综合业务数字网
通信专业职业水平考试辅导
太原理工大学 王华奎 教授
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窄带综合业务数字网
众所周知，通信网的两个重要组成部分是传输系统
和交换系统。当一种网络的传输系统和交换系统都
采用数字系统时，就称为综合数字网（Integrated
Digital Network，IDN）。这里的“综合”是指将
“数字链路”和“数字结点”合在一个网络中。如
果将各种不同的业务信息经数字化后都在同一个网
络中传送，这就是综合业务数字网（Integrated
Services Digital Network，ISDN）。这里的“综合
”既指“综合业务”，也指“综合数字网”。
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N-ISDN的概念
1. ISDN的由来
(1) 综合数字网( IDN)
IDN是以64kbit/s的PCM信道为基础，把数字时分电话交换
和数字时分复用传输综合起来的数字电话网。
IDN实现从本地交换节点至另一端本地交换节点间的数字连
接，但并不涉及用户接续到网络的方式，IDN概念示意图如
图6-1所示。
图6-1 IDN示意图
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图6-2 IDN通信网
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IDN的缺点
1. 经济性差：各种网络互不兼容，终端和接入设备专
用，增加用户投资；
2. 效率低：专网专用，难以互通，资源利用率低;
3. 用户使用不方便：各种网络标准不同、号码不同、
接入过程不同；
4. 管理复杂：不同网络由不同的网络管理部门管理，
增加业务困难。
为了克服IDN的上述缺点，必须从根本上改变网络
的分立状况，用一个单一的网络来提供各种不同类
型的业务，由此发展了综合业务数字网(ISDN )。
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(2) ISDN
1984年CCITT通过了I系列建议书，对综合业务数字
网ISDN的定义为：“ISDN是由电话IDN发展起来的一
个网络，它提供端到端的数字连接以支持广泛的服务，
包括声音和非声音的，用户的接入是通过有限的多用
途用户网络接口标准实现的”。ISDN定义强调的要点
是：
① ISDN是以电话IDN为基础发展起来的通信网；
② ISDN支持各种电话和非电话业务，包括话音、数据传
输、可视图文、智能电报、遥测和告警等业务；
③ 提供开放的标准接口；
④ 用户通过端到端的共路信令，实现灵活的智能控制。
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ISDN提供的开放系统
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2. ISDN的组成与特点
用户信息 用户信息ISDN
交换机
ISDN
交换机
终
端
分组交换能力
电路交换能力
无交换连接能力
公共信道信令能力
终
端
用户－用户信令
用户－网络信令 用户－网络信令
ISDN网络
图6-4 ISDN的组成示意图
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ISDN包含了七个主要功能：
(1) 本地连接功能；
(2) 64kbit/s电路交换功能；
(3) 64kbit/s专线功能；
(4) 中髙速电路交换功能；
(5) 分组交换功能；
(6) 中髙速专线功能；
(7) 公共信道信令功能。
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ISDN的基本特性
(1) 端到端的数字连接
在ISDN中，所有语音、数据和图像等信号都以数
字形式进行传输和交换。这些信号都要在终端设
备中转换成数字信号，然后通过数字信道将信号
送到ISDN交换机，将这些数字信号交换、传输到
目的端的终端设备。整个过程中，所有的信号都
以数字形式进行传输和交换。如图6-5所示。
图6-5 端到端的数字连接
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ISDN的基本特性
(2) 综合的业务
ISDN支持包括话音、数据、文字、图像在内的各
种综合业务。任何形式的原始信号，只要能够转
变成数字信号，都可以利用ISDN来进行传送和交
换，实现用户之间的通信。ISDN的业务不仅覆盖
了现有各种通信网的全部业务，而且包括了多种
多样的新型业务。
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ISDN的基本特性
(3) 标准的用户一网络接口
标准化、多用途的用户—网络接口是ISDN的关键。
