1.4　把信息交给网络

1.4.1　业务网是啥

通过前面几节的介绍，所有信息数字化后都变成了二进制的数字，但这只是完成了信息在源端的转换，信息还在原来的地方待着。可是通信是什么？你要把照片发给我看，我想把我唱的歌发给你听，实现这些我们就需要通过网络去传递信息，要把信息交给网络，那么具体来说要交给谁呢？首先要交给业务网。

手机通过天线发射信号连接到了基站，电脑通过网线或无线连接到了宽带接入网的ONU（猫），这些和我们直接打交道的设备就是属于业务网的末端网元（网元，网络中的元素，可以简单理解为一台独立的设备）。为什么是末端网元呢？

那么我们就来了解一下什么是业务网。

首先，什么是业务？业务就是各行业中需要处理的事务，但通常多指销售的事务，每个公司要盈利都要去开展、推广种类繁多的业务，比如业务咨询办理、合同签订、售后服务，等等。三大电信运营商的业务种类很多，具体有什么业务当我们走进营业厅时就会有热情的业务员过来介绍，比如办个4G号、订制流量包、开通宽带等。

什么是业务网？开饭馆就得有桌椅、灶台、服务员，运营商也一样，钱收了合同也签了，就得给用户开通业务，就需要一系列的后台资源去满足客户的要求。电信运营商的每一项业务背后都需要硬件网络和相关的建设、运营、维护人员去支撑，通信网络中能够直接为客户提供服务的网络就是业务网，比如2G、3G、4G移动网、宽带接入网。业务的种类在不断地更新发展，小灵通、无线寻呼等业务已经光荣退役，而5G等新业务也会不断地涌现。电信运营商的业务网如图1-17所示。

图1-17　电信运营商的业务网

和业务网对应的是传送网、支撑网，如果说业务网是前台服务员，那么传送网和支撑网就是后台的厨师、采购等人员，为业务网的运营提供必要的支持。其实台前幕后也没有明确的界限，幕后有时也可以走到台前，传送网也可以接入专线租赁的业务带来直接收益，只是相比较那些前台人员，传送网、支撑网的本职工作还是默默地奉献。

为什么有这么多的业务网，而不是一张网就够了？每一种通信需求的实现方式都是不同的，如何对每个用户进行编码、使用什么样的技术防止互相干扰、网络如何帮助用户找到对方、如何保证你想要的通信效果、如何保证你的信息安全、如何计费管理等，所有这些都有很多的不同，这些都需要有一系列的标准、设备、网络和专业的人员去支持、去区别对待。这就像我们没有办法开一家餐馆，不管什么人什么时候进来想吃什么，中餐、西餐、八大菜系、早点、夜宵、烧烤、火锅都应有尽有，这谁也做不到。

1.4.2　数字移动通信——GSM

移动业务是通信网中用户最多、发展最快的业务之一，手机从最初单纯的“移动电话”发展到现在的无所不能。手机已经悄然改变了我们的生活方式，我们用手机可以购物、社交、看世界，像着了魔一样地对着手机大笑、落泪、愤怒、自省，夜深了我们像打了鸡血一样，对着手机刷朋友圈、刷微博，这几寸屏幕中浓缩了我们太多的生活，如图1-18所示。

图1-18　手机改变了我们的生活

图1-19　GSM移动网结构

2G时代初期，网络只支持语音通话，后来支持了上网业务（数据业务）。传送网的发展演进是靠业务的发展推动的，那我们就按照业务发展的顺序来介绍，从GSM的语音业务说起，先来一张GSM网络结构图，如图1-19所示。

移动台（MS，Mobile Station），这个我们都非常熟悉，俗称手机。手机是我们和网络沟通的桥梁。我们平时开机、关机、拨号、挂机，这些指令都是在和手机交互，手机负责接收我们发出的指令，负责将我们的声音转换成数字信号，将这些指令和话音发送给BTS；同时从BTS处接收指令，接收端的信号转换为声音传递到我们的耳朵。像手机这种和用户直接交互的通信设施，我们称之为终端，如电脑、固定电话、电视。

