复习通信网基础.ppt

在市场需求的推动下，介于永久性连接和交换式连接之间的半永久性连接方式的数字数据网(DDN：Digital Data Network)作为一种数据通信应用技术的分支逐渐发展起来。DDN技术把数据通信技术、数字通信技术、计算机技术、光纤通信技术、数字交叉连接技术等有机地结合在一起，形成了一个新的技术整体，应用范围从最初的单纯提供数据通信服务，逐渐拓宽到支持多种业务网和增值网。 DDN是利用数字信道来传输数据信号的数据传输网，因此，DDN的实现前提是通信网的数字化，其数字传输技术的范围不仅在局间中继或长途干线上，而且还包括数据终端与数据终端之间。,DDN具有以下特点： (1) DDN是同步数据传输网，传输质量高。 (2) 传输速率高，网络时延小。由于DDN采用了同步传送模式的数字时分复用技术，用户数据信息根据事先约定的协议，在固定的时隙以预先设定的通道带宽和速率顺序地传输。这样只需按时隙识别通道就可以准确地将数据信息送到目的终端。由于信息是顺序到达目的终端的，因而免去了目的终端对信息的重组，减少了时延。 (3) DDN为全透明网。DDN是任何规程都可以支持、不受约束的全透明传输网，可支持数据、图像、话音等多种业务。,(4) 网络运行管理简便。DDN将检错、纠错等功能放到智能化程度较高的终端来完成，因而简化了网络运行管理和监控的内容，这样也为用户参与网络管理创造了条件。 (5) DDN对数据终端设备的数据传输速率没有特殊的要求，而且可以根据用户的需要对数据速率和信道带宽进行灵活设置。,9.1.1 DDN网络组成结构,图9.1 DDN网络组成结构示意图,1) 本地接入系统 本地接入系统由用户设备、用户线和用户接入单元UAU组成，其中把用户线和用户接入单元称为用户环路。 (1) 用户设备：用户设备发出的信号是用户的原始信号，可以是脉冲形式的数据信号、音频形式的话音和传真信号、数字形式的数据信号等。它们共同特点是适合于在用户设备中处理，而不适合在用户线上传输。常用的用户设备有数据终端设备(DTE：Data Terminal Equipment)、个人计算机、工作站、窄带话音和数据多路复用器、可视电话机等。,(2) 用户线：一般的市话用户使用的电缆或光缆。 (3) 用户接入单元：用于把用户端送入的原始信号转换成适合在用户线上传输的信号形式(如频带信号或基带信号等)，并在可能的情况下，将几个用户设备的信号放在一对用户线上传输，以实现多路复用。然后由局端的相应设备或接口电路把它们还原成几个用户设备的信号或系统所要求的信号方式，再输入到节点进行下一步传输。网络接入单元可以是数据服务单元、信道服务单元和数据电路终端设备(DCE：Data circuit Equipment，如频带或基带调制解调器)。,2) 局间传输系统 局间传输是指节点间的数字信道以及由各节点通过与数字信道的各种连接方式组成的网络拓扑。局间传输的数字信道通常是指数字传输系统中的基群(2.048 Mb/s)信道。网络拓扑结构是根据网络中各节点的信息流量流向，并考虑了网络的安全而组建的。网络安全是指对网络中的任意节点来说，一旦与它相邻的节点相连接的一条数字信道发生故障或该相邻节点发生故障时，该节点会自动启用与另一节点相连的数字信道并进行迂回，以保证原通信的正常进行。,3) 网同步系统 网同步系统的任务是提供全网络设备工作的同步时钟，确保DDN全网设备的同步工作。 网同步分为准同步、主从同步和互同步三种方式。DDN通常采用主从同步方式。,4) 网络管理系统 DDN的网络管理包括用户接入管理、网络资源的调度、路由选择、网络状态的监控、网络故障的诊断、告警与处理、网络运行数据的收集与统计，以及计费信息的收集与报告等。 当网络规模很大时，如建立全国范围的公用DDN，网络管理都采用分级管理方式，在主干网上设立集中的网管控制中心(NMC：Network Management Center)，负责主干网上的电路组织和调度。主干网上还可设若干网管控制终端(NMT：Network Management Terminal)。NMT能与NMC交换网管控制信息，在授权范围内执行网管控制功能。各省内网可设有各自集中的NMC，负责本省内网上的电路组织和调度，各省内网也可设立若干个NMT，这些NMT也应能与省内NMC交换网管控制信息，在授权范围内执行网管控制功能。