第5章 计算机网络实用技术
5.1 综合业务数字网(ISDN)及异步传输模式(ATM)
产生于80年代的综合业务数字网(ISDN),是基于单一通信网络的能提供包括语音、文字、数据、图像等综合业务的数学网.在此之前,各类不同的公众网同时并存,分别提供不同的业务,造成相对独立的割裂状态.例如,电话网提供语音业务、用户电报网提供文字通信业务、电路交换和分组交换网提供数据传输业务等.ISDN的目的就是应用单一网络向公众提供不同的业务.
5.1.1 ISDN的定义及特性
1.ISDN的定义
ISDN从字面上解释是Integrated Services Digital Network的缩写,译作综合业务数字网.现代社会需要一种社会的、经济的、快速存取信息的手段,ISDN正是在这种需求的背景下,以及计算机技术、通信技术、VLSI技术飞速发展的前提下产生的。ISDN的目标是提供经济有效的端的数字连接标准,就可在很大的区域范围,甚至全球范围内存取网络的信息。目前,窄带ISDN(N-ISDN)技术在很多发达国家已进入实用阶段.我国也自1995年起,开始在一些主要城市实现了N-ISDN的商业应用。
2.ISDN的特性
从上述ISDN的定义中,可以看其所具有的三个基本特性:端到的数字连接综合的业务和标准的入网接口。
(1)端到端的数字连接。ISDN是一个数字网，网上所有的信息均以数字形成进行传输和交换，无论是语音、文字、数据还是图像，事先都是终端设备中被换成数字信号，经和交换。无论是语音、文字,数据,还是图像,事先都在终端设备中被转换成数字信号,经ISDN网的数字信息传输到接收方的终端设备后,再还原成原来的语言,文字,数据或图像.
(2)综合的业务.从理论上说,任何形式的原始数据,只要能转换成数字信号,都可以通过ISDN进行传输和交换.其典型业务有语音电话,电路交换数据\分组交换数据\信息检索\电子信箱\电子邮箱\智能电报,可视电话,电视会议\传真\监视等.数据传输速率不超过N*64Kbps(N为1-30)的业务,可以采用窄带ISDN(N-ISDN);对于需要更高数据传输速率的业务,则应采用宽带ISDN(B-ISDN).
(3)标准的入网接口.ISDN向用户提供一组标准的多用途网络接口,所谓"多用途",是指入网接口对各类业务都是通用的,也即不同的终端可以经过同一个接口接入网络.
3.ISDN的技术基础
ISDN是在数据网技术的基础上发展起来的,数字网的基本上发展起来的,数字网的基本技术包括数字传输,数字交换\网同步和公共信令.
(1)数字传输.数字传输技术可以采用脉码调制(PCM),差分脉码调制(DPCM),自适应差分脉调制(ADPCM),增量调制(M)等多种方式.其中最常用的是8比特的PCM技术.PCM是时分多路通信中的主要技术,它的操作包括采样,量化,编码三个过程.数字传输系统可以采用大规模集成电路实现,使设备小型化,而且经济可靠.长距离传输时,可以使用中继消除噪声的积累作用.
(2)数字交换.数字交换系统由硬件共同组成.硬件包括控制系统,话路系统,输入/输出系统等处理机系统;软件包括操作系统;软件包括操作系统,应用程序,用户数据及控制数据.交换网主要由时分交换和空分交换构成.
(3)公共信令.公共信令利用一个公共信道传输多个其它信息的信令.公共信道信令系统除了具有呼叫监视,选择和动行功能外,还具有在交换局之间及交换与各类服务中心之间控制各种信息交换的功能.
(4)同步网技术.同步网向网内所有数字交换设备提供时钟同步控制信号,使它们的时钟频率保持相同的速度.
