联网相关，包括移动IPv6、网络移动等 • 网络拥塞控制 • 网络编码（Network Coding） • 要求 • 完成完整的论文或者技术报告，不能少于6页 • 阅读最新的论文8篇以上 • 重要的国际会议：SIGCOMM、INFOCOM、MOBICOM、MOBIHOC、MOBISYS、SENSYS、ICC、GLOBECOM等 • 常用搜索：IEEE、ACM数据库、GOOGLE学术搜索 课程方法 期末考试前提交

  6. 信息通信网 • 平时10% • 实验20% • 课程作业10% • 考试60% 考核方式

  7. 信息通信网 • 下一代Internet的网络技术，李津生、洪佩琳编著，人民邮电出版社 • 电子版：http://if.ustc.edu.cn/~hclu/c.rar • 信息通信网（补充教材），李津生编著，中国科学技术大学 • 计算机网络：系统方法（第三版），L.L.Peterson，B.S.David著，机械工业出版社 • 计算机网络（第四版），A.S.Tanenbaum著，潘爱民译，清华大学出版社 • IETF：Internet Engineering Task Force • http://www.ietf.org • IEEE：Institute of Electrical and Electronics Engineers • http://www.ieee.org • ITU：International Telecommunication Union • http://www.itu.org 主要参考资料

  8. 第一章信息通信网的演进

  9. 信息通信网的演进 • 传统电信网络的演进 • Internet的发展历程 • 网络发展趋势 • 信息通信网的概念 • 网络基本知识回顾 • 网络标准化 主要内容

  10. 信息通信网的演进 • 传统电信网络的演进 • Internet的发展历程 • 网络发展趋势 • 信息通信网的概念 • 网络基本知识回顾 • 网络标准化 主要内容

  11. 1. 传统电信网络的演进 电话网络—演进 1835 S.Morse 电报 1876 A.G Bell 电话 模拟 300~3.4kHz 空分交换 (控制继电器) 1892 步进式交换机 1938 纵横式交换机 电路交换 1939 脉冲调制 (PCM) 时分交换 (交换时隙) 1970 程控数字交换机 1980 X.25标准(64kbps) 1988 帧中继(Frame Relay 2Mbps) 1988 综合业务数字网 (ISDN) 数字 n*64kbps 分组交换 1989年 异步传输模式 (ATM: Asynchronous Transfer Mode,155Mbps) IP网络

  12. 1. 传统电信网络的演进 • 为什么需要交换？ • 减少网络中节点之间所需的通信线路 • 假设n个节点，如果建立两两直接相连的线路，共需要n*(n-1)/2条，数量级是O(n2) • 交换的概念 • 网络中的两个节点要通信时，在双方之间建立一条物理或者逻辑的通道，称之为链路，在通信结束后这条链路又被拆除，释放掉所占用的线路资源，以供其它节点通信使用 • 网络中执行交换操作的设备称为交换机，交换机的主要功能就是为输入的数据选择合适的输出线路 • 交换的类型 • 电路交换 • 分组交换 电话网络—交换 交换 交换机

  13. 控制单元 全双工线路 数字交换 电路交换机 1. 传统电信网络的演进 • 电路交换：Circuit Switch • 通过交换机在通信双方之间建立一条专用的传输线路，或者占用传输线路的某个固定的时隙 • 电路交换的三个过程 • 电路连接建立 • 数据传输 • 电路连接拆除 • 电路交换的特点 • 优点：保证数据传输的速率、延时、可靠性及有序性 • 缺点：线路利用率低，没有数据传输时也占用线路或者固定时隙；电路连接建立和拆除导致延时 电话网络—电路交换 空分交换：占用专门的物理传输线路 时分交换：占用某个固定的时隙 电路交换是为话音传输设计的，支持固定的数据速率

  14. 1. 传统电信网络的演进 电话网络—电路交换网 传统电话网络中的话音业务采用电路交换技术，除端局到用户的本地回路(Subscriber Loop)是模拟的以外，其它部分都是数字的

  15. 1. 传统电信网络的演进 • 分组交换：Packet Switch • 数据以分组的方式进行传输，每个分组中包含了传输所需的控制信息 • 分组交换的特点 • 优点：线路利用率高，节点只有在有数据要传输时才占用通信线路，因此多个节点的分组可以共享一条通信线路 • 缺点：需要资源管理机制来保证数据传输的速率、延时、可靠性和有序性，增加了复杂性 电话网络—分组交换 数据报交换：存储转发分组 虚电路交换：以分组为单位统计复用传输线路 分组交换是为数据传输设计的，支持可变的数据速率

