# 第一章 1L410000通信与广电工程技术

# 第一部分 1L411000通信与广电工程专业技术

# 1L411010通信网

# 1L411011现代通信网及其发展趋势

# 一、现代通信网及其构成要素

# （一）通信网的概念

通信网是由一定数量的节点（包括终端节点、交换节点）和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。用户使用它可以克服空间、时间等障碍来进行有效的信息交换。

通信网上任意两个用户间、设备间或一个用户和一个设备间均可进行信息的交换。交换的信息包括用户信息（如语音、数据、图像等）、控制信息（如信令信息、路由信息等）和网络管理信息三类。

# （二）通信网的构成要素

实际的通信网是由软件和硬件按特定方式构成的一个通信系统，每一次通信都需要软硬件设施的协调配合来完成。

从硬件构成来看通信网由终端节点、交换节点、业务节点和传输系统构成[2010.1]，它们完成通信网的基本功能：接入、交换和传输。

软件设施则包括信令、协议、控制、管理、计费等，它们主要完成通信网的控制、管理、运营和维护，实现通信网的智能化。

# 1、终端节点

最常见的终端节点有电话机、传真机、计算机、视频终端、智能终端和用户小交换机。其主要功能有：

（1）用户信息的处理：主要包括用户信息的发送和接收，将用户信息转换成适合传输系统传输的信号以及相应的反变换。

（2）信令信息的处理：主要包括产生和识别连接建立、业务管理等所需的控制信息。

# 2、交换节点

交换节点是通信网的核心设备，最常见的有电话交换机、分组交换机、路由器、转发器等[2019.1]。交换节点负责集中、转发终端节点产生的用户信息，但它自已并不产生和使用这些信息。其主要功能有：

（1）用户业务的集中和接入功能，通常由各类用户接口和中继接口组成。

（2）交换功能，通常由交换矩阵完成任意入线到出线的数据交换。

（3）信令功能，负责呼叫控制和连接的建立、监视、释放等。

（4）其他控制功能，路由信息的更新和维护、计费、话务统计、维护管理等。

# 3、业务节点

[2015.1常见的业务节点]

最常见的业务节点[2015.1常见的业务节点]有智能网中的业务控制节点（SCP）、智能外设、语音信箱系统，以及Internet上的各种信息服务器等。它们通常由连接到通信网络边缘的计算机系统、数据库系统组成。其主要功能是：

（1）实现独立于交换节点业务的执行和控制；

（2）实现对交换节点呼叫建立的控制；

（3）为用户提供智能化、个性化、有差异的服务。

# 4、传输系统

传输系统为信息的传输提供传输信道，并将网络节点连接在一起。其硬件组成应包括：线路接口设备、传输媒介、交叉连接设备等。

传输系统一个主要的设计目标就是提高物理线路的使用效率，因此通常都采用了多路复用技术，如频分复用、时分复用、波分复用等。

# 二、现代通信网的功能和分类

# （一）通信网的功能

日常工作和生活中，我们经常使用各种类型的通信网，例如电话网、办公室局域网、互联网等，虽然这些网络在传送信息的类型、传送的方式、所提供服务的种类等方面不尽相同，但它们在网络结构、基本功能和实现原理上是相似的，都实现了以下四个主要的功能：

# 1、信息传送

信息传送是通信网的基本任务，传送的信息主要分为三类：用户信息、信令信息和管理信息。信息传送主要由交换节点和传输系统完成。

# 2、信息处理

网络对信息的处理方式对最终用户是不可见的，主要目的是增强通信的有效性、可靠性和安全性，信息最终的语义解释一般由终端应用来完成。

# 3、信令机制

信令机制是通信网上任意两个通信实体之间为实现某一通信任务，进行控制信息交换的机制，如电话网上的No.7信令、互联网上的各种路由信息协议和TCP连接建立协议等。

# 4、网络管理

网络管理功能主要负责网络的运营管理、维护管理和资源管理，保证网络在正常和故障情况下的服务质量，是整个通信网中最具智能的部分。

# （二）通信网的分类

现代通信网从各个不同的角度出发，有不同的分类，常见的有以下几种：

  1. 按业务类型，可分为电话通信网（如PSTN、移动通信网等）、数据通信网（如X.25、Internet、帧中继网等）、广播电视网等；
  2. 按空间距离和覆盖范围，可分为广域网、城域网和局域网；
  3. 按信号传输方式，可分为模拟通信网和数字通信网；
  4. 按运营方式和服务对象，可分为公用通信网和专用通信网（如防空通信网、军事指挥网、遥感遥测网等）；
  5. 按通信的终端，可分为固定通信网和移动通信网。

# 三、现代通信网的发展趋势

现代通信网的发展已经脱离了纯技术驱动的模式，正在走向技术与业务结合和互动的新模式。未来10年，从市场应用和业务需求的角度看，语音业务向数据业务的战略性转变将深刻影响通信网的技术走向。一直以来，传统通信网的主要业务是话音业务，话务容量与网络容量高度一致，并且呈稳定低速增长。现在，通信网数据业务特别是IP数据业务呈爆炸式增长，业务容量每6~12个月翻一番，比CPU性能进展的摩尔定律（每18个月翻一番）还要快，网络的业务性质正在发生根本性变化。基于此，通信网的技术发展将呈现如下趋势：

# 1、网络信道光纤化、容量宽带化

光纤具有带宽大、重量轻、成本低和易维护等一系列优点，从最初应用于长途网，之后是中继网和接入网，现在光纤到路边、到小区、到大楼进入普及阶段，并转向光纤入户（FTTH），最终实现全光网络。

数据业务特别是IP业务量的飞速增长以及更多高清、实时的业务需求，光纤传输、计算机和高速数字信号处理器件等关键技术的进展，二者相互作用，促使现代通信网的宽带化进程日益加速。