5.1.2 ISDN的接口及配置
1.ISDN的用户－网络接口
ISDN系统结构主要讨论用户和网络之间的接口，该接口也称为数字位管道。用户－网络接口是用户和ISDN交换系统之间通过比特流的“管道”，无论数字位来自数字电话、数字终端、数字传真还是任何其设备 ，它们都能通过接口双向传输。
用户网络接口用比特流的时分和复用技术多个独立的通道。在接口规范中定义了比特流的确切格式及比特流的复用。CCITT定义了两种用户－网络接口的标准，它们是基本速率接口BRI(Basic
Rate ISDN)和一次群(基群)束率接口PRI(Primary Rate ISDN)。
基本速率接口BRI是将现有电话网的普通用户线作为ISDN用户线而规定的接口，是最常用的ISDN用户—网络口。BRI接口提供了两路64kbps的B(载荷)和一路16kbps的D(信令)通道，即2B+D，用户能利用的最高传输速率为64×2+6=144kpbs.B信道用于传输语音和数据，可以与任何电话线一样连接。D信道用于发送B信道使用的窑信号(即信令)或用于低速的分组数据传输。BRI一般用于较低速率的系统中。
一次群速率接口PRI有两种：一种PRI接口提供30路64kbps的B信道和一路64kbps的D信道，即30B+D，其传输速率与2.048Mbps的脉码调制(PCM)的基群相对应；另一种PRI接口提供23路64kbps的B信道和一路64kbps的D信道，即23B+D，其传输速率与1。544Mbps的PCM基群相对应。同样，B信道用于传输语音和数据。D信道用于发送B信道使用的控制信号或用于用户分组数据传输。PRI一般用于需要更高速率的系统中。
图5.1(a)是用于家庭或小型企事业单位的配置，在用户设备和ISDN交换系统之间设置一个网络终端设备NT1。NT1设置在靠近用户设备一边，利用电话线与数公里外的ISDN交换系统相连。NT1装有一个边接器，无源总线电缆可插入连接器，最多可接8个ISDN电话、终端或其它设备，连接方法与接入总线局域网的方法相同。NT1上的连接器是用户和网络的界面。NT1不仅起连接器的作用，它还包括网络管理、测试、维护和性能监视等功能。在无源总线上的每个设备有一个唯一的地址，NT1还要解决争用问题，即儿个设备同时访问总线时，NT1来决定哪个设备获得总线访问权。从OSI参考模型来看，NT1是一个物理设备。
对于大的企事业单位，因为要同时进行很多电话对话，总线无法及时处理，所以需要用如图5.1(b)的配置。在这种配置中有一个网络终端设备NT2（实际上NT2和NT1就是前面介绍过的CBX），NT2与NT1连接，并对各种电话、终端以及其它设备提供真正的接口。NT2与ISDN交换系统没有本质上的差别，只是规模比较小。在单位内部通电话或数字通信只需拨4位数字的分机号码，与ISDN交换系统无关。CBX专门分配一个通道与数字位管道连接，拨一个“9”，就能和外线相连。
CCITT定义了R、S、T和U四个参考点（见图5.1）。U参考点连接ISDN交换系统和NT1，可采用双绞线或光纤；T参考点是NT1上提供给用户扫连接器；S参考点是ISDN的CBX与ISDN终端的接口；R参考点利用多个不同的接口连接终端适配器和非ISDN终端。
５.1.3 宽带ISDN(B-ISDN)及其信息传送方式
当今人们对通信的要求越来越高，除原有的语音、数据、传真业务外，不要求综合传输高清晰度电视、广播电视、高速数据传真等宽带业务。计算机技术、微电子技术、宽带通信技术和光纤传输的发展，为满足这些迅猛增长的通信需求提供了基础。
早在1985年1月，CCITT第18研究组就成立了专门小组着手研究宽带ISDN，并提出了关于B-ISDN的建设性框架。此后，就采用同步时分方式STM（Synchromous
Transfer Mode）还是异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）进行了多年讨论，到1989年，由于解决了ATM存在的许多问题，才一致同意采用ATM方式，并要求CCITT加速制定ATM标准，以促进B-ISDN的发展。由此在1990年11月召开的第18研究组全体会议上通过了关于B-ISDN的I-系列建议草案。
由窄带ISDN向宽带ISDN的发展，可分为三个阶段。
第一阶段是进一步实现话音、数据和图象等业务的综合。它由如图5.2(a)所示的三个独立的网构成初步综合的B-ISDN。由ATM构成的宽带交换网实现话音、高速数据和活动图象的综合传输。
第二阶段的主要特征是B-ISDN和用户--网络接口已经标准化，光纤已进入家庭，光交换技术已广泛应用，因此它能提供包括具有多频道的高清晰度电视HDTV（High
Definition Televition）在内的宽带业务，其结构如图5.2(b)。
第三阶段的主要特征是在宽带ISDN中引入了智能管理网，其结构如图5.2(c)所示,由智能网控制中心来管理三个基本网。智能网也可称做智能宽带ISDN，其中可能引入智能电话、智能交换机及用于工程设计或故障检测与诊断的各种智能专家系统。
目前B-ISDN采用的传输模式主要有高速分组交换、高速电路交换、异步传输模式ATM和光交换方式四种。
高速分组交换是利用分组交换的基本技术，简化了X.25协议，采用面向连接的服务，在链路上无流量控制、无差错控制，集中了分组交换和同步时分交换的优点，已有多个试验网已投入运行。
高速电路交换主要采用多速时分交换方式（TDSM），这种方式允许信道按时间分配，其带宽可为基本速率的整数倍。由于这是快速电路交换，其信道的管理和控制十分复杂，尚有许多问题需要继续研究。
