网络课程讲稿1.docx
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网络课程讲稿1
互联网与下一代网络
课程讲解稿
郭成城
武汉大学电子信息学院
互联网与信息技术研究室
netccg@
第一章Internet网络概述
P-5：
1.2.1Internet设计思想
标准化问题
RFC是RequestforComments首字母的缩写，它是IETF（互联网工程任务推进组织）的一个无限制分发文档。
RFC被编号并且用编号来标识。
RFC包含供互联网社区用户、系统管理员及开发者使用的信息。
一些RFC描述了标准化协议（如FTP、SMTP、POP3、IMAP4和DNS）。
实际上，一个协议以RFC的形式被描述是非常正常的，一个协议是通过RFC来升级的。
TCP/IP模型的主要优点
端到端控制方式的最大好处是开放性、灵活性，Internet的成功已充分证明了其优越性。
TCP/IP存在的主要问题
端到端控制方式对多媒体信息传输的时延保证支持能力十分有限。
TCP提供端到端的可靠传输，即无差错、无丢失、无失序、无重复；UDP仅提供无差错服务。
端到端的可靠性保证“代价高”，即传输时延确定性的不确定（无法确定）。
因此，仅对弹性业务有利，对非弹性业务无法提供保证。
网络层的（流量、拥塞）无控制状态，常常会进一步恶化网络性能，使原本较小的问题迅速得到放大和蔓延，甚至导致网络瘫痪。
虽然，IP路由具有较好的自愈能力（重新发现路径），但这是牺牲实效性换取自治性的策略，是一种被动方式，反应时延大，性能下降严重，缺少主动的、积极的防御措施。
并且，网络拥塞时，没有分流措施，度量标准也不统一，这会导致更加拥堵。
P-8：
网络体系协议结构
实体、服务、协议
（N）服务包括：
本层实体自身的功能、下层实体提供的支持功能、对等实体提供的功能。
头信息（也就是控制信息）包括了两方面内容：
一是与对等实体交互所需的信息；二是上下层实体交互所需的信息。
数据单元
PCI：
协议控制信息，对等实体间交互使用的信息，全局有效；ICI：
接口控制信息，上下层实体间交互使用的信息，局部有效。
正式因为要遵守PCI、SDU的规范化，故所有的协议中都会详细介绍其PDU格式。
如网络课程学习过得TCP/UDP中的端口号、IP包格式、以太网MAC帧格式、HDLC帧格式等。
P-9：
网络协议工程
协议工程定义解释
一体化指：
协议的设计、验证、实现、测试等，在技术上前后衔接，并在同一个开发系统中完成，即系统化；
形式化指：
用形式描述语言连接协议开发的各个阶段，实现协议的自动化验证、实现和测试。
协议工程的内容
Ø协议设计：
1）环境分析（层次划分、服务原语定义、实体确定、通道映射、PDU格式等）；
2）制定开发步骤。
Ø协议描述：
1）用数学模型或逻辑模型描述局部系统、通道系统、全局系统；
2）选择合适的形式描述语言。
Ø协议分析：
1）可达性分析，穷举协议各种可能的状态变化；
2）逻辑证明，推理演算协议的各种性能；
3）仿真模拟。
Ø协议测试：
1）彻底性测试；
2）标准化测试（包括测试工具）。
Ø检验实现的协议是否与协议规范描述的内容一致。
P-10：
下一代网络概述
下一代网络定义解释
对未来网络的要求归纳起来就是“方便”，同时，可以承载各种业务和提供多种服务。
由于Internet目前在业务的多样性方面已取得成功，因此成为下一代网络中最重要的依赖技术。
随着计算机技术的发展，特别是嵌入式技术的发展，任何物体都可以嵌入芯片来实现“普适计算”，也可以说计算机网是通用的网络系统，或者说任何网络都是由各种计算机（如路由器可以看成是专用的计算机）组成的网络。
下一代网络特性解释
TCP/IP的统治地位使其成为构筑网络系统的基础，基于IP实现的多网合一已基本达成共识。
P-12：
Chinanet网络结构
分层划分的解释
Chinanet骨干网的拓扑结构逻辑上分为两层，即核心层和大区层。
