（信号与信息处理专业论文）ip和scn结合有qos的话音通信方法研究.pdf

摘要 摘要 本论文设计了一种将i p 网和s c n 相结合使用的话音通信方法， 该方法可以使一个话路，在两种网络上动态瞬时切换，以达到满足一 定q o s 条件下，话费最低的目的。 研究的核心是一种语音媒体瞬时切换方法，它在满足用户需求的 q o s 等级下，依据对i p 网的q o s 测量结果，在两种网络通路之间选 择最佳的话音传输路径。考虑到p 网的数据流量会瞬时形成拥塞而 影响到话音通信质量，本方法要求对口网的q o s 监测是实时的。同 时采取物理连接预建立措施，来解决瞬时切换的速度快和建立物理连 接的速度慢的矛盾。 这一技术如果应用于目前的电信服务，即a d s l 和p s t n i s d n 服务，具有极重要的应用价值。这种条件下，需要解决n a t 穿越问 题，本论文设计并实现了一种可穿越集成c o n en a t 类型路由器的方 法。 本论文研究的话音通信方法在国内外并没有可以借鉴的先例，具 有创新性，已申请了发明专利。 【关键字】 s c n ，q o s ，a d s l ，p s t n i s d n ，n a t a b s 仃a c t a b s t r a c t av o i c ec o i n m u n i c a t i o nm e l h o dt h a tc o m b i n e dt h ei pn e t w o r kw i t h s c ni sd e s i g n e di n t h i sp a p e r ，w 1 1 i c hi st h a to n ec a l lc a nc h a n g et h e r o u t ei nt w ok i n d so fn e 艄7 0 r 1 ( d y n a m i c a l l ya n di n s t a n t lv i no r d e rt o m a k et h et 1 1 e t e l e p h o n ec o s ic h e a p e ra 工l dq o sg u a r a l l t e e d t h ec o r eo fm er e s e a r c hi so n ev o i c em e d i ar o l l t e rm e t h o d a c c o r d i n 2 t ot h e0 0 sr e s u l tm e a s u r e di n 坤n e “v o r k o n ec a l lc a ns e l e c to n eb e s t r o u t ei nt w ok i n d so fn e t w o r ku n d e rm eq o sl e v e lr e q u i r e db vt h e ru s e l d a t ap a c k e t st r a 珩cc o n g e s t i o nh 印p e n e di n s t a n f l yc a na 疵c tt h eq u a l i t y o fv o i c ec o m m u n i c a t i o n ，w h i c hw a sc o n c e m e d ，t h eo o si ni pn e t w o r k i n s p e c t e di n r e a lt i m ew a sr e q u e s t e d i no r d e rt os e t t l e t 1 】ec o n f i c tt h a t t h ec h a n g i n gr o u t ei n s t a i l t l yi s q u i c k e rw 蜥l em es p e e do fc r e a t i n g p h y s i c a l1 i d ki ss l o w e r ，am e t l l o do fp h y s i c a ll i n kc r e a t e da 1 1 e a do ft i m e w a su s e d i ft h i s t c c h n 0 1 0 9 y i s a p p l i e d i nt h et e l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e c u r r c n t l y ，s u c h a sa d s la n dp s t n i s d n ，i tw i l lb ev e r v i m d o r t a n t 印p l i c a t i o nv a l u e i i lt 1 1 i sc o n d i t i o n ，t h ep r o b l e mo fn a tt r a v e r s a ln e e dt o b es e t t l e d am e m o do ft m v e r s a lm m u 曲c o n en a t i n t e g r e di nr o u t e r w a