多媒体的基本概念

第1章 概 述

1.1 多媒体的基本概念

随着计算机技术、通信技术的发展，人类获得信息的途径越来越多，获得信息的形式越来越丰富，信息的获得也越来越方便、快捷。人们对多媒体这个名词越来越熟悉。在日常生活中，人们认为媒体主要有两个涵义：一个是信息的载体，比如声音、图像、动画、文字等；另一个是信息的存储实体，比如磁带、磁盘、光盘等。但是，人们在说到多媒体技术、多媒体计算机时，指的都是第一种涵义。那么，是否还有其他的媒体？各种媒体之间又有何种关系呢？我们可以从国际电信联盟的一项建议中得到答案。

1.1.1 多媒体及多媒体技术

ITU-TI.374将日常生活中媒体的第一个涵义定义为感觉媒体，第二个涵义定义为存储媒体。此外国际电信联盟电信标准部（ITU-TSS）对多媒体进行了定义，并制定了ITU-TI.374建议。在ITU-TI.374建议中，把媒体分为以下五大类。

① 感觉媒体（Perception Medium）：指能够直接刺激人的感觉器官，使人产生直观感觉的各种媒体。或者说，人类感觉器官能够感觉到的所有刺激都是感觉媒体。比如：人的耳朵能够听到的话音、音乐、噪声等各种声音；人的眼睛能够感受到的光线、颜色、文字、图片、图像等各种有形有色的物体等。感觉媒体包罗万象，存在于人类感觉到的整个世界。

② 显示媒体（Representation Medium）：指感觉媒体与电磁信号之间的转换媒体。显示媒体分为输入显示媒体和输出显示媒体。输入显示媒体主要负责将感觉媒体转换成电磁信号，比如：话筒、键盘、光笔、扫描仪、摄像机等。输出显示媒体主要负责将电磁信号转换成感觉媒体，比如：显示器、打印机、投影仪、音响等。

③ 表示媒体（Presentation Medium）：对感觉媒体的抽象描述形成表示媒体。比如声音编码、图像编码等。通过表示媒体，人类的感觉媒体转换成能够利用计算机进行处理、保存、传输的信息载体形式。因此，对表示媒体的研究是多媒体技术的重要内容。

④ 存储媒体（Storage Medium）：指存储表示媒体的物理设备，比如磁盘、光盘、磁带等。

⑤ 传输媒体（Transmission Medium）：指传输表示媒体的物理介质，比如电缆、光缆、电磁波等都是传输媒体。

ITU-TI.374建议将感觉媒体传播存储的各种形式都定义成媒体，人类获得和传递信息的过程就是各种媒体转换的过程。以语音通信为例，甲方要将表达的意愿通过电话网传递给乙方，首先甲方将自己的思想以声音这种感觉媒体表达出来，然后通过输入显示媒体将语音转换成电磁信号，程控交换机通过量化、抽样、编码，将电磁信号转换成表示媒体。

2 网络多媒体应用技术

表示媒体通过传输媒体传到乙方，然后再经过相反的过程，通过输出显示媒体还原成语音这种感觉媒体。通过各种媒体的有序转换，甲方的语音传到了乙方的耳朵里，完成了信息的传递。一般信息传递的过程如图1-1所示。

图1-1 一般信息传递过程图

通常意义的多媒体一般指多种感觉媒体的组合，比如声音、图像、文字、动画等各种感觉媒体的组合。多媒体技术就是利用计算机对多种媒体进行显示表示、存储和传输的技术。其中对多媒体的显示表示就是对多媒体的处理和加工的过程。因此，多媒体技术主要包括多媒体信息处理技术、多媒体存储技术和多媒体通信技术。

1.1.2 多媒体技术的特点

多媒体技术是利用计算机对声音、图像、文字等多媒体合成一体进行处理加工、存储和传输的技术。它具有以下主要特点。

1．交互性

交互性是多媒体技术的关键特征。它可以更有效地控制和使用信息，增加对信息的理解。众所周知，一般的电视机是声像一体化的、把多种媒体集成在一起的设备。但它不具备交互性，因为用户只能使用信息，而不能自由地控制和处理信息。例如，在一般的电视机中，不能将用户介入进去，不能使屏幕上的图像根据用户需要配上不同的语言解说或增加文字说明，或者对图像进行缩放、冻结等加工处理，不能随时看到想看的电视节目等。当引入多媒体技术后，借助交互性，用户可以获得更多的信息。例如，在多媒体通信系统中，收发两端可以相互控制对方，发送方可按照广播方式发送多媒体信息，而另一方又可以按照接收方的要求向收端发送所需要的多媒体信息，接收方可随时要求发送方传送所需的某种形式的多媒体信息。在多媒体远程计算机辅助教学系统中，学习者可以人为地改变教学过程，研究感兴趣的问题，从而得到新的知识，激发学习者的主动性、自觉性和积极性。再如在多媒体远程信息检索系统中，初级交互性可帮助用户找出想读的书，快速跳过不感兴趣的部分，从数据库中检录声音、图像或文字材料等。中级交互性则可使用户介入到信息的提取和处理过程中，如对关心的内容进行编排、插入文字说明及解说等。当采用虚拟现实或灵境技术时，多媒体系统可提供高级的交互性。

第１章 概述 3

2．复合性

信息媒体的复合性是相对于计算机而言的，也可称为媒体的多样化或多维化，它把计算机所能处理的信息媒体的种类或范围扩大，不仅仅局限于原来的数据、文本或单一的语音、图像。众所周知，人类具有五大感觉，即视、听、嗅、味与触觉。前三种感觉占了总信息量的95%以上，而计算机远没有达到人类处理复合信息媒体的水平。计算机一般只能按单一方式处理信息。信息的复合化或多样化不仅是指输入信息，称为信息的获取（capture），而且还指信息的输出，称为表现（presentation）。输入和输出并不一定相同，若输入与输出相同，就称为记录或重放。如果对输入进行加工、组合与变换，则称为创作（authoring）。创作可以更好地表现信息，丰富其表现力，使用户更准确、更生动地接收信息。这种形式过去在影视制作过程中大量采用，在多媒体技术中也采用这种方法。

3．集成性

多媒体的集成性包括两方面，一是多媒体信息媒体的集成；另一是处理这些媒体的设备和系统的集成。在多媒体系统中，各种信息媒体不是像过去那样，采用单一方式进行采集与处理，而是多通道同时统一采集、存储与加工处理，更加强调各种媒体之间的协同关系及利用它所包含的大量信息。此外，多媒体系统应该包括能处理多媒体信息的高速及并行的CPU、多通道的输入/输出接口及外设、宽带通信网络接口与大容量的存储器，并将这些硬件设备集成为统一的系统。在软件方面，则应有多媒体操作系统，满足多媒体信息管理的软件系统、高效的多媒体应用软件和创作软件等。在网络的支持下，这些多媒体系统的硬件和软件被集成为处理各种复合信息媒体的信息系统。

4．实时性

由于多媒体系统需要处理各种复合的信息媒体，决定了多媒体技术必然要支持实时处理。接收到的各种信息媒体在时间上必须是同步的，比如语音和活动的视频图像必须严格同步，因此要求实时性，甚至是强实时（Hard Real Time）。例如电视会议系统的声音和图像不允许存在停顿，必须严格同步，包括“唇音同步”，否则传输的声音和图像就失去意义。

1.2 多媒体通信的特点和应用

多媒体应用分为单机多媒体应用系统和分布式多媒体应用系统两大类。像多媒体邮件系统、协同工作系统、分布式虚拟现实应用系统等都需要具有高传输速率的网络作为信息传送的通道。有些网络具有较高的带宽和较低的错误率，它们对多媒体信息的传输具有强有力的支撑功能，例如FDDI、宽带以太网和ATM等。

