宽带通信网络技术的发展前景
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宽带通信网络技术的发展前景<一>
2000-5-20 00:00 CPCW
? 要点：
宽带网络技术的发展前景
宽带数据通信技术的发展
ATM网络技术和ATM LAN仿真
历史上话音通信和数据通信是互相分离的。话音是对延时敏感的动态信号，视频信号也有这个特点。与此相对照，计算机所产生的数据信号，包括数据、文字、图形和图象信息，是非动态的信号。传统的话音和视频通信都以模拟信号的形式实现。60年代，由于数字程控技术的发展和普及应用，用脉冲编码调制（PCM）技术把模拟信号数字化，把话音信号作成数字化的应用，使数字化的电话通信在全世界范围得到普遍应用，数字电路被用长距离电话通信的中继线，不仅提高了传输和交换的效率，也提高了话音通信的质量，数字化的程控交换设备不仅降低了成本，也增大了电话通信的容量，此外，提供在维护和管理上的方便。在电话通信技术的发展中，这是一次重大的技术革新。由于数字化的通信技术有这些突出的优点，目前，视频技术在向这一方向发展。随着计算机技术、微电子和芯片技术的不断提高，数字、数据通信能够共同到这些技术，使计算机和通信技术互相结合得更为紧密。历史上形成的话音和数据通信互相分离的状况正在逐步的改变，多媒体信息通信就是这种变化所产生的直接结果。
以下分别对数字和数据通信技术的发展，宽带通信的现状，数字和数据通信的会聚，以及面对未来公共宽带网络通信的发展作一概述。
一、数字通信技术
数字通信技术是在话音的脉冲编码调制技术的基础上发展的。传统的PCM技术用8K（每秒8000次）的速率采样话音信号，并且用8位的二进制数使话音信号数字化，得出话音的数字信号速率为64K位／秒，这种称为数字服务（DS）的一路话音数字信号速率，记号为DSO。若采用适当的压缩信息算法，在保持长距离电话话音质量的条件下，DSO可以作成3到16路的话音传输。这是采用数字化信息压缩算法的优点。数字化电路首先被用作现代公共电话网络（PSTN）的局间中继线路和长途电话线路。
对于多个话路的传输，数字通信技术采用时分多路复用的方法。例如，此类的标准T1，在（25微秒的时间帧内，分为24个时隙，每个时隙供一路数字话音信号的传输，总的传输速率为1．544Mb／s，称它为DS1，相应的欧洲标准，分为32个时隙，总的传输速率为2．048Mb／s，称为E1。在T1以上，有T2，T3。T1Κ1个DS1；T2Κ4个DS1（也称为DS2）；T3Κ28个DS1（也称为DS3）。由于在以上各个层次的速率之间没有确定的同步关系，把它 谱饕觳降氖窒盗校钩梢觳娇泶纭Ｆ渲蠺1，T3是使用得最为普通的，T3达到44．736Mb／s的数据速率。欧洲的等效标准E3，工作在34Mb／s，在2．048Mb／s的速率上，支持E1。E1，E3也是国际标准，在我国也使用E1，E3的标准。异步数字系列缺乏在各个速率层次之间统一的管理性能，不能作为一种完善的通信线路，或者不能把它们用作智能化的宽带网络。
数字服务的公共电话网络，目前主要用于传送电话通信，也可以用于传送数据，作成城域或广域的专用或者公共数据网络，以拨号线路或租用线路的形式作为数据通信的应用，称为数字数据服务（DDS）。在我国也称为数字数据网络（DDN）。
二、数据通信技术
数据通信已经经历了近四十年的发展历史，经过了几个主要的发展阶段，如大型主机终端通信，小型计算机通信网络，共享介质的局域网络，直到目前的应用日益广泛的数据交换技术。总体来说，由层次式的通信演变到对等的（peer
to peer）通信，即客户机／服务器的数据通信方式。
数据通信存在着LAN和WAN两个界限。LAN有高的通信率，如以太网（10Mb／s），令牌环网有4和16Mb／s两种数据速率，已属于宽带网络，和LAN相比，WAN的数据通信速率要低得多，如早先的19．2Kb／s，发展到56Kb／s，64Kb／s。但是近年来的趋势也在向宽带的方向发展，如使用T1（E1），T3（E3）租用线或专线。随着网络带宽的增加，通信线路使用的传输介质也从铜线转向光纤。