核心层的功能主要是提供与国际Internet的互联，以及提供大区之间信息交换的通路。
其中北京、上海、广州核心层节点各设有两台国际出口路由器，负责与国际Internet互联，以及两台核心路由器与其他核心节点互联；其他核心节点各设一台核心路由器。
大区层主要提供大区内的信息交换以及接入网接入Chinanet的信息通路。
划分的依据
1）地理位置及网络拓扑原因
北京主要负责华北、东北及西南地区，上海负责华东、华中和西北地区、广东负责华南地区。
负责出口的节点要有和此节点直联的电路，或与此节点所在大区的核心节点有直联电路，作为大区的第二出口节点由直联的节点出口负责。
2）流量均衡原因
由于目前的统计手段还无法确知某省的国际流量情况，因此，由此省的接入流量代替。
国际与国内可以近似看作成一定比例，故通过比较省内网流入和流出骨干网的总流量，可知按上述范围划分基本可以保证三部分的流量基本平均分配在三个出口上。
路由策略的解释
当前路由政策国际部分采用BGP4与国外其它网络进行路由交换，国内部分采用BGP4进行与省网内进行地址交换，而采用IS-IS进行骨干网内部的路由选择。
P-13：
特点分析
需求变化及结构模型
技术条件和应用需求的变化势必要求互联网的体系结构也相应进行调整，但是遗憾的是，互联网的体系结构自从确立到现在没有发生根本性的变化，针对出现的不同需求，采用了渐进性的修补策略，一些功能和技术在原有体系结构上进行堆积，从而使得原本十分简洁清晰的网络结构变得越来越复杂，尤其是在NAT等MIDDLEBOX技术、IPv4/6技术出现以后，在对服务质量、网络安全、可运营可管理等方面的需求不断迫切的情况下，传统互联网的网络结构也面临深度调整甚至变革的问题。
编制与命名
尽管目前出现了一些解决移动性的方案，如MobileIP和动态DNS等，但是实现起来难度较大，这种实现的不便是由互联网的编址与命名方式所决定的。
寻址与路由
由于在路由协议设计之处，网络传输链路是不可靠的，因此要求网络能够在出现局部故障的时候，智能的发现新的通路实现网络的可达性，从而使得网络表现出自组织的智能。
这种网络自组织特性对寻址性能是有影响的。
现在网络环境已经发生了很大变化，传输链路的故障率很低，网络通路自组织特性和寻路性能之间需要权衡，需研究和开发更高效或更好的路由机制。
QoS
由于目前一些实时性业务的开展对互联网服务质量提出更高的要求，因此在互联网上实现服务质量保证是非常困难的，这是由互联网对业务数据的“无记忆传输”特性所决定的，传统互联网希望网络中保存的状态越少越好，网络逻辑越简单越好，业务数据是透明传输的，网络基本不保存和业务数据相关的信息（路由信息除外）。
管理性
由于互联网是自组织性很强的网络，每个网元只需完成存储转发功能，一般来讲。
对于网络其它部分的状况是不关心的。
其管理是网元级别的，并不是网络级的，系统整体的管理级别不高。
商业模式
互联网中由于IP网络的端到端透明性、网络与业务的分离，业务智能主要在网络终端上实现。
用户可以自主完成整个业务逻辑，而不需要运营商的参与，这样运营商只能通过提供传输通道等“低级工作”来获取少量利润，没有对业务的控制能力也就不能实现一些高附加值的业务，难以形成合理的盈利模式，最终会阻碍互联网的发展。
目前，互联网持续发展的资金来源问题正普遍受到各方的关注，因此探索新型的、良性的业务运营模式是一个十分紧迫的研究课题。
P-14：
从FIFO结构到CQS结构
FIFO的公平性属于“原始社会的被迫公平阶段”，在对资源的需求或者说欲望远小于供给能力的条件下是可行的。
不同业务对资源的基本需求不同，就像人有高、矮、胖、瘦之分，不同人对资源的要求不同；医院的急诊和普通就诊有不同的响应处理时间。
当然，主要是资源的有限性使得矛盾突出，即资源的供给无法满足所有人的绝对需求，更何况“欲壑难填”。