1.2.1 多媒体通信的特点

多媒体应用有许多共同特征，但对其他应用来说这些特征又是多媒体应用所特有的。

4 网络多媒体应用技术

① 需要实时传输连续媒体的信息。

② 要交换的数量比较大，因而连续媒体信息需要编码。 ③ 应用是面向分布的。

1.2.2 多媒体通信终端的特点

多媒体通信终端具有集成性、交互性、同步性和实时性等特点，一般由三部分构成。  交互式检索和解码输出。交互式检索包括输入方法、菜单选取等输入方式。多媒

体信息经过解码、A/D变换输出人们需要的表示信息。

 同步。通过这一部分完成各种媒体同步的功能，用户可以得到一个完整的声、文、

图一体化的信息。同步是多媒体通信终端中的核心部分。

 编辑和执行。编辑功能指剪辑、编辑和创作，执行部分则由网络和各种接口组成。

多媒体终端要用到接口（I）协议、同步（B）协议以及应用（A）协议。多媒体通信终端的核心部分是Modem主机，它可以是一台PC或工作站，且具有处理、存储、控制和复用功能。此外，还需包括必要的外设，例如多媒体信息输入、输出与显示单元，有时还需要各种专门的处理/控制的海量存储单元。多媒体通信终端将电话、传真和通信的功能合为一体。 国际电信联盟的标准部门（ITU-T）成立了视听多媒体业务联合协调组（JCG/AVMMS），已提出了在公用电信网上视听多媒体业务的标准框架草案。这一草案包括多媒体业务的定义、系统和终端、基础结构以及呼叫控制、一致性和互操作测试等。H.320终端已用来提供会议电视系统的音频和视频压缩信号，它是多媒体通信的一种终端。

1.2.3 多媒体技术的应用

随着网络多媒体技术的迅速发展，形成了多种网络多媒体技术的应用，如：可视电话、视频会议系统、视频监控系统、多媒体电子邮件、视频点播（VOD）、远程多媒体数据库、远程计算机辅助教学、虚拟现实等。

1.3 多媒体通信中的关键技术

1.3.1 音视频编解码技术

多媒体元素的形式有声音、图像、动画、视频等，它们也被称为基本信息类型。信息的表示主要分为两种方式，即模拟方式和数字方式。在多媒体计算技术中都采用数字方式。鉴于数字化多媒体信息量的巨大，必须对多媒体数据进行压缩。目前存在多种图像信息和声音信息的压缩标准，在多媒体技术领域通常采用JPEG和MPEG两种标准。前者用于静止图像的压缩标准，有失真的压缩比可达50:1，后者用于视频图像及其伴音，在允许噪声存在的前提下，其压缩比也可达50:1。若用于27Mbps的640×480×24的动态图像，则可压缩到550Kbps。

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1.3.2 多媒体网络通信技术

多媒体数据的分布性以及计算机支持的协同工作（CSCW）等应用领域均要求在计算机网络上传输大量的数据。这里，传输速率不是问题的本质，因为无论是以太网，还是光纤网都可以满足550Kbps的带宽。现有局域网传输声像数据所遇到的问题是多媒体数据在时间上的连续性，因此要求不间断的传输。在CSCW应用中，对同时在网络上传输多路双向声音和图像的要求更高，因为在一个会议室里可以有多个摄像机、监视器和话筒同时发送和接收声像数据。现有局域网络是基于各节点可共享网络带宽的思想设计的，它假设各节点间传送的数据在时间上是相互独立的，从而可以把数据打成包，分别传送。因此从这个观点来看，现有局域网技术不符合多媒体通信的要求。除了带宽问题外，多媒体通信技术中仍有许多特殊问题需要解决，例如，相关数据类型的同步、多媒体设计的控制、不同终端和网络服务器的动态适应、多媒体信息的实时性要求、可变视频数据流的处理、网络频谱及信道分配、高性能和高可靠性以及网络和工作站的连接结构等。

1.3.3 多媒体存储技术

随着计算机数据量以成倍的速率增长，虽然硬盘的容量越来越大，但依然满足不了用户的需求。尤其是随着多媒体技术的日益普及，硬盘已难以容纳下多媒体程序运行时所需要的图形、图像、声音和音乐等庞大的数据文件。数字化的多媒体对存储技术提出了两方面的要求：其一是大容量存储技术，其二是足够的数据传送带宽和支持多媒体的实时处理功能。

1.3.4 多媒体数据库

多媒体数据类型不同，表示方式也各不相同。当应用数据库技术来支持多媒体应用时，需要将多媒体数据对象的各种固有特性（如是否采用编码形式或结构形式等）映射到相应的表示形式，如正文文件、图像参数文件、图像数据文件、图形结构等。多媒体数据库应能处理数据对象的上述各种表示方式，包括很多复杂数据对象是由异构的子对象组成的情况，例如在图形上叠加图像等。

不同对象表示形式、存取方式、绘制方法等各不相同，因此，多媒体数据库还应包括处理不同对象的相关方法库。多媒体数据库与方法库应紧密关联，以便进行数据对象的组合、分解和变换等操作。另外，为了方便管理数据对象，应建立数据对象的说明，以便于定义数据对象的二级属性。因此，数据对象、数据对象的说明以及与对象相关联的方法是多媒体数据库的三个组成成分。

除了管理的数据类型复杂外，多媒体数据库的另一特点是存在着时间上的限制，这主要是指实时性和同步要求都很严格。

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网络多媒体应用技术

1.4 多媒体网络

1.4.1 窄带综合业务数字网（N-ISDN）

ISDN是综合业务数字网（Integrated Services Digital Network）的英文简称。ISDN是由数字传输和数字交换结合而成的数字通信网。国际电信联盟ITU对ISDN做了如下定义：ISDN是以提供端到端的数字连接的综合数字电话网为基础的通信网，可以支持包括语音及非语音的多种业务，用户可以通过统一标准的用户/网络接口接入综合业务数字网。 1972年，国际电报电话委员会提出了综合业务数字网（ISDN）的概念。1984年通过了关于ISDN的I系列建议书。1988年国际电信联盟的蓝皮书对I系列建议书进行了大量的补充和修改。随着新标准的制定和规范，ISDN实验网先后在德国、美国等国家出现，到1988年部分实现了商用化。本章所指的综合业务数字网是窄带综合业务数字网（N-ISDN），基于现在的程控电话网。电信公司的“一线通”业务就是窄带ISDN。

1．ISDN的特点

① 数字传输和交换 ISDN是从综合数字网（IDN）的概念发展来的。综合数字网是采用数字传输和数字交换方式来传输单一业务（比如语音）的数字通信网。ISDN能够提供端到端的数字传输通道。数字化的通道具有噪声低、误码率低、传输速度快的特点。

② 综合多种业务 ISDN提出的动力之一就是要克服IDN的单业务的缺点，建立一个综合业务的网络。用户申请了ISDN业务后，仅用一条用户线就可以实现多种业务终端的入网并按统一的规程进行通信。ISDN可以提供语音和非语音业务。非语音业务包括智能用户电报、4类传真、可视图文、数据通信等。

③ 标准的用户网络接口 ISDN能够实现综合业务功能的关键在于提供了标准的用户/网络（UNI）接口，实现了各种业务终端的接入和互通。用户/网络接口提供基本接口速率和一次群接口速率。ISDN的基本速率的接口可以连接8个终端，允许3个终端同时使用。

④ 投资少，见效快 窄带ISDN是建立在程控数字电话网上的，只要在现有的电话网上，新添和升级部分硬件和软件就可以实现ISDN业务。所以，建设窄带ISDN网投资少，见效快，用户线路不需要改造，同时还提高了电话网的资源利用率。

⑤ ISDN采用OSI的分层结构，具有开放式的网络结构，利用系统的互联互通可适应用户对新业务发展的需要。

2．用户/网络接口（UNI）

ISDN用户通过UNI来接入ISDN网。I系列建议规定了ISDN UNI的4个业务参考点和各个与之相关的功能群体，如图1-2所示。

① TE1 ISDN标准终端，符合ISDN的UNI规范，比如数字电话。 ② TE2 非ISDN标准终端，不支持ISDN的UNI规范，需要通过适配器HITA才能接入ISDN，比如普通电话机或传真机。

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图1-2 用户/网络接口

③ TA适配器 主要用于将非ISDN标准终端接入ISDN。

④ NT1 网络终端1。它主要完成用户/网络接口第2层的功能，实现多路复用、定时、线路传输、维护及馈电等功能，以达到用户传输线的要求。

⑤ NT2 网络终端2。它主要完成PBX（小型交换机）、局域网和终端控制的功能。 ⑥ T、U、R、S是业务参考点。业务参考点是用户访问网络的连接点或者说是用户接入ISDN的各个设备的物理接口。

R参考点是TA与TE2之间的接口；S是TE1或TA与NT2之间的接口；T是NT1与NT2

之间的接口；U是NT1与ISDN线路的接口。参考点是划分各个功能群的概念性参考点，当各个功能群结合在一个设备上时，有些参考点在概念上存在，而在实际上是不存在的。比如，有的厂家提供的ISDN接口是U接口，直接连接ISDN线路；而有的设备提供T接口，就需要通过NT1来接入ISDN线路。

