第三章通信子网

第三章通信子网本章内容3.1电信网络技术与多媒体传输3.2传统面向连接的分组交换网络与多媒体传输3.3Internet与多媒体传输3.4局域网与多媒体传输3.5ATM与多媒体传输3.6接入网络与多媒体传输3.7WiMax技术3.83G移动多媒体通信多媒体应用对通信子网的需求回顾占用带宽大，时延要求小演变过程而不是全部更新局域网：1、2层广域网:1、2、3层参量要求：带宽：单向至少支持1.4Mbit/s传输时延：单个网络最大时延60ms

广域网每一跳最大时延10-15ms多点通信：多播支持可靠性：高效平稳的差错控制和恢复现有网络对多媒体通信的支撑情况

通信网络三大类:(1)电信网络，如公用电话网PSTN、分组交换网PSPDN、数字数据网DDN、窄带和宽带综合业务数字网（N-ISDN和B-ISDN）等；(2)计算机网络，如局域网（LAN）、广域网（WAN）、光纤分布式数据接口（FDDI）、分布列队双总线（DQDB）等；(3)电视传播网络，如有线电视网(CATV),混合光纤同轴网（HFC）、卫星电视网等。这些通信网络虽然可以传输多媒体信息，但这些网络都是在一定历史条件下为了某种应用而建立的，都不同程度地存在着各种缺陷。3.1电信网络技术与多媒体传输电信网络技术最早是为电话通信而设计的，采用电路交换的电话网适合连续语音的传输，而数字传输技术SONET/SDH具有高容量传输的能力。ISDN是一个考虑到综合业务支持的网络。电信网络其实非常适合传输连续的音频媒体流和固定带宽的视频数据。

3.1.1公共交换电话网（PSTN）

普及程度最高、成本最低。

PSTN以电路交换为基础，即通过呼叫，在收、发端之间建立起一个独占的物理通道，该通道有固定的带宽。由于路由固定，延时较低，而且不存在延时抖动问题，这对保证连续媒体的同步和实时传输是有利的。但电话信道带宽较窄，且用户线是模拟的，多媒体信息需要经过Modem接入。可以通过对用户双绞线作技术改造（如xDSL、ISDN等），使用户线带宽增加到2Mb/s以上，基本上可支撑多媒体通信的所有业务。租用线业务数字租用线

T1：1.544Mbit/sE1:2.048Mbit/s

T2、T3、T4E2、E3、E4、E5专用线路，满足要求成本高数字数据网（DDN）

DDN利用电信数字网的数字通道传输，采用时分复用技术，提供固定或半永久连接的电路交换型链接，传输速率为n×64kb/s(n=1～31)或更高，其传输延时低且固定（在10个节点转接条件下最大时延不超过40ms），带宽较宽，适于多媒体的实时传输。因为点对点、以及点对多点的通信，都需要网管中心来建立和释放连接，所以它的服务对象必须是大型用户。3.1.2窄带综合业务数字网（N-ISDN）

以电路交换为基础的网络，因此也具有延时低而固定的特点。它的用户接入速率有两种：基本速率（BRI）144kb/s(2B+D)和基群速率（PRI）2.048Mb/s(30B+D)。

ISDN支持包括话音、数据、图像等各种多媒体业务，能够满足不同用户的要求。通过多点控制单元建立多点连接，在N-ISDN上可实现较高质量的可视电话会议和电视会议。

3.2传统面向连接的分组交换网络与多媒体传输X.25帧中继3.2传统面向连接的分组交换网络与多媒体传输因为计算机数据是突发数据，让收发端点独占信道就会浪费大量带宽，分组交换网络应运而生。主张电信思路的设计者建立的分组交换网络是面向连接的，这是早期分组交换网络技术的一个分支。典型的X.25和帧中继网络是否支持多媒体传输？3.2.1分组交换公众数据网（PSPDN）-X.25

基于X.25协议的网络。需要传输的数据在发送端被分割成单元（分组或称打包），各节点交换机存储来自用户的数据包，等待电路空闲时发送出去。窗口流控制和繁琐的差错恢复机制，不超过2Mbit/s，一般为64kbit/s，导致变化和不可控的时延。延时较大，这些都使连续媒体的同步和实时传输成为问题。