  16. 1. 传统电信网络的演进 电话网络—分组交换网 现代的电话网络支持话音、数据等综合业务，对于数据采用分组交换技术

  17. 1. 传统电信网络的演进 FDMA 移动通信网—演进 1G 1982 美国AMPS(Advanced Mobile Phone System) 英国TACS(Total Access Communications System ) 日本MCS-11(Mobile Cellular System ) 模拟话音 FDMA和TDMA 2G 9.6kbps D-AMPS(Digtal AMPS, IS-54/IS-136) PDC(Personal Digital Cellular ) GSM(Global System for Mobilecommunication) CDMA(Code Division Multiple Access, IS-95/cdmaone) 数字话音 数据 2.5G 170~384kbps GPRS(General Packet Radio Service) CDMA2000 1x-RTT EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution ) CDMA和TDMA混合 CDMA 3G(IMT-2000) 2Mbps室内 384kbps室外 144kbps行车 数字话音 数据 UTRA-TDD TD-SCDMA WCDMA (Wideband CDMA UMTS/FOMA) CDMA 2000 OFDM+MIMO B3G、4G：全IP(IPv6)/新业务/1Gbps (室内)100Mbps(室外)/融合各种无线技术

  18. 1. 传统电信网络的演进 • 3GPP: The 3rd Generation Partnership project • (GSM)WCDMA(TD-SCDMA)HSDPA(下行8~10Mbps)/HSUPA(上行5.76Mbps)HSPA+LTE (下行100Mbps 上行50Mbps) • 3GPP2: The 3rd Generation Partnership project 2 • (CDMA) CDMA2000CDMA2000 1x 1X EV-DO A(2.4Mbps), 1X EV-DV 1X EV-DO B(73Mbps)(AIE phase 1)UMB(上行275Mbps,下行75Mbps)(AIE phase 2) • IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers • 802.16e(30Mbps)802.16m(移动100Mbps,固定1Gbps) 第三代移动通信系统演进 HSDPA: High Speed Download Packet Access HSUPA: High Speed Upload Packet Access LTE: Long Term Evolution AIE: Air Interface Evulution UMB: Ultra Mobile BroadBand IMT-2000：3G标准，接口标准包括WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA，WiMax IMT-Advanced：正在制定的4G标准

  19. 电话网络 NGN（ALL-IP） 移动通信网络 1. 传统电信网络的演进 • NGN：Next Generation Networks • NGN用来描述在未来5~10年内电信核心和接入网络的一些关键体系结构的演进 • ITU-T对NGN的定义 • NGN是一个基于分组交换的网络，能够提供包括电信业务在内的多种业务，使用多种宽带、支持服务质量（QoS）的传输技术，实现业务相关功能和底层传输相关技术的分离，并且支持普遍的移动性，实现用户的泛在接入和用户业务的一致性 • NGN的基本思想 • 采用分组交换方式，通过一个网络传输来传输所有的信息和业务（话音、数据、包括视频在内的所有种类媒体） • NGN建立在IP之上，特别是下一代互联网协议IPv6，因此常用“all-ip”来描述到NGN的演进 下一代网络（NGN）

  20. 信息通信网的演进 • 传统电信网络的演进 • Internet的发展历程 • 网络发展趋势 • 信息通信网的概念 • 网络基本知识回顾 • 网络标准化 主要内容

  21. 1960 美国国防部高级计划研究署(DARPA) ARPANET 1973 ARPANET扩展为互联网 (英国、挪威) 1974 TCP/IP协议 1983 ARPANET网络核心协议由NCP改为TCP/IP 1986 NSFnet 1994年商业运行 Bitnet Usenet X.25网络 1990年代向公众开放 1991 HTML/HTTP/WWW 1993 Mosaic 网页浏览器 更多网络接入 多种业务 数据/语音/视频…. 1996 Internet NGI:Next Generation Internet IPv6/更高速率/多业务/QoS保证/管理 2. Internet的发展历程 Internet的诞生和发展

  22. 2. Internet的发展历程 • 1989年9月，国家计委向世界银行贷款建设中关村地区教育与科研示范网络（NCFC，The National Computing and Networking Facility of China），1992年NCFC工程全部完成。（后改名中国科技网CSTNet） • 1994年5月，NCFC代表中国正式加入Internet，向InterNIC注册CN域名。 • 1994年9月，中国公用计算机互联网（Chinanet）建设正式启动，96年1月正式开通。 • 1994年10月，中国教育科研网（Cernet)开始启动。 • 1996年9月，中国金桥网（ChinaGBN)正式开通。 • 1997年，Chinanet与CSTNet、Cernet、ChinaGBN互连互通。 • 2007年1月，CNNIC第十九次统计报告：中国共有上网计算机总数5940万台，用户数13700万，CN下注册的域名4,109,020个，WWW站点约843,000个，国际出口带宽256,696M. 中国的Internet发展