为保证ISDN用户—网络接口的通用性，ITU建议
了几种接口的标准，对于接口上的信道速率、信
道组成、插头插座的形状、控制信号格式及通信
过程等都有明确的规定。接口标准化促成终端设
备的可携性，使不同业务类型、不同厂家生产的
设备都可以按照这些ISDN标准连接，方便地接入
网络。同时，接口的标准化还简化了网络的管理
工作，网络不再关心在一个接口上使用的是哪种
类型的终端设备，只管理“接口”本身。
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3. ISDN的系列建议
国际电信联盟电信标准化组织（ITU-T）关于
ISDN协议的描述见下表。
协议系列 协议的用途
E 这些协议为建议的ISDN电话网络标准。如，协议描述
了ISDN的国际地址。
I 这些协议主要涉及概念、术语和一般的方法。系列包
括了ISDN的基本概念和其他I系列建议的结构；系列涉
及有关ISDN服务的方面；系列描述了网络结构和运行；
系列描述了用户-网络接口特性；系列描述了维护
原则以及操作和其他特性。
Q 这些协议覆盖了有关交换和信令的运行部分。 “信令”在
这里的意思是指呼叫设置的处理。描述了ISDN D信道
上链路访问规程(LAPD)的数据链路进程，类似于OSI模型的
第2层功能。制定了OSI参考模型的第3层功能。
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ISDN的网络结构与功能结构
ISDN协议的结构模型
该模型基于OSI模型，
ITU-T为ISDN协议设
计了一个立体的结构
模型，如图6-6所示。
这个模型包含了一个
ISDN终端或网络节点
所包含的全部协议。
图6-6 ISDN的结构模型
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该模型由3个平面组成，对应3种不同类型的信息:
(1) 控制平面(C)，是关于控制信令的协议，它覆盖
了所有对呼叫和到网络性能的控制，共分7层。
(2) 用户平面(U)，是关于用户信息的协议，它覆盖
了在用户信息传送信道上实行数据交换的全部规
则，也分7层。
(3) 管理平面(M)，是关于终端或ISDN节点内部操作
功能的规则，不分层。
一般说来， C平面和U平面都可以通过原语和M
平面进行通信，由M平面中的管理实体协调C和U
之间的动作。 C和U之间不直接通信。
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用户—网络接口协议
用户终端设备和网络间的控制协议结构如图6-7所
示。该接口上的信道主要有两类：B信道和D信道
图6-7 用户网络接口协议结构
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在第1层上，因为B信道和D信道复用在同一个物理
传输媒体上，所以这两种信道使用相同的协议：
ITU-T的和建议分别是基本速率接口和一
次群速率接口的第1层协议。
第2层向上，B信道和D信道开始使用不同的协议。
第3层的协议和D信道上传送的信息种类有关：呼叫
控制信令协议是 分组数据使用第3级协议。
D信道的高层(4～7层)可能会有一些提供端到端用
户信令的功能，具体协议有待进一步确定。
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2. ISDN的网络结构
ISDN的一般结构如图6-8所示。它由用户网络、局
域网络和传输网络三部分组成。
图6-8 ISDN的网络结构
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(1) 用户网络：用户所在地的设备及接口，如终端设
备TE、终端适配器TA、网络终接设备NT等。
(2) 局域网络：包括一个本地交换机（即用户环路）
内放置的一组设备，其中有网络终端NT和线路
终端LT的传输系统，远端复用和分接器（集中器）
及交换单元。一个ISDN业务局，它由本地交换
机和相关的其他设备构成。
(3) 传输网络：包括各种功能的传输网络，即窄带传
输网、宽带传输网、公共信令传输网以及分组交
换网等。64kbit/s 电路交换连接的是ISDN的基本
功能，此外，还有 384kbit/s 的中速电路交换功
能及大于 的高速电路交换功能。
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ISDN用户网络接口参考配置
图6-9给出ISDN用户/网络接口的参考配置。参考配
置是指用参考点和功能群的概念规定了ISDN用户系
统的标准结构，是制定ISDN用户出入口的根据。
图6-9 ISDN用户网络接口的参考配置
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接口速率
(1) 基本速率接口－BRI(Basic Rate Interface)
