了解接入网的构成与发展趋势

任务描述

小李是电信装维工程师,过年回家时亲戚们遇到通信方面的问题都来问小李,如“为什么我家的电脑上不了网,手机却可以上网”等问题。那么,我们的计算机、手机、PAD等终端设备是怎样连接到互联网上的呢?它们之间有什么区别呢?小李该如何给亲戚朋友们科普这些基本的接入网知识呢?

任务分析

终端设备并不是直接与互联网(Internet)相连的,中间会经过一系列设备、线路等,这些中间设备和线路最终构成了接入网。最初的接入网就是将用户话机连接到电话局的交换机上,提供以语音为主的业务。那时,用户接入部分仅仅是交换网络的最后延伸,是某些具体接入设备的附属设施,并不是一个完整的网络部件。近年来,随着用户业务类型及用户规模的剧增,需要有一个综合语音、数据以及视频的接入网络来实现用户的接入需求。经过多年的发展,接入网已经发展成为一个相对独立、完整的网络。

虽然不同的用户终端都能接入互联网中,但是接入网络中的方式通常是不同的。小李结合多年的电信工作经验,现场给亲戚朋友们上了一堂生动形象的接入网知识普及课。

任务目标

一、知识目标

(1)掌握接入网的定义、标准。

(2)掌握接入网的分类、特点。

二、能力目标

(1)能够画出接入网的结构。

(2)能够指出实际组网中接入网的位置并能说出常用的接口及业务。

专业知识链接

一、接入网的定义

1.电信的定义

电信是指利用有线、无线、光或其他电磁系统,对符号、信号、文字、图像、声音或其他性质的信息进行传输、发送或接收。

2.电信网的定义

电信网是指由一定数量的节点和传输链路按照规定的协议实现两点或多点之间通信的网络。如图1-2所示,一个电信网从水平方向看,由用户部分、接入网部分和核心网部分组成。上网用的终端设备属于用户部分,用户部分可以是单独的设备,也可能是由多个用户设备构成的用户驻地网。从局端到用户之间的所有设备组成接入网,接入网负责将电信业务透明地传送到用户,即用户通过接入网的传输,能够灵活地接入不同的电信业务节点。交换网和传输网属于核心网,互联网也属于核心网部分,因此,通俗地说,接入网就是把用户接入核心网的网络。

图1-2 电信网组成示意图

二、接入网的标准

在1975年,英国电信首次提出了接入网的概念;1979年ITU-T(国际电联电信标准化部门)开始制定有关接入网的标准;1995年电信网接入标准ITU-T G.902建议书发布,接入网标准的出台,使接入网真正成为独立的网络;2000年IP接入网标准ITU-T Y.1231建议书发布,将接入网的发展推进到一个新的阶段,IP接入网可以提供数据、话音、视频和其他多种业务,满足融合网络的需要,如今的接入技术几乎都基于IP接入网。

1.ITU-T G.902

(1)G.902接入网的定义

在G.902建议书中,接入网是由业务节点接口(Service Node Interface,SNI)和用户网络接口(User-Network Interface,UNI)之间的一系列实体(诸如线缆装置和传输设施等)组成的,它是一个为电信业务提供所需传送承载能力的一个实施系统。

(2)G.902接入网的接口

G.902接入网的覆盖范围可由三个接口来界定:SNI、UNI和管理维护接口Q3,如图1-3所示。

图1-3 G.902接入网的界定

①UNI

UNI位于接入网的用户侧,是用户和接入之间的接口。用户终端通过UNI连接到接入网,接入网通过UNI为用户提供各种业务服务。

用户网络接口的物理类型有Z接口(如专用小交换机PBX和模拟用户线的接口等,可给话机提供直流馈电)、ATM接口(物理速率可达155 Mbit/s)、E1/CE1接口(物理速率为2 Mbit/s或N×64 kbit/s)、FE/GE接口等。

②SNI

SNI位于接入网的业务节点侧,是接入网和业务节点之间的接口,是业务节点通过接入网向用户提供电信业务的接口。业务节点是提供具体业务服务的实体,是一种可接入各种交换类型或永久连接型电信业务的网元。

