电气工程网络与通信-第五章 通信网教案

第五章通信网主要内容电话网数据通信网ISDN和ATM网络IP网络技术网络管理技术电力系统宽带IP网络简介重点内容通信网的分类及构成要素电话网的信令系统及随路信令和公共信道信令NISDN的特点及ISDN的功能IP网络的主要技术方案IP网络的QOS协议及资源预留协议电信网络管理的功能与模型第一节概述通信网是由许多能够连接用户使其能进行信息交换的硬件和软件组成的系统，一般来说，硬件包括同信终端设备、传输设备、传输媒介和交换设备等，而软件主要是支持通信必需的指令、协议和标准一、通信网的分类ITUT的划分核心网、接入网、用户住地网按功能划分通信网内部还可以分为传输网、时钟网、信令网和管理网按信源业务类型划分电视网、电话网、计算机网按传输媒介可以划分有线（包括光纤）网、短波网、微波网、卫星网电力系统中，还经常使用行政电话网、调度电话网、调度数据通信网、会议电视网计算机技术领域还经常根据地理范围划分为局域网、城域网、农村网和广域网二、通信网的基本结构1、网型具有N个节点的完全互联网需要1/2NN1条传输链路，才能构成网络。当N很大时传输链路数量将非常大，而传输链路的利用率也不是很高。这种网络结构只是实现互联时接通方便，互联时经过的环节少，因此可靠性高，而经济性未必很高，尤其在网络节点非常大时，经济性就很差。因此，在公网中很少采用这种结构。在电力系统中，由于特殊业务需求，如继电保护跳闸信号传输，其可靠性要求非常高，理论上要求尽量高，甚至百分之百的可靠，这时经济性成为次要性因素，采用这种网络结构，以保证特殊可靠性要求。2、线型线型网络结构是指网络中的各个节点用一条传输线路串联起来，实现互连互通的网络结构称为线型。尤其在通信建设的早期，线型网络结构非常多，主要目的是为主要节点的通信业务建立传输通道。公网的主干线路具有这种网络形态，但节点不一定是具体的用户，而可能是汇接局。电力系统中的高电压等级的变电站之间，借助于电力特殊光缆，沿着电力线的自然走向架设光缆通信线路，连接起各个变电站之间的通信路由，经常见到线型网络结构。3、星型星型网络结构是指放射状的结构，具有N个节点的星型网需要（N1）条传输链路。当N很大时，线路建设费用低。但是，处于中心处的节点必须提供大容量的交换设备，才能满足互连业务的需求。中心节点的设备一旦出现故障，会明显影响整个网络的通信，甚至全部中断。当中心节点的交换设备接续能力不足时，会显著影响接续质量。电力系统中的行政和调度电话交换网络，具有类似的结构，节点中心往往是电网公司、省电力公司，或者地区供电公司，而放射出去的节点可能是变电站、下级电力公司等部门。4、总线型这种网络结构在计算机网络中比较常见，如以太网就是典型的总线结构。5、环型环型网络结构可以看成是线型网络结构，从一端回到另一端形成环型。电力系统目前建立了大量的环型网络，其目的是环内的用户具备收到两个方向来自同一节点业务的能力，当一个方向的传输线路出现故障时，另一个方向提供备用通道，以保证业务畅通，两个方向互为备用，从而提高了网络的可靠性。三、通信网构成要素支持通信网的主要技术设备是终端设备、接入设备、传输设备和交换设备，以及支持这些设备工作的协议。终端设备其功能是把待传的信息送到信道中去（包括接入设备）所必需的信号转换接入设备传输链路转接交换设备转接交换设备是现代通信网的核心。