第6章 综合业务数字网

综合业务数字网通信专业职业水平考试辅导太原理工大学王华奎教授综合业务数字网的基本概念众所周知，通信网的两个重要组成部分是传输系统和交换系统。当一种网络的传输系统和交换系统都采用数字系统时，就称为综合数字网（IntegratedDigitalNetwork，IDN）。这里的“综合”是指将“数字链路”和“数字结点”合在一个网络中。如果将各种不同的业务信息经数字化后都在同一个网络中传送，这就是综合业务数字网（IntegratedServicesDigitalNetwork，ISDN）。这里的“综合”既指“综合业务”，也指“综合数字网”。IDN的概念综合数字网（IDN）是以64kbit/s的PCM信道为基础，把数字时分电话交换和数字时分复用传输综合起来的数字电话网。IDN实现从本地交换节点至另一端本地交换节点间的数字连接，但并不涉及用户接续到网络的方式，IDN概念示意图如图6-1所示。图6-1IDN示意图IDN通信网图6-2IDN通信网IDN的缺点1.经济性差：各种网络互不兼容，终端和接入设备专用，增加用户投资；2.效率低：专网专用，难以互通，资源利用率低;3.用户使用不方便：各种网络标准不同、号码不同、接入过程不同；4.管理复杂：不同网络由不同的网络管理部门管理，增加业务困难。为了克服IDN的上述缺点，必须从根本上改变网络的分立状况，用一个单一的网络来提供各种不同类型的业务，由此发展了综合业务数字网(ISDN)。ISDN的构想ISDN的构想是：将多种信息业务的传输和交换综合在一个网内;向用户提供一组标准的用户－网络接口；用户只需提出一次申请使用一条用户线就可将多种业务终端接入网内；按统一的规程进行通信；实现业务的综合。ISDN的产生不是一次新的传输和交换技术革命，它是将新的技术注入到传统通信网，对原有网络技术的综合和发展。ISDN的定义1984年CCITT通过了I系列建议书，对综合业务数字网ISDN的定义为：“ISDN是由电话IDN发展起来的一个网络，它提供端到端的数字连接以支持广泛的服务，包括声音和非声音的，用户的接入是通过有限的多用途用户网络接口标准实现的”。ISDN定义强调的要点是：(1)ISDN是以电话IDN为基础发展起来的通信网；(2)ISDN支持各种电话和非电话业务，包括话音、数据传输、可视图文、智能用户电报、遥测和告警等业务；(3)提供开放的标准接口；(4)用户通过端到端的共路信令，实现灵活的智能控制。ISDN提供的开放系统ISDN的网络功能体系结构用户信息用户信息ISDN交换机ISDN交换机终端分组交换能力电路交换能力无交换连接能力公共信道信令能力终端用户－用户信令用户－网络信令用户－网络信令ISDN网络图6-4ISDN示意图ISDN包含了七个主要功能：(1)本地连接功能；(2)64kbit/s电路交换功能；(3)64kbit/s专线功能；(4)中髙速电路交换功能；(5)分组交换功能；(6)中髙速专线功能；(7)公共信道信令功能。ISDN的基本特性（一）(1)端到端的数字连接在ISDN网中，所有语音、数据和图像等信号都以数字形式进行传输和交换。这些信号都要在终端设备中转换成数字信号，然后通过数字信道将信号送到ISDN交换机，再由ISDN交换机将这些数字信号交换、传输到目的端的终端设备。整个过程中，所有的信号都以数字形式进行传输和交换。如图6-5所示图6-5端到端的数字连接ISDN的基本特性（二）(2)综合的业务ISDN支持包括话音、数据、文字、图像在内的各种综合业务。