业务节点接口的物理类型有E1接口、STM-1接口、STM-4接口、FE/GE/10GE接口等。

③管理维护接口Q3

管理维护接口Q3是接入网与电信管理网、电信管理网与各被管理部分连接的标准接口。接入网作为电信网的一部分,通过管理维护接口Q3与电信管理网相连,便于电信管理网实施管理。

(3)G.902接入网的功能

G.902接入网有五个基本功能,包括用户接口功能(UPF)、业务接口功能(SPF)、核心功能(CF)、传送功能(TF)、接入网系统管理功能(AN-SMF),各种功能模块之间的关系如图1-4所示。

图1-4 接入网功能模块之间的关系

①用户接口功能:将特定UNI的要求与核心功能和管理功能相适配。

②业务接口功能:将特定SNI的要求与公用承载通路相适配,以便进行核心功能处理,并选择有关的信息用于AN-SMF的处理。

③核心功能:处于UPF和SPF之前,承担各个用户接口承载通路或业务接口承载通路的要求与公用承载通路的适配。

④传送功能:为接入网中不同地点之间公用承载通路的传送提供通道,同时为相关传输媒质提供适配功能。

⑤接入网系统管理功能:通过Q3接口或中介设备与电信管理网接口连接,协调接入网各种功能的提供、运行和维护。

(4)G.902接入网的特点

①G.902接入网具有复用、连接、传输等功能,无交换和计费功能,不解释用户信令。

②G.902接入网的UNI和SNI只能静态关联,用户不能动态选择SN。

③G.902接入网与核心网相互独立,但是核心网与业务绑定,不利于更多的业务提供者参与。

④G.902接入网受制于电信网的结构,没有关于用户接入管理的功能。

ITU-T G.902建议是关于接入网的第一个总体标准,它确立了接入网的第一个总体结构,对接入网的形成具有关键性的作用。当互联网技术的理念、框架还远未深入影响通信技术界时,ITU-T G.902接入网的功能体系、接入类型、接口规范等就已适用于电信网络;当关于IP接入网的总体标准ITU-T Y.1231问世以后,人们将ITU-T G.902建议称为“电信接入网总体标准”。

2.ITU-T Y.1231

(1)Y.1231接入网的定义

随着互联网的发展,现有电信网越来越多地用于IP接入。ITU-T Y.1231建议书给出了IP接入网的定义:IP接入网是指由网络实体组成,可提供所需接入能力的一个实施系统,用于在一个“IP用户”和一个“IP服务者”之间提供IP业务所需的承载能力。

(2)Y.1231接入网的总体结构

Y.1231接入网的总体架构如图1-5所示。

IP接入网位于用户驻地网和IP核心网之间,提供IP远端接入和IP传输接入功能。用户驻地网可以是小型办公网络,也可以是家庭网络,可能是运营网络,也可能是非运营网络;IP核心网是IP服务提供商的网络,可以包括一个或多个IP服务提供商。

从图1-5可以看出,IP接入网与用户驻地网、IP核心网之间的接口由统一的参考点RP界定。RP是一种抽象、逻辑接口,适用所有IP接入网,它在Y.1231标准中未有具体定义。在具体的接入技术中,由专门的协议描述RP,不同接入技术对RP有不同的解释。

图1-5 IP接入网的总体架构

(3)Y.1231接入网的功能

Y.1231接入网具有IP传送功能、IP接入功能和IP接入网系统管理功能,各功能模块之间的关系如图1-6所示。

图1-6 IP接入网的功能模型

①IP传送功能:承载并传送IP数据包。IP传送功能与IP业务无关。

②IP接入功能:对用户接入进行控制和管理,如ISP的动态选择、IP地址动态分配、NAT(网络地址转换)、授权、认证、记账等;

③IP接入网系统管理功能:系统配置、监控、管理。

(4)IP接入方式

从IP接入网的功能参考模型角度出发,IP接入方式分为直接接入方式、PPP隧道接入方式、IP安全协议接入方式、IP路由器接入方式和MPLS接入方式。

①直接接入方式

直接接入方式采用IP over PPP技术或IP over PPPo E技术,协议封装如图1-7所示。

图1-7 IP直接接入方式

用户经点到点协议直接接入ISP,下层传输系统可以由若干段不同传送机制串接组成。中间的接入网节点为接入复用点,来自多个用户的PPP分组,可经由下一段的ATM或FR复用后传送到ISP。接入复用点不处理PPP协议,仅提供ATM、FR等的第二层复用传送功能,这称为第二层复用接入方式。

