（交通信息工程及控制专业论文）基于IP结构的高速公路通信系统的研究与实现.pdf

摘要 高速公路通信系统是专门用于承载高速公路的话音、数据、图像等业务的一 个综合平台，也是高速公路运营管理孛不可缺少的蘩本条馋。然两，由予各地豹 技术水平的参差不起，通信技术的日新月舜，使得各地在高速公路通信网的规划 帮设计、应用集成以及数据疼处骥等方嚣存在着很大的差异，导致高速公鼹通信 系统的开放性、w 靠性、可扩展性不足，安装维护复杂。因此，对相关通信技术 进行眈选，针对海速公路的盈务特点，设计帮规划一套满足务迪高速公路管理需 要的通信网络是q 常必要的。 本论文从分携高速公路逶信隧络陷体系结构出发，对撑o 歉般m 、攀 o v e rs d h 以及口o 、，e rw d m 等组网、传输技术的特点、模型、应用实例进 行分析比较，确立适合予高速公路长远发璇需求的邋信阚维翻相传输技术。弗针 对高速公路通信网接入技术进行分析和研究，选择适合高速公路长远发展需要的 接入网技术。在以上的分析采磅究的基础之上，禳撵陕嚣省的高速公路潮需求特 点，确立陕西省高速公路通信系统的设计原则和设计目标，并从通信技术的选择、 主干稻的拓扑结构、传输层组网、时钟藏步以及口交换网豹配置等方面对获谣 省高速公路通信网进行具体设计。最后，针甜陕西省高速公路通信网应用的不足， 对远程簸控软件进行了其体的设计实现。 关键词：高速公路、遴信系统、t c p 朋协议、异步传输模式、丽步数字体 系、数据、图像 a b s t r a c t h i 曲w a yc o 主c a t i o ns y s t e mi sas p e c i a lj 1 1 t e g r a t e dp 】a t f o 肋s e r v i n gf o r c o n 黝u n i c 撕o no fv o i c e ，d 呦a n dv i d e o ，w h i c hi s i n d i s p e n s a b l et o 也eh i 曲w a y m a n a g e m e n t h o w e v e r ，d u et ob o mm ed i 岱o r e n tt e c h n i q u el e v e li 1 1d i 鼠r e n tp l a c e s a 芏l dr a p i dd e v e l o p m c n ti nc 伽i c a t i o nt e c h i l o l o g 如也e f ei sg r e a td i 饪m n c e 记 p i a i l l l 血吕d e s i 弘， a p p l i c a t i o ni n t e g r a d o n a i l dd a 协 m a n a g e m e n t o fh i 曲w a y c u n i c a t i o nn e t ，w h i c hr e s u l t s 擅t h es u 蕊c i e n c yo fo p e l l n e s s ，r e l i a b i l i t y 鞠d e x p a n d a b i i i 啊姐dc o m p l e x 时o f 矗x i n ga 1 1 dm a i l l 勺。n a n c eo f h i 曲w a yc o 瑚m i c a t i o n s y s t e m i t sn e c e s s a r yt o8 e l e c tt h e g h t 舢珧n i c a t i t h i q u e - o rp l a n n i n g 姐d d e s i 牡i 1 1 9as e to fc o m m u n i c a t i o nn e tt om e e td i 丘e r e n th i 曲w a ym a l l a g 锄tn e e da 1 1 o v e r 也e c o u n 略 b e g i n i l i l l gw i mt h es t i l d yo ft h eb a s i ch i 曲w a yc o i i l i n l u l i c a t i o nn c t 缸m e w o r k ， t h ep 绰e re o m p a r e st h cc h a f a c t e r s ，越o d e l sa b da p p l i c a t i o ne x a n 垮l e so fp o v e 如i p o 撒s d h 柚d 口o 玳w d m ，s oa st os c l o c tt h er i g h tn e 押o r ka n d 扭黼s m i t 把c h n i q u e sw h i 出e o u 撼m e e t 由el o n g 把融d e v e l o p m 龆tn e 。