任何形式的原始信号，只要能够转变成数字信号，都可以利用ISDN来进行传送和交换，实现用户之间的通信。ISDN的业务不仅覆盖了现有各种通信网的全部业务，而且包括了多种多样的新型业务。ISDN的基本特性（三）(3)标准的多用途用户一网络接口这个特性可以从以下几个要点来理解：①不同业务和不同终端可以经过同一接口接入网内。②在该接口上，所有的信息都以数字复用的形式出现在接口上，即同一接口可以连接多个终端。它们分别在时间分割的信道上独立地传送信息，向用户提供业务。③为了保证ISDN用户一网络接口的通用性，CCITT定义一整套接口的标准(即协议)，使不同业务类型、不同厂家生产的设备都能按照这些标准连接，简化了网络的管理。ISDN给用户带来的好处实现了高速数据通信PSTN 2.4kb/s~9.6kb/s14.4kb/sISDN 64kb/s 128kb/s实现了高可靠性的数据通信抗干扰能力强、易于检错和纠错、误码率低实现了高质量的通信全程数字化、失真小、串音消失使用灵活方便购买方便：统一标准的设备，用户的选择范围宽使用方便：同一接口可接入多种业务设备而只需用一个号码，并可同时享用多种业务费用相对低廉单网内多业务费用小于多网中各个不同单一业务的费用ISDN给运营商带来的好处与不足好处网络资源利用率高：单一网络、提供多种业务维护方便：数字化和综合化的单一网络，网管和维护更方便便于新业务的接入：不必增加新的网络利于网络的发展：接口标准化，使得网络的变更不至影响到用户设备不足初期成本较大可能产生垄断经营ISDN的标准化国际电信联盟电信标准化组织（ITU-T）关于ISDN协议的描述见下表。协议系列协议的用途E这些协议为建议的ISDN电话网络标准。如，E.146协议描述了ISDN的国际地址。I这些协议主要涉及概念、术语和一般的方法。I.100系列包括了ISDN的基本概念和其他I系列建议的结构；I.200系列涉及有关ISDN服务的方面；I.300系列描述了网络结构和运行；I.400系列描述了用户-网络接口特性；I.600系列描述了维护原则以及操作和其他特性。Q这些协议覆盖了有关交换和信令的运行部分。“信令”在这里的意思是指呼叫设置的处理。Q.921描述了ISDND信道上链路访问规程(LAPD)的数据链路进程，类似于OSI模型的第2层功能。Q.931制定了OSI参考模型的第3层功能。ISDN的网络结构（一）ISDN的一般结构如图6-6所示。它由用户网络、局域网络和传输网络三部分组成。图6-6ISDN的一般结构ISDN的网络结构（二）(1)用户网络：用户所在地的设备及接口，如终端设备TE、终端适配器TA、网络终接设备NT等。(2)局域网络：包括一个本地交换机（即用户环路）内放置的一组设备，其中有网络终端NT和线路终端LT的传输系统，远端复用和分接器（集中器）及交换单元。一个ISDN业务局，它由本地交换机和相关的其他设备构成。(3)传输网络：包括各种功能的传输网络，即窄带传输网、宽带传输网、公共信令传输网以及分组交换网等。64kbit/s电路交换连接的是ISDN的基本功能，此外，还有384kbit/s的中速电路交换功能及大于1.5Mbit/s的高速电路交换功能。ISDN的用户－网络接口基本速率入口－BA（BasicAccess）信道结构：（2B＋D）B：64kb/s D：16kb/s净速率：2B＋D＝2×64kb/s＋16kb/s=144kb/s实际速率＝净速率＋控制信息