②PPP隧道接入方式

来自用户的PPP分组到达接入复用点后被重新包装,在它的外面再加上一层封装,封装后的分组作为净荷装入IP包,再经过第二层链路传送到ISP,协议封装如图1-8所示。

图1-8 PPP隧道接入方式

PPP终结于ISP,接入网内部节点并不处理PPP协议,只是将其重新封装后通过隧道传送至远端ISP。在PPP分组外面加上一层封装的处理称为隧道协议,IETF定义了3种PPP隧道协议:PPP隧道协议(PPTP)、第二层转发-协议(L2FP)和第二层隧道协议(L2TP)。图1-8采用的是L2TP隧道协议。

③IP安全协议接入方式

使用IP安全协议取代PPP隧道协议进行封装,将用户分组转送至远端ISP,协议封装如图1-9所示。

图1-9 IPSEC隧道接入方式

接入复用点打开PPP分组,执行PPP协议,取出其中的IP包,再封装进IPSEC分组中。IPSEC传送的不是第二层PPP分组,而是第三层用户IP分组,所以IP安全协议又称为第三层隧道协议。IP安全协议具有完备的加密和认证机制,可保证远程ISP接入的安全性,并且可以保证不同厂商产品的互连互通。

④IP路由器接入方式

接入网复用点含路由器功能,将用户IP分组转发至ISP,PPP协议终止于接入网复用点,协议封装如图1-10所示。

图1-10 IP路由器接入方式

这种接入方式相当于将边缘路由器外移至接入网,用户可以灵活地选择某个ISP,路由器移至接入网相当于IP网向用户侧推进。

⑤MPLS接入方式

接入复用点是一个MPLS交换机或具有MPLS功能的路由器,使用MPLS技术实现IP分组的选路和转发,此种接入方式实际是一种路由器接入方式,协议封装如图1-11所示。

图1-11 MPLS接入方式

MPLS接入复用点打开PPP分组,取出其中的IP包,贴上MPLS标签,然后将其装入下层传输系统中并转发给ISP,这是一种IP隧道方式,PPP协议终止于MPLS接入复用点。

(5)Y.1231接入网的特点

①Y.1231接入网具有复用、连接、传输功能,还具有交换和计费功能,可解释用户信令。

②Y.1231接入网的用户可以自己动态地选择IP服务提供者。

③Y.1231接入网、核心网与ISP之间完全独立,用户可以获得更多的IP服务。

④Y.1231接入网具有独立且统一的用户接入管理模式,便于运营和对用户的管理,适应于各种接入技术。

三、接入网的分类

接入网的分类方法多种多样,可以按传输介质、拓扑结构、使用技术、接口标准、业务带宽、业务种类等进行分类。按所用的传输介质的不同进行分类,接入网可以划分为有线接入网、无线接入网和综合接入网,如图1-12所示。

图1-12 接入网分类

不同的接入网需要用到不同的传输技术。铜线接入网通常可分成数字用户线(DSL)接入网、电缆调制解调器(Cable Modem)接入网等;光纤接入网(Optical Access Network,OAN)通常可分为有源光网络(AON)和无源光网络(PON);无线接入网通常接入可分为固定无线接入网和移动无线接入网;综合接入网要涉及多种电信传输技术。

四、接入网的拓扑结构(www.xing528.com)

接入网的拓扑结构对接入网的网络设计、功能配置和可靠性等有重要影响。接入网主要的拓扑结构有星型结构、总线型结构、环型结构、树型结构等,如图1-13所示。

图1-13 接入网的拓扑结构

1.星型拓扑结构

星型拓扑结构实际上是点对点的方式,存在一个特殊的枢纽点。

星型拓扑结构的优点是结构简单,各用户之间相对独立,保密性好,维护方便,故障定位容易,适合于传输成本较低的应用场合;缺点是所需链路代价较高,组网灵活性较差,对中央节点的可靠性要求极高。