基站收发台（BTS，Base Transceiver Station），简称基站，我们随处能够见到这些用于通信的铁塔、抱杆（如图1-20所示），上面有些还写着电信运营商的名字，塔的顶端就是用来和手机收发信号的天线。基站是手机的上级，我们不管移动到哪里，都会和最近的基站取得联系，依靠基站我们才能将信息传递出去。一个基站的覆盖半径从几百米到几千米不等，不同频率、不同地理环境的基站覆盖效果也不同，所以需要建很多个基站来保证人类活动范围内的覆盖效果。

基站控制器（BSC，Base Station Controller）是BTS的上级，一个本地网（一般指一个地市的网络）有若干个BSC，每个BSC分片控制管理一组基站，就像派出所的片警一样。本辖区基站的信号发送给BSC之后，BSC再向上发送给MSC。BSC还负责信道资源分配、用户切换等功能，用户在基站之间移动时需要BSC去协调切换，比如BSC通知2号基站：“有个叫张三的用户从1号基站向你方的2号基站方向移动，请接收。”再通知1号基站：“2号基站已接收张三，请撤销连接。”无论走到哪里网络都在盯着我们，感觉和电影中围追堵截的场景有些相似。

图1-20　生活中随处可见的基站

移动交换中心（MSC，Mobile Switching Center）是BSC的上级，一个本地网的所有BSC的信息汇集到MSC这里，在MSC处完成交换的过程。什么是交换？交换就是将主叫和被叫用户之间连接起来，就跟月老牵线差不多，还记得一些战争片中，某首长拿起电话说：“给我接××团部！”那时的交换是靠接线员人工操作的，后来都已经用程序控制，实现了自动化。

如果是本地电话，你呼叫的用户在MSC管辖的范围内，MSC能够帮你找到对方那里，然后建立一个连接，你们之间就可以开始通话了。如果是跨电信运营商电话或者手机拨固定电话，那就需要经过网关移动交换中心（GMSC，Gateway Mobile Switching Center）去跨网实现互通，GMSC就相当于外交部长，能力上和MSC没有多大的区别，只是职责分工不同。

其他的网元也简单介绍一下。鉴权中心（AUC，Authentication Center）就是门卫，想要接入网络，请出示有效证件；归属位置寄存器（HLR，Hom e Location Register）就是本地人口户籍管理处，本地号码全部要在此备案；来访位置寄存器（VLR，Visitor Location Register）就是外来人口管理处，外来人员进入本地管辖区域，全部要到这里登记。

我们可以简单模拟一下两个人打电话的流程，比如张三要打电话给本地的李四，张三掏出手机拨李四的电话号码，手机将拨号请求传给BTS之后，张三的拨号请求就发到了BSC，又被转发到了MSC，MSC查到李四在哪个BTS下，于是将呼叫通过BSC、BTS发送给李四的手机，李四手机开始响铃，李四按下接听键，接通的信号又通过这一路发到张三的手机，他们就开始通话了。要是打长途电话呢？MSC就要通过长途局去联系另一个MSC，去寻找李四的位置，其他的过程一样。

在2G后期、3G网络尚未来临之前，GSM网络通过GPRS、EDGE技术支持了低速上网功能，GPRS、EDGE是利用原本的话音信道去传送一些低速的数据业务，对应地增加了PDU、SGSN、GGSN这些模块和一些网元间的接口，PDU就是数据业务的BSC，SGSN就是数据业务的MSC，而GGSN就是数据业务的GMSC，这些我们可以不去关注，与传送网的关系不大。

当然上述的GSM只是简化了结构和流程，其他详细的工作原理是移动网内部如何实现通信而需要考虑的非常复杂的过程，如果需要进一步了解，推荐阅读杨波的《大话通信》和丁奇的《大话无线通信》与《大话移动通信》，里面对移动网的知识都做了通俗易懂而又全面的解释。

为什么MSC不直接管理BTS，非要在中间加个BSC呢？想象一下，让你当一个公司的总经理，不给你配副总、部门经理，让你管理成千上万的员工，那你一定忙不过来，MSC也一样。