FIFO规则在缺乏控制管理的情况下（实际上提供长分组优先），就像一个缺乏监督和制约的体制，存在很多漏洞，使投机者可以窃取大量网络资源，侵占他人权益。
CQS结构的特点就是要在网络中的每个节点上增加可控性。
新的控制体系中，有效地利用有限的资源成为合理、公平的处理方式和原则。
P-14：
电信网的演变
电信网是目前覆盖范围最广，业务量最大的网络。
固定电话网
电话网分为本地电话网和长途电话网。
本地电话网是在同一编号区内的网络，由端局、汇接局和传输链路组成；长途电话网是在不同的编号区之间通话的网络，由长途交换局和传输链路组成。
目前，电话交换局是电话网中的核心，采用数字程控交换设备，每一路电话编码为64Kbit/s的数字信号，占据一次群中的某一时隙，在信令的控制下进行时隙交换，从而和各个不同的用户相连。
根据服务区域的大小，电话交换局可以分为一级中心、二级中心、三级中心、四级中心和五级中心，即C1、C2、C3、C4和C5。
其中C1、C2、C3、C4为长途转接局，C5为端局。
随着电话网的数字化进程的实现，C1、C2合并为一级，即DC1，C3、C4合并为一级，即DC2，我国的电话网从五级网演变为三级网，一级交换中心之间形成网状连接。
移动电话网
我国现在已建的移动通信网络主要是蜂窝移动通信网，包括GSM网和联通的CDMA网。
GSM系统以七号信令作为互联标准，与PSTN、ISDN等公众电信网有完备的互通能力，采用的智能网结构便于引入智能业务。
其用户接口采用和ISDN用户-网络接口UNI一致的三层分层协议。
而CDMA是由多个码分信道共享载频频道的多址连接方式。
它主要由交换子系统和基站子系统两大部分组成。
交换子系统主要由移动交换机MSC、鉴权中心AUC、短消息中心MC、归属位置寄存器HLR和拜访位置寄存器VLR等组成。
移动交换机可以和其它的移动交换机相连接，也可以通过关口局（GatewayMSC）和公用电话网PSTN相连。
基站子系统主要由基站控制器BSC、基站收发信机BTS和基站子系统操作维护中心OMC-R组成。
数据通信网主要完成数据传输技术与交换任务，并为广域网和城域网提供网络互连技术。
数据交换网
分组交换是最早的数据交换技术，它的基本原理是：
将用户信息封装在各分组（数据包）中，每个分组都有包含附加信息的分组头，网络按附加信息（如主、被叫地址，逻辑信道号，数据包序列号）作出路由选择、差错控制等处理。
分组交换网时延大，传输速率低，只适用于一些业务量小、速率要求不高的数据、图形、静止图像的传送，并且不能进行实时性要求强的语音传送。
帧中继（FR）被称为第2代分组交换技术，与分组交换相比，简化了节点机之间的协议处理，将流量控制和差错控制安排在端节点进行，提高了传输速率，降低了网络时延。
帧中继（FR）最典型的应用是局域网互连。
数字数据网（DDN）是我国目前应用最广泛的数据网，它是以数字光缆传输为基础，利用数字信道来传输数据信号的高速数据传输网络。
DDN的特点是传输速率高、传输质量好、网络时延小、全透明（支持任何规程）、网络管理智能化，可为用户提供有关语音、数据、图象信号的点对点或点对多点的半固定连接，接口灵活多样，使用简便。
它只适用于大业务量集团用户和大中型网络互连，对业务量较小且流量分散的小用户，无交换能力的DDN就很不经济。
N-ISDN是由电话综合数字网（IDN）演变而来的，它提供端到端的数字连接，支持一系列广泛的话音和非话音业务，为用户进网提供一组有限的标准多用途用户网络接口。
但它所支持的业务带宽有限，只能是小于2.018mbit/s的窄带业务。
ATM（异步转移模式）是一种面向连接的快速分组交换技术，它综合了分组交换和电路交换的优点，采用异步时分复用的方法，将信息流分成固定长度的信元（CELL），进行高速交换。
它采用了分组交换中统计复用、动态按需分配带宽的技术。
P-16：
现代电信网的网络组成结构
电信网大都按照骨干网、城域网、接入网的模式构筑，分别采用网状、稀疏/不完全网状或环状、星型等拓扑结构来构筑网络系统。