,9.1.2 DDN的复用技术 DDN中的复用包括子速率复用和PCM帧复用等，下面分别介绍这两种复用技术。 1子速率复用 在DDN中，速率小于64 kb/s时，称为子速率，如DTE输出的速率为0.6 kb/s、2.4 kb/s、4.8 kb/s、9.6 kb/s等低速率数据信号。将各子速率复用到64 kb/s数字信道上，称为子速率复用，也就是将低速数据流合并成高速数据流，称为DDN的时分复用。时分复用的方法有比特交织和字符交织。,2PCM帧复用 PCM帧复用就是将64 kb/s的零次群复用成一次群2.048 Mb/s。按ITU-T建议，一个E1帧有32个信道，其中第0信道为同步信道，第16信道为信令信道，其余30个信道均可为数字数据信道、数字话音信道及任何比例组合的数字数据和话音信道。,7.1.2 ATM基本概念 ATM是异步传送模式，它采用快速分组交换和统计复用技术。它具有如下基本特点。 1采用短而固定长度的短分组 在ATM中采用短而固定长度的分组，称为信元(Cell)。信元由53个字节组成，其中5个字节是信元头，48个字节是净荷。固定长的短分组决定了ATM系统处理时间短、响应快，特别适合实时业务和高速应用。,7.1.3 ATM协议参考模型 ITU-T I.321建议提出的ATM协议参考模型，继承了N-ISDN协议模型的优点，用分开平面的概念来分离用户、控制和管理功能。因此，ATM协议参考模型包括三个平面：用户平面、控制平面和管理平面，见图7.1。 (1) 用户平面(U平面)：负责提供用户信息传送、端到端流量控制和恢复操作。 (2) 控制平面(C平面)：负责建立网络连接，管理连接以及连接的释放。控制平面主要完成信令功能。,表7.1 ATM各层功能,1物理层 物理层利用通信线路的比特流传送功能实现ATM信元的传送。这种传送功能是不可靠的。通过物理层传送的ATM信元可能丢失，它的信息域部分也可能发生错误。但是，在顺序传送多个ATM信元时，传送过程不会发生顺序的颠倒。 物理层(PHY)包含两个子层：物理媒介子层(PM：Physical Media Dependent Sublayer)和传输会聚子层(TC：Transmission Convergence Sublayer)。PM的功能依赖于传输媒介的外部特性(光纤、微波、双绞线等)，主要功能有比特传递和定时校准、线路编码和电光转换等。TC负责会聚物理层操作，它不依赖于具体媒介。TC子层完成如下主要功能：,(3) 信头产生和处理。在呼叫建立阶段，各节点分配VPI/VCI；在信息传送阶段各节点翻译VPI/VCI，如在目的端点可以把VPI/VCI翻译成服务接入点(SAP)。 (4) 一般流量控制。在用户网络接口(UNI)处，用ATM信头中的一般流量控制域来实现流量控制。 总之，ATM层的主要工作是产生ATM信元的信头并进行处理。ATM层可以为不同的用户指定不同的VPI/VCI。ATM层具有OSI网络层的功能。,3AAL层 AAL层介于ATM层和高层之间，负责将不同类型业务信息适配成ATM信元。适配的原因是由于各种业务(语音、数据和图像等)所要求的业务质量(如时延、差错率等)不同。在把各个业务的原信号处理成信元时，应消除其质量条件的差异。换个角度说，ATM层只统一了信元格式，为各种业务提供了公共的传输能力，而并没有满足大多数应用层(高层)的要求，故需要用AAL层来做ATM层与应用层之间的桥梁。 AAL层具有OSI传输层、会话层和表示层的功能。,7.2.2 ATM的逻辑连接 ATM采用面向连接的工作方式，为了提供端到端的信息传送能力，ATM层在接入点之间建立虚连接，并在整个呼叫期间保持虚连接。根据宽带网络的特点，ATM层的逻辑连接是在两个等级上建立的，即虚信道(Channel)级和虚通路(Path)级。 1虚信道和虚信道连接(Virtual Channel and Virtual Channel Connection) 虚信道VC指的是 ATM信元的单向通信能力。它是一个一般性的概念，与其相关联的两个实在概念是虚信道链路(VC Link)和虚信道连接(VCC：Virtual Channel Connection)。虚信道链路是两个相邻ATM实体间传递ATM信元的单向通信能力，用一个VCI(VC Identifier)来标识。在ATM 复用线上具有相同VCI的信元是在同一个VC上传送的。,级连的VC链路组成VCC。