1.9 现代通信网络中的一些基础概念

网络带宽、时延等网络服务性能指标，网络拓扑结构，网络互连原理与技术，是学习各种通信网络都需使用的基本概念。

1.9.1 网络服务质量

服务质量包括的内容很多，涉及的面也很广，主要分为网络服务质量和营业服务质量两大类。本书仅考虑网络服务质量。按照ITU-T的定义，网络服务质量（Quality of Service,QoS）是指用户对网络提供给他的服务满意程度主观评定意见的一种度量，可以用评分法具体地给出定量的评价，也可以用其他方法来评定。总之，网络服务质量是用户对服务是否满意的集中反映。网络服务质量是服务性能的综合体现，服务性能决定网络在多大程度上满足业务用户的要求。一般来说，产生QoS问题的原因是业务流量对网络资源的需求和网络实际能够提供资源之间的不匹配。当业务对网络资源的需求超过了网络实际供给能力时，业务的服务质量将不能得到有效保证。此时，需要根据业务类型及其对服务质量要求的不同，采用适当的QoS控制机制，合理分配网络资源。

电话通信网和数据通信网这两大类网络，各自都定义了详细的服务质量指标。对于电话通信网而言，网络服务质量主要包括传输质量、接续质量、稳定质量等。接续质量是指用户通信被接续的速度和难易程度，通常用接续损失（呼损）和接续时延来衡量。传输质量是指用户接收到的语音信号的清楚逼真程度，可以用响度、清晰度和逼真度来衡量。稳定质量是指通信网的可靠性，其指标主要有失效率（设备或系统工作 t时间后单位时间发生故障的概率）、平均故障间隔时间、平均故障修复时间等。

对于采用分组交换技术的数据通信网，网络服务质量主要包括业务可用性、延迟、延迟抖动、吞吐量、丢包率等。

① 业务可用性：用户到数据业务（如IP业务）之间连接的可靠性。

② 延迟：也称为时延（Latency），指两个参照点之间发送和接收数据包的时间间隔。

③ 延迟抖动（Jitter）：指在同一条路径上发送的一组数据流中数据包之间的延迟差异。

④ 吞吐量：网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示。

⑤ 丢包率：在网络中传输数据包时丢弃数据包的比例。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。

要保障分组交换业务的服务质量，就应为业务在网络中分配足够的带宽。在数据通信中，链路带宽表示在单位时间内某条链路上通过的“最高数据率”，网络带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”。带宽的单位是“比特每秒”，记为bit/s。在这种单位的前面也常常加上千（k）、兆（M）、吉（G）或太（T）这样的倍数。

如何保证IP网络的服务质量，是目前网络发展的重点和难点问题。为业务预留足够的带宽，是保障服务质量的基本手段。但由于业务的突发性，并且每种应用系统对网络的要求有所不同，这使得带宽本身并不能完全解决网络服务质量问题。QoS保障所追求的服务目标在于：数据包不仅要到达其欲传输的目的地址，而且要保证数据包的顺序性、完整性和实时性。通过QoS保障机制，网络可以按照业务的类型或级别加以区分，并能够依次对各级别业务进行处理。

1.9.2 网络拓扑结构

网络拓扑（Network Topologic）是研究通信网络结构的特点、性能及其关系的技术方法，是通信系统设计技术的一种，对网络性能、可靠性、可维护性、费用等有很大影响。网络拓扑结构是采用拓扑学方法给出的反映网络设备和通信线路连接关系的网络结构图。拓扑学方法是一种研究与大小、距离无关的几何图形特性的方法。在通信网络中常采用拓扑学方法，分析网络单元之间互连的形状与其性能的关系。具体而言，网络拓扑结构是把交换机、路由器、集中器、计算机、服务器等具体设备抽象成“点”，把通信传输介质抽象成“线”，得出的网络连接几何图形形式。网络拓扑结构主要包括星状（Star）、树状（Tree）、总线（Bus）、环状（Ring）以及网状（Mesh）等类型（见图1-27）。

1.星状结构

星状结构是最常见的一种网络结构，这种体系包含一个中央节点（即中央交换机或集中器），其他节点都通过链路和中央节点连接，任何两个节点之间的通信都要通过中央节点转接。星状结构具有建网容易、易于控制等优点。缺点是属于集中控制，对于中央节点依赖性大，通信线路利用率不高。有时为提高可靠性，可采用双中心节点。星状结构可在有线局域网、无线局域网等网络中使用。

2.树状结构

树状结构是各节点连接成树的形状。树状拓扑结构往往画成倒放的树，各节点按照靠近主节点远近而分成不同的层次级别，越靠近主节点的节点，其级别越高，处理能力越强。主节点具有控制和协调网络通信的功能。树状结构具有一定容错能力，一般一个分支和节点的故障不影响另一分支节点的工作。与星状结构相比，降低了通信线路的成本，但增加了网络复杂性。有线电视网就是树状结构。