# 2、网络传输分组化、IP化

随着互联网的大力普及，网络应用加速向IP汇聚，传输分组化的趋势越来越明显，话音、视频等实时业务均转移到了IP网上，出现了Everything On IP的局面。传输网经过SDH、MSTP、OTN、PTN等发展阶段后，会继续秉承光传输系统的传统优势，逐步实现网络传输分组化、IP化的有序演进。

# 3、接入宽带化、IP化、无线化

从业务发展趋势的角度看，云计算、电视互联网和4K视频业务不断推动超宽带入户，接入网的宽带化、IP化的趋势不断深化；随着移动通信系统的带宽和能力的增加，无线网络速度也飞速提升，无线接入的基础日趋稳固，将促进接入无线化的进一步发展。

# 4、三网融合

随着现代通信网的技术发展，为电话通信网、计算机通信网和有线电视网[2018.21]的融合发展铺平了道路，尽管三网各有特点，但技术特征正逐渐趋向一致，特别是向IP的汇聚成为发展的主导趋势，随着接口标准和规范方面的进一步协调，三网终将平滑过渡到一个统一的网络层面上。

# 5、下一代网络

下一代网络（NGN）泛指一个以IP为中心，支持语音、数据和多媒体业务的融合或部分融合的全业务网络。

ITU-T将NGN的主要特征归纳为：基于分组传送；控制功能与承载/能力、呼叫会晤、应用/服务分离；业务提供与网络分离，并提供开放接口；支持广泛的业务，包括实时/流/非实时和多媒体业务；具有端到端透明传递的宽带能力；与现有传统网络互通；具有移动性，即允许用户作为单个人始终如一地使用和管理其业务而不管采用何种接入技术；提供用户自由选择业务提供商的功能等。

分组化的、分层的、开放的结构是下一代网络的显著特征。

NGN不是现有通信网IP化的简单延伸，而是在继承现有网络优势后的平滑演进，在这个过程中，NGN将不断吸收基于SDN、NFV和云计算等的新技术，实现更灵活、智能、高效和开放的新型网络。

SDN（基于软件定义网络）技术实现了控制功能和转发功能的分离，通过软件的方式可以使得网络的控制功能很容易地进行抽离和聚合，有利于通过网络控制平台从全局视角来感知和调度网络资源，实现网络连接的可编程。因为做了软硬件解耦，所有SDN可以采用通用硬件来代替专有网络硬件板卡，结合云计算技术实现硬件资源按需分配和动态伸缩，以达到最优的资源利用率。

NFV（网络功能虚拟化）技术通过组件化的网络功能模块实现控制功能的可重构，可以灵活地派生出丰富的网络功能。SDN是NFV的基础**[2019.2]，SDN将网络功能模块化、组件化；网络功能将可以按需编排，根据不同场景和业务特征要求，灵活组合功能模块，按需定制网络资源和业务逻辑，增强网络弹性和自适应性。

网络切片是NFV最核心的内容，它利用虚拟化将网络物理基础设施资源虚拟化为多个相互独立平行的虚拟网络切片。

一个网络切片可以视为一个实例化的网络，在每个网络切片内，可以进一步对虚拟网络切片进行灵活的分割，按需创建子网络。

# 1L411012传送网、业务网和支撑网

从实现功能的角度看，一个完整的现代通信网可分为相互依存的三部分：业务网、传送网和支撑网，如图1L411012所示。

图1L411012现代通信网的功能结构

# 一、业务网

业务网负责向用户提供各种通信业务，如语音、传真、数据、多媒体、租用线、VPN等，是现代通信网的主体。在传送节点上安装不同类型的节点设备，就形成了不同类型的业务网。业务节点设备主要包括各种交换机（电路交换、X.25、以太网、ATM等）、路由器和数字交叉连接设备等，其中交换节点设备是构成业务网的核心要素。

构成一个业务网的主要技术要素包括网络拓扑结构、交换节点设备、编号计划、信令技术、路由选择、业务类型、计费方式、服务性能保证机制等。

采用不同交换技术的交换节点设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网。目前现代通信网提供的业务网主要有公用电话网、数字数据通信网、移动通信网、智能网、互联网等[2018.1]。

# 二、传送网

传送网独立于具体业务网，负责按需为交换节点/业务节点之间的互连分配电路，为节点之间信息传递提供透明传输通道，它还具有电路调度、网络性能监视、故障切换等相应的管理功能。

构成传送网的主要技术要素有传输路由、复用技术、传送网节点技术等，其中传送网节点主要有分插复用设备（ADM）和交叉连接设备（DXC）两种类型，是构成传送网的核心要素。

传送网也称为基础网，由传输介质和传输设备组成。

# （一）传输介质

传输介质是指信号传输的物理通道，传输介质分为有线介质和无线介质两大类。在有线介质中，电磁波信号会沿着有形的固体介质传输，常用的有线介质包括双绞线、同轴电缆和光纤等；在无线介质中，电磁波信号通过地球外部的大气或外层空间进行传输，大气或外层空间并不对信号本身进行制导，因此可认为是在自由空间传输，常见的无线传输方式有无线电、微波、红外线等。