sd e s i g n e da i l dr e a l i z e di nm i sp a p e l b e c a u s et h e r ei sn o t 肌ye x a m p l ei nt h en a t i o n a lo ri n t e m a t i o n a l ，t h i s w a y w a sc r e a t i v ea 1 1 dw a sa p p l i e di n v e n t i o np a t e n t 【k e yw o r d s 】：q o s ，s c n ，a d s l ，p s t n i s d n ，n a t l i 独创性声明 y8 7 9 8 9 3 本人声明，所提交的学位论文是我个人在导师指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：缢盔送 日期：妒6 年今月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技 术学院所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 本人签名：蕴釜墨 日期：芦厂年拿月陟日 1 综述 1 1i p 和s c n 相结合的背景 企事业单位对于通信网络的要求随着信息社会的发展而不断提 高。大部分企事业单位正在把更多客户通信量转移到下代网络，传 统电信网络向i p 网络靠拢趋势已不可避免。 电信网是一个出p s t n ( p u b l i cs w i t c h e dt e l 印h o n en e t w o r k ) 和 i s d n ( i n t e 可a i e ds e i c ed 酒t a ln e m o r k ) 融合的网络，总称为s c n ( s w i t c h e dc i r c u “n e t w o r k ) 。s c n 网络有两种用户接入方式：p s t n 模拟线和i s d n 数字线。 对于企事业单位，每天都需要通过网络来处理、传递大量的信息， 并执行一系列的管理工作。另外，企事业单位拥有多个办事处、企业 内部及企业与国外的合作伙伴间的沟通十分频繁，长途话务量大，通 信费用高。很明显，业务的高速发展已对企业的网络通信系统提出了 更高的需求。 目前，企业一般有两套通信网络如图1 1 所示，分为使用p b x 经中继线连接到p s t n 的电话网络和利用t c p n p 技术的数据通信网 络。语音通信与数据通信各自独立，由此带来成本高、管理复杂、效 率低下等诸多问题。此外，话务、传真等通信费用也很高。 1 1 1 企业通信网络所存在的问题 企业在业绩提升的同时也会遇到一系列网络通信问题，一般为： 1 、业务量日渐庞大，使得原先所使用的网络不能满足现有的信息传 递需求。 2 、业务增长及长途话务的增加，带来通信费用的大幅攀升。 北京交通大学硕士学位论文 3 、语音数据网络各自分开，带来管理复杂，效率低下等问题。 4 、 面对客户的需求，随时可能出现新的业务应用需求。 面对这样的情况，组建新的网络已经成为企业通信发展的必然趋 势。 图1 1 企业传统的通信网络 1 1 2 i p 网络电话q o s i p 网络的初衷只是提供一种称之为尽力而为( b e s te 脑r t ) 的服务， 这对于只要求准确率而对时延没有严格要求的数据业务来说是合适 的，而对于语音和视频等实时通信业务，它们的服务质量是难以保障 的。将电话和数据网络融入一个基于包交换的网络，无论是h 3 2 3 系 统还是s 口协议，本身并不确保实时通信的q o s 。如何提供和p s t n 具有可比性的质量和服务，以及提高口分组语音通信的质量就成为 当前邛领域的一个研究热点和难点。 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 即服务质量，是指为保证所提供业务的质 量达到相应标准而采取的一系列措施的技术总称。网络中的通信由源 自终端上各种应用的流组成，这些应用对网络服务和性能的要求各不 相同。网络提供服务的能力可以分为3 种等级。 尽力而为的服务：只提供基本连接，对于分组何时到达及是否到 达目的地没有任何保证。尽力而为的服务虽然只有当路由器输入输 出缓冲区队列耗光时分组才会被丢弃，但实际上并不属于o o s 的范 畴，因为它没有提供任何服务或传送保证。当前大多数数据应用( 如 f t p ) 使用这种服务就可以正确地工作。 区分服务：也叫c o s ，根据服务要求对通信流进行分类。网络根 据配罱好的0 0 s 机制来区分每一类服务。它本身并不提供服务保证， 只是区分通信，从而优先处理某种通信，因此这种服务也叫做软0 0 s 。 对于带宽密集型数据应用，这种q 日s 方案工作得很好。 保证服务：预留网络资源，确保网络能够满足通信流的特定服务 要求，也被称为硬0 0 s ，因为它要求提供严格的保证。 影响语音质量的有如下几个因素： 从需求的角度看，语音通信在许多方面几乎都与数据通信是完全 对立的。从发起端到目的端再由目的端返回这个环路时间非常重要， 时延过大将严重影响通话效果。 