信道结构：(2B＋D)
B：64kb/s D：16kb/s
净速率：2B＋D＝2×64kb/s＋16kb/s=144kb/s
实际速率＝净速率＋控制信息
U接口＝160kb/s S/T接口＝192kb/s
(2) 一次群速率接口－PRI(Primary Rate Interface)
信道结构：(30B＋D)或(23B＋D)
B：64kb/s D：64kb/s
净速率：30B＋D＝1984kb/s 23B＋D＝1536kb/s
T/U接口实际速率＝净速率＋控制信息
30B＋D＝2048kb/s 23B＋D＝1544kb/s
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BRI
D
B1
B2
PRI
D
B1~B30
基本速率数字管道，144kbps
一次群速率数字管道，2Mbps
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ISDN具有多种能力，用以承载不同的业务：
(1) 电路交换能力；
(2) 分组交换能力；
(3)无交换连接能力；
(4) 公共信道信令能力。
ISDN具有3种不同的信令：
(1) 用户－网络信令；
(2) 网络内部信令；
(3) 用户－用户信令。
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信道结构
信道是提供业务用的传输通道，它表示接口信息传送
能力。 ISDN的信道可以分成以下几种类型。
(1) B信道：用于传送用户信息，传输速率为64kbit/s。B
信道上可以建立三种类型的连接：电路交换连接、分
组交换连接、半固定连接(等效于租用电路)。
(2) D信道：速率为是16kbit/s或64kbit/s，它有两个用途：
①它可以传送公共信道信令，而这些信令用来控制同
一接口上的B信道上的呼叫；②当没有信令信息需要
传送时，D信道可用来传送分组数据或低速的遥控、
遥测数据。
(3) H信道：用于传送高速的用户信息，如高速传真、图
像、高速数据、高质量音响及分组交换信息等。
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接口结构
CCITT只规定了两种用户/网络接口，即基本速
率接口和基群速率接口。
(1) 基本速率接口
该接口是把现有电话网的普通用户线作为ISDN用
户线而规定的接口，是ISDN最基本的用户/网络
接口。它由两个传输速率为64kbit/s的B通道和一
个传输速率为16kbit/s的D通道构成，通常称为
2B+D。其中一个B通道用来传送电话，另一个B
通道用来传送数据或传真，D通道用来传送信令
或分组数据信息。基本速率接口主要用于一般
ISDN用户，可接一般用户终端及办公室设备等。
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(2) 一次群速率接口
由多个B通道和D通道组合或者由H通道和B通道
组合构成基群速率接口。基群速率接口主要用于
专用用户交换机(PBX)用户及主机接入ISDN。基
群的传输速率在日本和美国为1544kbit/s，在中国
和西欧等国为2048kbit/s。考虑到基群中所要控制
的信道数量比较大，所以规定基群中的D信道的
传输速率为64kbit/s。
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宽带综合业务数字网
窄带ISDN（N-ISDN）是一种试图以数字系统代替
模拟电话系统的巨大尝试，这种数字系统既要能适
应于话音通信，又要能适应于非话音通信。由于基
本速率的接口标准已在世界范围内达成了一致，所
以人们以为这将导致对ISDN设备的大量需求，因
此会出现大规模生产、规模经济以及廉价的VLSI
ISDN芯片。不幸的是，这一标准化过程花了许多
时间，而这一领域内的技术发展非常迅速，因此当
标准最终制定出来时，它已经过时了。
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前述N-ISDN能够提供2Mbit/s以下数字综合业务，
具有较好的经济和实用价值。但在当时（即20世纪
80年代），鉴于技术能力与业务需求的限制，N-
ISDN存在以下局限性：
(1)信息传送速率有限，用户－网络接口速率局限于
2048kbit/s或1544kbit/s以内，无法实现电视业务和
高速数据业务，难以提供更新的业务。
(2)其基础是IDN，所支持的业务主要是64kbit/s的电
路交换业务，对技术发展的适应性很差。
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(3) N-ISDN的综合是不完全的。虽然它综合了分组
交换业务，但这种综合只是在用户入网接口上实
现，在网络内部仍由分开的电路交换和分组交换
实体来提供不同的业务。即在交换和传输层次，