任何信息在实际传输时都会被转换成电信号或光信号的形式，信息能否成功传输则依赖于两个因素：传输信号本身的质量和传输介质的特性。

# （二）复用技术

按信号在传输介质上的复用方式的不同，常用的复用技术有基带传输技术、频分复用（FDM）技术、时分复用（TDM）技术和波分复用（WDM）技术。

  1. 基带传输是在短距离内直接在传输介质传输模拟基带信号。在传统电话用户线上采用该方式。

    • 基带传输的优点是线路设备简单，在局域网中广泛使用；[2010.2]
    • 缺点是传输媒介的带宽利用率不高，不适于在长途线路上使用。

  2. 频分复用（FDM）是将多路信号经过高频载波信号调制后在同一介质上传输的复用技术。每路信号要调制到不同的载波频段上，且各频段保持一定的间隔，这样各路信号通过占用同一介质不同的频带实现了复用。频分复用（FDM）的主要缺点是：传输的是模拟信号，需要模拟的调制解调设备，成本高且体积大；由于难以集成，故工作的稳定度不高；由于计算机难以直接处理模拟信号，导致在传输链路和节点之间有过多的模数转换，从而影响传输质量。目前FDM技术主要用于微波链路和铜线介质上。

  3. 时分复用（TDM）是将模拟信号经过调制后变为数字信号，然后对数字信号进行时分多路复用的技术。TDM中多路信号以时分的方式共享一条传输介质，每路信号在属于自已的时间片中占用传输介质的全部带宽。相对于频分复用技术，时分复用技术具有差错率低、安全性好、数字电路高度集成以及更高的带宽利用率等优点。

  4. 波分复用（WDM）本质上是光域上的频分复用技术。WDM将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，每一信道占用不同的光波频率（或波长），在发送端采用波分复用器（合波器）将不同波长的光载波信号合并起来送入一根光纤进行传输。在接收端，再由波分解复用器（分波器）将这些由不同波长光载波信号组成的光信号分离开来。由于不同波长的光载波信号可以看成是互相独立的（不考虑光纤非线性时），在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。一个WDM系统可以承载多种格式的**“业务”**信号，如ATM、IP、TDM或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输，对于业务层信号来说，WDM的每个波长与一条物理光纤没有分别，WDM是网络扩容的理想手段。

# （三）传送网节点技术

  1. SDH传送网是一种以同步时分复用和光纤技术为核心的传送网，它由分插复用、交叉连接、信号再生放大等网元设备组成，具有容量大、对承载信号语义透明以及在通道层上实现保护和路由的功能。SDH是一个独立于各类业务网的公共传送平台，有如下优点：强大的网络管理功能；灵活的复用映射结构；标准统一的光接口和网络节点接口，使得不同厂商设备间信号的互通、信号的复用、交叉链接和交换过程得到简化。

  2. 基于SDH的多业务传送平台（MSTP）是基于SDH平台同时实现TDM、ATM和以太网等业务接入的接入处理和传送，并提供统一网管的多业务节点，MSTP是SDH与以太网初步融合的产物。MSTP可以更有效地支持分组数据业务，有助于实现从电路交换网向分组交换网的过渡，适用于已经部署大量SDH网的运营商。

  3. 光传送网（OTN）[2016.21]是在光层组织网络的传送网，光传送网结合了SDH和WDM的优势，解决了MSTP刚性管道运作效率低等问题。OTN在WDM的基础上引入了SDH强大的操作、维护、管理*（OAM）能力，同时弥补SDH在面向传输层时的功能缺乏和维护管理开销的不足，大大提升了WDM*设备的可维护性和组网的灵活性。

  4. 分组传送网（PTN）伴随着传送网分组化的应用而产生，在IP业务和底层光传输媒介之间设置了一个层面。PTN针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务提供，具有更低的总体使用成本，同时秉承光传输的传统优势，【优势】包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的网管、可扩展性、较高的安全性等。PTN主要是为了解决SDH/MSTP对数据业务深度扩展能力方面的限制，以及传统以太网技术在支撑多业务运营及电信级性能方面存在的缺陷，实现TDM到IP的有序演进。

# 三、支撑网

一个完整的通信网除有以传递通信业务为主的业务网之外，还需有若干个用来保障业务网正常运行、增强网路功能、提高网路服务质量的支撑网路。支撑网是现代通信网运行的支撑系统。支撑网中传递相应的监测和控制信号，包括公共信道信令网、同步网、管理网。[2015.21支撑网的功能][2016.1支撑网的功能][2017.1支撑网的组成][2011.1]

# （一）信令网

信令网是公共信道信令系统传送信令的专用数据支撑网，一般由信令点（SP）、信令转接点（STP）和信令链路组成。信令网可分为不含STP的无级网和含有STP的分级信令网。

无级网信令点间都采用直连方式工作，又称直连信令网。

分级信令网信令点间可采用准直连方式工作，又称非直连信令网。

# （二）同步网

同步网是现代通信网运行的支持系统之一，处于通信网的最底层，负责实现网络节点设备之间和节点设备与传输设备之间信号的时钟同步、帧同步以及全网的网同步，保证地理位置分散的物理设备之间的数字信号的正确接收和发送。

我国数字同步网采用由单个基准时钟控制的分区式主从同步网结构，分为四个等级。

  1. 第一级是基准时钟（Primary Reference Clock, PRC），由3个铯原子钟组成，它是我国数字网中精度最高的时钟，是其他所有时钟的基准。

  2. 第二级是长途交换中心时钟，设置在长途交换中心，构成高精度区域基准时钟（Local Primary Reference, LPR），该时钟分为A类和B类。设置于一级（C1）和二级（C2）长途交换中心的时钟属于A类时钟，它通过同步链路直接与基准时钟同步。设置于三级（C3）和四级（C4）长途交换中心的时钟属于B类时钟，它通过同步链路受A类时钟控制，间接地与基准时钟同步。