现在我们只需要了解大概的组网结构，我们知道一个本地网MSC是“老大”，MSC管理若干个BSC，BSC管理一个区域的若干个BTS，BTS管理本区域内的手机，基于对这些概念基本的理解，我们接着就来了解本书的主角——传送网。

1.4.3　我们需要一个接口

上一节在讲GSM网络的组成时，我们都是用简单的语言去描述：“手机将信息发给BTS”“BTS将信息传给BSC”，可是到底怎样去收发信息的？任何两个网元之间要交互信息，首先的一个条件是要能够互通，你说的什么我得能听明白，你说六点半老地方见，我得知道六点半是北京时间还是柏林时间，老地方又是哪儿，按专业点的话说，要通信的两者之间必须要有一个标准一致的接口，如图1-21所示。

图1-21　信息传递需要接口

什么是接口？首先参考一下百度的定义：接口泛指实体把自己提供给外界的一种抽象化物（可以为另一个实体），用以由内部操作分离出外部沟通方法，使其能修改内部而不影响外界其他实体与其交互的方式。

什么意思呢？打个比方吧，甲公司和乙公司之间有业务往来，甲公司委托张三、乙公司委托李四来负责洽谈相关的事宜，那么张三和李四之间就互为一对接口人，甲公司通过张三给乙公司提供服务、支持或者具体的产品（一种抽象化物或实体）。接口负责的“外交”部分工作是和“内政”分离的，张三、李四之间就谈他们公司间的事，甲公司就算董事长都换了，只要接口人张三没换，就和乙公司没有多大关系（由内部操作分离出外部沟通方法）。

任何两个实体之间要互通都需要接口（对不起！这里只能用“实体”这么抽象的词，实体可能是指组织、个人、设备、软件等，也可以是两个动物），换句话说，接口使互相沟通成为可能，如图1-22所示。如果乙公司没有接口人，张三到了乙公司连门都进不去，还谈什么业务？人之间、动物之间交流，语言要能互相听懂，还要彼此对沟通的事情有所共识，缺少了这些必要的条件，沟通就是“驴唇不对马嘴”。我们家里用的自来水、天燃气、电、网络、电话，这些也都需要接口与服务提供方取得连接。

图1-22　接口的意义

回归正题，通信网的任何两个设备之间、设备内部不同单元之间互联都需要一个接口，我们就来说说通信网的接口。

按照接口的层次可以分为物理接口和逻辑接口，两种接口分别在两个不同的层面——物理层面和逻辑层面，其中逻辑接口在上层，物理接口在逻辑接口的下层，逻辑接口需要基于物理接口去实现。什么意思呢，我们再来打个比方。

回想当年上大学的时候，我最不喜欢的就是高等数学，上课从来不在状态，东张西望，下课了总是被老师给叫过去谈话。

老师：这节课讲的你听懂了没？

我：老师，高数太难了，实在听不明白！

老师：我讲的不是中国话吗？为什么别人都明白就你不懂！

我：话都听懂了，但是高数还是一点没懂。

老师：……

老师给我讲课这件事情就包含了两个层面，低层次来说，老师在给我说汉语，这个层次我都听懂了；高层次来说，老师在给我讲高数，这个层次完全没听懂。我们直接听到的是语言，所以语言就是物理接口，而高数要通过语言去表达，接收方接收到语言之后从中提炼、理解，所以高数就是逻辑接口，如图1-23所示。

讲课要通过面对面说话去传达，所以说逻辑接口要通过物理接口去实现，当然也可以通过远程视频等方式，那就是采用不同的物理接口；如果老师讲的是西班牙语（其实英语我也未必全听得懂），那连话我也听不懂。如此一来，物理接口都无法互通，那逻辑接口就更不可能通了。

图1-23　物理接口和逻辑接口

生活中，“我要告诉你一件事”就是逻辑的，“我通过手机给你座机打电话告诉你”就是物理的；“我给你寄个东西”是逻辑的，“我通过顺丰快递寄给你”就是物理的。其实再往下还有更具体的物理层的过程，比如通过哪些站点中转的电话信号或者物流快件。