并没有很好地利用分组业务对于不同速率、变比
特率业务灵活支持的特性。
(4) N-ISDN只能支持话音及低速的非话音业务，不
能支持不同传输要求的多媒体业务，同时整个网
络的管理和控制是基于电路交换的，使得其功能
简单，无法适应宽带业务的要求。
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所以需要一种以高效、高质量支持各种业务的，不
由现有网络演变而成，采用崭新的传输方式、交换
方式、用户接入方式以及网络协议的宽带通信网，
以提供高于PCM一次群速率的传输信道，能够适应
从速率最低的遥测遥控(十几bit/s到几十bit/s )，到
高清晰度电视HDTV(100Mbit/s～150Mbit/s)或近
Gbit/s的宽带信息检索业务，都以同样的方式在网
络中传送和交换，共享网络资源。同时与提供同样
业务的其他网络相比，它的生产、运行和维护费用
都比较低廉，当时CCITT将这种网络定名为宽带
ISDN或称B-ISDN 。
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B-ISDN的该念及特点
要形成B-ISDN，其技术的核心是高效的传输、交
换和复用技术。人们在研究分析了各种电路交换和
分组交换技术之后，认为快速分组交换是唯一可行
的技术。国际电联(ITU-T)于1988年把它正式命名
为ATM(Asynchronous Transfer Mode )，并推荐为
B-ISDN的信息传递模式，称为“异步传递方式”
。ITU-T在建议中定义：ATM是一种传递模式，
在这一模式中，信息被组成信元(Cell)；“异步”
是指发时钟和收时钟之间容许“异步运行”，其差
别用插入/取消信元的方式去调整；“传递模式”
是指信息在网络中包括了传输和交换两种方式。
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(1)可以实现网络业务的完全综合化
在采用ATM技术的B-ISDN中，不仅可以在用户－
网络接口上实现物理线路的综合化，而且在网络
内部采用同一交换方式实现不同类型、不同速率
的信息交换，通过有效地均衡各种业务所需要的
通信带宽，达到支持多媒体通信所需要的多种多
样的通信速率。
(2)支持高速率的用户信息传输
B-ISDN用户－网络接口上用户的最高通信速率可
以达到155Mbit/s或622Mbit/s，是N-ISDN的100倍
以上，可以提供如HDTV的高速图像业务。
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(3) 能提供丰富多彩的通信业务
N-ISDN主要提供点对点的双向通信（交互通信）
业务，B-ISDN除提供交互通信业务外，还提供分
配型业务，如电视广播、视频点播(VOD)等。
(4) 传输及处理的成本低
ATM网络得到高速大容量的同步光纤网(SONET)或
同步数字系列(SDH)的支持。采用光传输方式，不
仅可提供巨大的传输容量，而且可利用波分复用
(WDM)技术，使同一根光纤上传输的容量成倍增加，
使得相同容量的光纤传输系统比铜线传输系统成
本低得多。
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ATM技术
1. ATM的基本概念
人们习惯上把电信网分为传输、复用、交换、终端
等几个部分，其中除终端以外的传输、复用和交换
三个部分合起来统称为传递方式(也叫转移模式)。
目前应用的传递方式可分为两种：
同步传递方式(STM)：主要特征是采用时分复用，
各路信号都是按一定时间间隔周期性出现，接收端
可根据时间（或者说靠位置）识别每路信号。
异步传递方式(ATM)：采用统计时分复用，各路信
号不是按照一定时间间隔周期性地出现，接收端要
根据标志识别每路信号。
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ATM的定义
ATM的定义：ATM是一种传递模式，在这种模式
中，信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息
的信元不需要在传输链路上周期性地出现。因此这
种传递模式是异步的。
从这个意义上来看，ATM是采用统计时分复用，
各路信号不是按照一定时间间隔周期性地出现，要
根据标志识别每路信号。这种转移模式是异步的
（统计时分复用也叫异步时分复用）。
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图图6-8 STM6-8 STM和和ATMATM的时分方式的区别的时分方式的区别
ATM则是用
单元字头内
的标记符识
别信道(标记
多路复用)。
STM要求有固
定的帧周期，
用电路交换复
用技术，靠帧
内时隙的相对
位置识别信道
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ATM的特点