  3. 第三级是有保持功能的高稳定度晶体时钟，其频率偏移率可低于二级时钟。通过同步链路与二级时钟或同等级时钟同步。设置在汇接局（Tm）和端局（C5）。

  4. 第四级是一般晶体时钟，通过同步链路与第三级时钟同步，设置于远端模块、数字终端设备和数字用户交换设备。

# （三）管理网

管理网是为保持通信网正常运行和服务，对其进行有效的管理所建立的软、硬件系统和组织体系的总称，是现代通信网运行的支撑系统之一，是一个综合的、智能的、标准化的通信管理系统。一方面对某一类网络进行综合管理，包括数据的采集，性能监视、分析、故障报告、定位，以及对网络的控制和保护；另一方面对各类通信网实施综合性的管理，即首先对各种类型的网络建立专门的网络管理，然后通过综合管理系统对各专门的网络管理系统进行管理。

  1. 管理网的主要功能是：根据各局间的业务流向、流量统计数据有效地组织网络流量分配；根据网络状态，经过分析判断进行调度电路、组织迂回和流量控制等，以避免网络过负荷和阻塞扩散；在出现故障时根据告警信号和异常数据采取封闭、启动、倒换和更换故障部件等，尽可能使通信及相关设备恢复和保持良好运行状态。

  2. 管理网主要包括网络管理系统、维护监控系统等，由操作系统、工作站、数据通信网、网元组成，其中网元是指网络中的设备，可以是交换设备、传输设备、交叉连接设备、信令设备。

# 1L411013核心网【通信交换网络】

核心网是指通信交换网络，担负着建立信源和信宿之间信息连接的桥梁作用，交换技术是核心网的核心技术。现代通信网的核心网主要包括固定核心网的电路交换和软交换系统、移动核心网的电路域交换和分组域交换系统、互联网数据中心（IDC）以及其他业务平台。

# 一、交换技术

# （一）电路交换

电路交换是在通信网中任意两个或多个用户终端之间建立电路暂时连接的交换方式，暂时连接独占一条电路并保持到连接释放为止。利用电路交换进行数据通信或电话通信必须经历建立电路、传送数据或语音和拆除电路三个阶段，因此电路交换属于电路资源预分配系统。

# 1、工作方式

电路交换系统有空分交换和时分交换两种交换方式[2010.4]：

（1）空分交换，是入线在空间位置上选择出线并建立连接的交换。最直观的例子就是人工交换机话务员将塞绳的一端连接到入线塞孔，并根据主叫的要求把塞绳的另一端连接到被叫的出线塞孔上。空分交换基本原理可归纳为以n条入线通过n×m接点矩阵选择到m条出线或某一指定出线，但接点在同一时间只能为一次呼叫利用，直到通信结束才释放。早期的步进制和纵横制交换机采用这种交换方式。

（2）时分交换，是把时间划分为若干互不重叠的时隙，由不同的时隙建立不同的子信道，通过时隙交换网络完成语音的时隙搬移，从而实现入线和出线间信息交换的一种交换方式。时分交换方式是时分多路复用（TDM）技术在交换网络中的具体应用，程控数字交换机采用这种交换方式。

# 2、电路交换的特点

电路交换的特点是可提供一次性无间断信道。当电路接通以后，用户终端面对的是类似于专线电路，交换机的控制电路不再干预信息的传输，也就是给用户提供了完全“透明”的信号通路。[2011.27]

  • （1）通信用户间必须建立专用的物理连接通路，呼叫建立时间长，并且存在呼损；
  • （2）对通信信息不做任何处理，原封不动地传送（信令除外）[2018.2]，对传送的信息不进行差错控制；
  • （3）实时性较好，但线路利用率低。

# （二）分组交换

分组交换的思想是从报文交换而来的，它采用了报文交换的“存储-转发”技术。不同之处在于：

分组交换是将用户要传送的信息分割为若干个分组，每个分组中有一个分组头，含有可供选路的信息和其他控制信息。分组交换节点对所收到的各个分组分别处理，按其中的选路信息选择去向，以发送到能到达目的地的下一个交换节点。

为适应不同业务的要求，分组交换可提供虚电路方式与数据报方式两种服务方式。

# 1、虚电路方式的特点

虚电路方式是面向连接的方式，即在用户数据传送前，先通过发送呼叫请求分组建立端到端的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送，最后通过呼叫清除分组来拆除虚电路。虚电路的连接方式有以下特点：

（1）虚电路不同于电路交换中的物理连接，而是逻辑连接。虚电路并不独占线路，在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，以达到资源共享。

（2）虚电路方式的每个分组头中含有对应于所建立的逻辑信道标识，不需进行复杂的选路；传送时，属于同一呼叫的各分组在同一条虚电路上传送，按原有的顺序到达终点，不会产生失序现象。

（3）虚电路方式适用于较连续的数据流传送，如文件传送、传真业务等。

# 2、数据报方式的特点

（1）数据报不需要预先建立逻辑连接，称为无连接方式。

（2）数据报方式的每个分组头中含有详细的目的地址，各个分组独立地进行选路；传送时，属于同一呼叫的各分组可从不同的路由转送，会引起失序。由于各个分组可选择不同的路由，对故障的防卫能力较强，从而可靠性较高。

（3）数据报方式适用于面向事务的询问/响应型数据业务。

# 3、分组交换的主要优点

（1）信息的传输时延较小，而且变化不大，能较好地满足交互型通信的实时性要求。

（2）易于实现链路的统计，时分多路复用提高了链路的利用率。

（3）容易建立灵活的通信环境，便于在传输速率、信息格式、编码类型、同步方式以及通信规程等方面都不相同的数据终端之间实现互通。

（4）可靠性高。分组作为独立的传输实体，便于实现差错控制，从而大大地降低了数据信息在分组交换网中的传输误码率，一般可达*10-10*以下。

（5）经济性好。信息以**“分组”**为单位在交换机中进行存储和处理，节省了交换机的存储容量，提高了利用率，降低了通信的费用。

# （三）ATM交换

ATM（异步传输模式）是以分组模式为基础融合了电路模式高速化的优点发展而成的，继承了电路交换较好的时间透明性和分组交换较好的语义透明性。ATM克服了电路模式不能适应任意速率业务，难以导入未知新业务的缺点，简化了分组模式中的协议，并由硬件对简化的协议进行处理，交换节点不再对信息进行流量控制和差错控制，极大提高了网络的处理能力。