“物理”这个词在通信中一般是指有具体的形态，能够看得见，摸得着的东西，而和物理对应的逻辑指协议标准、技术体系这些抽象的概念，如果说物理接口是“手牵手”，那么逻辑接口就是“心连心”。不同通信系统的逻辑层面还可以细分为很多层，多层之间的配合才能实现通信网的各种功能，这些详细的分层在讲到每一部分的时候，我们再来展开介绍。

物理接口关注的是两个实体物理上的连接，是指我们能够看见的线缆、接头等这一类东西，比如2M线、五类线、光缆这些线缆和RJ-45、BNC、FC这些接头。物理层去定义接口的形状尺寸、电平值、速率这些参数，如果尺寸不一致，你要把USB接头往网口上插，根本都塞不进去就更谈不上互通；电平值定义一致是为了接收端知道你发的电平值多少伏代表0，多少伏代表1，就像古代的摔杯为号，都是事先商量好的双方才明白，旁人根本搞不清楚；而速率一致才能保证一字不漏地接收信息，否则我这边说一百句话你就听见一句，那还怎么沟通？还有像RJ-45网口这种多芯的电缆，还要定义线序，哪根线发哪根线收，对方好知道在哪儿接收你的信号。

还记得数年前，大家手机没电了要借充电器都是这样问：谁手机是诺基亚的，充电器借我用用。即使同样是诺基亚的手机，接口也不见得通用。可是现在就不存在这个问题了，只分为安卓和苹果两种，大家接口形状大小、充电电压都相同，接口标准化，标准统一可以实现多厂商互通，形成良性的市场竞争，避免垄断局面。

物理接口按照通信介质的不同，可以分为无线接口和有线接口，有线接口又可以分为光接口、电接口。这些接口在我们的生活中随处可见，手机连接基站、电脑连接无线路由器都是无线接口；而所有设备的电源线、数据线的接口都属于有线接口。逻辑接口可以通过物理接口直连实现，也可以通过网络的中转间接实现，只要达到的效果相同，逻辑层并不关心物理接口具体如何连接，就像我要回家，可以坐直达车，也可以中间转几趟车，这并不影响我回家这件事情的本质。基站在逻辑结构上直接归属BSC，但在物理结构上却可通过有线相连成环后再与BSC相连，如图1-24所示。

物理层通了，这0101交替的码流就发过去了，对方准确无误地接收，物理层就完成了它的使命，接下来就是逻辑接口之间的互通了。假设物理接口的速率是2Mbit/s，那么1s就有2M也就是200万个“0”或“1”，这速率在传送网中基本是最低的了，这些字符打印出来就是一本词典，这本词典我们谁也看不懂，但是设备可以看懂，所谓“难者不会，会者不难”，设备能看懂是因为他们之间有一个约定，叫作帧结构。

图1-24　网络的物理结构和逻辑结构

1.4.4　一个重要接口——E1

既然说了接口，我们就先来了解一下GSM网络中网元之间的接口。

MS和BTS之间的接口叫作Um接口，Um接口是无线接口，手机和基站之间是靠天线发射无线电波互相通信的，就像手机和基站之间隔空喊话，这个接口移动网自己就可以搞定，传送网并不关心。

BTS和BSC之间的接口叫作Abis接口，BSC和MSC之间的接口叫作A接口，Abis和A接口是逻辑接口。移动网其实只有手机是移动的，BTS以上的所有网元都是固定位置的，固定的网元之间大多使用有线连接，Abis接口、A接口在物理层也都使用有线接口，接口的名字叫作E1。

传送网的发展从PDH到MSTP二十多年来，业务侧接口应用最多的就是E1。BTS是通过E1接口连到BSC，BSC通过E1接口（后来改为STM-1）连到MSC。E1接口曾经是我们每天打交道的一个最重要的接口，所以必须要详细介绍一下。