do f 捱曲w a y - t h e 嬲也o r a l s op u t sf o 俐a r dt h e 印p r o p r i a t ea c c e s s 蜘gt e c h n i q u ew h i c hc o u l ds a t i s 母h i 曲w a yt o d e v e l o pi nt h el o 丑gn l n 礁e fa n a l y s i s o n 馈eb a s 西o fr e s e a 眺，t kp 神c re s t 西i i s h e s t h ed e s i 弘p r i n c j p l ea n dp u r p o s ef o rh i 曲w a yc o m m 硼i c a t i o ns y s t e m i ns h a n x i p r o v 血c e ，d 。s i 铲s 斑ec o 栅黼i c a t i o 珏n e 辩o r k i 圭l d e t a i l 谗e l 溺i 鹅掘o p 蛀o no f c o i c a t i o nt e c h n i q u e ，s 仃i l c t u l 曙o f 也em a i nn e t ，也e 廿a 1 1 s m i t l a yn e t ，c l o c k s 弦c h r o n i z a 娃o na n de q u i p m e a to fpe x c l a n g en e t + f i n a l l m 证e 氇。s i sf e a l 主z 。sm e d e s 勘o f t h el o n gd i s 怔m c es u p e i s o r ya 1 1 dc o n 仃0 1 1 i n gs o 舟、a r e a c c o r d i n gt o 也e d e 翥c i e n c yi n 幽ea p p l i c a 主i o no 强i 非踟甲e o m m n i c a t 主o nn e 魄。噍洒s b 矗n x ip r o v i 赴c e 。 k e yw o r d s ：e x p r e s s w a yc o m r n u n i c a t i o ns y s t 锄 t c p ，p r o t o c o la t m s d 越d a t al m a 窖e 论文独创性声明 本入声明：本人所童交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 醭究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文侔者签名： 另吃穿 夕弦年，月2 日 论文知识产权权属声明 本入在导师指导下所完成的论文及穗关的职务作品，知识产权嬲 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单彼仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密艨应遵守此规定) 论文作者签名：马毖字 ，2 渺厂年f 月。嚣 导师签名：易z 糠。力西占年f 月彩酲 第一章绪论 本章是根据国内外通信网络的发展现状和趋势以及我国高速公路通信网络和 相关公路信息的应用现状，提出建立基于口结构的陕西高速公路网络通信主干网以 及相应信息的监控管理模型的必要性，从而确定了本文的研究方向和指导思想。 1 1 国内外通信网络技术概述 随着计算机网络的出现和发展，产生了用电信网传输数据的需求，电信业除 了电报电话业务外又出现了数据业务。1 9 9 4 年因特网商业化取得了巨大的成功，对 因特网联网的需求急剧增加，到1 9 9 5 年，由于路由器端口速率限制( 最高4 5 m b i 以) ， 使得提高传输速率只能采用在a t m 网上购架i p 网( 0 v e ra t m ) ，传输速率可 达到s t m 1 ( 1 5 5 m b i t s ) 和s t m 4 ( 6 2 2 m b i t ，s ) 。自从出现了在光缆网上构架s d h 网， 在s d h 网上构架a t m 网，在a t m 网上构架口网的多层结构( 口a t m s d h 0 p t i c a l ) 模型后，使得采用这种模型的通信网结构、设备复杂，网络管理层次多，a t m 信元 税导致效率降低等缺点，因此将成为一种过渡性的模式。直到1 9 9 7 年，新一代的 高性能路由器出现，端口速率不仅有1 5 5 m b i 讹、6 2 2 m b i t ，s 甚至达到2 5 g b i t s 。这 时出现了口o v e rs d h 0 p t i c a l 的结构( p s d h o p t i c a l ) 。 现代通信网的基本特征是：面向连接、时分复用、电路交换。而口网的基本特 征是：无连接、统计复用、分组交换。它们是针峰相对。在以话音为主进行优化设 计的通信网上构架p 网只是历史发展过程中的过渡。随着因特网的发展，因特网的 流量开始超过话音流量成为业务主流，这时就应该考虑按照坤业务的需求进行网络 优化设计，就是口优化光网络。i p 优化光网络是按照传输口业务的需求来设计光 网络，也有人称之为光因特网或全光网。口优化光网络与传统的全光网不同，传统 的全光网是模拟实现电路交换功能，而优化光网络则是在光纤网上直接构架宽带 i p 网。这种宽带口网既不使用时分复用的s d h ，更不采用a t m ，而在光纤上以统 计复用的方式传输p 数据分组。