ATM技术是ITU-T确定用于宽带综合业务数字网（B-ISDN）的复用、传输和交换的模式。ATM交换可以实现高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换，提供灵活的带宽分配，适应很低速率到很高速率的宽带业务的交换要求。

  1. 采用固定长度的数据包，信元由53个字节组成，开头5个为信头，其余48个为信息域，或称净荷。很短的信元可以减少交换节点内部的缓冲器容量以及排队时延和时延抖动；长度固定的信元则有利于简化交换控制和缓冲器管理；简单的信头减少了交换节点的处理开销，提高了交换的速度。

  2. 采用面向连接的工作方式，通过建立虚电路来进行数据传输，同时也支持无连接业务。

# （四）软交换

软交换是一种提供呼叫控制功能的软件实体，是在电路交换向分组交换演进的过程中逐步完善的，是分组交换网络与传统PSTN网络融合的解决方案。软交换支持所有现有的电话功能及新型会话式多媒体业务，采用标准协议，如SIP、H.323、MGCP、MEGACO/H.248、SIGTRAN等，提供了不同厂商设备间的互操作能力，与一种或多种组件配套使用，如媒体网关、信令网关、特性服务器、应用服务器、媒体服务器、收费/计费接口等。

软交换的核心思想是业务提供与呼叫控制分离、呼叫控制与承载分离，具体特点体现在以下几个方面：

  1. 实现了业务提供与呼叫控制分离、呼叫控制与承载分离，有利于以最快的速度、最有效的方式引入各类新业务。

  2. 采用了标准协议，软交换各网络部件既能独立发展，又能有机地组合成一个整体，实现互联互通。

  3. 契合了网络融合趋势，使异构网络的互通方便灵活。模拟、数字、移动、ADSL、ISDN、窄带IP、宽带IP等各种用户都可以通过软交换提供业务。

# （五）IP交换和MPLS交换

IP交换由IP技术和ATM技术融合而来，集成了IP路由技术的灵活性和ATM交换技术的高速性，主要有重叠模型和集成模型两大类。在集成模型中，将IP封装在ATM信元中，IP分组以ATM信元的形式在信道中传输和交换，从而使IP分组的转发速度提高到交换的速度。

传统的IP分组转发采用面向无连接方式逐条转发，选路基于软件查表，采用地址前缀最长匹配算法，速度慢；集成模型的IP交换为面向连接方式，使用短的标记代替长的IP地址，基于标记进行数据分组转发，速度快。

多协议标记交换（MPLS）是基于集成模型的IP交换技术的典型应用，特点如下：

  1. MPLS在网络中的分组转发是基于定长标记，简化了转发机制。
  2. MPLS采用原有的IP路由，在此基础上加以改进，保证了网络路由的灵活性。
  3. MPLS采用ATM的高效交换方式，抛弃了复杂的ATM信令，无缝地将IP技术的优点融合到ATM的高效转发中。
  4. MPLS网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的技术，同时支持X.25、帧中继、ATM、PPP、SDH、DWDM等，将各种不同的网络传输技术统一在一个平台上。

# 二、移动核心网的发展

回顾移动通信系统的发展，从GSM开始，数字移动通信已经经历四代，很快将进入5G的应用，移动核心网也随之不断发展完善。下面以GSM/GPRS和UMTS（通用移动通信系统）为主线，通过图1L411013，说明移动核心网各个阶段的发展变化和主要特点。

图1L411013GSM/GPRS/UMTS/LTE核心网发展

  1. 2G GSM阶段，核心网采用电路交换技术，主要支持语音业务，数据业务速率仅为9.6kbps。2G GSM阶段的移动核心网只有电路域[2018.3]。

  2. 2、**5G GPRS阶段，核心网引入GPRS（通用分组无线业务）技术。GPRS采用新的信道编码方式，一个信道的最大速率可以达到21.4kbps，并且可以把GSM系统中分配给8个用户的无线资源分配给一个用户使用，这样，理论上单个用户的最高速率可以达到171.2kbps。GPRS采用包交换技术，可以充分利用GSM系统闲时的空闲资源，提高了无线资源利用率，降低了用户成本。2.5G GPRS阶段的移动核心网出现了分组域。

  3. 3G UTMS R99引入了全新的无线空口WCDMA，并且采用分组化传输，实现了高速移动数据业务，可支持384kbps的传输速率；由于系统采用CDMA技术，使得频率利用率大大提高，同时改善调制技术（QPSK），增强了抗干扰能力。2.5G GSM/GPRS可以平滑过渡到3G UMTS R99，增强了无线部分，核心网部分基本不变。

  4. 3G UTMS R4在核心网电路域有很大的改进，主要体现在呼叫控制与承载的分离、语音和信令实现分组化。3G UTMS R4完成了移动核心网的电路域由电路交换到软交换的演进，核心网分组域基本没变。

  5. 3G UTMS R5/R6/R7阶段，核心网电路域基本保持不变，主要的发展变化是以IMS（IP多媒体子系统）为核心在分组域展开的。IMS的引入，实现了呼叫控制和媒体网关控制的进一步分离，以分组域作为承载传输，更好地实施了对多媒体业务的控制。3G UTMS R5/R6/R7阶段的移动核心网由电路域、分组域和IP多媒体子系统组成。

  6. 4G LTE R8/R9阶段，在空中接口方面用频分多址替代了码分多址，并且大量采用多输入输出技术和自适应技术，提高了数据速率和系统性能。4G LTE R8/R9阶段的移动核心网不再具有电路域部分，只有分组域EPC，只提供分组业务，通过IMS的VoIP实现语音业务。