在ISDN的用户/网络接口中有两类信道，一种是信息信道，另一种是信令信道。信息信道用于传送各种业务的信息流，分为B信道或H信道。B信道的速率为64Kbps，H信道由多个B信道合成，速率为384Kbps或1 920Kbps。信令信道又称为D信道，有16Kbps和64Kbps两种速率，D信道也可以传送用户业务信息。

ISDN提供两种类型的用户/网络接口：基本速率接口（BRI）和基群速率接口（PRI）。 ① 基本速率接口（BRI）：由两条64Kbps的B信道和一条16Kbps的D信道构成，简称2B+D。两条B信道可以单独或同时传输用户信息，D信道主要用来传输信令或低速率数据。BRI主要适用于普通用户的接入。

② 基群速率接口（PRI）：我国的基群速率为2 048Kbps。一个PRI由30条64Kbps的B信道和1条速率为64Kbps的D信道，或者由5条384Kbps的H信道和1条64Kbps的D信道构成。基群速率接口主要适用于视频会议等大信息量的场合。

3．ISDN的应用

我国的ISDN主要建立在程控电话网上，能够为用户提供BRI和PRI接口。目前，可以在ISDN上开展数字电话、智能用户电报、G4传真、可视图文、可视电话、数据通信、远程教学等应用。我国的主要电信运营商都提供ISDN业务，比如中国电信的“一线通”业务。

1.4.2 DDN数字数据网

1．数字数据网（DDN）

数字数据网（Digital Data Network），简称为DDN，是利用高速率、高质量的数字信

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道传递数据的传输网络，为用户提供半永久性连接的透明传输通路。DDN网除了可以提供数据通信服务外，还可以支持多种业务网和增值网。

2．DDN的主要特点

① 传输质量高，时延小 DDN网利用数字信道传输，使误码率降低到106以下，与传统的模拟信道相比，传输质量有了很大的提高。DDN网络不负责传送数据的误码校验和差错重发机制，因此，传输时延小。

② 提供半永久性连接 半永久性连接介于永久性连接与交换性连接之间。DDN为用户提供固定的信道。用户之间信道始终保持连接，但是这种连接可由网络管理员，甚至是自己对信道的传输路径、速率、目的地等进行修改，因此称为半永久性连接。

③ 全透明性 DDN网在网络内传输的比特流不做任何的改动，这称为透明传输。透明传输可以承载各种协议规程，方式灵活简单。

④ 适合高速率数据业务 DDN网可以提供n×64Kbps（D因此，DDN网能够为高带宽用户提供高质量、时延小、全透明的半永久性连接，适合于各种数据通信业务，特别适合于点对点的通信业务。

3．DDN网的组成

DDN网由DDN节点和局间传输系统组成，其中DDN节点主要由数字交叉连接系统（DCS）和时分复用系统组成，如图1-3所示。

时分复用包括子速率复用和n×64Kbps复用两种复用方式。子速率复用是指DDN节点设备将用户速率小于64Kbps速率的信号复用成一次群数字信号。子速率复用一般按照ITU-T（CCITT）的X.50、X.51等协议进行；n×64Kbps速率复用按照ITU-T（CCITT）G.704协议进行。在我国n×64Kbps复用是指将32个64Kbps速率的信号复用成2.048Kbps速率的数字信号。因此，DDN网一般可以提供子速率接口和n×64Kbps速率接口。

图1-3 DDN网的组成

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数字交叉连接系统DCS是DDN节点的核心设备。DCS的主要作用是将一个或多个符合G.702（准同步）或G.707（同步）的标准数字接口在端口之间进行可控的连接或拆除。DCS就像一架具有控制连接测试监控功能的数字配线架。目前DDN网络节点的DCS主要进行0次群和一次群数字交叉连接。0次群DCS主要对子速率进行交叉连接；一次群DCS主要对n×64Kbps（1≤n≤32）速率进行交叉连接。

DDN网的局间传输系统用于市内各DDN节点之间、各个城市之间的传输。目前，DDN网普遍采用数字传输系统作为局间传输系统。

4．国家DDN骨干网

我国公用DDN网（chinaDDN）由国家骨干网、省内干线网和本地网三级组成。国家骨干网由全国各个省会、直辖市的节点和线路组成。国家骨干网将全国按行政大区划分为八个大区，每个大区设一个枢纽局（北京、上海、沈阳、广州、武汉、成都、南京、西安），另外设有三个国际出入口局（北京、上海、广州）。

5．DDN网络业务

DDN网要向用户提供64Kbps～2Mbps速率的、高质量的点到点或点到多点的数字电路。DDN网络为用户提供三类业务：专线电路、帧中继和压缩语音/G3传真。其中压缩语音/G3传真业务为用户接入层节点的语音服务模块（VSM）提供业务支持。由于压缩语音/G3传真业务与本书内容关系不大，下面只着重讲专线电路和帧中继两类业务。

（1）专线电路业务

DDN网为用户提供规定速率的点到点的双向对称专用连接电路。随着传输系统的发展和建设，DDN网提供的专线电路可用度高，电路时延小，支持多种协议规程。

根据用户数量，专线电路可分为点对点专线电路（如图1-4(a)所示）和多点专线电路。多点专线电路又可分为广播多点电路、双向多点专线电路和多向多点专线电路。

广播多点专线电路如图1-4(b)所示。这种电路在一个用户与其他用户之间建立单向的点对多点电路，其中一个节点是主节点，其他用户是从节点，从节点从主节点接收数据。适用于证券行情发布等。

双向多点专线电路如图1-4(c)所示。这种电路在一个用户与其他用户之间建立双向的点对多点电路，其中一个用户是主节点，其他用户是从节点，主节点向从节点发送信息并接收从节点发出的数据。双向多点专线电路适用于轮询方式工作的应用网络。

多点多向专用电路如图1-4(d)所示。这种电路在多个用户相互之间建立双向电路，各个用户之间没有主从之分。多点多向专用电路可由各个用户之间的点对点专用电路实现，适用于会议电视业务、局域网互联等。

（2）帧中继业务  帧中继技术

帧中继技术是在分组交换技术日益完善、传输线路质量不断提高和用户终端处理能力不断增强的条件下发展起来的，是在OSI第二层上用简化的方法交换和传送数据单元的新

10 网络多媒体应用技术

图1-4 多种协议规程

技术。帧中继技术将纠错差错重传、流量控制等功能交给终端完成，简化各节点之间的操作。在各节点之间采用虚电路和统计时分复用技术，提高了电路利用率，增加了网络吞吐能力。

 帧中继的主要特点

① 帧中继技术简化了X.25协议的第三层功能，在第二层完成帧透明传输，统计复用、差错检测、差错重传操作由用户终端处理，大大简化了节点处理内容，提高了网络吞吐量，降低了网络时延。

② 帧中继传送数据采用逻辑链路而不是物理电路，在一条物理电路上可以利用多个逻辑链路。逻辑链路采用统计复用方式，实现了带宽的动态分配和复用。

③ 帧中继采用面向连接的交换技术，可以提供交换虚电路和永久虚电路（PVC）两种业务。目前只开放PVC业务。

④ 帧中继帧长度比分组要长，适合于封装局域网的数据单元，因此，帧中继主要用于数据业务。

⑤ 帧中继提供比较完善的流量控制和拥塞控制功能。每条帧中继虚电路都有三个带宽控制参数：Bc、Be和CIR。CIR是用户申请的信息传送速率，由用户在开始申请业务时确定；Bc是网络允许用户在Tc时间间隔内传送的不超过Bc的数据量。帧中继对每条虚电路采用如下的带宽控制规则电路，在Tc时间间隔内：

当用户传送的数据量≤Bc时，网络连续接收用户数据帧并尽最大可能传送到目的地。 当用户传送的数据量>Bc，但≤Bc+Be时，将Be范围内的帧的DE位置“1”，在网络未发生拥塞时，尽量将数据帧传送到目的地，但是不保证能够传到目的地。