随着光纤越来越普遍地作为传输媒介，传输出错的概率越来越小，在这种情况下，重复地在链路层和网络层实施差错控制，不仅显得冗余，而且浪费带宽，增加报文传输延迟。由于分组交换公众数据网PSPDN是在早期低速、高出错率的物理链路基础上发展起来的，其特性已不再适应目前多媒体应用所需要的高速远程链接的要求，因此，PSPDN不适合于开放多媒体通信业务。3.2.2帧中继网络（FR）

FR是一种简化的帧交换模式，由于信息转移仅在链路层处理，因此简化了交换过程和协议，具有较高的吞吐量和较低的延时，对中高速、突发性强的多媒体业务极具吸引力。尤其是利用FR作为多媒体用户接入方式是经济有效的方案。帧中继网是开放会议电视业务的LAN远程互联的一种优选技术。3.3Internet与多媒体传输现在大量的信息是通过Web向用户提供的，包括多媒体信息、视频和音频流等。Internet网络及其体系结构是否能够有效地支持多媒体传输呢？为了更好地理解这里问题，我们从基本的TCP、UDP和IP协议说起。3.3Internet与多媒体传输Internet的多媒体传输能力多媒体电子邮件多播与MBoneInternet23.3.1Internet的多媒体能力

基于网际协议IP的Internet是由不同网络（又称为子网）互连所组成的，是网络的网络。应该从网络层来观察其多媒体通信的适应性，而不是从子网角度。IP没有带宽的限制决定于链路服务所提供的带宽穿越不同的路由，遭遇不同的路由时延

一般而言，传输质量差，时延变化非常严重。

IPv6提供流标签，区分常规数据和高优先级分组，标识不同的实时流，改善多媒体数据的传输。IPv4不保障，TCP保障

TCP:反馈重传的差错控制、流量控制和拥塞控制，报文按序传送，不适合。1）按序报文增加媒体流的随机时延2）滑窗控制，窗口满，暂停发送，媒体流断断续续，对等时性不利3）慢启动，拥塞避免，窗口立即降为1，严重损害媒体流的平稳和均匀性。

TCP不适合传输多媒体数据流。UDP的使用前提是底层网络的差错率低且不拥塞，UDP适合。通过协议增强和补充的方式，提供支持。带宽依赖于端到端之间的所有链路、节点、子网和路由器。带宽高，应用好通过设施和协议增强、提供新的媒体流时延约束和资源预留，已越来越好。3.3.2多媒体电子邮件MIME－MultipurposeInternetMailExtension，多用途因特网邮件扩展格式。

解决电子邮件关于多媒体信息表示的格式问题。3.3.3多播和MBone多播（Multicast）的应用需求MBone是重叠在Internet之上具体实现的一种虚拟的多播骨干网。隧道连接多播岛AS之间的路由算法有协议独立的多播（ProtocolIndependentMulticast，PIM）

PIM-DM、PIM-SM3.3.4Internet2设计目标是要克服现在的Internet固有的吞吐量、时延和时间抖动，使之适合传输多样化的多媒体数据流。实验性网络3.4局域网与多媒体传输标准以太网交换以太网高速以太网无线以太网3.4局域网与多媒体传输局域网的优势是数据率高，支持多播。但是传统的竞争式协议有损于连续媒体流的传输。因此，局域网是否支持多媒体传输，关键看其协议的特性，是否会损害数据包传输的等时性，传输时延是否有保障。局域网与多媒体传输10BASE-T以太网1978年提出，传输速率为10Mbps，最大站间距离为1500米，可通过中继器扩展网络覆盖范围，速度有限，不能完全适应多媒体通信实时性要求和媒体种类变换的要求，但对静态媒体的传输效果还可以。100BASE-T快速以太网是由快速以太网联盟开发的100Mbps高速以太网，组成的LAN较好地支持多媒体通信，IEEE已将100BASE-T确定为IEEE802.3u标准。千兆以太网联盟开发的1000Mbps以太网技术，已作为IEEE802.3z和802.3ab标准，千兆以太网技术显著地提高了网络的可用带宽，可用在任何规模的局域网的通信中。但以太网没有提供QoS的支持，这对多媒体通信来说是一种缺陷。重发器重发器服务器以太网构成交换以太网