U接口＝160kb/s S/T接口＝192kb/s基群速率入口－PRA（PrimaryRateAccess）信道结构：（30B＋D）或（23B＋D）B：64kb/s D：64kb/s净速率：30B＋D＝1984kb/s 23B＋D＝1536kb/sT/U接口实际速率＝净速率＋控制信息

30B＋D＝2048kb/s 23B＋D＝1544kb/sISDN的网络功能低层功能电路交换功能64kb/s的电路交换连接功能64kb/s~2Mb/s的电路交换连接功能分组交换功能分组处理功能群（PH）网间互通功能群（PHI）公共信道信令功能交换机之间的No.7信令处理能力无交换连接能力64kb/s和64kb/s~2Mb/s的永久或半永久电路连接(租用线)高层功能消息处理系统或某些服务中心ISDN用户网络接口参考配置图6-5给出ISDN用户/网络接口的参考配置。参考配置是指用参考点和功能群的概念规定了ISDN用户系统的标准结构，是制定ISDN用户出入口的根据。图6-5ISDN用户网络接口的参考配置ISDN的两个重要术语功能群---用户接入ISDN所需的一组功能，这些功能可以由一个或多个物理设备来完成。它是一个抽象的概念，不一定与实际的装置一致。参考点---不同功能群的分界点，在不同的实现方案中一个参考点可以对应也可以不对应于一个物理接口。功能群（一）1类终端设备（TE1）ISDN标准终端设备，符合ISDN用户－网络接口标准用户侧1~7层协议处理功能维护功能接口功能4类传真、ISDN多功能终端2类终端设备（TE2）

非ISDN标准终端设备，不遵循ISDN用户－网络接口标准

1~7层协议处理功能维护功能接口功能 模拟电话、X.25终端功能群（二）网络终端1（NT1）ISDN网络在用户处的物理和电气终端装置，包含OSI1层的功能线路维护（环路测试和性能监测）2/4线变换第1层上的多路复用（同步时分）受电和供电、同步解决D信道接入竞争网络终端2（NT2）智能网络终端，包含OSI1~3层的功能(ISPBX、集中器、局域网)ISDN第2、3层的协议处理和多路复用交换、集线控制解决D信道接入竞争维护功能、供电、同步等ISDN附加业务的处理功能功能群（三）线路终端

LT网络侧线路终端第1层的维护和性能监测定时、时钟同步2/4线变换多路复用向用户终端的应急供电交换终端ET第2、3层协议处理功能第2、3层上的多路复用交换、集线控制维护功能ISDN补充业务的处理功能终端适配器TA具有OSI1~7层的功能接口特性变换速率适配协议转换必要时的A/D变换5个参考点RTE2与TA之间的分界点无统一标准STE1/TA与NT2/NT1之间的分界点与TE1或TA一一对应TNT1与NT2之间的分界点NT2不存在时T与S相重合，称S/T参考点S/T参考点是ISDN标准的对象UNT1与交换机之间的分界点，描述用户线上的双向信号传送V交换机内部接口（LT与ET间）ISDN业务的分类承载业务（BearService）单纯的信息传送业务由网络提供任务是将信息由一个地方搬运到另一个地方而不作任何处理包含OSI模型1~3层的功能用户终端业务（TeleService）面向用户的通信或信息处理业务由网络和终端设备共同提供包含OSI模型1~7层全部功能补充/附加业务（SupplementaryService）在承载业务或用户终端业务基础上附加的业务性能给用户提供更多 更方便的服务不能单独存在ISDN业务的功能范围

ISDN终端承载业务（电路、分组）用户终端业务（电报、传真、可视图文）终端（1～3层），在用户－网络接口处提供，网络用电路交换方式或分组交换方式将信息从一个用户－网络接口透明地传送到另一个用户－网络接口（1～7层），在终端设备的人机接口处提供，是面向用户的业务用户网络接口用户网络接口ISDN应用举例（一）广域网ISDN交换机ISDN终端ISDN数字电话本地回路电信公司的设备NT1用户的设备用户家庭电信公司家庭用的ISDNTE1TE1TE1TUISDN应用举例（二）广域网ISDN交换机TE1本地回路电信公司的设备NT1用户的设备用户办公室电信公司大型商用的ISDNTE1TE1TE2TANT2UTSSSRPBX窄带ISDN展望（一）窄带ISDN（N-ISDN）是一种试图以数字系统代替模拟电话系统的巨大尝试，这种数字系统既要能适应于话音通信，又要能适应于非话音通信。由于基本速率的接口标准已在世界范围内达成了一致，所以人们以为这将导致对ISDN设备的大量需求，因此会出现大规模生产、规模经济以及廉价的VLSIISDN芯片。不幸的是，这一标准化过程花了许多时间，而这一领域内的技术发展非常迅速，因此当标准最终制定出来时，它已经过时了。窄带ISDN展望（二）对家庭应用，需求量最大的新服务无疑是视频点播(VOD)。但是，ISDN基本速率比需要的带宽小两个数量级；现在LAN能提供10Mkbps的速率，且正在被100Mkbps的LAN取代。商用ISDN的前景更加暗淡，但却是用在完全没有料到的领域——因特网访问。现在很多公司正在销售把2B+D信道合为一个144kbps数字信道的适配器。这样用户可以通过144kbps数字信道来访问因特网，而不是28.8kbps的模拟调制解调器线路。对于许多因特网用户，能以5倍的速度下载图像是值得的。虽然B-ISDN的155Mbps更好，但N-ISDN的144kbps却是可以支付得起的，这将是它在以后数年中存在的根本支柱。从N-ISDN到B-ISDN（一）