# 1L411014接入网

接入网是指业务节点接口和相关用户网络接口之间的一系列传送实体（如线路设施和设备），为了传送通信业务提供所需传送承载能力的实施系统，它可以由管理网Q3接口进行管理和配置，如图1L411014-1所示。接入网所覆盖的范围由三个接口来定界，即网络侧经业务节点接口（SNI）与业务节点（SN）相连；用户侧经用户网络接口（UNI）与用户相连；管理方面则经***Q3***[2016.6与电信管理网连接接口]接口与电信管理网（TMN）相连。其中SN是提供业务的实体，是一种可以接入各种变换型和/或永久连接型通信业务的网络单元。

图1L411014-1接入网界定示意图[2019.21]

为了便于网络设计与管理，接入网按垂直方向分解为电路层、传输通道层和传输媒质层三个独立的层次，其中每一层为其相邻的高阶层传送服务，同时又使用相邻的低阶层所提供的传送服务。接入网的主要功能[2018.17]可分解为用户口功能（UPF）、业务口功能（SPF）、核心功能（CF）、传送功能（TF）和系统管理功能（AN-SMF）。

图表 1接入网的分层结构

图表 2接入网功能结构

现代通信网的接入网，接入技术分为有线接入和无线接入两种。有线接入技术包括光接入技术和铜线（电话线）数字用户线（DSL）技术以及有线电视网采用的混合光纤同轴电缆（HFC）接入技术，目前，主流的宽带光接入网普遍采用无源光网络（PON）技术。

# 一、有线接入网

有线接入网是用铜缆、光缆、同轴电缆等作为传输媒介的接入网。目前主要有铜线接入网、光纤接入网、混合光纤/同轴电缆接入网三类。

# （一）铜线接入网

多年来，通信网主要采用铜线用户线向用户提供电话业务，用户铜线网络分布广泛且普及。为了进一步提高铜线传输速率，在接入网中使用了数字用户线（DSL）技术，以解决高速率数字信号在铜缆用户线上的传输问题。常用的DSL技术有高速率数字用户线（HDSL）和不对称数字用户线（ADSL）技术。

  1. 高速率数字用户线（HDSL）技术采用了回波抵消和自适应均衡技术，延长基群信号传输距离。系统具有较强的抗干扰能力，对用户线路的质量差异有较强的适应性。

  2. 不对称数字用户线（ADSL）技术可以在一对普通电话线上传送电话业务的同时，向用户单向提供1.5~6Mbit/s速率的业务，并带有反向低速数字控制信道，而且，ADSL的不对称结构避免了HDSL方式的近端串音，从而延长了用户线的通信距离。

# （二）光纤接入网

1、光纤接入网采用光纤作为主要的传输媒介来取代传统的铜线。由于光纤上传送的是光信号，因而需要在交换局将电信号进行电/光转换变成光信号后再在光纤上进行传输。在用户端则要利用光网络单元（ONU）进行光/电转换，恢复成电信号后送至用户终端设备。

2、根据承载的业务带宽不同，光纤接入网可以划分为窄带和宽带两种。

3、根据网络单元位置的不同，光纤接入网可以划分为光纤到路边（FTTC）、光纤到户（FTTH）、光纤到办公室（FTTO）、光纤到分配点（FTTDp）。

4、根据是否有电源，光纤接入网可以划分为有源光网络（AON，Active Optical Network）和无源光网络（PON，Passive Optical Network）。无源光网络可分为窄带PON和宽带PON[2017.23]。

# （三）混合光纤/同轴电缆（HFC）接入网

1、混合光纤/同轴电缆接入网是一种综合应用模拟和数字传输技术、同轴电缆和光缆技术、射频技术的高度分布式智能型接入网络，是通信网和有线电视网相结合的产物。

HFC接入网可传输多种业务，具有较为广阔的应用领域，尤其是目前，绝大多数用户终端均为模拟设备（如电视机），与HFC的传输方式能够较好地兼容。HFC接入网具有传输频带较宽、与目前的用户设备兼容、支持宽带业务、成本较低等特点。

2、混合光纤/同轴电缆（HFC）接入网可以简单归纳为窄带无源光网络（PON）+HFC混合接入、数字环路载波（DLC）+单向HFC混合接入和有线+无线混合接入三种方式。

# 二、无线接入网

无线接入网是一种部分或全部采用无线电波作为传输媒质来连接用户与交换中心的接入方式。它除了能向用户提供固定接入外，还能向用户提供移动接入。与有线接入网相比，无线接入网具有更大的使用灵活性和更强的抗灾变能力。按接入用户终端移动与否，可分为固定无线接入和移动无线接入两类。

# （一）固定无线接入

固定无线接入是一种用户终端固定的无线接入方式。其典型应用就是取代现有有线电话用户环路的无线本地环路系统。这种用无线通信（地面、卫星）等效取代有线电话用户线的接入方式，因为它的方便性和经济性，将从特殊用户应用（边远、岛屿、高山等）过渡到一般应用。需说明的是，无绳电话虽是通信终端（电话机）的一种无线延伸装置，并使话机由固定变为移动，但它仍属于固定接入网，而且当前基本是有线接入。

固定无线接入的主要技术有LMDS、3.5GHz无线接入、MMDS、固定卫星接入技术、不可见光无线系统等。

# （二）移动无线接入

用户终端移动的无线接入[2015.7 移动无线接入技术]有蜂窝移动通信系统、卫星通信系统、集群调度系统、无线市话（PAS）以及用于短距离无线连接的蓝牙技术等。其中，蜂窝移动通信系统已经广泛使用的公共地面移动通信网络，将其应用到接入网中，是首当其冲的最佳选择；移动卫星通信系统应用在广域网或国际通信网中。