随着近些年Internet网络应用的迅速发展，数据网络通信技术呈现出迅猛的发展趋势。目前世界上有上亿台桌面机连接在LAN上，并且由于PC机的计算能力在迅速提高，强力的PC机在LAN上产生大的通信量，这就促使LAN技术向更高的数据速率方向发展，如TDDI，快速以太网(100BaseT)，ATMLAN等，这些局域网技术都有100甚至超出100Mb／s的数据速率。
LAN－LAN互相连接所积累的通信量的增长，最后会造成对高速率WAN的需求。除了使用公共电话网或者T1（E1）等租用线作为广域网以外，七十年代发展的X．25公共数据网络（PSDN）是在铜质的同轴电缆上传送数据的包交换网络，为了保证可靠的传输，在线路的每个中间节点上要花费差错校验和恢复的开销，如果有无法改正的差错，要提供重发的机制，只允许有较低的传输速率，每个端口为64Kb／s。随着技术的进步和提高WAN带宽的要求，在八十年代中后期发展了快包WAN技术，快包技术依靠在光纤介质上良好的传输性能，减少在中间节点上所花费的开销而获得高的传输性能。此外，由于通信终端设备性能的提高，把一些差错恢复功能放到终端设备上完成，减轻了传输的负担。快包网络表现为具有低的等待时间和很高的传输速率，因此更适用于宽带通信。例如，帧中继（Frame
Relay）网络是速率达到T3（约45Mb／s）的能够传送不等长数据包的快包标准。它是X．25包交换网络的换代技术，目前在美国和日本的WAN数据通信中已推广应用。除了帧中继以外，其它的快包技术有SMDS（多个兆位的数据服务），ATM（异步传输模式）等。
几种快包技术中，ATM是具有独特性能，并且在LAN和WAN网络上都具有良好的应用前景的快包技术。ATM网络技术利用短的、固定大小的信元作为传输单位，在光纤介质线路上传输，可以提供上百兆到上千兆位／秒的数据速率。除了高的数据传输速率以外，ATM网络针对不同的传输应用的要求，可以提供多种服务品质（QOS）。例如，对于传输延时敏感的话音和视频信号的通信，它提供优先级机制，使这些信息先于其它的数据信息传输。此外，短的固定大小的信元，也有利于网络中的交换。因此，ATM信元不仅用在ATM网络中，在宽带的ISDN和未来的公共宽带网络SONET／SDH（同步光网络／同步数字系列）中，也使用ATM信元作为信息传输的单位。
有了ATM信元和网络技术，能够真正地实现数字和数据兼容的通信服务。这是因为如果网络只提供高的数据通信速率，若不具备信息传送的优先级机制，对延时敏感的话音和视频等动态信息得不到优先传送的保证，对这类通信服务的效果是较差的。例如，帧中继快包技术是对单纯的数据通信优化的，即使它有很高的数据传送速率，它不适用于传送话音、视频的数字信号。又如，具有100Mb／s的FDDILAN，在园区的环境中，在有一定数量通信节点的情况下，即使把数字化的视频信号压缩到128Kb／s，也不能对它作有效传输。在高速率的局域网中，除了ATM的仿真LAN外，只有100VG－AnyLAN（IEEE802．12标准），由于这种网络设计了用于不同种类信息的优先级机制，可以适用对延时敏感的话音和视频信息。因此，要在局域和广域的范围内，实现无缝地高速传送多媒体信息，要依靠ATM信元和网络技术。
三、宽带WAN的发展方向
LAN是宽带通信网络，并且它的带宽在不断地提高。LAN通信的发展对WAN的带宽提出愈益增高的要求，如果能够做到LAN和WAN间的通信达到同等的带宽，这样，在相隔远距离的两个实体之间的数字、数据通信，就像是在本地那样的快捷、方便。事实上，由于近几年内WAN技术也在快速进步，上述设想是有可能实现的。例如，通过帧中继网络，，或者通过T3租用线，可以使相距遥远的LAN之间实现高带宽的广域通信。
目前，国外的公共电话公司和其它电信公司经营T3（E3）速率的数据传输服务。但是在企业网络中部署T3作为广域的通信线路，要考虑到异步类型的信号不支持相互间的关系。例如，在45Mb／s的T3信号内，见不到1．5Mb／s的T1。而T2是北美用于高速率数据WAN联网的标准。如果把信号重新装配成帧，则要花费时间和处理能力。此外，T3要求在光缆上传输数据，要求使用从电信号到光信号转换的接口。但是目前的异步传输技术只提供标准的电气接口，缺少用于异步信号的标准光学接口。这样导致在市场上出现许多种用于广域数据通信的专用的光学接口，速率包括45、90、135、405、565Mb／s，和1Gb／s等多种。这些北美标准的光学通信接口的数据速率虽然很高，但是不能够推广应用。