它的基本功能是完成接入交换节点链路的汇集、转接接续和分配第二节电话网一、电话网的网络结构1、分级结构国际网长途网本地网用户用户一级交换中心二级交换中心三级交换中心四级交换中心电话分级结构图2、无级结构省级交换中心本地区级交换中心无级结构关系图3、功能结构电话网分层结构模型二、电话网的信令系统在电话网中，把用户与设备、设备与设备以及设备与用户之间，为建立通道和拆除通道而传递的信息以及用于管理、维护和统计等方面信息统称为信令（SIGNALING）1、信令的分类按工作区域划分，信令可分为用户线信令、局间信令和交换机内部信令用户线信令应用于用户和电话交换局之间的信令，主要在用户线上传送，主要包括用户状态信令（摘机、挂机等）、被叫号码信令、铃流和信令音信令局间信令应用于交换局和交换局之间的信令，主要有占用信令、拆线信令、被叫应答信令和被叫挂机信令交换机内部信令是在交换机内部各电路或软件之间传递的信令，不属于电话网中信令系统类型信令按传递的方向分类有前向信令、后向信令之分前向信令是指沿着建立接续的前进方向传递的信令；管理网同步网信令网交换网传输网支撑网络基本网络后向信令是逆着建立接续的前进方向所传送的信令。按信令的功能分类，信令可分为三类监视信令、选择信令和维护管理信令。监视信令是反映线路状态的信令，所以又称为线路信令；选择信令又称为地址信令，是表示呼叫的源和目的的信令。维护管理信令用于电话网的管理和维护，如网络状态、计费信息及故障信息按信令传送的途径分，信令可分为随路信令和公共信道信令。随路信令方式是由话路本身来传递各类信令，即用传送话音的通道来传送。公共信道信令方式是把多路信令共用一个公共信道传送，用标号说明信令是属于那一路的。2、信令的传递过程呼叫阶段通话阶段拆线阶段信令的传递过程三、随路信令系统中国1号信令系统包括线路信令和记发器信令。线路信令。线路信令是在去话中继器和来话中继器之间，通过线路信令设备在话路中传送的信令。沿呼叫建立的前进方向传送的信令，称为前向信令，主要由占用、拆线、重复拆线等信令组成。相应地，后向信令则主要由应答、挂机、释放监护、闭塞等信令组成。通话时间拨号音摘机占用挂机挂机回应话毕拆线确认摘机振铃回铃音被叫号码被叫号用户线用户线中继线用户线信令局间信令用户线信令记发器信令。记发器信令是源于一个交换局的记发器，终结于另一个交换局记发器的信令，它的主要功能是控制电路的自动连接。中国1号信令系统中，采用多频互控方式，在PCM数字电路中透明传输。记发器信令也分前向信令和后向信令，它们是由多个频率组成的编码信令，称为双音多频（DTMF）。前向信令由6种频率组成，按6中取2编码方式组织成15种信令，后向信令则采用4中取2的方式组织成。四、公共信道信令系统ITUT已规定了NO6公共信道信令系统和NO7公共信道信令系统。NO6公共信道信令系统适用于模拟网，其信令传输速率为2400B/S，NO7公共信道信令系统适用于数字网，其信号传输速率为64KB/S。1、NO7公共信道信令系统的特点采用模块化的结构，有利于各个功能模块的扩展或更换，灵活性高，适应各种通信的要求在各种应用中都详细规定了技术规范，也包含了可以任选的内容，因此，这种信令系统能够满足各类通信系统的不同要求是一个可靠的传送系统，能够在通信网的各个交换局和各中心之间进行各种形式的信息传送支持多种业务，可作为电话网络、电路交换数据网以及NISDN的局间信令，同时可以实现在各种运行、管理和维护中心之间的信息传递。是ITUT制定的新一代公共信道信令传输体系，也适用于数字程控交换机2、NO7公共信道信令系统的结构NO7信令系统从功能上可分为消息传递（MIP）和用户（UP）两部分。用户部分（UP）完成各种用户信令的定义和编码，包含特有的用户功能，具有与消息传递部分的接口功能。消息传递部分是各种类型用户的公共处理部分，完成信令的传递功能，保证信令在用户之间的可靠传递应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层第4级操作维护应用部信令连接控制部第4级电话用户部信令网络层信令链路层数据链路层OSI参考模型ITUTNO7信令系统NO7公共信道信令系统定义了14级，各级的作用介绍如下（1）数据链路级数据链路级对应于OSI模型的物理层，定义了信令链路的物理特性、电气特性和功能特性以及数据链路的连接方法，提供了双向数据传输通路，其中两条通道采用相同的数据速率，但方向相反。