(1) ATM是面向连接的。
(2) ATM采用异步时分复用。 ATM是按需分配带宽的，可以
满足不同用户传递不同业务的带宽需要。
(3) ATM网取消逐段链路的差错控制和流量控制。ATM协议
运行在误码率很低的光纤传输网上，同时预约资源机制保
证网络中传输的负载小于子网络的传输能力。
(4) ATM信元头部功能被简化。由于ATM网络中链路的功能
变得非常有限，故信元头部变得异常简单，依靠信元头部
的虚电路标志可以很容易地将不同的虚电路信息复用到一
条物理通道上。
(5) 采用固定长度的短分组。定长比可变长信元的控制与交换
更容易用硬件实现，利于向高速化方向发展。
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2. ATM的基本原理
ATM信元
ATM的信元具有固
定的长度，从传输
效率、时延及系统
实现的复杂性考虑，
CCITT规定ATM信
元长度为53字节。
信元的结构如图
所示。
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每个信元长度为53个字节。
前5个字节为信头(header)；包含有各种控制信息，
主要是表示信元去向的逻辑地址，还有一些维护信
息、优先级以及信头的纠错码。
后面48字节是信息段，也叫信息净负荷，它载荷来
自各种不同业务的用户信息。
信元的格式与业务类型无关，任何业务信息都经过
切割封装成相同长度统一格式的信元分组，在每个
分组中加上头标，以到达目的地。信元通过一条虚
信道进行传输，路由的选择由信头中的标号决定。
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ATM信头结构
ATM信头结构有两种类型，如图所示。
用于用户---网络接口的信头(UNI信头)
用于网络节点接口的信头(NNI信头)
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ATM信头各部分功能
GFC：一般流量控制，4bit。在B-ISDN中，为了控制共享传
输媒体的多个终端接入而定义了GFC，由GFC控制产生于用
户终端方向的信息流量，减小用户侧出现的短期过载。
VPI：虚路径标识码。UNI和NNI中的VPI字段分别含有8bit
和12bit，可分别标识28条和212条虚路径。
VCI：虚信道标识码，16bit。用于虚信道路由选择，它既适
用于用户－网络接口，也适用于网络节点接口。故对每个
VP定义了216条虚信道。
PT：净荷类型指示段，3bit，标识信息字段中的内容是用户
信息还是控制信息。
CLP：信元丢失优先级，1bit，表示信元的相对优先等级。
HEC：信头差错控制码，8bit，用于信头差错的检测、纠正
以及信元定界。
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ATM基本工作原理
1. 异步时分复用
ATM技术是采用异步时分复用方式的。异步时分复用的概
念是：来自不同信源的信息信元用异步时分复用的方式复用，
具有同样标志的信元在传输线上并不对应着某个固定的时隙，
也不是按周期出现的。也就是说信息和它在时域中的位置没
有固定的关系，信息只是按信头中的标志来区分的，这种复
用方式称为异步时分复用。
ATM的复用方式不是固定时隙分配，而是非周期的信元复
用，所以ATM具有动态分配带宽的特点。它适合于传输突
发性数据，也就是，如果某一信源的信息量大时，就分配给
它较多信元；反之，信息量较小时，就分配给它较少信元；
如果没有信息时，就不分配给它信元。所以，异步时分复用
又称为统计时分复用。
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2. ATM虚连接
ATM是采用面向连接的技术。面向连接的特点是通信过程的
实现要有三个阶段，即建立电路连接、数据传输、电路连接
的拆除。ATM的电路连接不是固定物理电路的连接，而是
采用虚电路连接，称为虚连接。虚连接也称为逻辑信道。
ATM的虚连接是由虚信道VC和虚通道VP来实现的。
(1) 虚信道VC和虚通道VP
VC：描述ATM信元单向传送能力，是传送ATM信元的逻辑信道，
即子信道。
VCI：虚信道标志符。具有相同的VCI的信元是在同一个逻辑信道
（即虚通路）上传送的。
VP：传送ATM信元的一种逻辑信道。一个VP中包含一组VC。
VPI：虚通道标志符。它标识了具有相同VPI的一束VC。
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VC、VP与物理媒介之间的关系如图(a)所示，图
(b)所示是VP与VC的时分复用关系。
(b)
图 VC 、VP与物理媒体的关系示意图
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3. ATM 交换
ATM 交换的定义