当Tc时间间隔内用户传送的数据量>Bc+Be时，超过Bc+Be范围的帧将丢掉。  DDN网的帧中继业务

在DDN网的网络节点设备上增加支持帧中继业务的软、硬件，就可以向用户提供帧中继业务。用户在办理业务时，需要指明租用哪种业务，是点对点专线电路还是帧中继业务。一般来说，相同速率、相同距离的专线电路业务与帧中继相比较，帧中继业务比专业电路业务在资费上要低，而且帧中继业务允许用户数据速率短时间内超过申请的速率，非常适合于突发性的数据传输。因此，在局域网互联、VOD和电视会议业务中建议采用帧中继业务。

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1.4.3 ATM技术

1．ATM技术的提出（由来）

ATM技术是一种全新的技术，是从电路交换和分组交换相互演变而来的。20世纪70年代分组交换技术诞生，并应用于计算机通信领域。20世纪80年代，电信科技人员开始试图将电话交换方式与分组交换方式相结合，寻找一种适用于语音和数据等综合业务的方式。多业务的综合逐渐推动了交换、传输、复用技术的融合，交换方式、传输方式和复用方式呈现出一致性，人们开始将传输、交换、复用整体称为传送模式。传统的电话网络采用同步时分方式（Synchronous Timer Division，STD），为每一个用户分配固定的周期性的时隙，用于通信连接，不论用户是否有信息传送，都占用分配的时隙。由于固定时隙的分配造成带宽的浪费，因此利用率低。有人提出在每个时隙增加标签，按需为用户分配时隙，由标签区分用户时隙。这种方法称为异步时分方式（Asynchronous Timer Division，ATD）。分组交换方式能够提供变比特率、随机时延、有纠错能力的信息传送能力，但不适应于语音传输，分组处理复杂，传送速率不高。有人提出通过固定分组的长度来减少信息传送过程中的时延和抖动，加快分组处理速率，满足语音在分组方式的传送，这种方式称为快速分组交换（Fast Packet Switching，FPS）。

通过ATD和FPS比较，两者在许多方面是相同的。通过标签（分组头）标识用户按需分配带宽、固定长度（时隙或比特）。20世纪80年代末，国际电信联盟标准化组织ITU-T综合ATD和FPS方式，提出了异步传递模式（Asynchronous Transfer Mode），并作为宽带综合业务数字网（B-ISDN）的基本传送模式。

2．ATM的基本原理

国际电信联盟标准化组织将ATM定义为：以信元为信息传送、复用和交换的基本单位的传送方式。ATM的核心就是信元（cell），从概念

7 6 5 4 3 2 1 0 上相当于ATD带标签的时隙或FPS固定长度的分组。 GFC VPI 信元的长度在ATM发展初期有两个方案：长信VPI VCI 元方案（5字节信元头+64字节信息段），主要支持VCI VCI PT1 CLP 国家有美国和日本；短信元方案（4字节信元头+32

HEC 字节信息段），主要由欧洲提出。两个方案在时延传

48字节信息段 输效率和存储容量等方面各有千秋。后来，ITU-T第 VPI XIII研究组采用了5字节信元头加48字节信息段的

VPI VCI 折中方案。

VCI （1）ATM信元

VCI PT1 CLP 如图1-5所示为ATM信元。ATM信元在用户网

HEC 络接口（VNI）和网络节点接口（NNI）之间略有差

48字节信息段 别，将在下面信元介绍过程中详细介绍。

图1-5 ATM信元 ① GFC 一般流量控制域。用于控制用户向

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ATM网络传送信息的流量，节点用4个比特。GFC域只用于用户网络接口（VNI）之间的流量控制。网络节点接口之间的信元占用此4个比特和随后的8个比特共同构成网络节点接口之间的VPI。

② VPI 虚通道标识。在用户网络接口（VNI）之间为8比特，在网络节点接口（NNI）之间为12比特。

③ VCI 虚通路标识，16个比特，VPI/VCI用于把一个ATM信道分成若干个子信道，每个子信道相当于分组交换中的一条虚电路。同一条子信道内的信元的VPI/VCI相同。VPI/VCI具有局限性，VPI/VCI的值只在某段链路上有意义。

④ PT1 净荷类型，指明信息段的信息类型。3比特的PT1把ATM信元分成8种类型：4种用户数据类型，3种网络管理信息，1种尚未定义。

⑤ CLP 信元丢弃优先级，占用1个比特。CLP=1的信元在网络阻塞时先丢掉。 ⑥ HEC 信元头校验码，占用8个比特，同于信元头的检错纠错和信元头的定界。信元每经过一条链路，HEC重新计算一次。

⑦ 信息段 48字节的信息段用于传送用户信息和网络控制信息，其中对OAM信元信息段的内容有规定。

（2）虚通道和虚通路

ATM是面向连接的网络。在连接建立时，网络根据用户连接的请求为用户预分配网络资源，当用户传递信息时才真正占用网络资源，网络资源采用统计复用的方式，这种连接方式称为虚连接。

ATM的虚连接通过虚通道和虚通路（VPI/VCI）来标识。VPI占用的资源由网管分配。虚通道网包含虚连接，每个虚通道内最多可有4 096（212）个虚连接。虚通路由VCI标识。虚通路由两种方式建立，一种由网管在虚通道内建立半永久的连接；一种是由信令自动建立，VCI所占用的资源在用户使用时再分配。前一种方式称为PVC（Permanent）方式，后一种称为SVC（Switch）方式。目前所有的ATM设备都支持PVC方式，SVC方式还存在一定的问题。

VPI和VCI共同标识各段链路上的虚连接。也就是说某一段链路的VPI/VCI只对这段链路有意义，一条虚连接在每个链路上的VPI/VCI的值并不相同。在ATM交换机上，不同端口的虚连接可以具有相同的VPI/VCI的值，所以在ATM交换机上必须以端口号加VPI/VCI一起标识一个虚连接。

（3）ATM的交换技术

ATM是一种全新的交换技术，与电话交换不同。电话交换以时隙来区分各路连接，通过改变各个时隙在时间上的次序，就相当于对各个连接进行了交换；ATM是依靠VPI/VCI来区分虚连接，通过改变VPI/VCI的值就完成了交换目的。ATM交换的目的就是将任意输入的任一逻辑信道上的信元交换到任意输出的任一逻辑信道上。ATM交换机可以只改变VPI的值，相当于只对VP进行交换，将一条虚通道内的所有虚连接整体交换到每一条虚通道上。一般来说，VP交换信令处理简单，交换效率高，多在核心层交换机上采用，称为ATM交叉连接系统。可完成VPI/VCI交换的称为ATM交换机。

ATM交换结构有总线结构和共享存储器结构两种。总线结构如图1-6所示，各路ATM信元经输入处理后汇集到总线上，输出处理从总线上取出信元，处理后形成输出信号。总

第１章 概述 13

线工作在分时状态，把不同时隙分配给不同的输入、输出。

存储器结构如图1-7所示，各端口信元经过输入处理后送入存储器，输出处理器从存储器取出信元，处理后形成输出信号。

若将存储器结构稍加变形，则其结构和总线结构是非常相似的。两种结构都存在信元的汇集点，这时就需要以时分和空分相结合的方式提高交换容量。

图1-6 总线结构 图1-7 存储器结构

3．ATM的特点

ATM技术是通过电话交换技术和分组交换技术相结合发展而来的，既具有电话交换技术和分组交换技术的特点，又具有自己的特点。

① 简化的差错和流量控制 ATM用户提出用户业务流量描述和服务质量要求的请求，由网络决定是否有足够的可用资源满足用户请求和是否响应请求。在通信过程中，对各虚连接流量进行监测，当网络出现拥塞时，通过拥塞控制进行处理。

② 固定长度的信元 固定长度的信元利于实现硬件交换，减少信元处理时间，降低交换时延，大大提高交换机的交换能力。

③ 统计复用 ATM采用异步时分复用方式，链路上的时隙不在固定的周期分配给某一个业务的虚连接，根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求下，动态分配时隙，以达到最佳资源利用率。

④ 面向连接的方式 ATM采用面向连接的方式，信息传送之前，必须通过呼叫请求，建立从源地址到目的地址的虚电路。信息传递完毕后，还需要拆除虚电路，释放网络资源。采用面向连接的方式可以保证业务质量，降低信元丢失率。