业务网
业务网按其功能又可分为用户接入网、交换网和传输网三个部分。
用户接入网是电信业务网的组成部分,负责将电信业务透明地传送到用户,即用户通过接入网的传输,能灵活地接入到不同的电信业务点上。
支撑网
支撑网是使业务网正常运行,增强网络功能,提供全网服务质量以满足用户要求的网络。
在各个支撑网中传送相应的控制、检测信号。
支撑网包括信令网、同步网和管理网。
在采用公共信道信令系统之后,除原有的用户业务之外,还有一个寄生、并存的起支撑作用的专门传送信令的网络——信令网。
实现数字传输后,在数字交换局之间、数字交换局和传输设备之间均需要实现信号时钟的同步。
管理网是为提高全网质量和充分利用网络设备而设置的。
P-18：
特点分析
需求变化
目前，越来越多的专家认识到IP技术在电信网络中的应用在带来诸多好处的同时，也由于IP技术的固有问题，如服务质量、安全、可管理性、移动性等，使得电信网络在应用IP技术后遇到了许多困难。
一种利用传统电信网络理念来改造IP技术的呼声正逐步受到重视。
越来越多的技术人员认为如果未来在电信网络中应用的分组交换技术是IP技术的话，其也一定不是现在技术水平上的IP技术，而是洗尽互联网铅华以后的、经过电信网理念改造的、更适应电信网络业务需求的IP技术。
结构模型
结构中的树状模型主要指上下层之间的关系。
功能分布
业务和网络的分离在带来诸多好处的同时。
也增加了运营商对业务的控制难度，而运营商正是通过对业务的控制来获得增值利润的。
传输模式
在各个过渡时期，电路交换技术和分组交换技术的并存有两种方式，一是一些业务利用电路交换、另一些业务利用分组交换，两者是不交叉的；另一种方式是在网络边缘利用分组交换技术，充分发挥分组交换统计复用的高性能，而在网络核心利用电路交换技术，实现大颗粒数据的时分复用，保证骨干网的性能和传输效率。
寻址与路由
在交换机上配好数据以后，不同层次的交换机只需看不同位置的电话号码进行链路建立即可。
而不需要动态建立路由数据和全局路由，即寻址只需要在同一网络层次中进行，并不需要全程搜索，寻址具有局部特性。
安全性
在传统电信网络中存在UNI，NNI和SNI接口的区别，用户只能看到UNI接口，而NNI接口以上部分，尤其是SNI接口以上的部分，完全由运营商来控制。
业务支撑
从上世纪八十年代开始人们向着这个目标开始了长期而艰辛的探索。
ISDN，B-ISDN，FR，ATM等技术纷纷登场，又很快消落，直到在互联网领域取得成功应用的IP技术走入电信网以后，一些乐观的专家认为终于找到了合适的技术，但是随着IP技术在电信网络中的快速渗透，IP技术也暴露出了许多问题，因此人们在关注IP技术的同时，也在不停地反思IP技术究竟是不是电信网络所需要的终极技术。
对应的商业模式
传统电信网络中运营商对用户的接入和用户所能使用的业务进行完全控制，用户完全依赖运营商来满足业务需求。
P-19：
IP电信网
1、
市场需求和技术进步共同推动着网络的发展，IP技术大大改变了传统电信网络的概念和结构。
未来的趋势表明以IP为代表的数据业务将持续快速增长，因为诸如Internet之类的先导网的发展会出现许多新的应用，传统电信业务从电路交换网向IP网的转移将加快，宽带接入的推广使用将大大增加网上流量，目前常处于开始阶段的机对机的应用（如生物信息传递、异地备份、Web高速缓存、多播馈送、批处理、数据库同步等）将对网络和带宽提出进一步的要求。
2、
如何将目前的电信网演进为以IP分组为基础、以Internet网为核心的公用通信网络，是电信网发展所面临的挑战。
Internet采用开放的体系结构、统一的标准协议，任何接入网络只要是采用TCP/IP协议都可以和它互通互连。
而传统的有线和移动无线电话则不同，它们有着各自独立的交换和传输网络。
而无线移动电话的接入网络更是复杂，它们有着不同的空中传输标准，这不仅增加了成本，也给使用、管理者带来不便。