前述N-ISDN能够提供2Mbit/s以下数字综合业务，具有较好的经济和实用价值。但在当时（即20世纪80年代），鉴于技术能力与业务需求的限制，N-ISDN存在以下局限性：(1)信息传送速率有限，用户－网络接口速率局限于2048kbit/s或1544kbit/s以内，无法实现电视业务和高速数据业务，难以提供更新的业务。(2)其基础是IDN，所支持的业务主要是64kbit/s的电路交换业务，对技术发展的适应性很差。例如，如果信源编码使得话音传输速率低于64kbit/s，由于网络本身传输和交换的基本单位是64kbit/s，故网络分配的资源仍为64kbit/s，使用先进的信源编码技术也无法提高网络资源的利用率。从N-ISDN到B-ISDN（二）(3)N-ISDN的综合是不完全的。虽然它综合了分组交换业务，但这种综合只是在用户入网接口上实现，在网络内部仍由分开的电路交换和分组交换实体来提供不同的业务。即在交换和传输层次，并没有很好地利用分组业务对于不同速率、变比特率业务灵活支持的特性。(4)N-ISDN只能支持话音及低速的非话音业务，不能支持不同传输要求的多媒体业务，同时整个网络的管理和控制是基于电路交换的，使得其功能简单，无法适应宽带业务的要求。从N-ISDN到B-ISDN（三）所以需要一种以高效、高质量支持各种业务的，不由现有网络演变而成，采用崭新的传输方式、交换方式、用户接入方式以及网络协议的宽带通信网，以提供高于PCM一次群速率的传输信道，能够适应从速率最低的遥测遥控(十几bit/s到几十bit/s)，到高清晰度电视HDTV(100Mbit/s～150Mbit/s)或近Gbit/s的宽带信息检索业务，都以同样的方式在网络中传送和交换，共享网络资源。同时与提供同样业务的其他网络相比，它的生产、运行和维护费用都比较低廉，当时CCITT将这种网络定名为宽带ISDN或称B-ISDN。从N-ISDN到B-ISDN（四）要形成B-ISDN，其技术的核心是高效的传输、交换和复用技术。人们在研究分析了各种电路交换和分组交换技术之后，认为快速分组交换是唯一可行的技术。国际电联(ITU-T)于1988年把它正式命名为ATM(AsynchronousTransferMode)，并推荐为B-ISDN的信息传递模式，称为“异步传递方式”。ITU-T在I.113建议中定义：ATM是一种传递模式，在这一模式中，信息被组成信元(Cell)；“异步”是指发时钟和收时钟之间容许“异步运行”，其差别用插入/取消信元的方式去调整；“传递模式”是指信息在网络中包括了传输和交换两种方式。基于ATM的B-ISDN的特性（一）