  23. 2. Internet的发展历程 • 总出口带宽：256,696M，其中： • 中国公用计算机互连网（CHINANET):135,321M • 中国网通:89,665M • 中国科技网（CSTNET):17,510M • 中国教育科研计算网（CERNET)：4,796M • 中国移动互联网（CMNET):5,750M • 中国联通互联网（UNINET):3,652M 中国的Internet发展

  24. 2. Internet的发展历程 • NGI：Next Generation Internet • NGI项目 • 美国政府在1996年启动，主要目标是显著提高Internet的速度，该项目已于2002年完成，但是没有达到T bps的目标，预计将在其后继研究LSN(Large Scale Networking)中实现 • 2005年美国NSF启动GENI(Global Environment for Networking Innovation）和FIND (Future INternet Design) • 从可扩展性、安全性、移动性、实时性等方面出发，发现和评估可以作为21世纪互联网基础的新的革命性的概念、理论和示范性技术 下一代Internet（NGI）

  25. 2. Internet的发展历程 • 1998年4月，CERNET正式参加下一代IP协议(IPv6)试验网6BONE。8月国家 863计划启动“IPv6示范系统” • 2002年1月,国家启动“下一代互联网中日IPv6合作项目”。 • 2003年8月，国务院批复同意国家发改委等八部委“关于推动我国下一代互联网发展有关工作的请示”，正式启动“中国下一代互联网示范工程CNGI”。建设目标是在2003年到2005年的时间内，采用IPv6技术，完成CNGI主干网（覆盖20个城市30个核心节点） • 中国联通 ，北京、成都、广州、上海、昆明、郑州、济南 • 中国网通和中科院联合中标，北京、上海、广州、沈阳、长春、成都、兰州等7个节点的核心网建设 • 中国电信，关注现网过渡、兼容等问题 • 中国移动，关注移动应用中IPv6的引入 • CERNET2试验网已经开通，目前以2.5G的速度连接北京、上海和广州三个核心节点 NGI在中国（CNGI） CNGI：部署基于IPv6的网络，促进基于IPv6的网络应用和设备的研发

  26. 2. Internet的发展历程 NGI在中国（CNGI） 10Gb/s传输速率

  27. 信息通信网的演进 • 传统电信网络的演进 • Internet的发展历程 • 网络发展趋势 • 信息通信网的概念 • 网络基本知识回顾 • 网络标准化 主要内容

  28. 3. 网络发展趋势 • 传统移动通信网络 • 2G(9.6kbps)->3G(移动144kbps、固定384kbps) 4G(固定1Gbps、移动100Mbps) • 新兴宽带无线接入 • IEEE 802.16d/e/m、802.11a/b/g/n（基于802.11的Wi-Fi Mesh）、802.20 无线宽带化、宽带无线化 移 动 无 线 宽 带

  29. 3. 网络发展趋势 • 网络技术，特别是无线技术的发展，使得用户无论何时、何地都能使用任何方式接入到网络 • 实现泛在接入首先要解决网络融合问题 • 网络设备异构 • 网络终端具有的带宽、存储、处理等资源差异很大 • 从高性能智能终端到只具有网络功能的简单终端 • 网络技术异构 • 各种无线接入技术 • 802.11/802.16/2.5G/3G… • 各种类型的网络 • 基础设施网络、自组织网络、传感器网络…. • 网络应用异构 • 数据业务 • 话音业务 • 流媒体业务 • 其它类型的媒体业务… 用户接入泛在化 FMC是一种固定网络(Internet)和移动网络融合的解决方案

  30. 3. 网络发展趋势 • FMC：Fixed Mobile Convergence，固网和移动融合 • 实现用户在无线IP接入网络和蜂窝移动网络之间的无缝移动漫游 • FMC相关技术 • UMA • 802.21 用户接入泛在化 所谓无缝，是指对移动漫游不会影响正在进行的业务，例如对于话音要求在不同网络之间漫游所引起的中断时间不超过150ms