数据分组的复用和交换、选路转发由高性能路由器 完成。密集波分复用( d w d m ) 技术使光纤的传输容量有成百上千倍的提高，在宽 带口骨干网中是在d w d m 的光波长通道内统计复用传输坤数据分组，而在波分 复用的各波长通道之间用路由器对数据分组进行交换转发。 1 9 9 8 年o v e rd w d m 技术开始实用化【”，加拿大的c a n e t 3 是世界上第一个 口o v e rd w d m 的光因特网。该网是一个用于科研、教育、工业的非营利网络，从 温哥华到哈利法克斯横跨加拿大。最初设计为1 6 + 2 5 g b i t s 的波分复用系统，现在 已改为1 6 + 1 0 g b i t s 。其中8 个波长为c a n e t 3 使用，运行口o v e rd w d m 采用 s t m 一6 4 s d h 帧格式，目前已完成。在美国，i n t e m e t 2 的骨干网由于设计较早，还 在采用口o v e r s d h 和i p o v e r a t m 。而美国政府在下一代因特网( n g i ) 计划中， 已经转为全力发展po v e rd w d m 技术，其核心网络s u p p e r n e t 将建成一个先进的 口o v e r d w d m 网络。 中国网通有限公司c n c 于1 9 9 9 年9 1 0 月在天津一北京一石家庄之间全长5 0 0 多k m 的光缆网上进行口o v e rd w d m 系统的设备测试和现场试验。数据在光缆网 上往返传输5 次模拟总长度2 5 4 2 k m 。天津一北京之间设置一个光放大器，北京一 石家庄之间设置3 个光放大器。不使用电再生设备。进行了数据传输、v o 口数字电 视节目传输、v 0 d 、v p n 等各种试验取得圆满成功。这次试验表明目前先进路由器 和d w d m 商品设备可以满足c n c 建立po v e rd w d m 宽带口电信网络的需求。 2 0 0 0 年1 0 月中国网通公司的宽带d 骨干网c n c n e t 正式建成开通。c n c n e t 是 连接北京、上海、广州、武汉等1 7 个城市的环型网，全长8 0 0 0 k m 。采用1 6 + 2 5 g b i “s 的d w d m 系统和吉比特路由器构成口o v e r d w d m 的宽带口骨干网( 4 0 g b i t ，s ) 。 这将是世界上第一个采用口o v e rd w d m 的商业系统。 1 2 高速公路通信网络以及公路信息应用现状 从上世纪9 0 年代开始，中国进入了公路建设快速发展的时期【3 】，尤其是1 9 9 8 中国公路建设投资数量之大、开工项目之多举世瞩目。从1 9 9 0 年到2 0 0 3 年的1 4 年间，中国公路建设累计投资近2 万亿元，其中仅2 0 0 3 年就达3 7 1 5 亿元，创历史 新高。中国交通部有关负责人透露，截至2 0 0 4 年l o 月，中国高速公路从零起步， 经过十多年的建设，目前已突破3 万公里，高速公路总里程位居世界第二。 在全国高速公路建设飞速发展的同时，作为高速公路建设中的重要配套项目高 速公路通信系统的建设也得到了蓬勃的发展。到目前为止，我国高速公路通信网大 多基于s d h ，也有a t m 和早期的p d h 在运行。各条高速公路通信系统的解决方案 也有所不同，目前一般采用s d h 与综合业务接入网相结合的光纤数字传输系统( 也 有的采用s d h + d l c 接入系统模式) 。综合业务接入网有三种类型接口，即光线路 终端接口( 0 l t ) ，光网络单元接口( 0 n u ) 和维护管理接口。控制中心的0 l t 通 过v 5 接口完成多业务的接入，将话音业务( b t ) 、指令业务、数据业务和图像业 务等合并到一个传输网络中，同时可实现与d d n 、p s p d n 等数据网的连接。收费 站与控制中心可通过接入网的数字数据接口，如e l 、2 b + d 、v 3 5 、v 2 4 、g 7 0 3 实 现收费数据的上传及管理数据的下达。路面监控数据可通过各站o n u 的二四线音 频、v 3 5 、v 2 4 、v 2 8 、g 7 0 3 等接口传送到控制中心。通信中心设一套光传输本地 网管终端，对s d h 设备进行维护管理。通信中心还配备了一套综合业务接入网的 网管终端对接入网设备进行维护。s d h 本地网管和接入网网管可集中设置，也可分 开设置。光传输系统采用l + l 保护方式。 然而，在高速公路通信网不断完善的过程中，现阶段我国对道路交通信息的利 用比较不理想，也缺乏应用集成和中央数据库处理技术。由于各地区各个建设承包 商的技术和经济水平不一致，监控水平参差不齐，有些项目仅仅完成数据采集和简 单控制，没有完成数据归类存储与集中管理，缺乏自动决策和预测，没有实现智能 化。我国智能交通系统的工程建设规范与标准目前还没有一个统一的权威定义，实 施的工程项目从技术手段到建设、维护费用差异很大，并且间接地造成了系统的开 放性、可靠性、可扩展性差，安装维护复杂，难于形成产品化、系列化，因而对相 关技术进行比选，完成系统的产品化、系列化的要求十分迫切。 