3.总线结构

总线结构是多个节点连到一条公用线路上，这条公用线路称为总线。总线上任何一个节点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被其他任何一个节点所接收。由于信息向四周传播，类似于广播电台，故总线网络也被称为广播式网络。总线型网络具有结构简单、成本低、安装方便等优点。由于多个节点共享一条总线，如果同一时刻有两个以上节点发送信息，就会造成碰撞，必须使用媒体访问控制协议加以解决，因而通信实时性较差。总线负载能力是一定的，因此，总线长度有一定限制，一条总线只能连接一定数量的节点。总线上任何一点故障，都会造成整个网络瘫痪。早期的以太网使用总线结构。

4.环状结构

环状结构由通信线路将各节点连接成一个闭合的环，数据在环上单向流动。环状网的特点是：每个节点都与其他两个节点直接连接，传输控制较简单。信息在网络中沿固定方向（顺时针或逆时针）流动，两个节点间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制。

环状网的缺点有：当节点过多时，网络传输时间变长，影响通信效率（不过对于一个确定的、节点数不多的网络，其延时固定，实时性可有一定保证）；由于环路封闭故扩充不方便；一个节点出故障，可能会终止全网运行。为了提高可靠性，可以使用双环结构，一旦一个环不工作，自动切换到另一个环。此时，需对全网拓扑和访问控制机制进行调整，较为复杂。令牌环局域网使用环状结构。

5.网状结构

网状结构是一种栅格状的拓扑结构，各节点之间有多条路径相连。网状结构可分为全连接网状结构和不完全连接网状结构。全连接网状结构中，任意两个节点都直接相连。不完全连接网状结构中，两个节点之间不一定直接相连，它们之间的通信依靠其他节点转接。网状结构的优点是节点间的路径多，网络阻塞情况大大减少，局部故障不会影响整个网络的正常工作，网络通信的可靠性较高。缺点是网络关系复杂，建网不容易，成本较高。

电话网常采用树状结构；在计算机局域网中较多采用星状结构和树状结构；在广域网、城域网中，往往采用由环状结构、星状结构、网状结构混合而成的复合结构。随着传输和交换技术的进步，各种网络拓扑结构的性能和适用范围将不断发展变化。

1.9.3 网络互连的基本知识

1.网络互连的基本概念

网络互连是现代通信网络的核心内容，也是现代通信网络的重要技术基础。网络互连是由各种网络参照一定的规范标准，使用一定的连接设备而构成新的更大的网络。事实上，互连在一起的网络要能进行通信才有价值。而要实现通信的目的又必须解决传输、交换、终端三大要素的问题。如不同的寻址方案，不同的最大分组长度，不同的网络接入机制，不同的超时控制，不同的差错恢复方法，不同的状态报告方法，不同的路由选择技术，不同的用户接入控制，不同的服务（面向连接服务或无连接服务），不同的管理与控制方式等。其实质就是要求解决网络连接、网络互连、互通的问题。

开放系统互连参考模型（OSI-RM）是网络互连的理论基础。在OSI-RM中规定，通信网内部执行下三层协议功能，即物理层、链路层和网络层，而传输层以上则为网络终端设备的功能。通过在不同层次上互连，两个网络间可以有多种互连方法。

对运营商而言，在网络互连时往往还要强调网络互通。网络互通不仅仅是指两个端系统间单纯的数据转移，还表现出各自业务间相互作用的关系，以完成它们间共同的任务。

2.网络互连的基本方式

网络互连要通过一个中间设备或中间系统，OSI的术语称为中继（Relay）系统。根椐中继系统所在层次，可以有以下几种方式。

① 物理层中继系统，即转发器（Repeater）。转发器是最简单的网络连接设备，用于两个网络物理层的连接，以增加其网段的有效长度。转发器不具有过滤功能，只是对所连接的网段进行信息流的简单复制，在OSI的第一层实现局域网（LAN）的连接。

② 数据链路层中继系统，即网桥或桥接器（Bridge）。网桥具有过滤功能，能对输入的数据帧进行分析，并根椐目的 MAC 地址来决定数据的传送；网桥还具有对高层协议的透明性，适合广域网（WAN）的连接。

③ 网络层中继系统，即路由器（Router）。路由器其实就是一台专用计算机。它是主要的网络节点设备，工作在网络层（如IP层），具有互连多个子网、网络地址判断、最佳路由选择、数据处理和网络管理功能。可提供不同类型（如LAN或WAN）、不同速率的链路或子网接口。

④ 在网络层以上的中继系统，即网关（Gateway）。网关又称为网间连接器、信关或联网机。网关用于连接具有不同工作协议的主机设备，能通过在各种不同协议间的转换，实现网络间的互连。与其他互连网络设备不同的是，网关只需要某一高层的协议相同，而不需要关心低层的协议；若高层协议不同，则需要进行协议的转换。