如果时延是变动的，调整时延就会很困难。因此，确保语音质量 的另一个需求就是要保证最小的时延抖动，以使得存在的时延保持固 定值。这可以通过使用时延抖动缓存来实现，语音数据包被放置在抖 动缓存中使得它们能够以固定的频率播放给收听者。在p 网络中有 两种方式造成抖动。第一种，数据包在从发送者传输到接收者的过程 中选择的路由不同，也就带来了不同的时延。第二种，在语音会话中 的某个数据包可能比它前面的数据包经历了更长的排队时间。 北京交通大学硕士学位论文 包丢失高质量语音的另一个因素是在从讲话者到收听者传输的 过程中没有语音丢失或者丢失很小。由于在发送者和接收者之间的网 络节点中的队列可能会溢出，这样就会导致数据包的丢失。在电路交 换网中，给定对话中的所有语音数据都走同一条通道，按照发送的顺 序接收。如果要求p 网以高质量传输语音数据，那么它必须能够模 仿电路交换网传输语音数据时具有的性能。 语音编码技术在高质量语音中有一个要素就是语音编码方案的 选择。我们需要选择一种在保证自然发音语言的同时又减少带宽的解 决方案。通常，编码技术就是在减少带宽的同时降低语音质量的技术。 由于语音质量的降低和带宽的减少不是线性关系，因此在极大减少带 宽的同时而又不会使通话质量降低太多是可能的。 固定s c n 中网络时延很小，一般可以忽略，但在无线s c n 和数 据网中，网络时延则是影响服务质量的重要因素。由于网络的有 限带宽这一根本原因，很多在s c n 中并不太重要的影响服务质量的 因素在口网络变得极其关键，如时延。一些邛网络特有的现象如丢 包，抖动等也成为影响服务质量的重要原因。 1 2 i p 和s c n 相结合的话音通信需求分析 1 、企业对于融合网络的要求如下： 1 ) 满足更高的信息传递需求； 2 ) 降低网络管理、运营费用； 3 ) 降低通话、传真费用： 4 ) 增加业务、提供更多的服务品种。 2 、选择融合网络设备的原因 首先，将语音与数据网络相融合。提供包括内部通话、异地通话、 电子邮件、传真等各种信息传输方式。提高信息传输效率、提高企业 4 的运作效率及管理水平。 其次，使用v 0 坤技术有效利用闲置网络资源、降低通讯费用。 融合型网络设备充分利用企业现有的a d s l 、p s t n ( i s d n ) 等资源， 把企业的通讯和传真业务转移到企业现有的a d s l 等宽带网络上进 行。因为企业的宽带网络大都采用包月的方式，当企业两地总、分公 司之间，都安装上v o i p 设备以后，企业原来两地之间总、分公司的 通讯和传真业务都会通过企业的宽带网络进行通讯，从而节省下大量 的通讯费用。 1 3i p 和s c n 相结合的意义 2 l 世纪将是以信息为核心的时代。在这个时代中，基于口的信 息网络化是发展大趋势，因为全世界的服务器和数据库9 0 以上都挂 在基于以太网和t c m p 的局域网或校园网上，每一个新的局域网也 都使用某种形式的以太网和t c p 。现实与趋势表明以p 为代表的 数据业务不仅会超过话音业务，而且仍将继续高速增长。 网发展到今天，已经推出了很多模型以及应用技术。这些技 术的产生与应用，确实使目前的d 网部分提高了0 0 s 的支持能力。但 总体上，还没有完全解决当前口网所面临的q o s 方面的问题。 端到端的o o s 是业务开展的必需条件。当前电信运营商正大力 推广其增值业务，如v o 口、v o d 、v p n 等，都需要考虑如何对这些 业务提供满足要求的端到端q o s 。此外，各种业务的q o s 需求不一 致，包括带宽、延时、延时抖动和丢包率等，应分别根据其不同的需 求进行q o s 方面的考虑。而本论文所探讨的话音业务更要考虑语音 服务的q o s ，所以欲保障话音的q o s 需要基于电路交换的s c n 提供 服务。 而传统路由器设备的管理，往往集中在设备本身，而不关心其他 北京交通大学硕士学位论文 设备的状况。而从整个网络来看，缺乏一个统一的q o s 管理结构和 应用方案。目前对q o s 管理的研究，已经开始进行，还有现在提出 的基于策略的q o s 管理框架，通过在网络中部署策略服务器来达到 整个网络中所有设备o o s 策略的一致性。但这些研究还有待于深入。 电信网所使用的电路交换技术不能高效地承载突发性业务，如数 据、压缩图像、压缩视频等，而这些都将是未来的主流通信业务，传 统电信网不可能提供对这些业务的接口，而a t m 则入门成本太高。 t c p 口网络虽然成本低而且能包容一切业务，但不能保证业务提供能 使用户满意。所以，下一代网络( n g n ) 的首要问题就是解决电信网 和t c p 口网的融合各个层次上的融合，包括物理层、传输层、 控制层和业务层。这种融合将吸收两类网络的优点，并改进二者的不 足n 适应多种业务意味着网络将具有不同以往的智能性，这就是智能 交换或软交换技术所要解决的问题。软交换将解决多种业务提供和转 接、新业务的快速创建和部署，并通过在传输层全面采用分组交换技 术而大大降低运营成本。这是非常有趣的，因为过去是t c p 口网利 用电信网电路传输其数据包，而如今电信网却又要采用分组数据网作 为其传输层技术。 