采用交换技术的HUB称为以太网交换机，这种网络也称为交换式以太网。1）交换表

MAC地址、交换机接口号、时间过滤，高速转发，广播学习2）存储转发和直通式计算机接入交换机，全双工通信，不需要CSCA/CD，提供非常好的多媒体传输质量。FDDI(光纤分布式数据接口)FDDI实际上是以光纤为传输媒介的、速率为100Mbps的令牌环局域网的ANSI标准。IEEE已将FDDI确定为IEEE802.8标准。它既可用于主机与外围设备之间、各主机之间的互连，又可作为主干网，实现了多个LAN连接。FDDI是一种提供面向连接传输服务的高速局域网，固定分配通信信道带宽。16个面向连接服务，每个6.144Mbps。由于它专用于数据传输，不能为不同媒体选择不同协议、不能动态分配带宽，所以对多媒体通信支持有局限性。

节点机PABXCTVCTV数据交换机………2MbpsTELTELFAXFAX2Mbps会议电视FDDI以太网以太网以太网FDDI结构及应用3.4.2无线局域网传统的802.11MAC机制

DCF，PCF不足：1）DCF：冲突，长时间霸占2）无优先级：时延敏感的媒体流不能优先发送3）PCF提供的QoS是有限的

CFP起始时间不可预计：AP信道空闲才能发送信标，进而抢夺信道。被探寻站的传输持续时间未知：分片基本的DCF工作模式

RTS-CTS-DATA-ACK序列报文交换的DCF802.11e的MAC机制及其QoS保障定义了混合协调功能HCF,增强DCF和PCF。HCF以新的访问方式提供改善的访问带宽并且减少了高优先级通信的时延HCF包含两种信道访问方法。1)增强分布式信道访问EDCA（扩展了DCF功能）2)HCF可控信道访问HCCA（扩展了PCF功能）

两者定义了通信量类型（TrafficCategories，TC），如e-mail可以赋予低优先级，VOIP可以赋予高优先级。

每个类别配置4个参数：最小竞争窗口CWmin

最大竞争窗口CWmax

发送机会TXOP

仲裁帧间间隔AIFSEDCA的工作原理高优先级的通信量可以获得比低优先级通信量更多的发送机会，即等待时间少额外时间段长度根据要发送的数据类型而定。AIFS定义额外等待时间段1）等待AIFS时间段后，生成一个CWmin和CWmax之间的随机数字作为等待时间，然后空闲则使用信道。高优先级数据－>低的CWmin和CWmax

高优先级的CWmax+AIFS>低优先级CWmin+AIFS

避免低优先级数据完全被封锁。2）每一个优先级类型设置一个TXOP，定义一个受限的时间间隔，尽可能在此时间内发送尽可能多的帧，数据大则多次发送。语音数据，TXOP限制小，因为语音数据包短，FTP、电子邮件和网络数据则设置较大的TXOP限制值。解决了传统模式下低速率站点占用信道太长的问题。3）AP通过使用“通信量说明”TSPECs请求来控制网络访问容量。一个站点为每一个类型发一个TSPECs请求，具体说明为此类型申请的数据量以及可以承受的时延。若AP计算从各个站点收到的请求超过网络容量，将拒绝这些请求，即实施许可控制若申请遭拒绝，则站点不再发送，而是结合到低优先级数据中。PCF的工作原理HCCA的工作原理划分为无竞争周期CFP和竞争周期CP，但允许在CP期间的任何时刻启动CFP，这种CFP称为可控访问期（ControlledAccessPhase，CAP）。1）当AP要与一个站点收发帧的时候，则以无竞争方式启动一个CAP，采用这种机制，AP总能获得信道的访问权限，因为其等待时间比任何EDCA用户最短的AIFS时间还要短。2）HCCA为每一个应用配置单独的服务质量设置。位于AP中的混合协调器HC控制对信道的访问，轮流查询单个站点，并且根据已经配置好的具体QoS参数，设置访问信道的权限，无竞争。因此，高优先级数据时延不会随通信量增加而损失。3）CP期间，所有站点以EDCA方式工作4）HCCA定义了通信量类TC和通信量流TS，意味着不仅站点间需要排队，而且同一站点内不同的通信流也需要排队。5）站点给出每个通信量类的队列长度，HC可以利用这些信息，为某个站点赋予优先级，或调整其调度策略。6）站点也可以被赋予一个TXOP，即在HC给定时间内连续发送多个帧。

通常认为HCCA是最先进和最复杂的协调功能，因为HCCA可以设置非常精确的QOS能力。具有QOS能力的站点能够请求的传输参数可以是数据率、时延抖动等，使得VOIP和视频流媒体应用可以在无线局域网上工作很好。