2.总线型拓扑结构

当涉及通信的所有点串联起来并使首末两个点开放时就形成了链型结构,当中间各个点可以有上下业务时称为总线型拓扑结构,也称为T型拓扑结构。

总线型拓扑结构的优点是共享主干链路,增删节点容易,彼此干扰小;缺点是保密性差,适合分配式业务。

3.环型拓扑结构

当通信的所有节点首尾相连地串联起来,没有任何节点开放时就形成了环型拓扑结构。

环型拓扑结构的优点是可以实现自愈,即无须外界干预,网络可在较短的时间内自动从失效故障中恢复所传业务,可靠性很高;缺点是单环所挂用户数量有限,多环互通较为复杂,不适合CATV(有线电视)等分配型业务。

4.树型拓扑结构

树型拓扑结构类似于树枝形状,呈分级结构,在交接箱和分线盒处采用多个分路器,将信号逐级向下分配,最高级的端局具有很强的控制协调能力。

树型拓扑结构的优点是适合单向广播式业务;缺点是功率损耗大,双向通信难度大。

五、接入网的特点

①接入业务种类多,业务量密度低。

接入网的业务需求种类繁多,除可接入交换业务外,还可接入数据业务、视频业务以及租用业务等,但是与核心网相比,其业务量密度很低,线路占用率低,经济效益差。统计结果显示,核心网中继电路的占用率通常达50%以上,而住宅用户电路的占用率仅在1%以下,两者对比鲜明。

②网径大小不一,成本与用户有关。

接入网只是负责在本地交换机和用户驻地网之间建立连接,但是由于覆盖的各用户所在位置不同,造成接入网的网径大小不一。例如,市区的住宅用户可能只需1～2 km长的接入线,而偏远地区的用户可能需要十几千米的接入线,其成本相差很大。而对核心网来说,每个用户需要分担的成本十分接近。

③线路施工难度大,设备运行环境恶劣。

接入网的网络结构与用户所处的实际地形有关系,一般线路沿街道铺设,铺设时经常需要在街道上挖掘管道,施工难度较大。另外,接入网的设备通常放置于室外,要经受自然环境甚至人为的破坏,这对设备提出了很高的要求。接入网设备中的元器件性能恶化的速度通常比一般的室内设备快10倍,这就对元器件的性能和极限工作温度提出了相当高的要求。

④网络拓扑结构多样,组网能力强大。

接入网的网络拓扑结构具有多种形式,可以根据实际情况进行灵活多样的组网配置。其中环型结构可带分支,并具有自愈功能,优点较为突出。在具体应用时,应根据实际情况进行针对性选择。

⑤接入网具有特殊性,它还具备如下特征。

·综合性强。接入网是迄今为止综合技术种类最多的一个网络。例如,传送部分就综合了SDH、PON、ATM、HFC和各种无线传送技术等。

·直接面向用户。接入网是一个直接面向用户的敏感性很强的网络。其他网络发生问题时,有时用户还感觉不到,但接入网发生问题,用户肯定会感觉到。

·接入网是和其他业务网关系最为密切的网络,是本地电信网的一部分,和本地网的其他部分关系密切。

·接入网是一个快速变化发展的网络,一些可用于接入网的新技术还将不断出现,因此,我们对接入网的认识、接入网的作用、接入网的建设方法都存在一个变化的过程。

·接入网是一个对适应性要求较高的网络。比起其他网络,接入网对各方面适应性的要求都比较高。例如,对于容量的范围、接入带宽的范围、地理覆盖的范围、接入业务的种类、电源和环境的要求等,这些在其他业务网中不存在的问题,在接入网中都变成了问题。