由此可见，目前单纯地利用i p 技术来满足企业的话音业务往来， 并不能达到最理想的效果，可预见的是将i p 网和s c n 相结合是针对 目前企业话音业务所需的种最好的方法。 综述 1 4 业界网络融合方案 1 4 1 基千i p 技术解决方案 1 、复合型网络设备介绍 复合型网络设备为用户提供了基于i p 技术的统的解决方案如 图1 2 ，它能够提供p b x 、v 0 p 网关、路由器、以太网交换机、防火 墙等功能，为企业提供包括内部通话、异地通话、传真、网络浏览、 电子邮件、等各种信息传输服务。帮助企业提高信息传输效率，提升 企业管理水平，同时有效降低设备采购成本，节约通信费用，实现效 率和成本的完满结合。 图1 - 2 企业基于i p 的通信网络 可以根据目前的网络情况，在带宽不足的情况下，在建立呼口q 时 北京交通大学硕士学位论义 使用压缩率高的编码，充分利用带宽，在保证一定语音质量的同时， 维持正常的语音服务能力；在带宽充足的情况下，恢复使用压缩率低 的编码，提供高质量的语音服务。软交换也可以采用预先定义的规则， 对于网络带宽较小的通话路由，比如氏途，使用压缩率高的编码；反 之，使用压缩率低的编码，比如市话。 2 设备提供厂商 目前基于i p 网络的语音数据传输设备制造厂商众多，其中可推 荐的企业主要有思科、a v a v a 、北电、s i m t o n 等。 3 复合型网络设备不足之处 复合型网络设备为用户提供的是基于口技术的解决方案，采用分 组交换方式，在网络用户多的高峰时期，不能提供较好的话音通信 o o s 。 1 4 2i p 电信网毹决方案 i p 电信网是基于口承载各种电信业务的网络。 思科公司提出了智能互联网的概念，着眼于设备处理p 分组性能 的提高及对不同业务服务级别的支持。其思路仍然希望通过目前传统 q o s 的手段实现口电信网的运营要求，如在接入层实施q o s 的策略，对 分组及用户流进行分类和过滤，按照定义的q o s 策略实现带宽的分配 与控制，队列的优先级策略等。思科过分相信分组的能力，而期望提 高分组的处理性能来解决目前存在的o o s 难题，这固然是一个方向， 但如果没有对现有的口体系架构做出大的改动的话，达到目标将非常 困难。 华为i p 电信网概念的提出是为了解决n g n 承载网的问题，在传统 的p 网利用m p l s 技术逻辑分离互联网与电信业务承载网资源，基于 标记交换路径( l s p ) 分别规划各业务逻辑承载网资源，通过新增的资源 管理器完成网络资源的管理，实施会话接纳控制，并根据资源情况确 定业务流路径，可见资源管理服务器是其设计的灵魂，m p l s 是保障 o o s 的基础设施。但有一个问题，基础平台是否走互联网? 如果是，那 么这个口电信网必然与互联网共享一些硬件资源，而由于互联网本身 达不到电信级别的稳定、可靠及安全性，必然会影响到基于同一物理 平台的m 电信网这个逻辑网络，那么就使得电信网也不能达到电信 运营的标准，所以即使实现了逻辑分离，也不能保障p 电信网的可靠 性。如果不支持互联网业务，那么这个网络本身就是一个物理专网， 为何还用逻辑专网的方式昵? 华为的口电信网借助于m p l s 技术保障q o s ，而m p l s 本身是一种 夹层协议，其运转始终不能离开口的相关协议，具有很大的局限性。 所以如果口网要成为一切业务的承载网，那么最根本的方式就是改造， 包括对协议本身的改造，以及对目前互联网运营模式的改造 2 】。 实践证明，在网络轻载的情况下，对网络质量影响较大的是接入 层与汇聚层，而核心层、骨干层的设备能力及带宽绰绰有余。通过在 接入层及汇聚层设备设置必要的专用设备，网络的整体质量能得到极 大的改善。n g n 取代从骨干网( 长途中继) 入手，是一个重要的思路及 可行的方式，但城域网内的承载网质量成为n g n 下一步发展的一个重 要挑战。 基于互联网开展电信级的业务困难重重。互联网是一个开放的网 络，其开放性造成了其复杂性，网络的质量也不稳定。经过实际的运 营发现，即使城域网的静态质量非常好。但由于瞬态质量不可控，语 音业务质量不稳定，因此，基于现有的互联网直接承载n g n 业务是不 可行的。 目前比较流行的一种网络融合设想，是将所有的电信业务都承载 北京交通大学硕士学位论文 于一个网络上，但就目前及今后的一段时间内，这种想法都很难实现， 因为很难找到这么一种技术可以作为通用的承载平台，方便地提供电 信级别的运营水平。 可见，i p 网和电信网的融合是一个渐进的过程，不是一蹙而就的。 1 5 论文所做的工作 本论文设计了一种口网和s c n 相结合使用的话音通信方法。整个 系统的设计，主要包括m r ，坤驱动管理，s c n 驱动管理，q o s 测量四 个功能模块。研究内容如下： l m r 是核心组成部分在本论文中称为媒体路由器( m e d i a r o u t e r ，简 称m r ) ，它具有话音媒体路由控制功能。这里的路由是指话音数 据经过的是口网还是s c n 。m r 负责路由控制模块，能够动态瞬时 调整话音媒体路由路径，设计了相应动态路由算法。 2 s c n 通路管理模块接收和发送r t p 数据包，并监视记录每个物 理信道当前承载的连接数量，维护s c n 通路的一个信道占用状 态表。 