3.5ATM与多媒体传输ATM网络的概念和特性ATM协议参考模型ATM连接和交换ATM提供的服务和QoS3.5ATM与多媒体传输ATM在设计中就考虑到多媒体传输。ATM在WAN环境下是非常成功的，大量电信提供商在其广域网核心中实现了ATM.许多ADSL实现也采用ATM。但是，其在LAN领域是失败的。因为其复杂性，其作为单个网络一统天下的梦想破灭。尽管这样，基于现有ATM部署的系统仍然还会使用一段时间。ATM中的一些技术是非常先进的，新的网络技术可能会采用其思想。3.5.1ATM的概念和特性电路交换和分组交换的不足宽带网络需要适应各种信道速率，具有低时延特性，并与具体的业务种类无关。异步传输模式ATM(AsynchronousTransferMode)应运而生。ATM属于分组交换，但结合了电路交换和分组交换的优点，是在光纤通信之上建立起来的交换技术。目前，ATM是运行在PSTN网络的SDH/SONET骨干网之上的核心协议。1、同步转移模式STM和异步转移模式ATMSTM来源于同步时分技术。同步时分技术采用固定帧长度结构，根据时隙在帧内的相对位置来识别信道，即帧中的时隙周期性出现，需要同步信号来进行同步定位。ATM而不是根据时隙位置来识别信道的，其采用异步时分（统计时分）方式，利用时隙中的标记来识别信道和交换。因此，不需要同步信号进行时隙定位，这就是异步的含义。STM属于时分电路交换，ATM属于固定数据包长度的分组交换，采用面向连接的转发方式。2、ATM的特点－解决传统网络技术存在问题固定长度的短数据单元（称为信元）的传输机制。代替传统的长度可变的分组传输，有利于高速转发和缩短时延。长度固定的信元首部便于硬件处理，缩短在节点的处理时间。支持各种速率业务。

ATM采用统计复用方式，当各终端的比特流在链路控制器中形成完整信元后，按先到先服务的原则插入到空闲时隙内，不同类型的业务可以复用在一起。高速率信源占用较多的时隙，低速率信源则占用较少的时隙。这样，一般的多媒体数据源，可变比特流VBR信源就适合按照这种信道复用方式进行传输。采用面向连接的技术。

ATM在底层是以面向连接的方式传送数据，以获得电路交换的实时性优点。高层进行差错控制和流量控制。由于光纤信道的误码率非常低，信道容量大，因此，ATM不在数据链路层进行差错控制和流量控制，而是放在高层处理，明显地提高信元的数据率及其实时性。ATM的缺点信元首部的开销太大，即5字节的信元首部在整个53字节的信元中所占的比例相当大。ATM的技术复杂且价格较高。ATM能够直接支持的应用不多。10千兆以太网的问世，进一步削弱了ATM在因特网高速主干网领域的竞争能力。3、信元结构

ATM信元，是一个固定长度的信息块。总长度53字节，首部为5个字节，负荷部分是48个字节。信元首部的两种格式用户网络接口UNIVS网络结点接口NNIUNI是用户终端设备与网络的接口

NNI则是网络结点之间的接口字段含义：GFC（GenericFlowControl）:一般流量控制，用于实现端点到交换机的流量控制。VPI（VirtualPathIdentifier）：虚拟路径标识符，标识ATM中一条虚拟路径连接。VCI（VirtualChannelIdentifier）:虚拟信道标识符，标识ATM中一条虚拟信道连接。PT（PayloadType）:负荷类型，用户数据信元或管理信元，表示用户信元的类型和拥塞指示。CLP（CellLossPriority）：信元丢失优先级，指示拥塞时应优先丢弃哪些信元。HEC（HeaderErrorControl）:信元首部差错控制，用来确保信元首部的正确性，可以进行多比特的差错检测和1比特的纠错。3.5.2ATM协议参考模型立体模型，水平上分为层，垂直上分为面。1）用户平面。分层结构，提供用户所要求的应用、协议和服务2）控制平面。分层结构，包括呼叫建立、维护以及撤销连接等有关的功能。3）层管理和平面管理。层管理执行各层实体间的控制交互管理，平面管理则执行与系统整体有关的管理功能，协调各平面之间的关系。用户和控制平面可分为物理层、ATM层、ATM适配层和用户层。简化的ATM的协议参考模型可以将ATM的协议参考模型分三层，大体上与OSI的最低两层相当（无法严格对应）。