随着IP电话的兴起，VoIP技术的发展，传统电话在向IP方向演化发展。
所有的业务，从传统电话、移动通信漫游、新一代综合业务VoIP，到电子商务、综合应用服务，乃至交互式电视业务全部都由统一的核心IP网来完成，差别仅仅在于接入网。
接入网可以是传统电话网、无线电话接入网、有线电视网、ADSL、LMDS、LAN接入和光纤接入等。
目前，一些电信运营商已经开始了这一演进进程。
如USWest建立了单一的IP核心网络为有线和移动无线电话服务。
这样不仅可以消除冗余、降低成本，还可以提供综合服务。
尽管目前对于建立怎样的IP核心网和如何建立还有不同的看法，但是对于在点到点的骨干网上采用IP这一点上已达成共识。
USWest采取的第一步是将基于SS7信令的体系结构转向IP。
由于不必缴纳使用SS7的许可证费和不用SS7接口硬件，因此可以降低成本。
3、
构建IP核心网，将不再使用各种传统的电路交换机，取而代之的是高性能路由交换机。
传统电话智能网的许多功能是运行在交换机中的，第三方应用开发商必须和交换机打交道，这为第三方开发造成很多困难。
在无连接的IP网上，如果采用基于SIP的VoIP系统，利用软件交换机提供VoIP业务，则可以提供固定电话的交换传输，也可以提供移动电话的交换传输，而差别仅仅是接入方式的不同。
它不但可以提供传统电话智能网的全部功能，还可以提供传统电话智能网和因特网特征融合的新功能。
发展统一的IP核心网不仅能使新型电信运营商从互联网综合业务的角度进入固定电话和移动电话领域，更重要的是在这个统一的IP核心网上，还可以进行以电子商务为代表的、基于Web的互联网新业务，以及宽带交换式多媒体业务。
总的看来，在分组网和PSTN的融合问题上，人们的想法基本是一致的。
也就是说，采用软交换的模式，把呼叫控制与呼叫传输分离。
智能化的软交换机实现不同信令的转化，控制呼叫的建立过程，并具有开放接口和API，方便新业务的产生。
而呼叫传输由简单的设备完成，如媒体网关，但相关的软交换标准还有待完善、统一和广泛接受。
软交换所面临的首要的也是最主要的挑战就是多协议，即软交换所支持的协议很多。
而且这些协议分别来自不同的标准化组织。
这为技术研究、设备生产、通信运营等各方面都带来了很多协调方面的困难。
4、
本世纪初，西方发达国家电信业出现严重萎缩，其中一个重要原因就是缺少符合用户需求、具有市场效益的新兴业务。
故新业务的开发是一个关键。
软交换的组网方案对新老运营商公司都有利。
传统运营公司用它实现PSTN与分组网的融合，保护传统投资，又具有创新能力；而新公司用它可以比较容易地进入竞争激烈的通信业务市场，不需对传统设备进行巨大投资，没有财政压力。
作为下一代网络核心的软交换，结合了传统的话音网络的可靠性和新兴的IP技术的灵活性和有效性的优点，不但可以很好地解决从传统的电话交换网向分组化网络过渡的问题，更是新兴运营商进入话音市场的技术手段之一。
P-20：
IP电信网业务体系结构
1、
开放性：
业务的定义、生成和部署独立于下层网络，具有跨网络平台的可移植性，可由独立于网络运营商的第3方开发和提供，易于用户按照自己的要求定制个性化业。
分布性：
业务控制将由传统电信网的集中式控制模式转换为分布式控制模式，支持业务控制功能和网络控制功能交互的位置透明性。
融合性：
应能灵活提供综合多种网络能力的融合业务，特别是话音、数据融合业务将是IP电信网业务发展的重点。
2、
90年代初，电信界成功地推出了快速提供增值业务的智能网体系结构，其核心是将业务功能从交换机中剥离，实现业务控制和呼叫控制（业务实现与网络传输）的分离。
由于电路交换网和IP分组网的差异仅在于底层传送机制的不同，对于应用层来说，两者实现同一业务时的业务逻辑应该是相同的，因此可以用同样的业务控制点SCP和同样的智能网应用INAP部分协议进行控制。
具体来说，可以单独设置IPSCP或者共享原有只能忘得SCP，后者要求INAP协议在IP网络中透明传输，为此需设立信令网关。