3 口通路管理模块接收和发送r t p 数据包，并脏视记录每个物理 连接当前承载的连接数量，维护球通路的一个信道占用状态表。 4 q o s 测量模块实时测量口网的q o s 。m r 依据对口网的q o s 测 量结果及动态路由算法，在两种网络通道之间瞬时改变路由，实 现远程话音通信。 5 为解决瞬时改变路由的速度快和建立物理连接的速度慢的矛盾 采取物理连接预建立措施。 6 这一方法如果应用于目前的电信服务，即a d s l 和p s t n i s d n 服务，需要解决n a t 穿越问题，研究已有的n a t 穿越方案的基 础上，结合s t u n ，u d p 打洞技术设计了穿越集成c o n en 彻1 功 1 0 能的路由器方案。 1 6 论文的章节概要 本论文共分为四章。第一章论文综述，介绍了口和s c n 相结合 的背景，基于伊技术解决方案，已有的碑电信网方案，目前还不能 满足不断发展的企业的实际需要，将p 网和电信网相融合成为目前 解决沟通十分频繁的企事业单位一种最好的方法。 第二章介绍了口和s c n 相结合的话音通信方法设计，电路交换 是电信网主要使用的数据交换方式，而分组交换是i p 网主要使用的 数据交换方式，通过对这两种交换方式的原理进行比较分析，得出两 种方式的优缺点，从而合理利用两种网络的优势。提出整个系统架构 的设计思想，选择了一种理想的物理实施方案，详细介绍了各个功能 模块的设计思想。 第三章介绍了n a t 穿越的设计与实现，先对n a t 类型，实现原 理介绍，然后介绍了几种已有的n a t 穿越方案的实现原理，并设计 了适合本论文的n a t 穿越方案，通过s u a lc + + 环境模拟，介绍了 主要的数据结构，接口，程序流程，信令流程。 第四章网络环境模拟，首先是模拟环境的软硬件需求，然后介绍 了软件运行过程中的主要接口界面。 北京变通大学硕士学位论文 2 i p 和s c n 相结合的话音通信方法设计 2 1 电路交换与分组交换的原理与比较 电路交换 电路交换( c s ，c i r c u i ts w i t c h i n g ) 是一种利用电路进行连接， 以实现信息传输的方式。该技术在通信的两端之间建立一条专用的固 定带宽的通信电路，该电路由发送端开始，一站一站向着目的地串联 起来。一旦建立通信两端的连接之后，该电路就会一直维持专用状态， 直到通信结束之后，这条电路才会停止使用，并让出来给其他人继续 使用。在各种复用系统中，这种电路并非一条单独的物理线路，而是 指一个信道，即物理线路上的某一个时隙( 电路交换通常使用) m 技术，即时分复用) ，交换只是将a 端某信道上的信号全部搬移到b 端某信道的过程。电路交换属于电路资源预分配系统。 目前公用电话网广泛使用电路交换。经由电路交换的通信包括3 个阶段：电路建立、信息传输以及电路拆除。 电路交换具有下列特点： l 呼叫建立时间长，并且存在呼损。在通信双方所在的两节点之 间( 中间可能有若干个节点) 建立一条专用信道所花的时间称为呼叫 建立时间。在电路建立过程中，若由于交换网繁忙等原因而建立失败， 对于交换网则要拆除已建立的部分电路，用户需要挂断重拨，这叫呼 损。过负荷时呼损率增加，但不影响接通的用户。 2 对传送信息没有差错控制，电路连通后提供给用户的是“透明 通道”，即交换网对用户信息的编码方法、信息格式以及传输控制程 序等都不加以限制，但对通信双方来说，必须做到双方的收发速度、 p 和s c n 相结台的话音通信方法设计 编码方法、信息格式以及传输控制程序等都不加以限制，但对通信双 方来说，必须做到双方的收发速度、编码方法、信息格式以及传输控 制等完全一致才能完成通信。 3 对通信信息不做任何处理，原封不动地传送( 信令除外) 。一旦 电路建立后，数据以固定的速率传输。除通过传输通道形成的传输延 迟以外，没有其他延迟。在每个节点上的延迟很小，因此延迟完全可 以忽略。它适用于实时、大批量、连续的数据传输1 3 1 。 4 线路利用率低。从电路建立到进行数据传输，直至通信链路拆 除，通道都是专用的，再加上通信建立时间、拆除时间和呼损，其利 用率较低。 5 通信用户问必须建立专用的物理连接通路。通信前建立的连接 过程只要不释放，物理连接就永远保持。物理连接若一部分出问题就 会引起通信中断。只有建立、释放时间短，才能体现高效率。 6 实时性较好。每一个终端发起呼叫或出现其他动作，系统能够 及时发现并做出相应的处理。 分组交换 分组交换( p s ，p a c k e ts w i t c h i n g ) 采用存储转发方式，它将用户 要传送的信息分成若干组，以减少存储时间，这样可以使传送加快。 但由于电路增加，编程量增加，故开销也会变大。 分组交换属于“存储转发”交换，它又具体分为数据报传输分组 交换和虚电路传输分组交换。 l 数据报传输分组交换 交换网把进网的任一个分组都当作单独的小报文来处理，而不理 会它究竟属于哪个报文的分组。作为基本传输单位的“小报文”称为 数据报。 2 虚电路传输分组交换 北京交通大学硕士学位论文 虚电路是指两个用户的终端设备在开始互相收发数据之前需要 通过通信网络建立逻辑上的连接，这种连接直至用户不需要收发数据 时才被清除。 