(1)可以实现网络业务的完全综合化在采用ATM技术的B-ISDN中，不仅可以在用户－网络接口上实现物理线路的综合化，而且在网络内部采用同一交换方式实现不同类型、不同速率的信息交换，通过有效地均衡各种业务所需要的通信带宽，达到支持多媒体通信所需要的多种多样的通信速率。(2)支持高速率的用户信息传输B-ISDN用户－网络接口上用户的最高通信速率可以达到155Mbit/s或622Mbit/s，是N-ISDN的100倍以上，可以提供如HDTV的高速图像业务。基于ATM的B-ISDN的特性（二）(3)能提供丰富多彩的通信业务 N-ISDN主要提供点对点的双向通信（交互通信）业务，B-ISDN除提供交互通信业务外，还提供分配型业务，如电视广播、视频点播(VOD)等。(4)传输及处理的成本低 ATM网络得到高速大容量的同步光纤网(SONET)或同步数字系列(SDH)的支持。采用光传输方式，不仅可提供巨大的传输容量，而且可利用波分复用(WDM)技术，使同一根光纤上传输的容量成倍增加，使得相同容量的光纤传输系统比铜线传输系统成本低得多。另外，ATM网络简化了分组通信方式的协议，网络节点不进行流量控制和差错控制处理，大大节省了网络传输处理的成本。ATM的基本概念人们习惯上把电信网分为传输、复用、交换、终端等几个部分，其中除终端以外的传输、复用和交换三个部分合起来统称为传递方式(也叫转移模式)。目前应用的传递方式可分为两种：