光交换技术的主要设备是光交换机，它将光技术引入传输回路，实现数字信号的高速传输和交换。
关于异步传输模式ATM，将在下一小节做较详细介绍。
5.1.4 ATM原理
1.ATM的定义与功能
CCITT在I系列建议中给ATM下了这样的定义：ATM是一种转换模式（即前面所说的传输方式），在这一模式中信息被组织成信元（Cell），包含一段信息的信元并不需要周期性地出现在信道上，从这个意义上说，这种传输是异步的。
ATM的特点是进一步简化了网络功能。ATM网络不参与任何数据链路层功能，将差错控制与流量控制工作都交给终端去做。
图5.3是分组交换、帧中计和ATM交换三种方式的功能比较。可以看出，分组交换网的交换折点参与了OSI第1层到第3层的全部功能；帧中继节点只参与第2层功能的核心部分(2a)，也即数据链路层中的帧定界、0比特插入和CRC检验功能，第2层的其它功能，即差错控制和流量控制，以及第3层功能则由终端处理；ATM网络则更简单，除了第1层的功能之外，交换节点不参与任何工作。从功能分布的情况来看，ATM网和电路交换网有点相似，可以说ATM网是综合了分组交换和电路交换的优点而形成的一种网络。
TAM克服了其它传送方式的缺点，能够适应任何类型的业务，不论其速度高低、突发性大小、实时性要求和质量要求如何，都能提供满意的服务。
2.ATM的信元
新元实际上就是分组，只是为了区别于X.25的分组，才将ATM的信息单元叫作单元。ATM的信元具有固定的长度，即总是53个字节。其中5个字节是信头(Header),48个字节是信息段。信头包含各种控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，另外还有一些维护信息、优先级及信头的纠错码。信息段中包含来自各种不同业务的用户数据，这些数据透明地穿越网络。新元的格式与业务类型无关，任何业务的信息都同样被切割封装成统一格式的单元。
ATM的信头有两种格式，分别对应用户－网络接口UNI和网络节点接口NNI。UNI信头的格式如图5.4所示，其中个字段的含义及功能如下：
(1)一般流量控制字段GPC(Generic Flow Control),又称接入控制字段。当多个信元等待传输时，用以确定发送顺序的优先级。
(2)虚通道标识字段VPI(Virtual Path Identifier)和虚通路标识字段VCI(Virtual Channel Identifier)用做路由选择。
(3)负荷类型字段PT(Payload Type)用以标识信元数据字段所携带的数据的类型。
(4)信元丢失优先级字段CLP(Cell Loss Priority)用于阻塞控制，若网络出现阻塞时，首先丢弃CLP置位的信元。
(5)信头差错控制字段HEC(Head Error Control)用以检测信头中的差错，并可纠其中的1比特错。HEC的功能在物理层实现。
3、ATM的工作方式
ATM采用如图5。5所示的异步时分复用方式工作，来自不同信息源的信元汇集到一起，在一个缓冲器内排队，队列中的信元著个输出到传输线路，在传输线路上形成首尾相接的信元流。信元的信头中写有信息的标志(如A和B)，说明该信元去往的地址，网络根据信头中的标志来转移信元。
信息源随机地产生信息，因为信元到达队列也是随机的。高速的业务信元来得十分频繁、集中，低速的业务信元来得很稀疏。这些信元都按先来后到在队列中排队，然后按输出次序复用到传输线上。具有同样标志的信元在传输线上并不对应某个固定的时间间隙，也不是按周期出现的，也即信息和它在时域的位置之间没有关系，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(Asynchronous Time Division Multiolex)，又称统计复用(Statistic Multiptx)。而在同步时分复用方式(如PCM复用方式)中，信息以它在一幀中的时间位置(时隙)来区分，一个时隙对应着一条信道，不需要另外的信息头来标识信息的身份。
异步时分复用方式使ATM具有很大的灵活性，任何业务也都可按实际需要来占用资源。对于特定的业务，传送速率可随信息到达的速率而变化，因此网络资源得到了最大限度的利用。ATM网络可以适用于任何业务，不论其特性如何(速率高低、突发性大小、质量和实时性要求等)，网络都按同时的模式来处理，真正做到了完全的业务综合。
若某个时刻队列中没有等待发送的信元，此时线路上就出现未分配信元(信头中含有标志φ)；反之，若某个时刻传输线路上找不到可以传送新元的机会(信云啊都已排满)，而队列已经充满缓冲区，此时为了尽量减少对业务质量的影响，将优先级别低的信元丢弃。缓冲区的容量必须根据信息流量来计算，以使信元丢弃率在10-9以下。
为了提高处理速度和降低延迟，ATM以面向连接器的方式工作。网络的处理工作十分简单：通信开始时建立虚电路，以后用户将虚电路标志写入信头(即地址信息)，网络根据虚电路标志将信元送往目的地。
经过ATM网络中的节点提供信元的交换。其实，ATM网络的节点完成的只是虚电路的交换，因为同一虚电路上的所有信元都选择同样的路由，经过同样的通路到达目的地。在接收段，这些信元到达的次序总是和发送次序相同。
ATM交换节点的工作比X.25分组交换网中的节点要简单得多。ATM节点只做信头的CRC检验，对于信息的传输差错根本不过问。ATM节点不做差错控制(信头中根本你没有信元的编号)，也不参与流量控制，这些工作都留给终端去做。ATM节点的主要工作就是读信头，并根据信头的内容快速的将信元送往要去的地方，这件工作在很大的程度上依靠硬件来完成，所以ATM交换的速度非常快，可以和光纤的传输速度相匹配。