1 3 研究问题的提出 1 3 1 高速公路数据业务的内容及特点 高速公路通信系统是高速公路建设中的重要配套项目和基础设施组成部分，它 为高速公路各级部门的运营、管理以及沿线设立的收费、监控系统提供话音、数据 和图像的传输，是实现高速公路快速、安全、高效运行的重要保障。 级高速公路专用通信网主要业务内容如下【珥j ： ( 一) 为全省高速公路各级管理部门( 包括省中心、分中心、服务区、隧道管 理队、停车区、养护工区等) 相互问以及与公用网问提供不问断的电话、传真、数 据和图象传输的服务；( 二) 为高速公路收费系统和监控系统提供专用、实时、数 字、高速和高可靠性的数据传输平台：( 三) 为高速公路收费系统和监控系统提供 传输通道：( 四) 为行驶在高速公路上车辆的司乘人员和道路管理、巡逻人员提供 紧急电话通信业务：( 五) 为全省高速公路组织电话会议提供服务：( 六) 为全省高 速公路组织召开会议电视提供平台。另外高速公路专网电信业务量主要按用户目前 实际需求或按未来1 0 w 1 5 年远期需求进行设计。 1 3 2 基于i p 结构高速公路通信网的提出 随着通信技术的不断更新，导致目前我国高速公路通信系统的应用现状非常复 杂，主要有以下几种形式的高速公路通信网络：a t m 通信网络、p d h 通信网络、 s d h 通信网络、以及口0 v e ra t m 通信网络、邛o v e rs d h 通信网络、i p a = n 倒s d h 通信网络等。但是，上述几种在实际应用当中还广泛存在的通信网络形 式都或多或少存在着如下的不足之处： 1 通信网络复杂化 由于高速公路通信网承担着高速公路管理、收费和监控部门之间多种信息的交 换任务，所以，应尽可能做到中心交换大容量、网络组织路段化，一次转接、少汇 接和端所双归属的方向发展，以利于网络优化与扩展，同时配备b i s d n ，s s p v 5 2 等接口，以便快速向全路网提供多种业务，使网络综合成本降低并预留发展空间。 但是，在上述的通信网络中存在着大量的开销、管理复杂等，并未充分满足是高速 公路通信网简单化的要求。 2 传输网络带宽不足 传输网主要提供交换机之间的数字通道，考虑到各交换机之间网络互联的中继 数量、各通信站点多媒体业务数量及其扩展，在干线传输网上应采用大等级的传输 速率，边缘网上采用稍小等级的传输速率，并使结构清晰、扩展性强，具有较强的 自愈保护、时钟配置和网管能力，确保传输通道的畅通和安全。然而在上述的通信 网络中由于所应用的技术的限制，并不能充分利用传输带宽，导致不能实现真正意 义上的大等级传输速率。 3 接入网络的可扩展性不足 高度公路接入网应遵循高速公路综合业务平台“标准性、容错性、安全性、可 管理性”的原则，采用光纤接入方式较为合适，一方面便于与骨干网实现协议互通， 提高综合业务处理能力，另一方面可以减少端所数目，增加交换容量和服务半径。 但是，在上述通信网络所提供的综合业务平台中并未有开放和统一的标准，同时， 在容错性、安全性以及可管理性并不能很好的满足实际情况的需要。 同时，在实际应用当中对高速公路通信信息的管理还存在着如下的要求： 1 交通信息的采集，高速公路信息采集的内容主要有下面几种：车辆信息的 采集、气象信息的采集、可变情报信息的发送及反馈信息的采集、闭路电视信号的 采集、话音信号的采集等。 2 对采集来的数据进行实时的运算、处理和分析；根据分析的结果，决定控 制方案，发出相应的控制命令，指挥事件处理；通过闭路电视系统监视各主要路段 的交通情况：负责管辖区域内的通信联络；全系统组成设备工作状态的信息管理； 3 根据收集到的各种数据，进行信息发布，来向道路使用者提供道路交通信 息和诱导控制指令的设备，以及向管理、救助部门和社会提供求助指令或道路交通 信息，其主要设备包括可变情报和可变限速标志、车道控制标志、指令电话和交通 广播系统等。 正是基于以上考虑，本文提出了基于口结构的高速公路通信网模式。即：该模 式是一种最简单直接的体系结构，它省掉了中间的a t m 层与s d h 层，减少了网络 设备；减少了功能重叠，简化了设备，减轻了网管复杂性，特别是网络配置的复杂 性：额外的开销低，传输效率高；通过业务量工程设计，可以与口的不对称业务量 特性相匹配；还可以利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓冲，减少 延时。由于省掉了昂贵的a t m 交换机和大量的普通s d h 复用设备，简化了网管， 又采用了波分复用光网络技术，其成本比传统电路交换网降低1 2 个量级! 并在该 平台上建立了相应的信息管理模块。 由此可见，以d w d m 为基础的光网络作为通信网的传输层、以高性能路由器 来满足不断增长且难于准确预测的数据流量、以网络层的口技术为代表的数据业 务，将是未来建设通信网络及其管理模块的最佳出发点，这也是本文提出的基于p 的高速公路联网通信模式的初衷。 1 4 本论文研究的目的、意义和主要内容 1 41 目的和意义 本论文主要目的是通过对目前在高速公路上所采用的a t m 、s d h 、i po v e r a t m 、口0 v e rs d h 、光互联网以及通信接入网等的关键技术进行分析研究，在此 基础上建立和规划一个适合我国高速公路长远发展需求的通信网络结构的雏形。