同步传递方式(STM)：主要特征是采用时分复用，各路信号都是按一定时间间隔周期性出现，接收端可根据时间（或者说靠位置）识别每路信号。

异步传递方式(ATM)：采用统计时分复用，各路信号不是按照一定时间间隔周期性地出现，接收端要根据标志识别每路信号。ATM的定义（一）ATM是一种传递模式，在这种模式中，信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期性地出现。因此这种传递模式是异步的。从这个意义上来看，ATM是采用统计时分复用，各路信号不是按照一定时间间隔周期性地出现，要根据标志识别每路信号。这种转移模式是异步的（统计时分复用也叫异步时分复用）。ATM的定义（二）图6-8STM和ATM的时分方式的区别ATM则是用单元字头内的标记符识别信道(标记多路复用)。STM要求有固定的帧周期，用电路交换复用技术，靠帧内时隙的相对位置识别信道ATM技术的特点(1)ATM按信元进行统计复用。统计复用是按需分配带宽的，可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要。(2)采用固定长度的短分组。定长比可变长信元的控制与交换更容易用硬件实现，利于向高速化方向发展。(3)采用面向连接并预约传输资源的工作方式。确保网络上的信息可在一定允许的差错率下传输，既兼顾了网络运营效率，又能满足接入网络的连接进行快速数据传输。(4)ATM信元头部功能降低。由于ATM网络中链路的功能变得非常有限，故信元头部变得异常简单，依靠信元头部的虚电路标志可以很容易地将不同的虚电路信息复用到一条物理通道上。(5)取消逐段链路的差错控制和流量控制。ATM协议运行在误码率很低的光纤传输网上，同时预约资源机制保证网络中传输的负载小于子网络的传输能力，所以ATM取消了网络内部节点之间链路上的差错控制和流量控制。ATM协议体系结构分为三层，对应于OSI的物理层和数据链路层ATM物理层：在物理介质上以位为单位传输信元，包括用于ATM的电气接口和物理接口。ATM层：构造信元，错误控制，建立/撤销虚电路。ATM适配层：对数据进行分割和重组，对不同的数据传输类型赋予正确的QoS标准。物理层数据链路层ATM层ATM层汇聚子层CS分段和重组子层SARATM适配层(AAL)传输汇聚子层TC物理介质相关子层PMDATM物理层OSIATMATM网络的构成最简单的ATM网络规模大一些的ATM网络ATM交换机ATM交换机插有ATM网卡的计算机插有ATM网卡的计算机LANATMRouterLANATMRouterATM交换机ATM交换机插有ATM网卡的服务器WANATM信元结构（一）ATM信元实际上就是分组，只是为了区别于X.25的分组，才将ATM的信息单元叫做信元。ATM的信元具有固定的长度，从传输效率、时延及系统实现的复杂性考虑，CCITT规定ATM信元长度为53字节。信元的结构如图6.7所示。ATM信元结构（二）每个信元长度为53个字节。前5个字节为信头（header）；包含有各种控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，还有一些维护信息、优先级以及信头的纠错码。后面48字节是信息段，也叫信息净负荷，它载荷来自各种不同业务的用户信息。信元的格式与业务类型无关，任何业务信息都经过切割封装成相同长度统一格式的信元分组，在每个分组中加上头标，以到达目的地。信元通过一条虚信道进行传输，路由的选择由信头中的标号决定。ATM信头结构ATM信头结构有两种类型，如图6.8所示。用于用户---网络接口的信头(UNI信头)用于网络节点接口的信头(NNI信头)ATM信头各部分功能GFC：一般流量控制，4bit。在B-ISDN中，为了控制共享传输媒体的多个终端接入而定义了GFC，由GFC控制产生于用户终端方向的信息流量，减小用户侧出现的短期过载。VPI：虚路径标识码。UNI和NNI中的VPI字段分别含有8bit和12bit，可分别标识28条和212条虚路径。VCI：虚信道标识码，16bit。用于虚信道路由选择，它既适用于用户－网络接口，也适用于网络节点接口。故对每个VP定义了216条虚信道。PT：净荷类型指示段，3bit，标识信息字段中的内容是用户信息还是控制信息。CLP：信元丢失优先级，1bit，表示信元的相对优先等级。HEC：信头差错控制码，8bit，用于信头差错的检测、纠正以及信元定界。ATM基本工作原理（一）1.异步时分复用ATM技术是采用异步时分复用方式的。异步时分复用的概念是：来自不同信源的信息信元用异步时分复用的方式复用，具有同样标志的信元在传输线上并不对应着某个固定的时隙，也不是按周期出现的。也就是说信息和它在时域中的位置没有固定的关系，信息只是按信头中的标志来区分的，这种复用方式称为异步时分复用。ATM的复用方式不是固定时隙分配，而是非周期的信元复用，所以ATM具有动态分配带宽的特点。它适合于传输突发性数据，也就是，如果某一信源的信息量大时，就分配给它较多信元；反之，信息量较小时，就分配给它较少信元；如果没有信息时，就不分配给它信元。所以，异步时分复用又称为统计时分复用。ATM基本工作原理（二）2.ATM虚连接ATM是采用面向连接的技术。面向连接的特点是通信过程的实现要有三个阶段，即建立电路连接、数据传输、电路连接的拆除。ATM的电路连接不是固定物理电路的连接，而是采用虚电路连接，称为虚连接。虚连接也称为逻辑信道。ATM的虚连接是由虚信道VC和虚通道VP来实现的。(1)虚信道VC和虚通道VPVC：描述ATM信元单向传送能力，是传送ATM信元的逻辑信道，即子信道。VCI：虚通路标志符。具有相同的VCI的信元是在同一个逻辑信道（即虚通路）上传送的。VP：传送ATM信元的一种逻辑信道。一个VP中包含一组VC。VPI：虚通道标志符。它标识了具有相同VPI的一束VC。ATM基本工作原理（三）VC、VP与物理媒介之间的关系如图6.9(a)所示，图6.9(b)所示是VP与VC的时分复用关系。(b)图6.9VC、VP与物理媒体的关系示意图ATM基本工作原理（四）(2)虚信道连接VCC和虚通道连接VPCVCC是由多段VC链路链接而成，VPC是由多段VP链路链接而成，如图6.10所示。由图6.10可知，虚连接是由虚通道标识符VPI和虚信道标识符VCI表示的。虚连接建立后，需要传送的信息即被分割成字节信元，经网络传送到对方。若发送端有多个信源信息同时传送，则应根据相同程序建立到达各自接收端的不同虚连接，信息便可交替地送出。图6-10虚通道连接与虚信道连接ATM交换技术ATM交换的定义从一条逻辑ATM信道到一条或多条逻辑ATM信道的信息交换；而在该交换过程中，选择可以在许多逻辑ATM信道中进行。逻辑ATM信道以物理端口以及该物理端口上的逻辑信道来表征：逻辑ATM信道=物理端口+物理端口上的逻辑信道物理端口号：表征了物理入线或出线物理端口上的逻辑信道：由虚通路/虚信道标识(VPI/VCI)表征ATM交换功能的组成时分