分组交换的主要特点是所有分组都必须沿着事先建立的虚电路 传输。它并不像电路交换那样在实体间存在专用信道，而是选定了特 定路径进行传输，分组所途经的所有节点都对这些分组进行存储转 发。这种方法对于数据量较大的通信来说具有传输速率高、分组传输 时延小和不容易产生分组丢失等优点，但它存在对网络依赖性大的缺 点。 电路交换的双方( 主叫和被叫) 是通过物理信道连接的，所以， 一旦连接建立以后，惟一的延迟时间是电磁波的传播时延( 对铜线而 言大约是5 m s 以【m ) 。 电路交换和分组交换之间的差异： 1 信道与带宽的利用 电路交换所需要的带宽是静态地被保留( 或称主，被叫双方独占 物理信道及其相应的带宽) ，即使己被“独占”的物理信道还存在尚 未被利用的带宽也只能白白地把它浪费掉。而在分组交换中，只在需 要时才申请带宽，此时由于物理信道不是专用的，所以所指的这些带 宽可以被其他不相关的信源连接到不相关的目的分组而被利用。当 然，由于分组交换没有专用的物理信道，一旦出现突然的，过大的输 入流量而导致路由器溢出时，会使分组丢失掉。 2 分组能否重新排序 在电路交换中要实现分组的重新排序肯定是不可能的，而在分组 交换中有可能实现对分组的重新排序。因为，此时路由器不仅可以提 供代码转换和较高的速率，并且还可以( 在一定条件下) 纠正对分组 的错误排序 4 】0 d i p 和s c n 相结合的话音通信方法设计 3 分析电路交换的透明性 电路交换是完全透明的，发送方和接收方可以使用任何比特速 率，格式或成帧方法，而电信运营公司不知道也不关心这些情况。如 果把电路交换比喻为公路( 分组交换比喻为铁路) ，即作为公路是由 用户决定车辆的大小、速度以及其他因素。电路交换这种透明性使语 音、数据和传真可以共存于电话系统之中。但在分组交换中，电信运 营公司决定基本参数，相当于由铁路主管部门决定车辆的大小、速度 以及其它因素。 4 不同的计费方法 在电路交换中，计费是以时间和距离为基础，而不是按流量大小。 但在分组交换中，通常按传送的分组字节数以及接通时间长短来收 费，并且通常不考虑传输距离( 除国际业务) 。 分组交换与电路交换相较优势之处 1 分组交换线路利用率更高。分组交换网络中，结点与结点之间的 单个链路可以由多个分组动态共享，这些分组被排队，并尽可能快速 的在链路上传播；而在电路交换网络中结点与结点之间的链路上，通 常采用时分复用的方式为每个连接分配链路资源，由于很有可能部分 时间被分配给一个空闲的连接( 通常来讲，在两个站点的数据通信过 程中，线路很多时候都是空闲的，就比如我们浏览网页的时候，通常 是输入特定也申请相应页面，当我们在完成该页面的传输之后浏 览页面时，线路就是空闲的) ，因此相比而言，电路交换没有分组交 换的利用率高。 2 分组交换可以实现传输速率的转换。分组交换网络中，两个不同 传输速率的站点之间可以交换分组，因为每个站点都是以其自己相应 的传输速率连接到各自邻接的网络结点上；而电路交换网络中，两个 站点必须使用相同的固定速率进行传输。 北京交通大学硕士学位论文 3 当电路交换网上的通信量变得很大的时候，一些呼叫就被阻塞 了，即在网络负载减轻之前，网络会拒绝新增的连接请求；而分组交 换网络中，新的分组依然会被接受并排队发送( 直至缓冲区满载) ， 只是它们的交付时延会增加而已。 4 分组交换可以使用优先级。分组交换网络中，如果一个结点有很 多分组排队等待发送，该结点可以选择优先传送高优先级的分组，高 优先级分组自然比低优先级分组的交付时延要短；而电路交换网络 中，似乎没有优先级的概念。 电路交换与分组交换相比较优势之处 l 当一个分组报文通过一个分组交换网络的结点时会产生时延，这 些时延包括将分组吸收到内部缓存的时间，分组在结点中进行处理和 排队引起的可变时延等等；而在电路交换网络中则不存在这样的时 延。 2 在特定的源站点和目的站点之间传输的分组可能具有不同的长 度( s i z e ) ，它们可以走不同的路径，每个分组报文在沿途的交换机中 可能经历不同的时延，那么分组的总时延就可能变化很大。这种称为 抖动的现象在一些要求实时性的应用中就是不允许的，比如语音或者 实时视频。 3 要使得分组能够在网络中传送，就需要在分组报文中增加诸如目 的地址之内的额外开销信息以及分组顺序信息，这些额外的信息占用 了部分原本可用来传送用户数据的通信容量；而在电路交换中，一旦 电路建立之后，这些开销都不需要。 4 在每个结点，使用分组交换要比使用电路交换进行更多的处理。 在电路交换网络中，一旦电路建立，在每个换机上面几乎不需要做任 何处理。 5 分组交换中的丢包发生情况 1 p 和s c n 相结台的话音通信方法设计 ( 1 ) 发现有错误的比特时要丢弃相应的包 ( 2 ) 当路由器发生拥塞时必须丢掉部分包 ( 3 ) 一些包即使成功地到达了目的地电会因为严重超时而被拒绝 在语音通信中丢包会引起间断的或者起伏的或者含混的甚至无 法识别的语音。公众电话网络通过t d m ( 如e 1 t 1 ) 对语音呼叫提供高 要求的同步电路，也就不存在丢包这样的问题，甚至连个别比特滑动 都要经过严格控制。