该通路可分为数字链路和模拟链路两类，我国目前只采用数字链路。信令数据链路在2MB/S的系统中一般选用一个64KB/S的时隙来实现，这一时隙通过数字交换局再与信令终端相连，称为半永久性连接。信令数据链路级把信令终端发出的信令单元按字节插入到PCM中规定的信令时隙里，或者把PCM中的信令信息检出，并送给信令终端。（2）信令链路级信令链路级对应于OSI模型的数据链路层，规定了信令消息的格式，完成信令单元的定界和定位、差错检验和纠错、信令链路差错率及故障监视与流量控制等功能，它与信令数据链路级一起完成信令点之间消息的可靠传送。（3）信令网络级信令网络级对应于OSI的网络层的部分功能，定义了传送的功能和过程，并要求每条信令链路都是公共的，与链路的工作状态无关，负责处理信令信息和网络管理。该级可分为信令网络管理和消息控制两部分。（4）用户部分用户部分用于处理各类用户业务，如电话用户部。分开的用户部便于处理各类业务服务质量要求，管理各类业务相关需求。电话用户部完成各种电话呼叫的建立、监视和释放控制；ISDN部分处理相应的各类控制信令；操作维护应用部是操作维护应用部分，处理与网络维护操作相关的消息；用户数据部和事务处理应用部分分别用于数据网和智能网的应用。五、电话网络接口1、数字中继接口2、载波接口3、E/M接口第三节数据通信网一、公用数据网和专用数据网1、概念公用数据网一般是指由国家电信部门建立和管理，为社会广大用户提供数据通信业务服务的网络。专用数据网则是由某个部门或团体组建，专门针对解决各部门或团体内的需求而设计的，这种网络的所有权属于该部门或团体2、公用数据网的特点公用数据网的高效地共享网络资源，如通信线路和交换机等，从而降低建网成本及维护费用。限制不兼容的数据网类型发展，便于管理和标准化的实现。减轻了电报网与电话网的负担，扩展了公众业务。采取适当地技术手段及措施，例如虚拟局域网技术（VLAN）和闭合用户群等，保证了网络业务的灵活性及安全性等等。3、专用数据网的特点专用网有针对性强、传输质量高、保密性好的特点电力系统的三大类数据业务（1）生产控制类业务（2）行政管理类业务（3）市场运营类二、基于X25协议的国家电力数据通信网1、本数据网概括14套DDN（数字数据网）设备分别安装在13各地点24套数据交换设备分别安装在14个地点34套路由设备分别安装在18个地点2、本数据网的任务主要用于传输电力调度实时数据、应用软件用的准实时数据、调度生产管理用的批次数据，在该网络的基础上，实现了全国各级调度中心DMIS的互联三、电力通信网的特殊数据业务1、远动数据传送远动电路方式远动接口2、继电保护信号传输继电保护电路方式双传输通道保护方案继电保护接口64K接口、2M接口、光纤接口第四节ISDN和ATM网络综合业务数字网（ISDN）是在现有电话网基础上有效地利用网络资源的一种技术，它是采用端到端数字连接和标准的接口向用户提供包括语音、数据和图像等多媒体的综合业务。一、NISDN1、NISDN的特点以原来的数据网为基础；提供端到端的数字连接；能够对各种不同的业务进行综合。2、ISDN的基本功能ISDN的用户网络信号功能；64KB/S电路交换功能；64KB/S非电路交换功能；分组交换功能；公共信道信令功能；大于64KB/S电路交换功能；大于64KB/S非电路交换功能。3、NISDN的基础提供数字用户接口，包括2BD基本接口和30BD数字接口；扩展信令处理功能，包括能处理D信道协议，增加NO7信令系统中的ISDN用户部分提供不同类型的连接，除了64KB/S的连接，还包括384、1536、1920KB/S等速率的连接。