技术发展到目前的水平，对未来的广域公共宽带网络的要求是能够汇合各种通信，适合多媒体通信的要求，积累不断增加的数据传输速率，提供按需扩展的带宽。此外，要求这种公共宽带网络具有高度的智能性，要求具有完善的同步性能，加强技术和设备的标准化程度，完善和简化管理，方便用户使用。由于采取了严格的同步和标准化措施，在宽带网络中，可以方便地添加、删除，或者寻找某一个通信流。在光纤介质上，它能够提供几乎是用不尽的按需的带宽。这就是未来的智能化的公共宽带网络—SONET／SDH所具备的性能特点。
广域的公共宽带网络的应用可以产生许多令人振奋的通信服务。例如远距离的大型主机的互相连接和共同操作，实时的远距离装配制造和性能数据的评估，公司业务的远距离视频会议，高清晰度图象的传输，实时的远距离医学诊断和咨询，远距离的学习培训，世界范围的视频电话通信，按需的视频娱乐，在家办公和购物等范围广泛的应用服务。
开发智能化的公共宽带网络很重要的一个策略是要保证它的组成部分和现有的多种网络技术的兼容性。像传输系统、外部场地的光缆设施、运行系统和电源系统等这类现有的电信系统各个部件和接口应当是SONET／SDH标准的一部分。SONET的网络部件也应和现有的异步速度层次DS1，DS2，DS3等保持信号的相互作用。用这种方法，原有的DS（数字服务）保持信号可以和新的SONET保持信号相兼容。这样，未来部署的SONET／SDH网络能够保护过去多年来在电信业的基础设施上所作的大量投资。SONET／SDH形成连接高速率LAN的基础，而ATM网络技术提供实现按需带宽服务的能力。它们把LAN和WAN的网络单元集成在一起，使用公共的设备、基础设施和信令。并且有可能作成种类丰富的网络结构。通过这样的网络，就有可能使高速传输的ATM信元通过相隔遥远的距离直达桌面机，作成ATM信元无缝的连接。这种智能的、一体化的同步光网络便是未来超级信息高速公路的主干道。
四、宽带WAN使用的主要设备
1．CSU／DSU（信道服务单元／数据服务单元）
CSU／DSU的功能是在把信息送入广域网以前，按正确的成帧格式把它们装配成帧，并且提供给现场的集线器、交换机，或者路由器和宽带网络之间的接口。它再生从网络中接收的信号，也能够诊断传输线路的故障。它能自动地监视信号，检测传输的不规则和信号丢失。
2．DCS（数字交叉连接系统）
可以用DCS设置高速率的数据的路由。它的另一个作用是修饰和填充（groomandfill）。根据通信需要，有时要从T1设备中选择地消除DSO（修饰）；和为了有效地传输，需要把DSO安插进部分利用的T1设施中（填充）。虽然DCS比人工的配线板更为灵活，但它不适用于像设置呼叫和替换路由这样的实时的操作。
3．多路复用器（Multiplexer）
对宽带网络规定的最慢的数据速率比大多数路由器、网桥和视频编码器／解码器的工作速率快。甚至在T1速率，可以用时分多路复用器（TDM）共享带宽。它在24个信道中间交换，把信息交叉放入1．544Mb／s的连续的数据流中。多路复用器以成对的方式工作。
在更高的速率时，多路复用技术变得愈加重要。网络管理人员对每个低速率的设备选择专用的高带宽的电路，或者在宽带电路上多路复用若干个低速率的信号。可以把宽带的多路复用器想象成交换机，但是它能够做的工作要超出只是提供多个用户的连接。多路复用器通过V．35或HSST这类标准接口从路由器或者网桥接受数据，然后把数据分段成信元，给每个信元加上地址，并且把它变换成广域网（T3／E3或者SONET／SDH）的帧结构。
4．路由器（Router）