用户已习惯了这样话音服务质量，在不具备其它 优势的情况下一般会很难接受通话质量的降低，除非为了获得移动性 或者具有吸引力的低价格时，才考虑降低一些话音服务质量。 对上述差异做简要归纳： j 比较差异的方面 电路交换 分组交换 独占物理信道( 含铜是不是 线) 可用带宽固定动态可变 浪费带宽是实质是不是 按存储转发传输不是 是 每个分组均沿同一信是不是 道 呼叫建立阶段需要不需要 何时会发生拥塞在建立( 阶段) 时对每一个分组都有 可能 计费方式按时间距离按分组数 表2 1 电路交换与分组交换之间的差异 北京交通大学硕士学位论文 2 2 系统架构设计思想 2 2 1 接入方式的选择 公用电信网习惯上被划分为两部分，核心网( c n ，c o r e n e 柳o r k ) ， 和接入网( a n ，a c c e s sn e t w o r k ) ，接入网又称为用户环路，主要用 完成将用户接入核心网的任务。接入网相对核心网而言，其环境、业 务量密度，以及技术手段等均有很大的差别。用户线路在地理上星罗 棋布，建设投资比核心网的大得多；在传送内容上是图像等高速数据 与语音低速数据并存；在方式上是固定或移动各有所需。此外，接入 网的情况相当复杂，已有的体制种类繁多，如电信部门的铜缆话路通 信模式、有线电视的同轴电缆单向图像通信模式以及蜂窝通信的移动 通信模式等。在当今核心网已逐步形成以光纤线路为基础的高速信道 的情况下，国际权威专家把宽带综合信息接入网比做信息高速公路的 “最后一英里”，并认为它是信息高速公路中难度最高、耗资最大的 一部分，是信息基础建设的“瓶颈”。 从网络的角度讲，端到端的业务涉及到网络的各个层面。因此提 供业务端到端的q o s ，仍然要分别从网络的各个层面考虑。应分别考 虑在接入网以及核心网对业务实施的0 0 s 策略，特别是接入网。由 于目前接入方式的多样性，包括以太网接入、d s l p d “接入、专线接 入、无线接入等等，这都需要考虑相应的0 0 s 策略。 在接入网中，目前可供选择的接入方式主要有p s n 4 、i s d n 、 a d s l 、d d n 、c a b l em o d e m 、l a n 六种，它们各有各的优缺点。 p s t n ( p u b l i s h e ds w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k ，公用电话交换网) 技术是利用p s t n 通过调制解调器拨号实现用户接入的方式。这种接 j p 和s c n 相结合的话音通信方法设计 入方式是大家非常熟悉的一种接八方式，目前最高的速率为5 6 k b p s ， 已经达到仙农定理确定的信道容量极限，这种速率远远不能够满足宽 带多媒体信息的传输需求；但由于电话网非常普及，用户终端设备 m o d e m 很便宜，而且不用申请就可开户，只要家里有电脑，把电话 线接入m o d e m 就可以直接上网。 i s d n ( i n l e g r a t e ds e r v i c ed 嘻t a ln e t w o r k ，综合业务数字网) 接入技 术俗称“一线通”，它采用数字传输和数字交换技术，将电话、传真、 数据、图像等多种业务综合在一个统一的数字网络中进行传输和处 理。用户利用一条i s d n 用户线路，可以在上网的同时拨打电话、收 发传真，就像两条电话线一样。i s d n 基本速率接口有两条6 4 k b p s 的 信息通路和一条1 6 k b p s 的信令通路，简称2 b + d ，当有电话拨入时， 它会自动释放一个b 信道来进行电话接听。 就像普通拨号上网要使用m o d e m 一样，用户使用i s d n 也需要 专用的终端设备，主要由网络终端n t l 和i s d n 适配器组成。网络终 端n t l 好像有线电视上的用户接入盒一样必不可少，它为i s d n 适配 器提供接口和接入方式。i s d n 适配器和m o d e m 一样又分为内置和外 置两类，内置的一般称为1 s d n 内置卡或i s d n 适配卡；外置的i s d n 适配器则称之为t a 。用户采用i s d n 拨号方式接入需要申请开户。 a d s l ( a s y m m e t r i c a ld i 画t a ls u b s c 曲e rl i n e ，非对称数字用户环路) 是一种能够通过普通电话线提供宽带数据业务的技术，也是目前极具 发展前景的一种接入技术。a d s l 素有“网络快车”之美誉，因其下 行速率高、频带宽、性能优、安装方便、不需交纳电话费等特点而深 受广大用户喜爱，成为继m o d e m 、i s d n 之后的又一种全新的高效接 入方式。 北京交通大学硕士学位论文 a d s l 方案的最大特点是不需要改造信号传输线路，完全可以利 用普通铜质电话线作为传输介质，配上专用的m o d e m 即可实现数据 高速传输。a d s l 支持上行速率6 4 0 k b p s 1 m b p s ，下行速率1 m b p s 8 m b 口s ，其有效的传输距离在3 5 公里范围以内。在a d s l 接入方 案中，每个用户都有单独的一条线路与a d s l 局端相连，它的结构可 以看作是星形结构，数据传输带宽是由每一个用户独享的。 