一条VCC在两个VCC端点之间延伸。在点到多点的情况下，一条VCC有两个以上的端点。VCC端点是ATM层和AAL层交换信元净荷的地方。 在虚信道等级上，VCC可以提供用户到用户，用户到网络或网络到网络的信息传送。在同一个VCC上，信元的次序始终保持不变。 VC交换机完成VC路由选择的功能，这个功能包括将输入VC链路的VCI值翻译成输出VC链路的VCI值。,2虚通路和虚通路连接(Virtual Path and Virtual Path Connection) 一个大型的综合通信网要支持多个终端用户的多种通信业务，因此，网中必定会出现大量的速率不等的虚信道，在高速环境下对这些虚信道进行管理，难度很大。为此，引入了分级的方法，即将多个虚信道组成虚通路VP(Virtual Path)。 与VC相似，定义VP链路和虚通路连接(VPC)两个概念。VP链路是一束具有相同端点的 VC链路，端到端的多段VP链路组成VPC，VP链路用VPI来标识。一条VPC在两个VPC端点之间延伸，在点到多点的情况下，一条VPC有两个以上的端点。 VPC端点是VCI产生、变换或终止的地方。,在虚通路等级上，VPC可以提供用户到用户，用户到网络或网络到网络的信息传送。一个VPC中的每一条VC链路都能保证其上面的信元不改变次序。 VP交换机完成VP路由选择的功能，即将输入VP链路的VPI值翻译成输出VP链路的VPI值。,3VCC和VPC之间的关系,图7.6 传输线路，VP和VC之间的关系,在一个给定接口上，两个分别属于不同VP的VC可以有同样的VCI值。因此在一个接口上用VPI和VCI两个值才能完全地标识一个VC。 虚信道连接VCC和虚通路连接VPC的关系如图7.7所示。VCC由多段VC链路组成，每段VC链路有各自的VCI，因此在VCC上任何一个特定的VCI都没有端到端的意义。每条VC链路和其他与其同路的VC链路一起组成了一个VPC。这个VPC可以由多段VP链路连接而成，每当VP被交换时，VPI就要改变，但是整个VPC中的全部VC链路都不改变自己的VCI值。因此我们得出的结论是：VCI值改变时支持它的VPI一定相应地改变，而VPI改变时，其中的VCI不一定改变。换句话说，VP可以单独交换，而VC的交换必然和VP交换一起进行。,7.2.3 VP交换和VC交换 1VC交换 VPI和VCI作为逻辑链路标识，只是局部有效的，也就是说，每个VPI/VCI的作用范围只局限在链路级，即链路及与之相连的收/发器。每个交换节点在读取VPI/VCI值后，根据本地的转发表，查找对应的输出VPI/VCI进行交换并改变VPI/VCI的值。因此，信元流过VPC/VCC时要经过多次中继，见图7.8。,图7.8 VC交换,图中交换机1的3端口和交换机2的2端口之间有一条传输线路，交换机2的4端口连接交换机3的1端口。发端用户使用VPI1/VCI6接入交换机1；交换机1将输入VPI1/VCI6转换为输出VPI2/VCI15，交换机2再将输入VPI2/VCI15转换为输出VPI16/VCI8。这里VPI和VCI组合构成了网络的每段链路。最后，交换机3将 VPI16/VCI8转换成目的地的VPIl/VCI6。目的地的VPI和VCI不必与起点的VPI和VCI相同。 这种交换机根据整个VPI和VCI字段来交换的方式叫VC交换。,2VP交换 在高速的骨干网中，可能同时有几百万个用户通信，其中可能同时有几千个VC在使用同一个VP。如果网中的所有交换机都进行VC交换，就要对几百万个独立的通信选路转发。这会增加骨干节点处理难度，降低转发速率。如果骨干交换机把这些VC做为一个完整单元看待，只根据VPI字段选路转发信息，这种交换方式就叫VP交换。 VP交换意味着只根据VPI字段来进行交换。它是将一条VP上所有的VC链路全部转送到另一条VP上去，而这些VC链路的VCI值都不改变，如图7.9所示。VP交换的实现比较简单，可以看成传输通道中某个等级数字复用线的交叉连接。在骨干网外，交换机仍然进行VC交换。,ATM网络中VP和VC上的通信可以是对称双向、不对称双向或单向的。ITU-T建议为一个通信的两个传输方向分配同一个VCI值，对VPI值也按同样方法分配。这种分配方法容易实现，且有利于辨别同一通信过程涉及的两个传输方向。,7.3 ATM 信 元,1ATM信元的组成 ATM信元由53个字节的固定长度组成，其中前5个字节为信元头，后48个字节为信息域。