蜂窝移动通信系统作为典型的无线接入应用，其技术发展经历了数次迭代，本书中有专门章节详细描述。

# 三、无源光网络（PON）

无源光网络（PON）是指在OLT和ONU之间的光分配网络（ODN），其中没有任何有源电子设备，即传输设施在ODN中全部采用无源器件。PON是一种纯介质网络，避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少了线路和外部设备的故障率，提高了系统可靠性，同时节省了建造和维护成本。PON的优点体现在以下几个方面：

  1. 较好的经济性：PON设备简单、体积小，安装维护费用低，投资较小。
  2. 组网灵活：可支持树形、星型、总线型、混合型、冗余型等网络拓扑结构。
  3. 安装维护方便：PON设备有室内型和室外型，其中室外型设备可直接挂在墙壁上或放置于H型电杆上，无需租用或建造机房；相对应有源系统的设备复杂和机房、供电等环境要求，PON的日常维护工作量大幅减少。
  4. 抗干扰能力强：PON是纯介质网络，彻底避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响，非常适合在自然条件恶劣的地区使用。

随着**“宽带中国”战略的实施，运营商启动了大规模的光纤接入（FTTx）建设，PON成为实施“宽带提速”和“光进铜退”工程的技术基础。“宽带中国”**战略要求，到2020年，光纤覆盖城市家庭，城市和农村家庭宽带接入能力分别达到50Mbps和12Mbps，50%的城市家庭用户达到100Mbps，发达城市的部分家庭用户达到10Gbps。

现有宽带接入网络将较为复杂的业务处理、各种应用和IP协议等功能分散地部署在用户侧的家庭网关（企业网关）上，运营商部分的网络负责以太网传送和汇聚功能。现有宽带接入网络的功能位置如图1L411014-2所示。

图1L411014-2现有宽带接入网络的功能位置示意图

从PON技术发展的角度看，随着用户对带宽需求的增长，提供1G到2G共享总带宽的EPON（以太网无源光网络）和GPON（吉比特无源光网络）技术将很快出现带宽瓶颈，运营商已经开始部署单波长速率10Gbit/s的单波长10GPON。单波长速率终将面临技术和成本的双重挑战，于是在PON系统中引入WDM技术的NG-PON将成为未来PON技术的演进方向。

# 1L411015互联网及其应用

互联网（Internet），又称因特网、英特网，是计算机网络互相连接在一起的庞大网络，这些网络以一组通用的协议相连，形成逻辑上的单一且巨大的全球化网络，在这个网络中有交换机、路由器等网络设备、各种不同的连接链路、种类繁多的服务器和数不尽的计算机、终端。

# 一、计算机网络

# （一）计算机网络的功能

计算机网络的主要目的是共享资源，它的功能随应用环境和现实条件的不同大体如下。

# 1、可实现资源共享

资源共享是计算机网最有吸引力的功能，指的是网上用户能部分或全部地享受这些资源。通过资源共享，消除了用户使用计算机资源受地理位置的限制，也避免了资源的重复设置所造成的浪费。

# 2、提高了系统的可靠性

一般来说，计算机网络中的资源是重复设置的，它们被分布在不同的位置上。这样，即使发生少量资源失效的现象，用户仍可以通过网络中的不同路由访问到所需的同类资源，不会引起系统的瘫痪现象，提高了系统的可靠性。

# 3、有利于均衡负荷

通过合理的网络管理，将某时刻计算机上处于超负荷的任务分送给别的轻负荷的计算机去处理，达到均衡负荷的目的。这对地域跨度大的远程网络来说，充分利用时差因素来达到均衡负荷尤为重要。

# 4、提供了非常灵活的工作环境

用户可在任何有条件的地点将终端与计算机网络连通，及时处理各种信息，作出决策。

# （二）计算机网络的分类

计算机网络可分为局域网、城域网和广域网三大类。互联网属于广域网，是一个全球性的计算机通信网。

  1. 局域网的覆盖面小，传输距离常在数百米左右，限于一幢楼房或一个单位内。主机或工作站用10~1000Mbit/s的高速通信线路相连。网络拓扑多用简单的总线或环形结构，也可采用星形结构。
  2. 城域网的作用范围是一个城市，距离常在10~150km之间。由于城域网采用了具有有源交换元件的局域网技术，故网中时延较小，通信距离也加大了。城域网是一种扩展了覆盖面的宽带局域网，其数据传输速率较高，在2Mbit/s以上，乃至数百兆比特每秒。网络拓扑多为树形结构。
  3. 广域网其主要特点是进行远距离（几十到几千公里）通信，又称远程网。广域网传输时延大（尤其是国际卫星分组交换网），信道容量较低，数据传输速率在20Mbit/s~10Gbit/s之间。

网络拓扑设计主要考虑其可靠性和安全性。

# （三）计算机网络的拓扑结构

计算机网络的拓扑结构有：星形、环形、网形、树形和总线型结构[2017.21多拓扑结构特点]。

  1. 星形结构比较简单，容易建网，便于管理。但由于通信线路总长度较长，成本较高。同时对中心节点的可靠性要求高，中心节点出故障将会引起整个网络瘫痪。

  2. 环形结构没有路径选择问题，网络管理软件实现简单。但信息在传输过程中要经过环路上的许多节点，容易因某个节点发生故障而破坏整个网络的通信。另外网络的吞吐能力较差，适用于信息传输量不大的情况，一般用于局域网。