总之,接入网的数字化、宽带化、智能化和移动化已成为未来通信技术发展的方向之一,接入网正朝着IP化、光纤化和无线化的方向发展。

任务实施

一、调研接入网的接口

①调研接入网与用户终端之间的接口

(1)电话终端

传输介质:______________________________________________________________________

接口:____________________________________________________________________________

(2)手机终端

传输介质:______________________________________________________________________

接口:____________________________________________________________________________

(3)计算机终端

传输介质:______________________________________________________________________

接口:____________________________________________________________________________

(4)电视机终端

传输介质:________________________________________________________________________

接口:___________________________________________________________________________

(5)家庭网关

传输介质:______________________________________________________________________

接口:____________________________________________________________________________

②调研接入网与核心网连接时的接口

二、识别宽带接入技术

图1-14是宽带端到端网络示意图,即用户终端到各网站服务器的连接图。通过该图,我们可以了解网络访问的全过程。

图1-14 宽带端到端网络示意图

下面对图1-14进行说明。

①表示用户驻地网。

CPN可以是企业网络,可以是普通家庭网络,也可以是商户网络,是通过无线路由器、电力猫等设备构建的网络。

②表示接入网。

CPE(称为客户终端设备或客户前置设备)作为接入网用户端设备,OLT(光线路终端)、CMTS等作为接入网局端设备。

若接入方式为DSL,则CPE为ADSL Modem,局端设备为DSLAM或OLT;若接入方式为PON,则CPE为ONU(光网络单元),局端设备为OLT;若接入方式为LAN(局域网),则CPE为交换机,局端设备为OLT或交换机;若接入方式为HFC,则CPE为Cable Modem或EOC,局端设备为CMTS或OLT。

③④表示某运营商骨干城域网。

从县城到市里、从市里到省里的机房里的设备设施为运营商的城域网。宽带接入服务器(BAS)、MSE边缘路由器都属于城域网设备。

⑤表示某运营商的国际出口,用于访问国外网络中的服务器。

⑥表示某运营商到其他运营商的互联接口。

⑦表示其他运营商骨干城域网。

⑧⑨表示相关服务器的访问。

任务成果

(1)完成调查接入网接口类型的报告一份。

(2)完成调查宽带端到端网络的接入方式的报告一份。

(3)完成任务工单一份。

任务思考与习题

一、单选题

1.“最后一公里”可理解为(　)

A.局端到用户端之间的接入部分　B.局端到用户端之间的距离为1公里

C.数字用户线为1公里　D.用户接入环路为1公里

2.电话机与信息插座的插头为(　)

A.RJ45　B.RJ11　C.交叉线　D.直连线

3.G.902定义的接入网是传统意义上的接入网,区别于(　)定义的IP接入网。

A.CCITT　B.ITU-T　C.Y.1231　D.TMN

4.IP接入网位于IP核心网和用户驻地网之间,它由(　)来定界的。

A.RP　B.Q3　C.UNI　D.SNI

5.G.902电信接入网位于本地程控交换机(LE)和用户驻地网之间,它由(　)来定界的。

A.RP　B.Q3、UNI、SNI

C.UNI、SNI　D.SNI、RP、UNI、Q3

6.Y.1231定义的IP接入网包含(　)或选路功能。

A.UNI　B.SNI　C.交换　D.Q3

7.IP接入方式可分为IP直接接入方式、PPP隧道接入方式、IP安全协议接入方式、IP路由器接入方式和(　)接入方式。

A.LMDS　B.Bluetooth　C.GPRS　D.MPLS

二、多选题

1.属于G.902描述的接入网范畴的有(　)。

A.解释用户信令　B.由UNI、SNI和Q3接口界定

C.不具备交换功能　D.UNI与SNI的关联由管理者设置

2.属于Y.1231描述的接入网范畴的有(　)。

A.解释用户信令　B.由UNI、SNI和Q3接口界定

C.不具备交换功能　D.用户可自主选择不同的ISP

3.G.902规范描述的接入网主要特征有(　)。

A.复接功能　B.交换功能

C.用户认证和记账功能　D.不解释用户信令

4.Y.1231规范描述的接入网的主要特征有:(　)

A.具有复接功能　B.具有交换功能

C.具有用户认证和记账功能　D.用户可以动态选择ISP

三、简答题

1.从IP接入网功能参考模型的角度出发,IP接入方式主要有IP直接接入方式、PPP隧道接入方式、IP安全协议接入方式、IP路由器接入方式和MPLS接入方式,请思考这些IP接入方式的区别。

2.当互联网从信息互联网发展到万物互联网,再发展到价值互联网时,接入网在其中会扮演什么样的角色呢?未来会出现什么样的新宽带接入技术呢?