信元的大小与业务类型无关，任何业务的信息都经过切割封装成相同长度、统一格式的信元。信元结构如图7.10所示。 信元从第1个字节开始顺序向下发送，在同一字节中从第8位开始发送。信元内所有的信息段都以首先发送的比特为最高比特(MSB)。,图7.10 信元组成结构,2ATM信元头 图7.11给出ATM信元的信头格式。ATM信头的结构在UNI和NNI上稍有不同。 ATM信元头各部分功能如下： GFC(Generic Flow Control)：一般流量控制，占4 bit。为了控制共享传输媒体的多个终端的接入而定义了GFC，由GFC控制用户终端方向的信息流量，减小用户侧出现的短期过载。 VPI：虚通路标识码。UNI和 NNI中的VPI字段分别是8 bit和12 bit，可分别标识 28条和212条虚通路。 VCI：虚信道标识码。用于虚信道路由选择，它既适用于UNI，也适用于NNI。该字段有16 bit，故对每个 VP定义了216条虚信道。,图7.11 ATM信元信头格式 (a) UNI格式；(b) NNI格式,7.4 AAL,AAL的作用是将各种高层信息变换成标准信元净荷，或者做相反变换。AAL可进一步分为两个子层：信元拆装子层和会 聚子层。 信元拆装子层(SAR：Segmentation and Reassembly Sublayer)位于ALL层的下面，其作用是将一个虚连接的全部信元净荷组装成数据单元并交给高层或在相反方向上将高层信息拆成一个虚连接上的信元净荷。,表7.2 AAL支持的业务类型,上述业务类型可以分为实时传输业务和数据传输业务。由于实时业务必须采用面向连接的方式，但是有速率是否恒定之分，因此ITU-T制定了AAL1和AAL2两种适配协议，分别针对实时业务的A和B两种类型。数据传输业务、计算机数据或信令信息的速率一般是可变的，区别在于是否采用面向连接方式。ITU-T制定的AAL3/4适配协议支持C和D两类数据业务的传输，ATM论坛提出的AAL5适配协议支持C类数据业务的传输。,(3) 交换同步：在一个由模拟传输和数字交换构成的混合网中，网内不存在交换同步问题。只有在数字传输和数字交换构成的综合数字网内，为了使到达网内各交换节点的全部数字流都能实现有效的交换，必须使到达交换节点的所有数字流的帧定位信号同步，这种数字交换中需要的同步称为交换同步。由于交换同步涉及到网中到达各交换节点的全部数字流，因此又称为网同步。本书重点讨论的就是网同步的基本概念及网同步技术。,8.2 网同步设备和定时分配链路,8.2.1 节点时钟设备 节点时钟设备主要包括独立型定时供给设备和混合型定时供给设备。独立型节点时钟设备是数字同步网的专用设备，主要包括：铯原子钟、铷原子钟、晶体钟、大楼综合定时系统(BITS)以及由全球定位系统(GPS和GLONASS)组成的定时系统。混合型定时供给设备是指通信设备中的时钟单元，它的性能满足同步网设备指标要求，可以承担定时分配任务， 如交换机时钟，数字交叉连接设备(DXC)等。 铯钟的长期稳定性非常好，没有老化现象，可以作为自主运行的基准源。但是铯钟体积大、耗能高、价格贵, 并且铯素管的寿命为58年，维护费用大，一般在网络中只配置l2组铯钟做基准钟。,8.2.2 定时分配 定时分配就是将基准定时信号逐级传递到同步通信网中的各种设备。定时分配包括局内定时分配和局间定时分配。 1局内定时分配 局内定时分配是指在同步网节点上直接将定时信号送给各个通信设备。即在通信楼内直接将同步网设备(BITS)的输出信号连接到通信设备上。此时，BITS跟踪上游时钟信号，并滤除由于传输所带来的各种损伤，能重新产生高质量的定时信号，用此信号同步局内通信设备。 局内定时分配一般采用星型结构，如图8.1所示。从BITS到被同步设备之间的连线采用2 Mb/s或2 MHz的专线。,8.3 网 同 步 技 术,网同步技术可分为两大类：准同步和同步。同步又有主从同步和互同步之分。交换节点中的同步控制信号来自时钟信号和节点本地时钟信号之间的相位差值，或者直接来自控制信号。,8.3.1 准同步 准同步方式中各交换节点的时钟彼此是独立的，但它们的频率精度要求保持在极窄的频率容差之中，网络接近于同步工作状态，通常称为准同步工作方式。 准同步工作方式的优点是网络结构简单，各节点时钟彼此独立工作，节点之间不需要有控制信号来校准时钟的精度。