此外，由于智能网业务是基于业务交换点SSP的有限状态机触发的，而IP网络并不保留状态信息。
当电信网向IP方向演进时，需将智能网的控制结构延伸到IP网络，因此在IP电信网的软交换机、网管控制器中都引入了呼叫状态机，以支持智能网业务控制结构。
为此，提出了基于分布式对象技术DOT和API的开放式业务体系结构，通过分布式处理环境中远程对象调用机制实现分布式网络计算，其自成体系的对象封装、统一的接口定义和公共的系统服务提供了对象位置的透明性，屏蔽了底层网络的实现细节，使得电信网的功能和资源以规格化的对象形式开放给业务层使用，业务层设计无需知道下面复杂的网络控制协议。
这样，使业务层完全独立于网络层和呼叫/会话层，成为单纯的计算机软件控制平台。
为了确保不同设计者开发的业务逻辑在不同网络和运营域的互操作性，抽象对象模型必须统一定义，这就是标准化的API。
传统的智能网络结构中，业务交换点和业务控制点之间的C接口属于网络内部接口，两者均为网络提供商的设备。
端用户只有唯一一个和网络提供商的接口——B接口，因此只能在网络提供商指定的业务范围选择业务。
而在基于API开放式业务结构中，接口C是开放式的，接口上方的业务层归属独立于网络提供商的第三方业务提供商（位于网络边缘），顺从网络智能外移的演进趋势。
端用户除了与网络提供商的B接口外，还有与业务供应商的接口——A接口，通过此接口，用户可以定制或修改业务，快速获得所需的个性化业务。
3、
软交换网络采用ParlayAPI构造其业务结构。
由业务运营商提供的第三方业务平台装载各种业务逻辑，与数据库配合完成对业务的控制，相当于分布式的SCP。
业务服务器平台由具有各种业务能力对象的服务器组成，每一种对应一类ParlayAPI（增值服务API），如CC负责呼叫的建立、选路、监视和释放；UI负责用户交互，相当于智能网中的智能外设。
业务逻辑通过内嵌的ParlayAPI函数调用应用服务器中的业务能力对象，后者在指示下层网络的控制实体完成所需的网络动作。
如CC通过和软交换机SSW的交互完成呼叫建立或释放，UI和GM通过媒体服务器MS完成所需的功能。
业务能力对象的定义独立于下层网络，当其要求某类网络提供支持时，应用服务器将该业务能力指令映射为相应的网络接口协议，如SIP。
通过这样的机制，复杂的下层网络协议将对第三方业务提供者完全屏蔽，业务开发者只要组合调用API函数，就可以灵活地构造各种跨不同网络的增值业务。
按照业务实现的不同方式，软交换网络中的业务划分为4类：
1）基本业务，最基本的呼叫/会话连接控制业务，有软交换机自身完成；2）补充业务，传统电信网中已定义的附加业务，如呼叫转移、定时唤醒；3）智能网业务，借助智能网向软交换网用户提供的增值业务，要求软交换机通过信令网关和智能网的SCP交互；4）开放式业务，通过开放式结构，由第三方提供的增值业务，主要是与Internet网融合的业务。
4、
3G核心网络的特点是引入了分组交换，相应地在业务上支持Internet、VoIP和IP多媒体业务。
3GPP标准中，核心网分为电路交换CS和分组交换PS两部分。
CS域的网元及接口和GSM核心网的几乎相同，仍基于时分复用TDM技术，但引入了媒体网关功能MGF，以支持VoIP或VoATM。
PS域基于TCP/IP协议，其基本网元为支持分组交换的SGSN（GPRS服务支持节点）和支持与其他分组网络互通的GGSN（GPRS网关支持节点）。
两个域共用用户归属服务器HSS。
3GPP核心网专门定义了一个IP多媒体子系统IMS，其业务结构如图示。
IMS采用SIP作为基础协议。
其中，呼叫/会话控制功能CSCF部件是网络控制的核心网元。
在3G网络中定义了3类CSCF：
作为移动用户接入IMS的SIP代理服务器P-CSCF、运营域的入口SIP代
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