还记得我们前面说过的奈奎斯特定律吗？声音信号经过8kHz的抽样就可以清晰地还原信号本身，8kHz就是每秒取8000个抽样电平。由于是实时打电话，我们就需要每隔1/8000抽样出来的信息都能马上传递给对方，我们传递信息的频率就要和8kHz保持一致，比8kHz快会造成没有信息可传，比8kHz慢就会出现信息不能准时送达。我们想象一下工厂生产线上的传送带，传送带的速度和产品生产的速度一定是完美匹配的，这一点就和E1与语音业务的匹配很像，如图1-25所示。

我们用8bit去表示每个电平（每个电平抽样共有28=256个量化值），要传递这样的一路语音信号，接口每秒就需要发送8k×8bit=64kbit，也就是说一路语音信号的速率就是64kbit/s。

我们早期的固定电话就是每路64kbit/s的速率，这64kbit/s可以基本无损地还原人声信号，所以打手机时我们常说：“我听不清楚，我用固定电话给你打过去。”固定电话信号好、音质好我们是深有体会的，信号好是因为固定电话全部是有线连接，对干扰的屏蔽很彻底，而音质好就归功于每路64kbit/s的接口。

图1-25　E1和话音业务的匹配

固定电话的RJ-11接口的速率就是64kbit/s的，然而在网络中传递信号时我们不能使用64kbit/s的物理接口。64kbit/s的速率太低，如果每一路电话都有一个物理接口向上传送，到了中心局，交换机就算是千手观音也接不住，必须要使用一个大的接口去包含若干个64kbit/s，需要去将N个64kbit/s捆绑起来传递，这样可以减少我们物理接口的数量，这是时分复用的概念，第1.5.4节我们会介绍。

将语音原始信号经过抽样、量化、编码最终形成64kbit/s信号，64kbit/s再复用成为E1、T1，这套标准叫作脉冲编码调制（PCM），我们来重点介绍我国使用的标准——E1的帧结构，如图1-26所示。

图1-26　E1帧结构

帧结构是由某一种技术使用的数据单元组成的。后面要介绍的每种技术都有自己的帧结构。

为什么要规定帧结构呢？无论哪种物理接口，都是像机关枪一样发送比特流，也就是0和1组成的超长的数字串，我们可以感受一下：

0101000011100011000101101001011001011001101000111010011010010…

这一大串数字如果没有一定的方法解读，看起来就像天书一般，这里面哪几个比特代表什么含义，比如哪8个比特对应的是信令，哪8个比特对应的是一路语音信号，我们就要根据帧结构去做出判断。

打个比方，将一路语音信号想象成一只母鸡，一只母鸡每分钟下一次蛋，每次下8个，这是它固定的频率，当然这个比方非常不科学。

我们如果想建一个传送带去运输鸡蛋，传送带就要每分钟运输一次鸡蛋，这个频率和鸡下蛋的频率保持一致。对于一只鸡，传送带每次需要运输8个鸡蛋，但是一个养鸡场有很多只鸡，我们不能为每一只鸡建一个传送带，那样太浪费，如果每32只鸡共享一个传送带，那么这个传送带就要每分钟传送256个鸡蛋。

传送带不停地运输，每一拨的鸡蛋也是首尾相连，那么我们怎么去分辨从哪只鸡蛋开始是新的一轮，哪8个鸡蛋又对应的是哪一只鸡呢？我们可以在一拨的第一个鸡蛋涂上颜色，以这只蛋为起点，每8个蛋就能分成一组，这只带颜色的蛋就是同步字节，这是新的一帧到来。

对照这个例子，我们去看一看E1的帧结构。

E1的每一帧是32个时隙，分别用时隙0～31去表示。每个时隙8bit，一帧的长度就是32×8bit=256bit。E1帧频也是8000帧/秒，我们按照帧频乘以每帧的长度能得到E1的速率8000Hz×256bit=2Mbit/s。

32个时隙中包含了30路语音信号（时隙1～15、17～31）、1路同步信号（时隙0）和1路信令（时隙16）。时隙16的信令是早期固定电话使用的随路信令，每接收16帧是完整的一组。这种用法叫作复帧，这是E1最初的用法。