d d n 是英文d 讶t a ld a t an e t w o r k 的缩写，这是随着数据通信业 务发展而迅速发展起来的一种新型网络。d d n 的主干网传输媒介有 光纤、数字微波、卫星信道等，用户端多使用普通电缆和双绞线。d d n 将数字通信技术、计算机技术、光纤通信技术以及数字交叉连接技术 有机地结合在一起，提供了高速度、高质量的通信环境，可以向用户 提供点对点、点对多点透明传输的数据专线出租电路，为用户传输数 据、图像、声音等信息。d d n 的通信速率可根据用户需要在n 6 4 k b p s ( n = 1 3 2 ) 之间进行选择，当然速度越快租用费用也越高。 用户租用d d n 业务需要申请开户。d d n 的收费一般可以采用包 月制和计流量制，这与一般用户拨号上网的按时计费方式不同。d d n 的租用费较贵，普通个人用户负担不起，d d n 主要面向集团公司等 需要综合运用的单位。d d n 按照不同的速率带宽收费也不同，因此 它不适合社区住户的接入，只对社区商业用户有吸引力。 c a b l e m o d e m ( 线缆调制解调器) 是近两年开始试用的一种超高 速m o d e m ，它利用现成的有线电视( c a t v ) 网进行数据传输，已是比 较成熟的一种技术。随着有线电视网的发展壮大和人们生活质量的不 断提高，通过c a b l em o d e m 利用有线电视网访问i n t e m e t 已成为越来 越受业界关注的一种高速接入方式。 i p 和s c n 相结合的话音通信方法设计 由于有线电视网采用的是模拟传输协议，因此网络需要用一个 m o d e m 来协助完成数字数据的转化。c a b l e m o d e m 与以往的m o d e m 在原理上都是将数据进行调制后在c a b l e ( 电缆) 的一个频率范围内传 输，接收时进行解调，传输机理与普通m o d e m 相同，不同之处在于 它是通过有线电视c a t v 的某个传输频带进行调制解调的。 c a b l em o d e m 连接方式可分为两种：即对称速率型和非对称速率 型。前者的d a t au p l o a d ( 数据上传) 速率和d a t ad o w n l o a d ( 数据下载) 速率相同，都在5 0 0 k b p s 2 m b p s 之间；后者的数据上传速率在 5 0 0 k b p s 1 0 m b p s 之间，数据下载速率为2 m b p s 4 0 m b p s 。 采用c a b l e m o d e m 上网的缺点是由于c a b l em o d e m 模式采用的 是相对落后的总线型网络结构，这就意味着网络用户共同分享有限带 宽；另外，购买c a b l e m o d e m 和初装费也都不算很便宜，这些都阻碍 了c a b l e m o d e m 接入方式在国内的普及。 l a n 方式接入是利用以太网技术，采用光缆+ 双绞线的方式对社 区进行综合布线。具体实施方案是：从社区机房铺设光缆至住户单元 楼，楼内布线采用五类双绞线铺设至用户家里，双绞线总长度一般不 超过l o o 米，用户家里的电脑通过五类跳线接入墙上的五类模块就可 以实现上网。社区机房的出口是通过光缆或其他介质接入城域网。 采用l a n 方式接入可以充分利用小区局域网的资源优势，为居 民提供1 0 m 以上的共享带宽，这比现在拨号上网速度快1 8 0 多倍， 并可根据用户的需求升级到1 0 0 m 以上。 以太网技术成熟、成本低、结构简单、稳定性、可扩充性好；便 于网络升级，同时可实现实时监控、智能化物业管理、小区大楼家 庭保安、家庭自动化( 如远程遥控家电、可视门铃等) 、远程抄表等， 2 北京交通大学硕士学位论文 可提供智能化、信息化的办公与家居环境，满足不同层次的人们对信 息化的需求。 以下两表是将三种接入方式的特征和资费作比较。表中，假设用 g 7 2 9 标准对语音进行压缩，每路语音的速率压缩到8 k b p s 。考虑到 口包头的开销，一路5 1 2 k b p s 的a d s l 线路可以容纳2 1 个话路。 连接q o s费用 最大 资费计算公说明 话路a p s t n高高 1 x + 2 2 +可直通p s t n ( 3 0 + y + 6 0 + 0 0 6 ) 】 电话 i s d n 高较低 1 6 x 4 3 2 +可直通p s t n ( 3 0 + y + 6 0 + 0 1 2 ) 】 电话 a d s l 时低很低 2 1x 4 1 2 0不能直通 时高p s t n 电话 表2 2 三种连接的特征比较 注：表中x 是申请的连接服务线路数量；y 是每日平均工作时长 ( 小时) 连接 一个连接的资费( 元) 平均每话路每月的 费用( 元) p s t n 资费 8 8 68 8 6 i s d n 资费 1 7 6 01 1 0 a d s l 资费 1 2 0 5 7 表2 - 3 资费计算例子( y = 8 小时，x = 1 ) 由以上两表的比较可清晰看到p s t n 方式耗费最多，a d s l 方式 大大节省费用。i s d