⑤ 动态分配带宽 ATM交换机可以根据信元类型和优先级，动态分配带宽，尽量满足信元丢失、时延、抖动等敏感的业务（如语音、图像等）。

4．ATM用户接口

ATM技术作为宽带综合业务网的承载网络边缘交换节点，能够向用户提供多种类型的接口。

1.4.4 XDSL技术

随着互联网和视频点播（VOD）、实时远程会议、远程教学等业务的迅猛发展，对数据传输带宽的需求迅速增加，原先通过电话网拨号接入的几十Kbps的带宽成为业务需求发

14 网络多媒体应用技术

展的瓶颈。如何利用现有的铜缆接入网（即电话线）提供宽带接入成为电信运营商目前急于解决的问题。近年来，人们提出XDSL技术作为双绞线铜缆接入宽带的主要手段。

以双绞线铜缆（即电话线）为传输介质来提供双向传输能力的一系列传输技术通称为数字用户线（DSL）技术。数字用户线（DSL）技术最早是由美国贝尔通信实验室为视频点播（VOD）业务开发的在双绞线上实现高速数据传输的技术，但是由于当时VOD业务未能推广使用，DSL技术被束之高阁。随着对接入网带宽的需求，基于双绞线的DSL技术重新焕发出生命力。

根据从用户到电信局（称为上行）的速率和从电信局到用户（称为下行）的速率是否相等，DSL技术分为对称式数字用户线路（Symmetrical DSL，SDSL）和非对称式数字用户线路（Asymmetrical DSL，ADSL），其中对称式数字用户线路包括HDSL、SDSL，非对称式数字用户线路包括VDSL、ADSL、UADSL、RADSL。一般统称之为XDSL。它们的主要区别在于信号传输的距离和上、下行速率。对称式数字用户线路适用于上、下行数据量大致相当的业务，比如高速域网互联、视频会议、文件传输等。非对称数字用户线路适用于互联网高速冲浪、视频点播（VOD）等用户下行信息量比上行信息量多得多的业务。

1．XDSL的比较

XDSL的比较如表1-1所示。

表1-1 XDSL的比较

对称性 对称 非对称 非对称 非对称 名 称 HDSL(High speed DSL) SDSL(Symmetrical DSL) ADSL(Asymmetrical DSL) VDSL(Very high speed DSL) UADSL(Universal ADSL) 速 率 T1/E1(1.544Mbps/2.048Mbps) T1/E1(1.544Mbps/2.048Mbps) 下行1Mbps～8Mbps 上行 640Kbps～1Mbps 下行 13Mbps ～52Mbps 上行 1.5Mbps ～23Mbps 下行 1.5Mbps 上行 384Kbps 距离 3～4km 3km 3～5km 几百米 3～5km 线路 2或4线 2线 2线 2线 2线 XDSL技术中使用最广的就是ADSL技术，下面主要介绍ADSL技术及其应用。

ADSL基本原理：在普通的公用电话网中，双绞线铜缆作为电话网的接入介质，为传统的模拟电话提供300Hz～3.4kHz的模拟信号带宽。为了使电话用户能够使用数据通信，必须在双绞线铜缆用户端增加语音调制解调器（Modem），将用户端和电信局端的数字信号转换成适于在双绞线铜缆上传输的模拟信号。语音调制解调器提供的最高数据速率为56Kbps。是否双绞线只能提供56Kbps的带宽呢？实际上，双绞线的带宽远不止56Kbps，56Kbps的带宽受程控电话交换机的限制。交换机对普通的话音信号和话音调制解调器调制的数据信号同样只分配一个话音频带，因此，目前通过话音调制解调器只使用了双绞线0～4kHz的低频段，只能获得56Kbps的带宽。

通过研究发现，双绞线铜缆有将近2MHz的频带，ADSL技术就是利用双绞线铜缆4kHz以后的频带来获得高的速率。ADSL调制解调器在双绞线铜缆上产生3个通道：300Hz～

第１章 概述 15

3.4kHz的话音通道；10Hz～50kHz的上行数据通道；50kHz～1MHz的下行数据通道。由图1-8和图1-9可知，ADSL采用话音通道、频分复用的方式工作，普通话音信号和数据信号互不重叠，完全可以在一对双绞线铜缆上同时打电话和传输数据。

图1-8 双绞线铜缆

图1-9 ADSL的系统构成

在实际工作中，双绞线铜缆的衰减随频率升高而迅速增加，因此限制了传输信号的距离。为了延长传输距离，将下行数据通道占用上行数据通道的频段，使上、下行数据通道有部分重叠，形成上、下行双向数据通道。

图1-9中的分离器，实际上就是一个带宽滤波器，将低频的话音信号分离出来，送到电话机或程控交换机。

目前被广泛采用的ADSL调制方式有3种：QAM（quadrature amplitude modulation，正交调幅）、CAP（carrierless amplitude-phase modulation，无载波调幅/调相）、DMT（discrete multitone，分离多音调频）。

QAM：QAM是一种十分成熟、应用广泛的调制技术。QAM调制的原理为：将被调制信号分为两路，分别用一对正交调制分量（比如正弦载波和余弦载波）进行相乘，然后相加后传输。QAM方式频谱利用率较高，设备简单，但是对信道线性和非线性失真要求较高，需要采取多种措施来抗干扰。

CAP：CAP调制技术是从QAM调制技术发展而来的。CAP调制技术不用正交调制分量相乘，而是利用两个数字横向带通滤波器进行调制，CAP调制技术需要克服近端串音对信号的干扰。由于是带通调制，因而没有低频延时畸变和脉冲干扰的低频分量影响。

DMT：DMT调制技术的主要原理是将双绞线铜缆的1.1MHz的频带划分成256个子信

16 网络多媒体应用技术

道，如图1-10所示，每个子信道有一个载波，相邻子信道的载波相正交，每个载波上的数据采用QAM调制技术。子信道并行传输数据，所以DMT调制技术又称为多载波调制。系统将输入数据分为缓存和比特块，系统根据每一个子信道的传输能力，将比特块分配给子信道，不能传送比特块的子信道被关闭。在数据传输过程中，系统能够根据每个子信道衰减特性和噪声的变化自动调整其传送的比特块。

DMT调制技术采用子信道技术，抗脉冲干扰能力强，线路均衡技术简单，能适应不同用户线路特性，但也存在设备技术复杂，成本相对较高等缺点。

图1-10 DMT信道分配

2．ADSL的技术标准

目前ADSL的技术标准最早是由美国ANSI制定的。1994年，美国ANSI的TIE1.4工作小组，通过了第一个ADSL草案标准，建议采用DMT调制技术，能够支持6.144Mbps速率和较远的距离。1997年，由一些知名厂商开始生产一种下行速率只有1.5Mbps，不需要用户端话音分离器，传输距离更长的ADSL产品UADSL（Universal ADSL，通用ADSL），并共同制定了G.Lite标准。1998年，美国国家标准化委员会提出了ADSL的ANSI标准（T.1413 Issue2 DMT Line Code，即G.Dmt）。欧洲电信标准化委员会ETS1在T.1413基础上制定了适合欧洲版本的ADSL标准。与此同时，国际电信联盟的第15研究组加紧了对ADSL标准化工作，并形成了G.922标准草案。1999年，国际电信联盟ITU-T最终通过了G.922.1（即G.Dmt）和G.922.2（即G.Lite）标准。

目前，国内电信运营商的ADSL调制解调器支持ANSI T.1413 Issue2 ITU-T G.922.1（G.Dmt）和ITU-T G.922.2（G.Lite）标准。

3．ADSL接入形式

ADSL接入技术可以与ATM网络相结合，形成ATM-ADSL宽带通信系统。在这种形式下，ATM网络上承载数据包的各种标准被ADSL接入技术所采用，使ATM信元流直接到达ADSL用户端，ATM技术的特点和优点被ADSL接入所继承。ADSL接入技术可以与以太网相结合，并采用以太网的某些标准，实现了以太网的互通。下面主要介绍几种目前普遍采用的ADSL接入形式。

（1）RFC1483-Bridged——多协议桥接入方式

RFC1483标准是为了实现网络层上多种协议的数据包通过ATM网络而制定的标准，它

第１章 概述 17

广泛应用于ATM网络中的多种协议数据包的封装。RFC1483-Bridged接入依照以太网的桥接功能，在数据链路层对网络层的数据包进行LLC/SNAP封装，适于网络层上的多协议传送。在传送IP数据包时支持RFC1483-Bridged方式的ADSL Modem对以太网帧进行封装后，通过用户ADSL Modem与网络侧之间的永久虚电路透明传输到网络侧ATM设备。网络侧ATM设备要支持RFC1483-Bridged协议。