路由器提供在LAN数据包和宽带广域网络之间的协议的转换。例如，它能够在LAN帧和ATM交换网络上发送的ATM信元之间作出转换。在这样的路由器内部的分段和再装配（SAK）功能首先要实现ATM适配层（AAL）的功能，把LAN帧转换成用于传输的信元，然后再把接收的ATM信元装配成LAN帧。最终这个性能允许把ATM网络作成传输LAN和WAN通信的高速干线，而末端的用户继续可以保持他们现有的LAN标准和费用结构。
5．交换机（Switch）
公共宽带网络用的交换机是企业用交换机的更大和更加智能化的类型。公共宽带网络的交换机有可能在每秒钟内处理数十万个呼叫，具有上千个交换端口，每个端口以SONET／SDH网络的速率工作。由输入控制器和交换设施完成全部的信元处理工作。使用SONET／SDH网络，已经把可用的带宽划分成时间槽。当它们出现时，控制处理机解开其中的信息内容，完成呼叫的建立和拆除、带宽的备用、管理和维护。
交换机的输入／输出（I／O）端口是同步的，所以到达交换机设施上的所有的信元用它们的头部对齐。把这种通信称为开槽的通信。在输入控制器中转换所有的虚电路标识符（VCI）。按照路由表中的规定，把每个进入的VCI的有关信元汇集到正确的输出端口，完成交换作用。
五、数字、数据的会聚
在信息通信中正在出现的公共宽带网络技术将从根本上改变全球范围的通信手段。随着高容量的光缆，同步光网络，数字或交换机，以及卫星通信链路等世界范围的公共通信基础设施的建立，可以在全球范围内更迅速有效地传布信息，许多公司企业可以从任何地理位置自由地进行商业联系，一度是少数几家公司所拥有的信息，现在可以通过Internet网络，由任何人从任何地方对它作出访问。其结果造成的对所有人都是自由的信息服务正在重新绘制有线电视、广播、出版、文化娱乐、电信和计算机工业的传统布局。继续增加的电信服务项目，以多媒体信息为代表的技术聚在一起，是近年来最为重要的技术进步之一。多媒体技术把文本、图象、话音和视频带进教育和娱乐中，向知识和意识的所有方面提出挑战。处在变化前沿的多媒体应用的关键项目是组群软件（groupware），多媒体电子邮件，和像客户机／服务器这样的数据库系统。多媒体应用来自无处不在的的PC机数目的迅速增长，以及随之而来的LAN数目的增长和LAN通信的积累。事实上，这些带宽密集的应用需求已经明显地影响了专用的和公共的网络，正在打开前所未有的市场机遇。所有类型的信息设备，包括PC机，PDA（个人数字服务），数字电视等，都将接入宽带网络中，访问多种服务
提供的多媒体信息，和用许多种联机服务连接用户。
关于多媒体信息会聚所使用的工具，某些公司相信装有智能电缆箱的电视接收设备将是到达超级信息高速公路的主要接口；其它的公司则认为是围绕类似PC机这样的设备来会聚数据计算和电话电视。
不论是那种会聚的方式，正在出现的情况是PC将会快速地变成处理多媒体信息的设备，或者电视接收设备将会变成高度智能化的，并且能够收发和处理数字、数据信息的设备。正在发生的微处理机和电视技术的结合是把PC和广播电视、有线电视和电话网络的联合联系起来。这种会聚数字和数据的设备能够起多媒体信息服务的智能终端的作用。它既是发送和接收电话和传真的处所，又是电子邮件的出入口，也是产生和接收业务文件资料的站，制造商提供计算机电话的软件包，它许可用户实现引导电话呼叫，集成电话、传真和电子邮件的功能，把通信和数据库程序连接起来。一种称为Softphone的软件包可以通过Windows界面提供电视会议，呼叫转移，加快拨号和其它所有和电话功能有关的支持。
制造商也在开发在熟悉PC结构的基础上建立的手持式信息服务设备可以访问的新一代的个人通信服务，提供各种信息的通用的连接。PC技术和电信的合作提供一个无缝的通信环境，并且为用户满足最简便的使用要求。
在把一般的PC机改变成能够全面地会聚数字和数据的多媒体信息服务的设备以前有许多工作要做。制造商已经在开始进行改进有线电视和电话接口的工作。这种会聚的PC机要求使用由多任务的操作系统控制的全部64位微处理能力，并且具有快速的内部总线，快速的视频控制作用，和有巨大数量的存储。它也需要具备数据信息和娱乐网络两者相接口的内置的软件。
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