有 了这个平台，本文的另外一个目的就是运用这个平台，实现对高速公路外场设备的 监控。 通过这项研究，我们可以将信息技术、数据通信传输技术、电子控制技术以及 计算机处理技术与先进的行政管理手段结合起来，使其更加有效地运用于交通运输 的服务、控制和管理。使人、车、路密切配合、和谐统一，极大地提高综合交通运 输效率，保障交通安全、改善环境质量和提高能源利用率。 因此，建立这样一个高效的高速公路通信网和开发相应的信息管理模块是智能 交通系统( i t s ) 的重要组成部分。对于道路交通实际数据和信息发布设备状态的调查 与分析、对于明确交通问题的性质，提出有针对性的交通诱导与控制方案、对于分 析交通变化规律，制定交通流模型和交通预测模型以及交通规划、1 1 r s 实施和交通 流理论研究起到承上启下的作用。 1 4 2 主要研究内容及论文的结构 本文是以陕西省高速公路专用通信网为模型，在详细的分析了各种面向数据业 务的通信网络及接入技术基础之上，进行了基于p 的陕西高速公路通信主干网设 计。同时，在该网络上进行了相关的远程监控软件的设计和实现。全文共分六章： 第一章绪论。根据国内外通信网络的发展现状和趋势以及我国高速公路通信 网络和相关公路信息的应用现状，提出建立基于口结构的高速公路通信网以及相应 信息的管理模块的必要性，确定了本文的研究方向和指导思想。 第二章基于口的通信及网络技术分析。从详细分析网络体系结构出发，进一 步分析删、s d h 以及光互联网的关键技术，并针对a t m 和口技术的结合、s d h 与p 技术的融合以及i p 光网络在实际中的应用情况，总结出各自的特点进行比较， 提出针对陕西省高速公路通信系统设计所要采用的通信技术及依据。 第三章通信网接入技术分析。分析目前各类网络接入技术及应用情况，并结 合第二章的研究结果，确立在本论文当中所要引入的通信网接入技术。 第四章基于口的陕西高速公路通信主干网设计。在分析前面的各种传输技术 及接入技术基础之上，根据陕西高速公路通信网的发展现状及特点，本着成本的最 小化的原则，进行了基于d 结构的陕西省高速公路通信主干网设计，具体包括：宽 带高速公路口网的拓扑结构设计、光传输层的组网设计、传输中继段长设计以及接 入网时钟同步设计等。 第五章基于p 通信网络的高速公路远程监控软件的设计与实现。对道路监控 的软件首先进行任务与需求分析，构造了该软件的模块结构和工作流程，最终实现 了数据库表的设计、串口通信模块的设计与实现以及基于t c p ，p 的数据传输模块 的设计与实现，并给出了部分伪代码及该软件的运行事例。 第六章总结和展望。综述本文中的主要论点及工作成果，对存在的不足之处 和今后的努力方向提出观点。 第二章基于i p 的高速公路通信及网络技术分析 本章是从分析高速公路通信网络体系结构出发，对目前高速公路上所应用的 a t m 、s d h 以及光互联网的关键技术进行分析，并针对a t m 和i p 技术的结合、 s d h 与口技术的融合以及口光网络在实际中的应用情况，总结出各自的特点并进 行比较，为组建基于i p 的陕西高速公路通信主干网及信息管理模块提供理论依据。 2 1 高速公路通信网体系结构分析 2 1 1 网络协议及其功能概述0 1 l 、网络协议概述 网络协议是通信双方共同遵守的规则，它的主要内容包括： 语法一包括数据格式、编码和信号等级。 语义包括数据的内容和含义以及用于协调的控制信息和差错控制。 定时一包括速率匹配和排序。 2 、网络协议的功能 网络协议具有分段和重组功能、封装功能、连接控制功能、流量控制功能、差 错控制功能、寻址功能、复用功能以及附加服务等功能。 在通信子网中一般只能接受一定长度的数据块，例如a t m 网络的数据单元长 度固定为5 3 个字节，以太网传送的数据单元最大长度为1 5 2 6 个字节，为了有效地 实现数据通过网络传送，必须对数据流进行分段，便于在长度上和网络中的数据单 元进行适配以及对接收实体分配较小的缓冲区。 每个协议数据单元( p d u ) 不仅包含数据，而且还包含控制信息( 如地址、错 误校验码、协议控制等) ，在分段形成的数据块上增加控制信息的过程就是封装， 这是协议需要完成的功能之一，当存在多层协议时，需要按层次进行封装。而数据 通信又分为无连接和面向连接两种通信方式。在无连接的方式中，每个协议数据单 元在传送的过程中进行独立处理：在面向连接的方式中要在两个实体之间建立一个 逻辑关系，然后对p d u 通过建立的连接进行有序传送。 流量控制是以停止一等待程序的形式实现的，在这个程序中，发送实体必须 在收到送出的一个p d u 的确认信息之后，才能再送出下一个新的p d u 。更有效的协 议是向发送实体设置一个发送单元的限制值，这一数据规定了在没有收到确认信息 之前，允许发送实体送出的数据单元的最大值。 差错控制技术的实现大多数是用校验序列进行校验，在出错的情况下对整个 的p d u 重新进行传输，另一方面，重新传输还受到定时器的控制，超出一定时间没 有收到则重新传输。 在t c p i p 网络结构中是通过寻址保证把数据单元送到准确的目的地，是在 不同的通信协议层次上，采用不同方法进行寻址。