采用这种接入方式用户可以利用普通的以太网卡与ADSL Modem相连，相当于将用户端设备直接连接在网络侧的桥接设备上。采用这种方式，用户接入数量大，但无法实现动态IP分配，而且桥接方式不可避免会引入大量的广播数据包，降低了网络的利用率。

（2）RFC1577——经典IP接入方式 RFC1577标准是在ATM网络上传送IP协议的标准规范，此标准只针对网络层的IP协议，利用路由转发IP数据包。RFC1577在数据链路层采用RFC1483 LLC/SNAP封装格式对IP数据包进行封装。因此，也称为RFC1483-Router接入方式。

要采用RFC1483-Router接入方式，用户端设备必须采用ATM网卡，用户的IP数据包完成ATM信元的封装，因此，ATM信元流可以直接到达用户终端设备，能够实现以太网无法实现的QoS等功能。RFC1483-Router方式的缺点主要有：ATM网卡比较昂贵，不易实现多个用户同时利用一个ADSL Modem接入，无法实现动态IP分配等。

RFC1577和RFC1483利用ATM封装标准易于实现静态IP的接入。但是在目前合法IP地址紧缺的情况下，利用静态IP实现众多普通用户的接入是不现实的，因此，IETF制定了利用窄带拨号动态分配IP地址PPP技术的宽带拨号接入标准——RFC2364和RFC2516。

1.4.5 Cable Modem技术

1．同轴电缆

同轴电缆是网络中应用十分广泛的传输介质之一。同轴电缆抗干扰能力较强，传输距离较远，价格比较便宜。同轴电缆由内导体、绝缘层、外导体和外部保护层组成，如图1-11所示。

图1-11 同轴电缆的结构

同轴电缆根据内外导体的直径不同，可以分为中同轴、细同轴和微同轴，其比较如表1-2所示。

根据同轴电缆的带宽不同，可以分为两类：基带（baseband）同轴电缆和宽带（broadband）同轴电缆。基带同轴电缆传输数字信号，数字信号占用整个信道，在同一时刻只能传送一路信号。宽带同轴电缆传送不同频率的模拟信号，需要传送的信号要通过调制技术调制到

18 网络多媒体应用技术

各个不同的频率上。因此，宽带同轴电缆能够利用频分多路复用技术同时传送多路信号。

表1-2 同轴电缆数字传输特性

类型 微同轴 细同轴 中同轴

内/外导体直径

(mm) 0.65/2.8 1.2/4.4 2.6/9.5

衰耗 1MHz,db/m

9.5 5.3 2.35

中继距离 (km) 1～4 1～4 1～65

基带同轴电缆的最大传输距离在几千米范围内，而宽带同轴电缆的最大传输距离可达几十千米。宽带同轴电缆性能优于基带同轴电缆，但是宽带同轴电缆需要附加信号处理设备，安装比较困难，适用于有线电视网络和宽带计算机网络。基带同轴电缆主要应用于计算机局域网。

2．Cable Modem基本原理

Cable Modem是电缆调制解调器，简称为CM。Cable是电缆的意思，其在CM中特指有线电视网络，因为CM是利用有线电视网（CATV）作为传输网络，它是串接在用户室内的有线电视同轴电缆与用户计算机之间的上网设备，实现用户数据的传输。

CM与普通的电话拨号Modem的基本功能相同，就是将计算机的数字信号转换成适于传输的调制信号，将从线路上接收的调制信号解调成计算机识别的数字信号。CM采用有线电视网作为传输网络，因此，需将数字信号调制成特定频道的射频信号以及将射频信号中的数字信号解调出来。由CM传送到有线电视网的调制信号称为上行信号，从有线电视网上接收到的调制信号称为下行信号。CM将用户上传的信号经过QPSK或16QAM调制方式调制成5MHz～65MHz频率范围内的射频信号后向上传送，带宽约2Mbps～3Mbps；而一般下行信号的调制方式为64QAM或256QAM，宽带为6MHz～8MHz，速率可达40Mbps。普通电话拨号Modem的传输介质是独占的，而CM使用的介质是与电视信号共享的介质系统，因此要精心选择频带和调制方式。

下行信号一般选择100MHz～850MHz中的一个频道，占有8MHz的带宽（即一套PAL节目的带宽）。下行调制方式主要有4种：QPSK、16QAM、64QAM、256QAM。这4种调制方式的调制频率相同时，传输速率逐次提高，但抗干扰性能逐次降低。因此，在选用调制方式时，既要考虑传输速率，又要考虑抗干扰性。比如以64QAM方式调制在6MHz（NTSC制式节目的频宽）时，传输速率约为28Mbps；以256QAM方式则可以达到38Mbps；但当信噪比小于30时，256QAM的误码率迅速提高，而64QAM的误码率在可接受范围。

上行信号工作在5MHz～65MHz的范围内。但是由于低频段受干扰可能性较大，实际可用频率在22MHz～41MHz之间。采用QPSK或者16QAM调制方式可以获得0.3Mbps到10Mbps的上行带宽。

CM可以分为两类，一类是单用户接口卡，直接插在计算机的扩展槽里；另一类是外置式的CM，一端接同轴电缆，一端有以太网接口。外置式的CM有单用户或多用户之分，多用户CM可以支持多个用户通过CM收发数据。

第１章 概述 19

3．Cable Modem的系统结构

一个完整的Cable Modem系统包括前端部分（Cable Modem Termination System，CMTS）、网络部分（CTAV）、用户部分（CM）以及网络管理系统，如图1-12所示。

图1-12 Cable Modem的系统结构

目前Cable Modem系统的网络部分都采用城市有线电视网络CATV。CATV基于HFC（光纤同轴混合结构，Hybrid Fiber-Coaxial），从始端到光节点采用光纤，从光节点到用户采用同轴电缆。从始端到光节点采用星状结构，从光节点到用户的分配网络采用树状结构。HFC网络带宽可以达到750MHz～850MHz。由于数据传输系统必须是双向的，而传统的CATV网络是单向网络，即只有下行通道，没有上行回传能力，因此，要对传统的CATV网络进行双向升级改造，将一些单向的光发设备、放大器、分支器等设备改造成双向的。

HFC是以有线电视网为基础而发展演变的混合光纤、同轴电缆网，称为光纤同轴混合有线电视网络。HFC以光纤为主干线，以同轴电缆为配线，以频分复用技术为基础，综合应用了模拟和数字传输技术，光纤和同轴电缆技术的宽带用户接入网络，是今后网络多媒体业务的主要接入方式之一。

1.4.6 光通信技术

1．光通信的发展历程

用光来传送信息，可能是人类最早应用的一种远距离通信手段，人类学会取火和使用工具的同时就有了利用光的通信。

利用光在大气中传送信号非常方便，所以人们最早就是利用火光传递信息。但是光在大气中的传送受到气象条件的很大限制，雨、雪、雾等天气条件将大大降低光的传输距离。此外，太阳光和普通的灯光等光源频率不稳定，光的性质复杂，从通信的角度看，这些光都是带“噪声”的光，不适合于作为通信的光源。因此，真正满足光通信的要求，就必须彻底解决两个方面的问题：一个是必须要有利用光传输的介质，另一个就是要有理想的光源。

1960年，美国科学家梅曼发明了红宝石激光器，人们在实验室中获得了性质和电磁波相似而频率稳定的光源。激光器的英文简称Laser，意思是“受激发射的光放大”。激光器产生的光是由发光物质本身原子结构决定的，频率非常稳定，频率非常高，约为100THz。

20 网络多媒体应用技术

但最初的激光器只能在室温下连续工作很短的时间，无法应用到实际的通信当中。在光的传输介质方面，人们发现透明度很高的石英玻璃丝能够传光。这种玻璃丝称为光学纤维，简称光纤。但是光在光纤中传输损耗还是很大，每千米的损耗大约在1 000dB左右。传送光的介质和光源都找到了，但是还需要在性能上更进一步的改进，才能用于实际通信当中。

1966年7月，英国标准电信研究所的英籍华人高锟博士发表了一篇重要论文。论文论述了造成光纤损耗的主要原因，并从理论上分析：只要能去除玻璃中的杂质，就有可能使光的传输损耗降低到20dB/km左右。1970年，美国康宁玻璃公司成功地制成了每千米传输损耗只有20dB的光纤，标志着光纤用于通信成为现实。恰好同一年，美国的贝尔实验室成功地研制出了能在室温下连续工作的半导体激光器，它体积小，发光面积小，发出的光线频率稳定而且方向性好，成为了通信的理想光源。到1997年，激光器已能够连续工作几万个小时。