具有分组处理功能，按X25协议对分组进行处理，按X75协议和分组交换公用数据网（PSPDN）互通；扩展呼叫处理功能，当呼叫请求到来时，需要核对用户是否有权得到它所申请的业务，在路由选择阶段，根据SETUP消息的号码来选用合适的网络资源。二、BISDNBISDN以ATM和SDH技术为基础。三、ATM网络1、ATM物理层支持的接口用户网络接口和公共网络接口2、ATM的QOS参数最大信元传送延时逐个峰值信元延时变化信元丢失率第五节IP网络技术一、概述1、INTERNET与传统电信网的不同特点是无连接和面向连接不同，分组交换和电路交换不同；是收费方法不同二、IP网络主要技术方案1、IPOVERATM（1）基本原理把IP数据包在ATM交换机的ATM层全部封装成ATM信元，然后以ATM信元在信道中传输。当网络中的交换机收到一个IP数据包后，首先按照IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处理，按路由转发；然后再按照已计算的路由在ATM网中建立虚电路VC，最终所有以后接收到的IP数据包将在已建立的虚电路VC上以直通方式传输到网络边缘的路由器上，从而有效解决了路由器的瓶颈问题，并把IP数据包的转发速度提高到交换速度（2）分类叠加模式IP网的寻址是叠加在ATM网的寻址基础上的，也就是在该模式中ATM的寻址方式是不变得，IP地址在网络边缘设备中被映射成ATM地址，然后IP数据包再据此被传输到网络另一端的边缘设备集成模式就是ATM网设备和IP网设备集成在同一设备中，此时ATM网的寻址已不再是独立的，将要受到IP网设备的干预，ATM层可看成IP层的对等层，ATM端点设备也只需使用IP地址标识，不需地址解析协议，从而使得该模式下IP数据包的传输效率较高（3）ATM支持IPOVERATM的方法ATM作为链路即使用ATM的永久虚通路将地域上分离的路由器连接起来的工作方式，此时ATM只是作为链路将若干路由器连接起来，并没有参与IP网的寻址功能，因而其本质上仍然是一个路由器网，并没改变IP网的整体性能，只是提高了某些部分的传输速率而已ATM作为网络即ATM网以网络的形式来支持IPOVERATM，此时ATM参与了IP网的寻址功能，同时由于ATM的寻址功能及其他性能要远远由于普通路由器，因而在网络性能方面大大提高了IP网的性能，提高了传输速率，缩短了传输时延（4）IPOVERATM的优缺点优点（1）可利用ATM技术提供的QOS保证来提高IP业务的质量。（2）具有良好的流量控制均衡能力及故障恢复能力，网络可靠性高。（3）可利用ATM技术提供的多业务支持能力支持IP网的可扩展能力。（4）对其他多种协议如IPX等都能支持缺点（1）IP优先级（COS）分类还不能映射到ATM的QOS质量保证。（2）对IP路由支持一般，且由于IP数据包封装时加入大量头信息，造成带宽浪费。（3）在复制多路广播方面效率不高。（4）由于ATM本身技术复杂，导致管理困难2、IPOVERSDH（1）基本原理它是以SDH网络作为IP数据网的物理传输网络，即使用链路及PPP把IP数据包封装在PPP帧中，然后再由SDH通道适配层把封装后的IP数据包映射到SDH的净荷中，再向下，加上相应开销，封装入SDH帧中，最后才在光纤中传输，因此，它保留了IP面向无连接的特征（2）优点对IP路由得支持能力较强，具有较高的IP数据包传输效率符合INTERNET业务的要求（如多路广播的方式）。能利用SDH技术的环路和自愈合能力达到链路纠错和提高网络的稳定性。省略ATM层，从而简化了网络结构（3）缺点仅能对IP业务提供较好的业务支持，不适合于多业务平台。不能像IPOVERATM那样提供较好的QOS服务质量保证。对IPX等其他主要网络协议技术支持有限。