在现有面向连接的通信系统中， 利用连接识别符进行单播、组播和广播，而这里的连接识别符主要作用是：减少开 销、选路、复用以及状态信息的利用。 2 1 2 0 s i 参考模型分析 l 、o s i 参考模型的层次和功能 按照o s i 互联模型6 1 设计和建成的计算机网络系统是可以互相连接。0 s i 模型 规定了一个网络协议的框架结构，它把网络协议从逻辑上分为：物理层、数据链路 层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，其中下面的三层为底层协议，提 供网络服务，上面的四层为高层协议，提供末端用户功能。0 s i 参考模型如图2 一l 所示： ：二二兰j z 二j ：二二i e c 二j 应用居 应用层 衰示层 寝示层 台话层台话层 传输层帱输层 阿培层 同络屡 链辟层 硅路层 物理层物理层 自4n n 图2 - 1 ：o s i 参考模型 o s i 模型中各层的功能如下： 物理层：在物理层主要讨论在通信线路上比特流的传输问题，这层协议描 述传输的电器的、机械的、功能的和过程的特性。 数据链路层：主要讨论在数据链路中帧流的传输问题。内容包括：帧的格式、 帧的类型、比特填充技术、数据链路的建立和终止、信息流控制、差错控制，向网 络层报告不可恢复的错误。目的是保证在相邻的站与节点或节点与节点之间正确地 和有节奏地传输数据帧。典型例子是h d l c 网络层：主要处理分组在网络中的传输。功能是：路由选择、数据交换、网 络连接的建立和终止，在一个给定的数据链路上网络连接的复用，根据从数据链路 层来的错误报告而进行错误检测和恢复，分组的排序和信息流的控制等。网络层协 议的典型例子是x 2 5 建议的第三层协议。 传输层：传输层协议处理报文从信息源到目的地之间的传输。主要功能是： 把传输层的地址变换为网络层的地址，传送连接的建立和终止，在网络连接上对传 送连接进行多路复用，端一端的顺序控制，信息流控制，错误的检测和恢复。 会话层：主要控制用户间的会话。该层协议的功能是：把会话的地址变换成 它的传送地址，会话连接的建立和终止，会话连接的控制，会话连接的同步。 表示层：主要处理应用实体问交换数据的语法，其目的是解决格式和数据表 示的差别。 应用层：为应用程序提供访问0 s i 环境的方法。例子有：虚拟中端协议、虚 拟文件协议、文件传送协议、公共管理信息协议。 2 、o s i 的协议数据单元 在协议的分层结构中，一个特定层为其上一层提供一组服务，更具体的说就是 下一层的实体为上一层的实体提供服务，并且服务的实体之间并不一定是一一对应 的关系。下图2 2 示出了层问数据单元的形成过程，其中p d u 是协议数据单元，s d u 是服务数据单元，p c i 是协议控制信息。 一m 二二 三重重卫 图2 2 ：层间数据单元的传送过程 3 、0 s i 参考模型在通信网中的应用 o s i 参考模型最初是为计算机通信网建立的协议模型，随着计算机技术向通信 领域的渗透，其应用范围已经逐渐扩大，成为制定通信网协议的重要依据。目前 0 s i 参考模型在通信传输网中的应用非常广泛，例如：s d h 的e c c 协议栈。 ( 1 ) 对于s d h e c c 协议栈来说，e c c 信道是s d h 中嵌入式信道，主要用于 传送s d h 的控制和管理信息，e c c 有两个信道其速率分别为1 9 2 k b i t ，s 和5 7 6 k b i t s 分别用于s d h 再生段和复用段的管理信息的传输。e c c 协议栈如图2 3 所示： 瓤7 层m + 。r nm e j 溺象卜 日月目 公共支持 ：”l 。 ：5 扎：，p 7 x2 l6 、x2 26 第6 层 snl $ _ 日h * 。x2 09 i 第5 层 第4 层 o737 8 07 ，”2 n - 第3 层 几研i * - 畏i 支恶- tl ；三8 第2 层 4 * o 2oq 2 lt t g 第1 层 图2 - 3 ：s d h 按e c c 协议栈 在e c c 协议信栈中物理层是采用s d h 的d c c 作为物理层传输通道，包含两 个传输通道，一是再生段d c c ，使用s d h 段开销中的d 1 d 3 字节，提供1 9 2 k b i t s 的数据传送通道，另一是复用段d c c ，利用s d h 段开销中的d 4 d 1 2 字节，提供 5 7 6 k b i “s 的数据传送通道。数据链路层采用l a p d 协议，把d 数据分组放入l a p d 的帧结构中的信息字段进行传输，提高了监控和网管信息的准确性。在s d h 环形 或线形网中，网络层利用坤协议的寻址方式对各个网元进行寻址。传输层则采用 t p 4 协议，通达差错控制进一步提高了网元和网元之间或网元和0 s 之间的数据传 输质量。 ( 2 ) a t m 网络模型是根据自身网络的特点，在0 s i 的基础上演变而来的一个 协议模型。a t m 协议模型如图2 4 所示： 图2 - 4 ：a t m 协议模型 在a t m 协议的模型中协议可分为若干层次而且分为不同的面，包括用户平面、 控制平面和管理平面。