低损耗光纤和长寿命的激光器的发明为光通信的发展铺平了道路。到20世纪90年代末，光纤的传输速率已经达到10 000Mbps。

2．光纤技术

光纤是光导纤维的简称，具有把光封闭在其中并沿轴向传输的波导结构。光纤由纤心和包层组成，包层将纤心包裹起来，形成同心圆柱体。为了满足光波在光纤中传输的条件，纤心的折射率n1大于包层的折射率n2。纤心的材料主要是二氧化硅（SiO2）掺杂微量其他成分，比如P2O5，主要作用是提高纤心的折射率。包层的材料主要是纯二氧化硅（SiO2），也有掺杂微量其他成分的，主要是降低包层的折射率。为了保护光纤，提高光纤的物理强度，便于实用，一般需要在光纤外表面进行3次涂覆。第一次涂覆层直接喷涂在光纤表面，称为预涂覆层，主要采用硅酮树脂或紫外线固化的丙烯树脂；第二次涂覆层称为缓冲层，主要由树脂材料填充；第三层通常采用尼龙材料形成最外面的包覆层。未经过涂覆的光纤称为裸光纤，涂覆过的光纤称为光纤心线或涂覆光纤，如图1-13所示。

图1-13 光纤示意图

光纤的种类很多，主要可以从以下几个方面区别。

（1）从光纤材料成分分类有：石英系光纤、氧化物光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤等。

（2）从传输模式分类有：单模光纤、多模光纤。

光纤的传输模式是指光波在光纤中传播的分布形式。单模光纤纤心国际标准直径为5µm～10µm，包层直径为125µm，多模光纤纤心的直径为50µm，包层的直径为125µm。

（3）从折射率分布分类有：突变型光纤和渐变型光纤。突变型光纤纤心和包层中的折

第１章 概述 21

射率是均匀不变的，只在交界处呈现阶跃变化。渐变型光纤包层的折射率是均匀不变的，纤心的折射率在中心处最大，折射率随半径的增加逐渐减小，在纤心和包层的交界面处二者的折射率相同。

多模光纤折射率有突变型和渐变型两种，两者比较，渐变型多模光纤具有较宽的带宽，适用于中速中距离传输。目前通信用的多模光纤多为渐变型多模光纤。单模光纤绝大多数为突变型光纤。

图1-14表示了单模光纤、突变型多模光纤和渐变型多模光纤的折射分布和光波传输路径。

图1-14 单模光纤、多模光纤折射率分布及光波传输路径

（4）从工作波长分类有：短波长光纤和长波长光纤。

（5）从光纤涂覆结构分类有：紧套光纤和松套光纤。紧套光纤是在第二层缓冲层外直接涂覆一层塑料材料。紧套光纤主要作为跳线或短接线用于室内或机架之间。松套光纤在第二层缓冲层与第三层涂覆层之间填充有油膏等物质，主要改善光纤与松套管之间的平滑性，防止水气进入套管内，有效提高光纤的机械性能。松套光纤因其具有较好的防水性、抗侧压、抗拉性能和温度性能，能够在较为恶劣的环境满足使用需要。

3．光通信技术

在模拟载波通信系统中，通常利用频分复用的方法来充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量。频分复用技术是在同一根电缆中同时传送若干个不同载波的信号，接收端根据各载波频率的不同，用带通滤波器就可检出每一个信道的信号。在光纤通信中，也可以采用光的频分复用技术来提高系统的传输容量。由于在光的频域上信号频率差别比较大，人们更喜欢采用波长来定义频率上的差别，因而频分复用又称为波分复用。

波分复用充分利用光纤低损耗区的巨大带宽资源，根据每一个信道光波的频率（即波长）的不同将光纤的低损耗区划分成若干个信道，在发送端采用波分复用器将不同波长的光载波合并起来送入一根光纤中传送出去，在接收端由分波器将这些不同波长的光载波分开。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个到几十个不等。

4．光通信的发展方向

光纤通信中，损耗和色散是限制传输距离和传输容量的主要原因。损耗使光信号在传输时能量不断减弱，而色散则是光信号的脉冲在传输过程中不断展宽，信号发生变形而失真。现在，光纤制造技术使光纤的损耗已经降低到接近理论极限值的程度，而色散问题一般可通过光纤的非线性特性来解决。光纤的非线性特性在光的强度变化时使频率发生变化，

22 网络多媒体应用技术

从而使传输速率发生变化。这种变化在光强度由弱变强时的频率变低，速度变慢，由强变弱时的频率变高，速度变快。这就造成光脉冲的前沿变慢，后沿变快，从而使光脉冲受到压缩，减弱或抵消掉光的色散。

如果能够利用光纤的非线性特性完全抵消掉色散现象，光脉冲就会像粒子一样成为光弧子，能实现超长距离、超大容量的通信。

1.4.7 宽带以太网

1．吉比特以太网接入概述

以太网技术是当今比较广泛应用的网络技术，目前有10兆、100兆、吉、10吉比特以太网。随着网络通信流量的不断增加，传统10兆、100兆比特以太网在客户/服务器网络环境中已很不适应。通信的拥塞推进了对高速网络的需求，吉比特以太网逐渐成为发展潮流。

为了满足目前对局域网带宽的增长要求，1996年3月13日，3Com、Bay、Cisco、Compaq、Intel、Sun、UB等主要厂商组成了吉比特以太网联盟。1996年7月10日，又有28家厂商加入该联盟，并在新汉普顿大学设立了独立的评测实验室，对110种网络和计算机进行了测试，以保证吉比特以太网的互通性。

吉比特以太网是一种新型高速局域网，它可以提供1 000Mbps的通信带宽，采用和传统的10兆、100兆比特以太网同样的CSMA/CD协议、帧格式和帧长，因此可以实现在原有低速以太网基础上平滑、连续性的网络升级，从而能最大限度地保护用户以前的投资。

吉比特以太网使用传统的CSMA/CD协议、帧结构和帧长，故不需要太大的投资就可以为用户提供超过1 000Mbps的传输速率。因此，它得以在短短两年多的时间里备受关注。这是由于在目前的布线系统中，5类双绞线被广泛采用，因此，在此类线缆上传输吉比特信号一直是最复杂，也是大家最感兴趣的问题。

吉比特以太网原先是作为一种交换技术设计的，采用光纤作为上行链，用于楼宇之间的连接。从那以后，在具有吉比特以太网网卡的服务器中和骨干网中，吉比特以太网已经获得了广泛的应用，并可消除这些集中地区的瓶颈。

以太网具有网络可靠性高，管理和纠错工具的有效性强，可扩展性好，价格低等优点。吉比特以太网产品包括交换机、上联/下联模块、网卡、路由器接口和数据缓冲分配器。将来会出现纯多端口吉比特以太网交换机。吉比特以太网提供高速连接能力，但本身不提供完整的服务功能，如QoS、自动冗余容错或高层路由功能，这些功能在其他开放标准中定义。吉比特以太网的成功不依赖于标准的任何部分，标准的任何部分都可以根据市场和产品质量需求进行更新。吉比特以太网协议体系结构如图1-15所示。

2．吉比特以太网协议

（1）802.3z吉比特以太网协议

1997年2月3日，IEEE确定了吉比特以太网的核心技术，1998年6月正式通过吉比特以太网标准IEEE 802.3z。802.3z吉比特以太网任务组的主要目标是开发可以完成下列功能的吉比特以太网标准：

第１章 概述 23

图1-15 吉比特以太网协议体系在网络结构中的位置

① 允许以Gbps的速率进行半双工、全双工操作。 ② 使用802.3以太网帧格式。 ③ 使用CSMA/CD访问方式。

④ 与10BASE-T、10BASE-T技术的地址向后兼容。

802.3z任务小组定义了连接距离的3个特定目标：最大距离为550m的多模光纤，最大距离为3km的单模光纤，最大距离不小于25m的铜线。IEEE同时在积极地探索可以支持在5类双绞线上传输至少100m的技术。此外，小组已决定制定与介质无关的吉比特以太网接口的标准。