从一条逻辑 ATM 信道到一条或多条逻辑 ATM 信道的信
息交换；而在该交换过程中，选择可以在许多逻辑 ATM
信道中进行。
逻辑 ATM 信道
以物理端口以及该物理端口上的逻辑信道来表征：
逻辑 ATM 信道 = 物理端口 + 物理端口上的逻辑信道
– 物理端口号：表征了物理入线或出线
– 物理端口上的逻辑信道：由虚通路/虚信道标识 (VPI/VCI) 表
征
ATM 交换功能的组成
时分交换、空分交换、信元头交换（翻译）
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传统交换与 ATM 交换的差异
ATM 出现以前的交换方式
电路交换：基于 STM 原理的交换（如电话交换）；
分组交换（、帧中继等）。
这些技术不能直接适用于 ATM 交换，主要原因是
ATM 信息流的统计行为；
ATM 具有极高的信息处理速度；
ATM 信元的固定长度；
有限的信元头功能；
不同用途的 ATM 交换系统差异很大。
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ATM交换机
ATM交换机由 5 大功能模块组成：入线处理模块、
出线处理模块、交换模块，如图所示。
图 ATM交换机的组成结构
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ATM交换基本原理
ATM交换基本原理
在输入链路Il上信头值为
x的所有信元都被交换到
输出线O1，信头值为k。
在输入链路IM上信头值为
x的所有信元都被交换到
输出线O1，信头值为n。
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ATM 交换的基本功能
① 空分交换功能。将信元从一条传输入线上交换到另一条传输
出线上，实质上进行路由选择。该功能也叫路由选择功能。
② 信头交换(翻译)。一个逻辑 ATM 信道上的信元被交换到另
一个逻辑 ATM 信道上时(利用空分交换和时分交换)，其输
入信元的信元头内容也将同时会被翻译成一个与输出逻辑
ATM 信道相对应的信元头输出值。
③ 排队 。在ATM交换模块内部会出现竞争，多个信元需要使
用相同资源(内部线路、出线等)，需要对冲突的信元进行缓
冲(排队)，为了解决对相同出线的竞争，必须在基本模块内
提供排队功能。根据交换单元结构和所需信息速率，需要在
交换单元的入线、出线或单元内部设计信元的缓冲队列。
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空分交换功能
空分交换功能
将信息从一条物理入线交换到到另一条物理出线上
空分交换中的关键问题 —— 路由选择(routing)
在交换机内部，信息如何选择一条路由从入线到达出线
空分交换
a
b
:
:
1
2
3
N
c4
b
a
:
:
1
2
3
Mc
4
51/54
时分交换功能
时分交换功能
入线上某逻辑信道的信息被交换到出线上另一个逻辑信道
是逻辑信道（VP/VC）的交换（而不是固定帧时隙）
存在竞争问题
• 存在多个逻辑信道竞争物理出线上同一时间片的情况，
必须引入排队来解决竞争问题。
排队功能 —— ATM 交换的一个重要功能
时分交换
a b c c a b
Frame Frame
逻辑信道 逻辑信道
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输入缓冲排队
传输
交换
媒体
仲
裁
逻
辑
1
2
N
1
2
N
出
线
入
线
输入队列
每条入线一个缓冲队列
信元在入线排队
交换传输媒体
是一个无阻塞的传输网络
仲裁逻辑
决定可以得到服务的入线
仲裁策略
轮流服务、具有优先级(固
定优先级或队列长度优先等
)
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输出缓冲排队
传输
交换
媒体
1
2
N
1
2
N
出
线
入
线
输出队列
交换传输媒体
无阻塞的传输网络，信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑
每出线配置一个缓冲队列
信元在出线处排队，采用 FIFO 原则，保证信元的顺序
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中央缓冲排队
交换
传输
媒体
I
1
2
N
1
2
N
出
线
入
线
中央队列
传输
交换
媒体
II
共享的中央队列被入线和出线所公用
交换传输媒体分为两部分
输入信元通过交换传输媒体 I 进入中央队列排队；再通过
输入信元通过交换传输媒体 II 输出到出线。信元通过传
输媒体时无需仲裁逻辑。
谢 谢
四月-
2105:03:3705:0305
:03四月-21四月-
2105:03
05:0305:03:3
7四月-21四月
-2105:03:37
2021/4/17 5:03:37