  31. RAN：Cellular Radio Access Network BSC：Base Station Controller UNC：UMA Network Controller Unlicensed Wireless Network(e.g. WiFi, Bluetooth) UMAN：Unlicensed Mobile Access Network 3. 网络发展趋势 • UMA：Unlicensed Mobile Access • 由UMAC联盟开发，目前已经成为3GPP规范TS43.318的一部分 • UMA提供了通过未授权频谱（Unlicensed spectrum）技术包括Bluetooth和IEEE 802.11来接入GSM和GPRS移动网络的方法，扩大了传统移动运营的业务范围 • UMA原理 • UNC位于未授权频谱的无线网络中，但通过已有的在3GPP中定义的A/Gb接口来接入核心网络 用户接入泛在化 UMAC: Unlicensed Mobile Access Consortium 3GPP: The 3rd Generation Partnership Project

  32. RAN：Cellular Radio Access Network BSC：Base Station Controller UNC：UMA Network Controller Unlicensed Wireless Network(e.g. WiFi, Bluetooth) UMAN：Unlicensed Mobile Access Network UMA工作过程 1）支持UMA的双模手持设备移动到非授权频谱无线网络，并且接入 2）手持设备通过IP接入网络连接到UNC，并且由UNC进行认证和授权其通过未授权频谱无线网络访问GMS话音和GPRS数据业务 3）更新用户保存在核心移动网络中的位置信息，此后将通过未授权频谱移动接入网络路由到手持设备的所有移动话音和数据业务

  33. 3. 网络发展趋势 • 802.21 • 也称为媒介无关切换MIH（Media Independent Handover）协议，由IEEE制订 • 目标是开发一个能够向上层提供链路层智能和其它相关网络相关信息的规范，以优化异构网络之间的切换，实现用户在各种无线接入技术之间的无缝移动漫游 • 支持的无线技术包括3GPP和3GPP2制定的规范、IEEE 802系列有线和无线规范之间 • 802.21中的服务 • 媒介无关事件服务：提供了相应于链路特性和链路状态动态变化的事件 • 媒介无关信息服务：为MIH用户提供了做出有效切换决定的有用信息 • 媒介无关命令服务：使得MIH用户能够管理和控制本地链路与切换和移动性相关的行为 用户接入泛在化

  34. 3. 网络发展趋势 • 802.21服务 用户接入泛在化

  35. 3. 网络发展趋势 • UMA和802.21的比较 • UMA给出一个用户在未授权频谱无线网络和GSM/GPRS等蜂窝移动通信网络之间移动漫游的解决方案，而802.21则只是提供了实现用户在各种无线接入网络之间无缝移动漫游所需的服务 • UMA不包括WiMAX，因此不能提供蜂窝移动网络、WiMax、WiFi之间的漫游，而802.21可以支持3GPP和3GPP2制定的规范、IEEE 802系列有线和无线协议 • 采用UMA技术的厂商不能保证互操作性，并且该规范可能在没有公告的情况下升级；而802.21则要求必须保证互操作性 用户接入泛在化

  36. 数据 语音 视频 … 移动管理 服务质量管理 IPv4/IPv6 网络安全 Ethernet 802.11/802.16/802.20 2.5G/3G … 3. 网络发展趋势 • 向下IP可以适应不同的接入技术，向上IP可以承载多种业务 • 话音、数据、视频等多种媒体 网络业务的IP化 IP提供的是一种尽力传送业务

  37. 3. 网络发展趋势 • 客户/服务器模式 • 服务器容易成为资源管理瓶颈 • P2P（Peer-to-Peer）模式 • 每个Peer既既可以从其它节点获取服务，也可以为其它节点提供服务，不存在瓶颈 • 利用网络边缘的计算、存储、带宽等资源 资源管理分布化

  38. 信息通信网的演进 • 传统电信网络的演进 • Internet的发展历程 • 网络发展趋势 • 信息通信网的概念 • 网络基本知识回顾 • 网络标准化 主要内容

  39. 4. 信息通信网的概念 • 信息通信网络是承载信息传输的网络服务平台，它是信息化社会的基础设施 • 信息不仅包括话音、数据、视频等多种媒体，还包括传感器数据、位置数据等一切能够获得的信息 • 无处不在的泛在接入，并且对于用户和业务来说，具体的接入技术是透明的 • 网络终端可以使高性能的智能化设备，也可能是功能简单的终端 • 支持人-人、人-机以及机-机通信 概念 IP，特别是IPv6，将成为未来信息通信网络的关键技术

  40. 信息通信网的演进 • 传统电信网络的演进 • Internet的发展历程 • 网络发展趋势 • 信息通信网的概念 • 网络基本知识回顾 • 网络标准化 主要内容