  3. 网形结构可靠性高，但所需通信线路总长度长，投资成本高，路径选择技术较复杂，网络管理软件也比较复杂。一般在局域网中较少采用。

  4. 树形结构是一个在分级管理基础上集中式的网络，适合于各种统计管理系统。但任一节点的故障均会影响它所在支路网络的正常工作，故可靠性要求较高，而且越高层次的节点，其可靠性要求越高。

  5. 总线型结构网络中，任何一个节点的故障都不会使整个网络发生故障，相对而言，这种网络比较容易扩展。

# 二、TCP/IP协议

TCP/IP协议即传输控制协议/互联网协议（也称网络通信协议），是互联网的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP协议定义了设备如何接入互联网以及数据如何在它们之间传输的标准。

首先由TCP协议把数据分成若干数据包，给每个数据包写上序号，以便接收端把数据还原成原来的格式。IP协议给每个数据包写上发送主机和接收主机的地址，一旦写上源地址和目的地址，数据包就可以在物理网上传送数据了。IP协议还具有利用路由算法进行路由选择的功能。这些数据包可以通过不同的传输途径进行传输，由于路径不同，加上其他的原因，可能出现顺序颠倒、数据丢失、数据失真甚至重复的现象。这些问题都由TCP协议来处理，它具有检查和处理错误的功能，必要时还可以请求发送端重发。

# （一）IPv4的局限

IPv4是互联网协议（Internet Protocol，IP）的第四版，也是第一个被广泛使用、构成现今互联网技术的基础协议。随着智能终端和创新应用（移动互联网、物联网等）的快速发展，不仅对IP地址资源产生巨大需求，也对IP服务性能提出了更高的要求。

  1. IPv4中IP地址的长度为32位，理论上可编址1600万个网络、40亿台主机。采用A、B、C三类编址方式后，可用的网络地址和主机地址的数目大打折扣，虽然用动态IP及NAT地址转换等技术实现了一些缓冲，但IP地址资源枯竭已经成为不争的事实。

  2. IPv4为了解决地址不够的问题，使用子网划分、地址块切碎等技术来延长寿命，这也使得IPv4形成了数量庞大的路由表，对CPU和内存提出了更高的要求，也增加了系统时延。

  3. IPv4的报头类型较多、长度不固定，需要用软件来控制，造成数据包转发速度减慢，而且服务质量也得不到保证。

  4. IPv4是基于电话宽带以及以太网的特性而制定的，其分包原则与检验占用了数据包很大的一部分比例，降低了传输效率。

# （二）IPv6的优势

IPv6是互联网协议（Internet Protocol，IP）的第六版。IPv6是IETF（互联网工程任务组）设计的用于替代现行IPv4的下一代协议。与IPv4相比，IPv6具有以下几个优势[2018.7]：

  1. IPv6具有充足的地址空间。IPv6中IP地址的长度为128位，理论上可提供的地址数目比IPv4多2*96*倍。

  2. IPv6使用更小的路由表。IPv6的地址分配一开始就遵循聚类（Aggregation）的原则，这使得路由器能在路由表中用一条记录（Entry）表示一片子网，大大减小了路由器中路由表的长度，提高了路由器转发数据包的速度。

  3. IPv6增加了增强的组播（Multicast）支持以及对流的控制（Flow Control），这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会，为服务质量（QoS，Quality of Service）控制提供了良好的网络平台。

  4. IPv6加入了对自动配置（Auto Configuration）的支持。这是对DHCP协议的改进和扩展，使得网络（尤其是局域网）的管理更加方便和快捷。

  5. IPv6具有更高的安全性。在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验，极大地增强了网络的安全性。

# 三、互联网的应用

# （一）基本应用

近几年，互联网的应用呈现爆炸式增长，主要得益于众多的使用者和不断降低的使用成本，互联网的基本应用模式可根据人们的不同需求做如下划分：

  1. 信息需求方面，包括网络新闻模式、搜索引擎模式、信息分类模式、信息聚合模式、知识分享模式等。

  2. 交易需求方面，主要是各种电子商务应用模式，包括B2B、B2C、C2C、O2O等。

  3. 交流需求方面，包括即时通信模式、个人空间模式、社交网络模式、网络论坛模式等。

  4. 娱乐需求方面，包括网络游戏模式、网络文学模式、网络视频模式等。

  5. 办公需求方面，包括各种电子政务应用模式和企业信息化应用模式。

# （二）扩展应用

随着通信、信息和互联网领域各种新技术的蓬勃发展，全球ICT产业正在经历着前所未有的深刻变化，物联网、车联网、大数据、云计算、移动互联网、智能化家庭、融合通信等新应用不断涌现，终将创造一个全面互联、充满活力的网络世界。

# 1、融合通信

移动宽带的不断升级将把整个社会的信息化基础提升至新的历史高点，移动智能终端+宽带+云所打造的平台终将沉淀为网络社会的基础设施，与其他的能源和公用事业一样，成为整个社会和各个行业运转的基础平台。

# 2、物联网（IoT）

物联网是一个基于现代通信网及互联网的技术发展，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。物联网通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化的识别、定位、跟踪、监控和管理。

物联网已被广泛应用于智慧城市、智能交通、智能电网、智能医疗、智能工业、智能农业、智能环保、智能建筑、空间及海洋探索、军事等领域。

# 3、互联网+

“互联网+”是指传统产业互联网条件下的“在线化”和“数据化”。在线化是指商品、人和交易转移到网上的行为，数据化是指这些行为变成数据并且用来分享和利用。

“互联网+”就是互联网+各个传统行业但这并不是简单的两者相加，而是利用信息通信技术以及互联网平台，让互联网与传统行业进行深度融合，创造新的发展生态。“互联网+”的深层意义是通过传统产业的互联网化完成产业升级。互联网通过将开放、平等、互动等网络特性在传统产业的运用，通过大数据的分析与整合，理清供求关系，改造传统产业的生产方式和产业结构。