吉比特以太网支持新的全双工模式，可以在交换机到交换机上，或交换机到端点工作站上连接。半双工操作模式用于CSMA/CD访问方式和中继器的共享连接上。

（2）吉比特以太网的物理层

IEEE 802.3工作组的大量工作是在吉比特以太网物理标准的制定上。吉比特以太网实现的功能依赖于某种物理层标准。总体上，物理层定义建立、维护和拆除网络设备之间物理连接的机械、电气和过程特征。IEEE 802.3z工作小组已经为吉比特以太网制定了几种物理层标准。

在光纤上传输吉比特以太网有两个物理层标准。其中1000BASE-SX的目标是用于水平方向或较短距离的多模光纤传输主干，1000BASE-LX的目标是距离更长的多模建筑光纤主干或是单模园区主干。

吉比特以太网最终使用光纤通道，现在对1.063Gbps的光纤通信技术做了改进，可以达到1.250Gbps的速率。对于更长的链路——单模光纤长达3km的链路和长达550km的62.5多模光纤的链路（1300mm长波光纤）的标准化也在进行中。

还有两个面向铜线的吉比特以太网传输的标准，第一种铜线连接标准由802.3z工作小组起草，标准命名为1000BASE-X。此标准支持网络设备之间的短距离铜线连接，支持25m距离的交换控制或计算机机房跳线连接；第二种铜线标准用于水平方向布线，充分利用现有的UTP线缆。

IEEE 802.3z标准支持吉比特以太网在UTP线缆运行的半导体技术和数字处理技术，为了适应这种超前计划，在MAC层和物理层之间将定义一个逻辑接口，去耦光纤通过的

24 网络多媒体应用技术

8B/10B编码，允许其他的编码机制和支持性能价格比占优的UTP线缆。

（3）吉比特以太网的介质访问控制（MAC）子层

按IEEE 802.3x的规定，通过全双工、交换方式连接的两个节点可同时发送、接收数据包。吉比特以太网在双工操作模式下使用两种标准。

以双工方式操作的设备（交换机和其他缓冲型的转发设备）不作载波扩充、“时隙”扩充和包突发修改。全双工设备仍继续使用常规的以太网96bps的帧间隔（IFG）和64字节的最小包长度。

在单工操作模式中，吉比特以太网也采用同样的CSMA/CD基本访问方法，以解决共享介质的访问冲突问题。

吉比特以太网增强了CSMA/CD的功能，以使吉比特以太网在保持G级速率的条件下仍能维持200m的网络访问距离。如没有这种功能增强，发送工作站在传送最小的以太网包时，可能在检测到冲突之前就已完成了传输，从而疏漏了这种由冲突产生的传输差错。为了解决上述问题，CSMA/CD的最小载波时间和以太网“时隙”都加大了，从目前的64字节扩展到新的512字节，小于512字节的包加上额外载波扩充，大于512字节的包则不作扩充。因为这些修改可能会影响到传输小包的性能，因此，在CSMA/CD算法中加入了新机制以资补充。新机制称为包突发机制，包突发机制允许服务器、交换机和其他网络设备发送小包，以充分利用网络带宽。

（4）QoS控制

决定网络传输速度的因素不仅仅是光纤传输的带宽，还包括路由器、交换机等网络设备的处理能力。如果这些设备的发展跟不上带宽的扩展，将会成为限制网络发展的主要瓶颈。至于QoS问题，由于TCP/IP协议本身是面向无连接的，所以在其基础上发展QoS的服务不仅十分困难，而且也是得不偿失的。与其付出很大的代价实现QoS，还不如充分利用以太网成本低廉的特点，牺牲一部分带宽，以获得高速通信的保障。当然，以太网也可以通过一些变通的技术来实现QoS的功能。比如，可以通过修正TCP/IP协议的一些软件措施来保证服务品质，但这样的解决方案只能实现用户端到服务器的QoS。

QoS技术实际上是通过预测流量的方式来预留一部分带宽，以满足相关的应用。但实际上基于TCP/IP协议的网络流程很难预测，而且极为复杂，而这并不是说以太网的技术对业务进行了控制，只不过采用的方式不同。以太网一般采用服务级别的技术对应用进行分类，并按照不同的类别给予不同的优先级。根据802.ip标准，以太网可以对数据和应用进行8种不同优先级的划分，使不同的优先级在网络中得到不同的处理。另外，所谓的牺牲带宽，实际上也并不是将带宽浪费，只不过是将带宽的一部分预留出来，用于最关键的应用。总体来看，以太网的这种QoS技术再与其充足的带宽相结合，就可以很好地实现与QoS相当的质量控制，且成本较ATM低。吉比特以太网将不仅仅是未来局域网的主要技术，也将逐步迈向城域网和广域网。现在我国教育网内各大专院校已经广泛使用了以太网技术，它不仅结构简单，成本低廉，而且性能稳定，升级也相当方便，目前拨号上网已经越来越难以满足用户的要求，而以太网成功的应用经验无疑为改善因特网接入速度提供了良好的借鉴。我国城市与国外相比，具有密集化、小区化的特点，非常适合发展吉比特以太网技术。这一现状为我国赶上并超过发达国家的网络水平创造了得天独厚的条件。应用以太网，国内大多数城市的家庭可以以低廉的成本，享受超过10MHz带宽，从而让各种多媒体应用

第１章 概述 25

得以实现。

（5）吉比特以太网的特点

吉比特以太网是在传统以太网基础上的平滑过渡，综合了现有的端点工作站、管理工具和培训基础等各种因素，对于广大的网络用户来说，意味着现有的投资可以在合理的初始开销上延续到吉比特以太网，不需要重新培训技术人员和用户，不需要作另外的协议和中间件的投资。

由于上述的特点和对全双工操作的支持，吉比特以太网将成为10/100BASE-T交换机，连接高性能服务器的理想主干网互联技术，成为未来高于100BASE-T带宽的台式计算机升级的理想技术。

在将吉比特以太网技术引入广域网应用方面，涉及光纤传输距离的问题，按照标准，普通光纤的传输距离应在10km以内，这时各厂商的设备可以很好地兼容与交互，但是对于广域网来说，10km的距离显然难以满足需要。目前，吉比特以太网可以通过更换光纤模块使传输距离从原来的10km增加到30km～70km（3Com公司现在已经推出了理论传输距离分别达到100km和50km的产品），但由于目前还缺少相关的标准，所以用户必须在传输的两端都使用同一厂家的产品。当然，还有许多新的技术可以尝试，例如，利用波分复用技术，可以使多个吉比特以太网在同一个光组网中传输，并达到较远的距离。

由于以太网所支持的简易网络升级，以及对新应用和数据类型处理的灵活性、网络的可伸缩性，使得吉比特以太网成为高速、高带宽网络的战略性选择。吉比特以太网的优点是，设备价格便宜、简便，直接性的高性能升级，可支持新应用和新数据类型的能力，网络设计的灵活性，用户通信端口速率高。

不过，就智能小区系统而言，其缺点也相当明显，需要重新布线，对环境有要求，设备的安装和维护困难，维护费用较高，操作方式容易带来一些麻烦，运营方式相对复杂。

ATM具有可延展性和灵活性，当需要新应用和新设备时，可以支持不断扩大网络的容量和性能，从而最大限度地保护用户投资。另外，ATM面向连接的特点和ATM交换机之间复杂而全面的控制功能，可以用ATM建设一个大范围的、高速高效的交换网络，实现局域网和广域网的统一。

虽然ATM具有明显的优势，但也有其很大的缺点，首先，ATM目前主要承载IP业务，开销较大，对于155Mbps ATM接口来说，有30Mbps要作为开销；其次，不少厂商的ATM交换机之间难以保持完全兼容，装配过程也很复杂，而且，台式计算机的ATM网卡价格相当高；再有，ATM技术较为复杂，对网络管理员要求较高。今天，从ATM技术在企业用户的组网设计来看，很难为用户提供端到端的服务质量保证，原因在于这种网络拓扑结构中，ATM仅作为网络的骨干连接以及高性能服务器连接，而最终到用户的连接仍然通过LANEmulation到以太网。中小型企业仅当需要极高性能网络来支持某些焦点数据应用（如大规模的图像工程）时，才使用ATM到桌面。

现在，吉比特以太网接入的解决方案比较多，Cisco公司的以太网接入方案，满足了普及性高速因特网接入的需要，充分利用了以太网价格低、用户基础好、可扩展性强的优点。在解决了传送距离等一系列问题后，统治局域网市场多年的以太网开始逐步向广域网渗透。Cisco公司还预测以太网和广域网将在10Gbps合并，这将大大改变广域网的联网方式。