ATM层物理层PMD子层TC子层ATM适配层(AAL层)SAR子层CS子层321ATM的层次1、物理层（分为两个子层）靠下面的是PMD子层，即物理媒体相关子层(PhysicalMediumDependentSublayer)ATM层物理层PMD子层TC子层ATM适配层(AAL层)SAR子层CS子层321ATM的层次PMD子层负责在物理媒体上正确传输和接收比特流。它完成只和媒体相关的功能，如线路编码和解码、比特定时以及光电转换等。1、物理层（分为两个子层）靠上面是TC子层，传输汇聚子层(TransmissionConvergenceSublayer)ATM层物理层PMD子层TC子层ATM适配层(AAL层)SAR子层CS子层321ATM的层次TC子层实现信元流和比特流的转换，包括速率适配（空闲信元的插入）、信元定界与同步、传输帧的产生与恢复等。TC子层的存在使得ATM层实现了与下面的传输媒体完全无关。典型的TC子层就是SONET/SDH。2、ATM层ATM层基本服务是完成ATM网上的用户与设备间的信息传输（交换、复用等）。信息传输通过在这些用户和设备间建立连接进行，而连接按照ATM网端点间的虚连接（虚电路）概念建立的。设备类型：端点和中间结点。端点是用户设备，中间结点是ATM交换机。所有的连接在端点开始并在另外的端点结束，结点交换端点传输的信息。连接可以是永久的，永久虚电路PVC；也可以是暂时的，交换虚电路SVC。建立PVC或SVC的方法是采用虚路径连接VPC和虚信道连接VCC。ATM利用虚路径和虚信道的标识符VPI、VCI来管理连接。2、ATM层ATM层物理层PMD子层TC子层ATM适配层(AAL层)SAR子层CS子层321ATM的层次主要完成交换和复用功能，与传送ATM信元的物理媒体或物理层无关。

信元的VPI/VCI转换（就是将一个入信元的VPI/VCI转换成新的数值）信元首部的产生与提取流量控制ATM的功能一般流量控制信元首部的产生信元首部的去除信元首部的转换信元汇集和分检信元速率无关处理网络拥塞控制信元丢弃3、ATM适配层－AAL,ATMAdaptationLayerAAL作用是增强ATM所提供的服务，负责适配从用户层来的信息和应用，以形成ATM网络可以利用的格式和可以支持的应用类型。AAL将用户的协议数据单元PDU装入信元的负荷字段，或进行相反的操作。AAL屏蔽用户对ATM层的具体操作，因为送给ATM的信息有多种格式，每一种都要求对ATM网络有不同的适配，ATM定义了不同类型的AAL服务。数据协议必须产生与ATM网络适配的信息单元，例如IP。AAL的两个子层汇聚子层（ConvergenceSublayer，CS）对来自用户层的信息单元，如IP，做分段准备，以便之后CS层能够将这些数据包再组装成原来的数据包。为此，CS子层加入了控制信息附在用户信息上，包括标头和后缀形式。CS控制信息将与用户数据一起放入信元的负荷部分。分段与组装子层（SegmentationandReassembly,SAR）把来自CS的信息单元（汇聚子层协议数据单元CS-PDU）分割为48字节的负荷，这部分是用户实际通信的有用信息。穿越ATM适配层和ATM层之间的信息单元只能是48字节长。同样，接收时SAR子层将组装多个48字节的信息单元成CS子层所要求的协议数据单元，完成相逆的过程。AAL(ATMAdaptationLayer)层的作用就是增强ATM层所提供的服务，并向上面高层提供各种不同的服务。

ATM适配层AAL

ATM层物理层PMD子层TC子层ATM适配层(AAL层)SAR子层CS子层321ATM的层次3.6接入网络与多媒体传输对于视频应用来讲，用户接入的带宽是一个难点。用户计算机是通过接入网接入到主干通信网络系统中的，因此要求其既要速率高，又要便宜，大量用户要能够用得起。这就是常说的“最后一公里问题”。必须采取新的宽带接入网络技术和方法加以解决。3.6接入网络与多媒体传输信息使用的对称与非对称模式电话线接入网ADSL有线电视接入网HFC光纤接入网3.6.2电话线接入网非对称数字用户线路ADSL

使用现有用户的电话线，在一对双绞铜线上传输高速数字数据，双向速率不同，上行为64kb/s，下行为1.544或6.144Mb/s。ADSL基本原理电话线2MHz带宽，