网络的增设和改动都很灵活，因此得到了广泛的应用。它特别适合于国际交换节点之间同步使用。各国军用战术移动通信网，为提高网同步的抗毁能力，也采用准同步方式工作。各国民用数字通信网，为提高网同步的可靠性，通常要求在所选用的网同步技术出现故障时利用准同步工作方式来过渡。,准同步方式有如下缺点： (1) 节点时钟是互相独立的，不管时钟的精度有多高，节点之间的数字链路在节点入口处总是要产生周期性的滑动，这样对通信业务的质量有损伤。 (2) 为了减小对通信业务的损伤，时钟必须有很高的精度, 通常要求采用原子钟，需要较大的投资，可靠性也差。为保证时钟的可靠性，节点时钟通常采用三台原子钟自动切换方式，这样将使时钟的管理维护费用增大。,8.3.2 主从同步 主从同步(Master Slave Synchronized)方式指数字网中所有节点都以一个规定的主节点时钟作为基准，主节点之外的所有节点或者是从直达的数字链路上接收主节点送来的定时基准，或者是从经过中间节点转发后的数字链路上接收主节点送来的定时基准，然后把节点的本地振荡器相位锁定到所接收的定时基准上，使节点时钟从属于主节点时钟，如图 8.4所示是一个由两级星型网组成的树型网。主从同步方式的定时基准由树型结构传输链路的数字信息来传送。,主从同步方式的优点主要有： (1) 避免了准同步网中固有的周期性滑动。 (2) 锁相环的压控振荡器只要求较低的频率精度，较准同步方式，大大降低了费用。 (3) 控制简单，特别适用于星型或树型网。,但主从同步方式也存在一些缺点，主要有如下几点： (1) 系统采用单端控制，任何传输链路中的扰动都将导致定时基准的扰动。这种扰动将沿着传输链路逐段累积，影响网中定时信号的质量。为减小传输链路上日变化引起的定时基准相位扰动，从节点时钟的锁相环应采用带宽极窄的环路来滤除日变化的扰动。,(2) 一旦主节点基准时钟和传输链路发生故障，就会造成从节点定时基准的丢失，导致全系统或局部系统丧失网同步能力。为此，主节点基准时钟须采用多重备份手段以提高可靠性，而定时基准分配链路采用备用路由的时钟或者在从节点设置具有存储功能的松耦合锁相环路来实现同步。 主从同步方式由于优点多，而缺点又均可采取措施加以克服，因此广泛应用于公用电信网中。当数字网为分布式结构时，主从同步方式就不太合适了。,8.3.3 相互同步 相互同步(Mutually Synchronized)技术是指数字网中没有特定的主节点和时钟基准，网中每一个节点的本地时钟通过锁相环路受所有接收到的外来数字链路定时信号的共同加权控制。在相互同步网中各节点时钟的相互作用下，如果网络参数选择得合适，网中所有节点时钟最后将达到一个稳定的系统频率，从而实现了全网的同步工作。,相互同步方式必然是一个双向控制系统。 互同步系统主要有如下优点： (1) 当某些传输链路或节点时钟发生故障时，网络仍然处于同步工作状态, 不需要重组网络，简化了管理工作。 (2) 可以降低节点时钟频率稳定度的要求，设备较便宜。 (3) 较好地适用于分布式网路。,互同步系统有如下缺点： (1) 稳态频率取决于起始条件、时延、增益和加权系数等，因此容易受到扰动。 (2) 由于系统稳态频率的不确定性，因此很难与其他同步系统兼容。 (3) 由于整个同步网构成一个闭路反馈系统，系统参数的变化容易引起系统性能变坏，甚至引起系统不稳定。,8.3.6 数字同步网结构 利用上述基本网络同步技术，可采用下列结构组建同步网。 1全同步网 在全同步方式下，同步网接受一个或几个基准时钟控制。 当同步网内只有一个基准时钟时，同步网内的其他时钟就都同步到该基准时钟上，如图8.7所示。,2全准同步网 在全准同步方式下，网内的所有时钟都独立运行，不接受其他时钟的控制。网络采用分布式结构，如图8.9所示。网络内时钟没有高级和低级之分，同步网以各个时钟为中心，划分为多个独立的同步区，各时钟负责本区内设备的同步。在各个时钟之间不需要定时链路的连接，没有局间定时分配。,3混合同步网 在混合同步方式下，将同步网划分为若干个同步区，每个同步区是一个子网，在子网内采用全同步方式，在子网间采用准同步方式，如图8.10所示。,图8.10 混合同步,8.4 同步网的主要技术指标,8.4.1 滑动（Slip） 1滑动的由来 图8.11是在交换局的输入端设置缓冲器的示意图。图中A局和B局的数字信号到达C局，它们的时钟信号频率分别为f a、f b