3、IPOVERWDM（1）基本原理在发送/接收端，将不同波长的光信号复用送入同一根光纤中传输，将在同一根光纤中传输的光信号按不同波长解复用至不同的终端，即将IP数据包直接放在光纤上传输它是一种链路层数据网，此时，高性能的路由器通过光ADM或WDM耦合器，直接连至WDM光纤上，由它来控制波长完成接入、交换、选路和保护。（2）优点能充分利用有限的光纤资源，极大地提高带宽和传输速率。对所传输数据的传输码率、数据格式以及调制方式透明，如可以传输不同码率的ATM、SDH和吉比特因特网信号。具有较强的兼容性，并支持未来的宽带业务网及网络升级（3）缺点到目前为止，工作波长的标准化还没有实现。WDM系统的网络管理还不成熟。到目前为止，WDM系统的网络拓扑结构还只是基于点对点的工作方式，并没有形成“光网三、IP网络的QOS协议结构和策略IP网结构的基本设计原理是将“智能”放在位于网络边缘的源点和终点的网络主机上，而使网络核心尽可能的“傻”。设计QOS协议就是为了整个目的，QOS不能增加带宽，但是可以管理带宽，提高其使用效率以满足不同应用的需求。QOS的目的是在“尽力而为”之外，提高某种程度的预测和控制能力，此外，支持多点广播也是非常重要的。四、QOS协议QOS协议就是使网络及其设备（即应用、主机或路由器）为网络数据传输和服务提供某种程度保证的能力1、QOS的分类（1）资源预约（综合服务）即网络资源按照一种应用的QOS要求进行分配，制定带宽管理策略（2）优先级划分（区分服务）即对网络上的数据流进行分类。按照带宽管理策略准则分配网络资源，保证QOS网络部件对分类识别有更高要求的数据流给予优先处理根据数据流的种类可以用另一种QOS类型的分类方法。（1）按单个数据流实施。“数据流”被定义为在两个应用（发送者和接收者）之间的单个的，单向的数据流，可以用5种参数来分类，如传输协议、源地址、源端口号码、终点地址和终点端口号码。（2）按综合流实施。综合流由两个或更多个流组成。这些流有一些公共点，即上述参数中任意一个或多个标记优先级以及一些认证信息。2、QOS协议和算法（1）资源预约协议（RSVP），提供信令以实现网络资源的预约（或者看成是综合服务），显然一般是按流实施，RSVP也可以用来为综合流预约资源。（2）区分服务（DIFFSERV），提供一种粗糙而简单的方法，对网络中的数据流或综合流进行分类和定优先级。（3）多协议标记交换（MPLS），按照在包头中的标记，通过网络选路控制对综合流进行带宽管理。（4）子网带宽管理（SBM），在共享的交换的IEEE802网络第二层实现分类和定优先级。五、资源预留协议（RSVP）1、RSVP的工作过程RSVP提供预约设置和控制以实现综合业务发送者接收者路由器R路由器R路由器R路由器R路由器RPATHPATHPATHPATHRESVRESVRESVRESV2、RSVP的基本特征面向接收者，即对资源预留的发起与维护都由数据流接收者负责；可以为单播与组播应用提供资源预留；采用动态方式，从而可以适应路由及广播组成员的变化；业务流控制和策略控制参数对于RSVP透明；可以为不同的应用提供不同的预留“模式”；不支持RSVP的路由器或网络，RSVP可以透明通过；RSVP仅为单向数据流进行资源预留；RSVP同时支持IPV4或IPV6；独立于其他网络协议。3、RSVP实现的服务保证型服务，尽量接近虚电路的仿真。它通过并在路径上不同的网络设备，来提供确定端到端排队延时边界，按照TSPEC参数来确保带宽的利用（INTSERV保证）。可控制的负载，等效于在无负载情况下的“尽力而为”服务。因此，它优于“尽力而为”服务。但是它不能像保证型服务那样的承诺，提供限制边界的服务。