用户平面负责提供用户信息转移、流量控制和恢复操作；控 制平面负责建立网络连接、管理连接和释放连接； a t m 网络中取消了逐段的流量控制，原来o s i 模型中的数据链路层的功能在 a t m 网络中已经不复存在，在a t m 的协议模型中，网络的交换功能由原来的第三 层移到了第二层，即为第二层交换。a t m 网络需要处理多媒体信息，因此在协议中 增加了a t m 适配层，有a a l l 、a a l 2 、a l 3 4 和a a l 5 等多种协议，分别处理话 音、图像、面向连接和无连接数据业务，把它们经过不同的处理以后形成a t m 信 元，从l 层组合了0 s i 模型中的第4 、5 、7 层的功能。 a t m 协议模型是在0 s i 的基础上发展而来，但又有明显区别的一种宽带通信 网络协议模型。 2 1 3 t c p l p 协议模型分析 1 、t c p 仰协议概况【7 】 t c p 口协议模型可分为五层，即应用层、传输层、网间层、网络接入层和物理 层。目前t c p 仰协议泛指以t c p 和d 为基础的一个协议集而不仅仅涉及到t c p 和口两个协议，t c p ，口协议集如图2 5 所示： 图2 _ 5 ：t c p 珊。协议集 2 、t c p 坤协议模型中各层的功能 物理层：是解决比特流的传输问题，包括机械、电气、功能和过程四方面的 特性。 网络接入层：也就是通信子网层。主要功能是口终端通过通信子网接入到 坤网络中去，而p 数据报的可以通过各种类型的通信子网进行传送，通信子网的 实例有：帧中继网、以太网、f d d i 环网、a t m 网和s d h 网等，当通过a t m 和s d h 传送时就成为了po v e r a t m 和i po v e rs d h 方式。 坤层是t c p 协议模型中的第三层，称为i n t e 砌q e t 层，译为间网层，主 要功能有： 规定了口层的数据单元口数据报的格式。 规定了口地址的格式以及它们的分配规律。 规定了根据节点路由表实现口数据报路由选择的方法。 在口数据报的长度和通信子网的数据单元的长度之间进行匹配。 t c p 层是为用户端提供可靠的数据传送。在t c p 佃协议集中传送层协议主要 有三种，即传输控制协议t c p 、用户数据报协议u d p 与控制报文协议i c m p 。t c p 协议的主要功能是差错校验、出错重发和顺序控制等，以保证数据的可靠传送，减 少端到端数据传输误码率。u d p 协议提供无连接服务，避免了在面向连接的通信中 所必需的连接建立和连接释放的过程，避免了额外开销的增加，在u d p 服务中必 须实现对数据包进行编号，并实现超时重传机制，以提高数据传输得质量。i c m p 协议则可以实现流量控制。 应用层是为用户提供各种应用服务，t c p i p 协议集中提供的应用服务主要 有： t e l n e t ：远程注册，是指登陆到远程的计算机上去。 f t p ：文件传送，在服务器和客户机之间或两台计算机之间传送文件。 em a i l ：在两个用户之间传送电子邮件。 h t t p ：发布和访问具有超文本格式的信息。 s n m p ：简单网络管理协议，对t c p 口网络进行管理。 2 14l p 宽带网的体系结构分析 l 、口宽带网体系结构的一般框架 i p 宽带网的体系结构主要包括三个部分：应用模型、系统模型和技术模型，这 三个模型之间的关系如图2 6 所示： 应用模型 图2 6 ：i p 宽带综合网的体系结构 ( 1 ) 应用模型 i p 网络结构的应用模型反映了用户与为其提供服务的口网络之间的联系，如 图2 7 所示。使得口网能够支持各种业务以及向用户提供的各种业务属性。 ， c l s ：负荷可控业务p i b ：每跳行为 g s ：保证业务e f ：快速前转a f ：可确定前转 图2 - 7 ：应用模型 ( 2 ) 系统模型 口网络的系统模型表示了口网络支持各类应用所需的系统功能要素，互连实 体及相互关系，规定了系统及组成部分的性能参数。 i p 网络体系结构中的系统模型从实体平面又进一步可分为核心网( 骨干网) 、 接入网和用户网，从逻辑平面可以划分为低层能力、口层能力和高层能力。 实体平面 i p 网络的实体平面的参考框架如图2 - 8 所示，实体平面划分为核心网、接入网 和用户网。核心网可以进一步划分为口层网络功能和电信网的功能，口能力提供 尽力而为服务、综合服务和区分服务，下图的窄带能力包括了3 1 z 音频信道、 电路和分组模式承载业务，宽带能力包括异步传输模式、同步数字系列和光数字系 列传送能力。 图2 - 8 ：i p 网络实体平面参考框架 逻辑平面 i p 网络体系结构的系统模型从逻辑平面可以划分为低层能力和高层能力。低层 能力分为m 网络低层能力和通信网低层能力，口网络低层能力包括口地址的分配 4 f 长 一黛 下卷 矿 突习 和处理以及口网络中路由的选择能力。包括窄带i s d n 能力、通过a t m 、s d h 的 宽带传送能力和公共信道信令炊送能力。而且在口环境下，某些类型的高层能力与 i p 网络本身的运行有关。 ( 3 ) 技术模型 i p 网络体系的技术模型由一系列技术标准和建议构成，技术模型包括用于规范 业务、接口、设备以及相互间关系的参考标准和建议，表述口网络中各单元的配置， 相互关系和相互作用。 