E1还有两种用法，一种是信道化的E1（CE1），时隙16不需要传送信令，这样1～31号时隙用来传送信息，不需要再将帧组合使用，上面的成复帧实际上也是CE1的一种特殊用法。另一种是非信道化的E1，这种方式不需要区分32个时隙，如果将E1比作一个箱子，32个64k时隙就相当于在箱子里装隔板，就像啤酒箱子那样，而有些非语音的业务不需要使用64k的信道，只需要使用2M的箱子，于是就将隔板全部拆掉。

1.4.5　E1的特点

根据E1的帧结构，接收端通过同步时隙（时隙0）确定一帧到来之后，只需要每8bit切一刀，就能够将其切成32份，每一份按照帧结构去还原成对应的信令和话音信号，信令送到信令单元去处理，语音送到交换模块去交换，这就像我们语文课学习的断句一样，将这一路的原始信号解析出来。

最初E1是因固定语音业务需求而诞生的，后来这个E1也就成了传送网的接口标准之一。现如今，所有需要通过传送网传送的低速率业务，都需要遵循这个标准，像移动网的语音业务采用其他编码方式，每路语音压缩编码之后的速率并不是64kbit/s（每路16kbit/s左右），但接口都是沿用E1，其他非话音的低速信号也统一沿用这个接口。这就像我们很熟悉的5号电池，直径14mm，高度49mm，我们不需要知道为什么是这个尺寸，是谁规定了这个尺寸，只需要知道电池厂商不按照这个尺寸生产，就一定卖不出去，这就是标准。

一条E1对于传送网来说是一个业务，就是一封托我们去送达的“信”，我们只需要想尽一切办法交给“加西亚”，信里的内容与我们无关。

而一条E1对于业务网来说是什么呢？是资源，是可以配货的空车。如果是固定电话，这条E1就可以承载31路（或者30路）的语音信号，注意，不是能够接31个用户，而是可以容纳31个用户同时打电话，可能业务网在1个E1之间接了100个电话机，只要这100个话机同时打电话的人数不超过31就OK。对于移动网也是一样的道理，比如一个E1可以带12个载频，一个载频可以带7个话路，那就可以容纳84个用户同时打电话，如果基站周围用户比较密集，84个话路不够怎么办？那就要扩容载频，同时将带宽需求升级为两个E1。

这里还要说一下E1的重要特点，这点是和后面要介绍的以太网接口的最大区别，将E1的特点概括一下，就是“面向连接”的“刚性通道”，如图1-27所示。

图1-27　刚性通道和面向连接

什么叫面向连接？一条E1从A站点到B站点配置完之后，这条E1就只属于这两个站点之间，就算AB站点之间没有使用这条E1，两端接口也以每秒8000帧永不停息地向对端发送数据帧。E1中的时隙也是这样的特点，两个人要打电话，申请到了一条信道，这个信道也为两人一直保留，直到有一方挂机，因为我们两个人打电话，电话机就在以这个固定频率去抽样，就算我们没有说话，沉默也是一种信息，不能说我打电话的时候一不出声就有其他人插进来说两句，这是无法忍受的，也是不可能的。

和面向连接对应的是无连接，无连接就像是城市的马路，谁都不属于，谁都可以上去开车。无连接是我们后面要去了解的另一套技术。

什么叫刚性通道？一条E1速率是2.048Mbit/s，速率是恒定的，里面也固定包含32个时隙，你用或者不用，它就在那里，不多也不少。一个站点就算用不了2M那么多，剩下的也是空着，而如果32个时隙不够用，哪怕多1个时隙也不行，就必须得再配一条E1才能解决。刚性通道是由E1的帧频、帧结构决定的，谁也改变不了。和刚性通道对应的是弹性通道，或者说支持统计复用，各站点之间按需分配带宽，用得多就多占，用得少就少占，不用就不占资源。统计复用会在第4章详细介绍。

语音业务的要求就是一个固定的频率+固定的带宽，在这种要求下E1可以说是一个完美的接口，E1是为语音业务量身定做的，所以一定要配合得天衣无缝。