六、区分服务（DIFFSERV）划分优先级区分型业务本质上是一种相对优先级策略区分型业务模型的优点是便于实现，只在网络的边界上才需要复杂的分类、标记、管制和整形操作区分服务是针对不同应用给分类服务提供一种简单、粗糙的方法第一种，迅速转发（EF）第二种，确保转发（AF）七、多协议标记交换（MPLS）流量工程（TRAFFICENGINEERING）是MPLS实现QOS的重要保证八、子网宽带管理（SBM）QOS保证程度取决于链路上最薄弱的环节。QOS“链”是端到端的介于发送者和接收者之间的路由，意味着在这条路由上所有的路由器必须支持前述的QOS技术。QOS“链”从上到下必须考虑两个方面发送者和接收者主机必须实现QOS，而应用可以明显地实现QOS，或者系统可以代表应用隐含地实现QOS。应用层以下的OSI每一层都必须支持QOS，以确保高优先地发送和接收请求，接收来自主机网络系统的高优先级处理。局域网（LAN）必须实现QOS，当穿过网络媒体时高优先帧接受高优先处理（即主机到主机、主机到路由器、路由器到路由器）。LAN是OSI的第二层，而QOS技术是在第三层（DIFFESERV）及其以上各层（RSVP和MPLS）。第六节网络管理技术电信网络管理（TMN）模型也是分层结构，从上到下分别为事务管理层、业务管理层、网络管理层和网元管理层一、TMN管理功能ITUT的M3XXX建议中规定了五个方面的管理功能，由于ITUT在建议中没有考虑事务层和业务层的管理，这些功能主要是指网络层和网元层的管理。这五个方面的管理是性能管理、故障管理、配置管理、计费管理和安全管理。1、性能管理性能管理分为性能监测、性能分析和性能控制。（1）性能监测是指同过对网络中的设备进行测试，来获取关于网络运行状态的各种性能参数值，对于各种不同类型的网络，可以监测各种不同的性能参数，如对交换网可监测接通率、吞吐量、时间延迟等，对传输网可监视误码率、误码秒百分数、滑码率等。（2）性能分析是在对通信设备采集有关性能参数的基础上，创造性能统计日志，对网络或某一具体设备的性能进行比较以预测未来的趋势。（3）性能控制是设置性能参数门限值，当实际的性能参数超出门限，则进入异常情况采取措施来加以控制。2、故障管理故障管理可以分为故障检测、故障诊断和定位以及故障恢复。（1）故障检测，是指对网络运行状态进行监视的过程中检测出故障信息，或者接收从其他管理功能域发来的故障通报，在检测到故障以后，发出故障告警信息，并通知故障诊断和故障修复部分来进行处理。（2）故障诊断和定位，首先启用一备份的设备来代替出故障的设备，然后再启动故障诊断系统对发生故障的部分进行测试和分析，以便能够确定故障的位置和故障的程度，启动故障恢复部分排除故障。（3）故障恢复，是在确定故障的位置和性质以后，启用预先的控制命令来排除故障，这种修复过程适用于对软件故障的处理。3、配置管理配置管理是网络管理的一项基本功能，对网络中的通信设备和设施的变化进行管理，例如通过软件设定来改变电路群的数量和连接。从网管信息模型的角度上来讲，配置管理就是对网络管理对象的创建、修改和删除。4、计费管理计费管理部分采集用户使用网络资源的信息，例如通话次数、通话时间、通话距离，然后一方面把这些信息存入用户帐目日志以便用户查询，另一方面把这些信息传送到资费管理模块，以便资费管理部分根据预先确定的用户费率计算出费用。计费管理系统还支持费率调整、用户查询、根据服务管理规则调整某一功能。5、安全管理安全管理的功能是保护网络资源，使网络资源处于安全运行状态。安全是多方面的，例如进入网络安全保护、应用软件访问的安全保护、网络传输信息的安全保护。安全管理中一般要设置权限、口令、判断非法的条件，利用设置的权限、口令条件对非法侵入进行防卫，以达到保护网络资源，达到网络安全正常运行的目的。二、网络管理模型1、管理系统的构成TMN采用了OSI管理系统中的管理者/代理模型，根据这