2 、口网络的基本参考模型 ( 1 ) 参考模型中的u 、c 和m 平面之间的关系 i p 网络协议分为高层和低层，每一层协议都具有自己的用户( u ) 面、控制( c ) 面和管理( m ) 面，而在任何两种技术融合的情况下，需要确保各自的用户、控制 和管理面之间的映射。i p 层之间需要映射，同等层之间也需要映射，因此需要明确 口网络和电信网的u 、c 、m 平面之间的关系，以便充分的确定口网和电信网融合 后的用户平面、控制平面和管理平面。 口网u 、c 和m 平面之间的关系如图2 9 所示： 图2 9 ：i p 网络u 、c 和m 的平面关系 ( 2 ) 坤网络的分层协议模型 如图2 一l o 所示为口网络的协议分层模型，这里的口协议是加于各种电信协议 之上的，其中口协议与下层实际的电信协议之间的区域表示适配功能、q 0 s 映射 以及所需的汇聚适配协议。该模型明确了i p 层及其以下各层之间的叠加关系，口 业务可以通过帧中继叠加s d h 网进行传送，也可以通过a t m 叠加s d h 进行传送， 也可以在经过p p p 协议处理以后通过s d h 进行传送。 图2 一1 0 ：i p 网络的协议分层模型 2 1 5 i p 网络的0 0 s 技术分析 i pq o s 是向用户提供端到端的服务质量保证。它的度量指标包括业务的可用 性、延迟、可变延迟、吞吐量和分组丢失率。而为了保证服务质量一是提高交换速 度和增大带宽；二是对采用非平均方式来对可用的带宽进行“智能的”管理，。 口q o s 分为两个部分：第一部分是局域网中的坤q o s ，主要是对第二层的以 太网帧头加入了优先级字段，以区分不同的优先级。第二部分是广域网，又分为两 种口0 0 s 结构综合业务结构和区分业务结构。 综合业务( h ts e n ，) 结构：在发送端和接收端之间用r s v p 作为每个流的信 令。r s v p 信息跨越整个网络，请求预留资源。路径沿途的各路由器必须为每个要 求服务质量保证的数据流维护一个“软状态”。只有所有的路由器都给r s v p 提供 了足够的资源，“路径”方可建立；否则，将返回并拒绝信息。 区分业务( d 濉s e n r ) 结构：pq o s 的区分业务结构使用口v 4 报头中的业 务类型( t o s ) 字段，并将8 b i t t o s 字段重新命名，作为d s 字段，其中6 b i t 可供 目前使用，其余2 b i t 以备将来使用。该字段可按照预先确定好的规则加以定义，使 下行节点通过识别这个字段，获取足够的信息来处理到达输入端口的数据分组，并 将它们正确地转发给下一跳的路由器。 2 2i p 交换原理分析 口交换是专门用在a t m 网上传送口分组的技术，其目的是使口更好更快地 提供业务质量支持以及对口路由的智能和控制。 2 2 1 i p 交换机的主要构件 一个口交换机由3 个主要构件构成【8 ：a t m 交换机、口交换控制器和专用的 管理协议( 如图2 一l l 所示) 。 图2 - 1 1 ：l p 交换机组成 口交换机采用标准的a t m 交换机，但a a l 5 以上的协议软件都已从a t m 交换 机上移走，这意味着该a t m 交换机只能执行信元交换操作，而不能执行l a n 仿真 服务器、地址解析服务器、a t m 信令协议和p n n i 等。在i p 交换机中，a t m 交换 硬件通过通用交换管理协议( g s m p ) 来获取i p 交换控制器发送给它的命令。 i p 交换控制器是在标准的i p 路由器功能上增加了用于控制a t m 交换硬件的功 能，它负责和相邻路由器交换路由更新消息，构建路由表，做出第三层转发决策， 支持标准的路由策略和控制功能。 2 2 2ip 交换机的转发过程分析 为了对i p 报文做出第三层转发决策，i p 交换控制器必须对口报文进行信息流 分类。当口交换控制器确定某个特定的信息流将在删交换硬件中交换，那么它 将在未使用的v p w c i 中选择一个值( 为a ) 分配给输入端口，同时选择另一个未 使用v p w c i 值( 为z ) 分配给a t m 交换机的控制端口，然后口交换控制器通过 向a t m 交换机传送g s m p 消息指示a t m 交换硬件将所有从输入端口i 收到的、带 有v p i ，v c i = a 的信息流交换到控制端口，并以v p w c i - z 替换原来的v p i c i = a 。 在执行完这些命令后，i p 交换控制器从信息流的输入端口i 发送i f m p 的重定 向消息给信息流的上一跳p 交换控制器。重定向消息中包含了用来描述信息流的特 定口首部信息、v p w c i = a 及生存时间，i f m p 重定向消息请求上游节点将所有和 信息流描述匹配的口报文以v p w c i = a 传输给下游口交换控制器，生存时间给出 了这种匹配的保持时间。如果在接收到下游i p 交换控制器发送来的新的重定向更新 消息之前，生存时间已经终止，则上游p 交换控制器将重新通过缺省a t m 转发通 路转发和信息流描述匹配的i p 报文。 当口交换控制器通过输出端口收到来自下一跳口交换控制器送来的i f m p 重 定向消息，且该i f m p 重定向消息请求将匹配信息流描述的信息流以v p i ，v