  41. 5.网络基本知识回顾 • 一些基本概念 • 网络的分类 • 网络互连设备 主要内容

  42. 5.1 一些基本概念 • 网络带宽（Bandwidth） • 特定一段时间内网络所能传送的比特数，单位一般为bps（bit/s）（Kbps、Mbps、Gpbs等） • 网络延迟（Latency） • 传播延迟（Propagation），与距离和光速有关 Propagation = Distance / Speed • 发送延迟（Transmit），与发送分组的大小和带宽有关 Transmit = Size / Bandwidth • 排队延迟 （Queue），中间路由器或者交换机将分组发送出去之前将它们存储 网络带宽和延迟 Latency = Propagation + Transmit + Queue

  43. 5.1 一些基本概念 • 网络吞吐量（Throughput） • 网络的可用带宽，也就是应用感受到的有用带宽 • 例如802.11b的带宽为11Mbps，但受各种低效因素的影响，网络层感受到的吞吐量只有4Mbps左右 • 与带宽相比，吞吐量用来度量网络性能更加有意义 网络吞吐量 由于网络协议栈的每一层协议都有相应的头标和尾部等开销，因此准确的吞吐量应该指明是哪一个协议的吞吐量

  44. 5.1 一些基本概念 • 单向延迟×带宽 • 第一个比特到达接收端之前，发送者能发送的比特数 • 往返延迟×带宽 • 发送端在接收到接收端给出的确认之前能够发送的比特数 延迟和带宽乘积 延迟 带宽 常用于TCP等协议的滑动窗口机制

  45. 5.2 网络的分类 接入网（有线） • 网络终端，包括主机、各种便携式移动设备等，负责数据的收发 • 网络互连设备，包括交换机、路由器等，负责数据的转发 • 通信链路或者线路，包括电缆、光纤、无线电波等，负责数据的传输 网络构成元素 Internet 骨干网 接入网（无线） 接入网 （局域网）

  46. 5.2 网络的分类 • 个域网PAN（Personal Area Network），网络覆盖区域为几米到十几米，例如外设与计算机设备的互连 • 局域网LAN（Local Area Network，LAN），网络覆盖范围为几十米到几百米，例如大楼、大学校园等 • 城域网MAN（Metropolitan Area Network，MAN），网络覆盖范围从几公里到几十公里，例如城市等 • 广域网WAN（Wide Area Network），比城域网更大的网络覆盖范围，例如Internet就是一个大的WAN 根据连接区域划分 实际上在划分时并没有严格的界限，很难确定MAN在何处终止，WAN在何处开始，但是它们使用的网络技术是不同的

  47. 5.3 网络互连设备 • 主机等网络终端通过网络互连设备组成网络，网络和网络之间通过互连设备组成更大的网络，最终构成了我们现在的Internet • 局域网内互连设备：中继器、集线器、网桥、二层交换机等 • 网络间互连设备：路由器、三层交换机、网关等 概述

  48. 5.3 网络互连设备 概述 应用层网关 传输层网关 路由器、L3交换机 网桥、L2交换机 中继器、集线器 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层

  49. 5.3 网络互连设备 • 物理层设备 • 中继器（Repeater）是一个放大输入信号的设备，用来延长连接距离，并不关心传输帧的内容 • 集线器（HUB）是一个多接口的中继器，用来连接多个网络设备，并且在检测到信号碰撞时向所有端口转发干扰(jaming)信号 • 干扰信号上是一个特殊的位（比特）模式，表示发生了碰撞 中继器和集线器 所谓碰撞，是指在共享媒介链路上，如果有两个或者多个网络设备同时发送数据，那么信号将会在传输媒介上互相交叠，导致数据无法正确接收。

  50. 5.3 网络互连设备 • 数据链路层设备 • 连接多个网段，扩展局域网 • 网桥(Bridge)检查帧的头标，并且根据帧的目的地址（例如MAC地址（Media Access Control））来转发帧 • 二层交换机具有多个端口，与网桥功能类似，当一个数据帧到达交换机时，它检查目的地址，并且向相应的输出端口转发帧 • 两种交换类型 • 存储转发（Store-and-forward ）交换：交换机在输入端口上接受数据帧，并且将其缓存起来，然后根据目的地址将其转发到相应的输出端口 • 直通（Cut-through ） 交换 ：利用目的地址位于帧的开始处的信息，一识别了目的地址以后就将输入的数据帧转发到相应的输出端口 网桥和二层交换机 网桥和二层交换机的一些区别： 1）网桥可以连接两个具有不同数据链路层的网段，而二层交换机一般连接采用相同链路层的网段 2）网桥的转发功能一般采用软件实现，而交换机的转发采用硬件实现 需要注意的是以上这些区别并不是绝对的！

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