作者：吴志美,杜森 等
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
用户驻地网与社区宽带综合业务试读：
前言
人类社会的发展经历了农业社会和工业社会，开始向信息社会过渡。在农业社会里，人类的活动以农业生产为中心。蒸汽机的出现引发了工业革命，经过200年的发展，世界上大多数国家已经实现了工业化。虽然农业生产活动依然存在，但是它们在国民经济活动中已经不占主要地位，取而代之的是工业产品的制造、运输、销售和消费成为社会的主要活动。伴随工业化的进程，信息交流越来越广泛，越来越重要，信息的生产、管理、传输和消费在普通民众生活中的重要性日益增强，先进的国家开始向信息化社会迈进。在信息化社会里，信息的生产、信息的流通和信息的消费成为社会活动的主要形态。支持信息化的网络系统与普通民众的工作和生活密不可分。在信息化社会里，普通民众不仅是信息的消费者，同时也是信息的生产者，网络中信息的流通量将发生巨大变化，信息的生产和消费方式也会向多元化的方向发展，在工业化社会中已有的按业务分类的专业网络不能满足信息社会的需求，多业务、高性能、低成本的网络体系将会应运而生，用户驻地网将会有更多的变化、更快的发展。我们这个团队在过去近10年的时间里研制开发了“社区宽带综合业务网络系统”，先后有100多人为这个系统做了认真的研究工作。该系统属于用户驻地网的范畴，它在一个物理网络上，实现了常规电话网、电视网、计算机网以及社区视频监控、门禁保安等多种业务的融合。我们以此为基础撰写了这本书，参与未来网络发展形态的讨论。
本书的读者是具有大专以上文化的工程技术人员，高等院校中计算机系、电子工程系学生，以及通信网络爱好者。
本书介绍用户驻地网的基本概念和体系结构，叙述用户驻地网的各种业务和业务管理，讨论用户驻地网的建设、测试、运营和标准化。全书共分13章，由吴志美、杜森负责内容组织和修改。
第1章 绪论
介绍用户驻地网的地位、结构、特征以及发展趋势。由吴志美撰写。第2章 用户驻地网交换设备 介绍用户驻地网交换机的体系结构、基本功能和主要技术特征。由刘琼、王显雷、徐鹏、吴志美撰写。
第3章 用户驻地网接入技术 介绍驻地网中有线接入和无线接入技术，以及无线局域网服务质量保证措施。由皇甫伟、周新运、盛凌志、雷文撰写。
第4章 家庭网络 介绍用户驻地网中家庭网络系统的设备以及关键技术。由程冬超、江何、郑重、钟琳华、张林林、吴志美撰写。
第5章 语音业务 介绍用户驻地网中IP电话的编号方式、通信协议，以及运营中的问题和解决办法。由方贵明、曹春亮撰写。
第6章 视频点播和视频组播 介绍用户驻地网中流媒体缓存策略和调度算法，视频点播系统的结构、工作流程、技术和应用，以及IP组播技术和应用。由许长桥、李凯慧、张源海、吴志美撰写。
第7章 视频监控 介绍用户驻地网中视频监控的结构、监控管理平台和监控前端系统关键技术。由张春荣、石志强、吴志美撰写。
第8章 其他宽带业务 介绍用户驻地网为社区居民提供的各种补充业务，包括社区信息服务、网络游戏、电子商务、远程教育、远程医疗、远程理财、家庭健康监测、网上选举、个人或社团信息交流等。由张树东撰写。
第9章 网络管理 介绍用户驻地网的网络管理系统的体系结构、管理的策略和方法以及主要性能指标。由孙延涛、石志强撰写。
第10章 网络计费 介绍用户驻地网计费的特点、计费策略、账务管理、查询以及存在的问题和解决方法。由廖成玉、石志强撰写。
第11章 运营支撑 介绍用户驻地网的运营模式、运营服务面临的问题及解决办法。由许松涛、石志强、吴志美撰写。
第12章 网络同步与地址扩张 介绍用户驻地网时钟同步与地址空间扩充方法。由吴志美撰写。
第13章 用户驻地网的建设、测试评估和标准化 讨论用户驻地网的建设与归属问题、用户驻地网对外接口的标准化和网络服务质量的标准化及相关规范，以及用户驻地网的测试方法。由杜森撰写。
由于信息领域发展变化迅速，以及作者本身知识和视野的局限，书中所叙述的内容难免有错误和不当之处，欢迎读者批评指正。读者可将意见和建议发至编辑电子邮箱chenwanshou@ptpress.com.cn。作者第1章绪论
1.1 网络演进的过程
1877年5月美国贝尔电话公司研制出了第一台商用电话机，每台电话机通过专用的电线与另一台电话机相连，可以提供专用的语音服务。1878年乔治·柯依（George W.Coy）研制成功第一台实用的交换机，每个用户需要一台终端设备和一条与中心交换机连接的电线，通过人工转接的方法实现用户之间的语音通信。在随后的几十年中，人工转接的交换机让位于机电式自动交换。机电式交换机经过史端桥、步进制、纵横制和半电子制过程，最终被程控交换机取代。到20世纪60年代，以语音业务为主的传送模拟信号的电话网络系统在技术上已经完善。如今电话网络已经覆盖世界的每一个角落，包括所有的办公场所和大部分家庭。按2006年年底的统计数字，中国每百人平均拥有移动电话35.3部，固定电话28部。
第一台黑白电视的公众演示是在1927年，第一台彩色电视的公众演示是在1929年。1939年显像管技术的出现，为电视的商业化应用提供了条件。1948年美国国家电视系统委员会NTSC（National Television System Committee）对广播信号参数进行标准化，在美国建立了最初的黑白电视标准，传输模拟信号每秒30帧，每帧水平扫描525行，长宽比为4:3。1967年欧洲制定模拟电视标准PAL（Phase Alternating Line），传输模拟信号每秒25帧，每帧水平扫描625行，长宽比为4:3。从20世纪70年代开始，卫星广播电视、地面广播电视和有线电视在世界范围内得到迅速发展，我国的有线电视从80年代末期开始起步，到90年代进入快速发展期。1980年我国平均每千人拥有5台电视机，1990年每千人拥有155台电视机，2000年每千人拥有294台电视机，据央视市场研究部门公布的数据，2003年，中国电视观众总户数已达到3.06亿户，全国平均电视机普及率达到85.88%，城市电视机普及率接近100%。
数据网络的发展要追溯到1835年莫尔斯发明的电报机。第一次商业应用的电报服务开始于1856年。在随后的30年里电报网络是第一个数据网络，也是当时唯一的远程通信网络。30年后出现的电话网络，虽然在网络规模和信息流量上迅速超过了电报网络，但是当时的电话网络只传送语音，而电报网络在它开始运营后的100多年里承载了全世界所有的数据通信。到了20世纪60年代以后，计算机的发展和广泛应用为数据通信的发展注入了强大推动力，从此数据通信网络进入迅速发展阶段。60年代出现数据电话数字服务DDS（Dataphone Digital Service），允许用户以数字格式在线路上发送数据，70年代出现X.25分组交换网，80年代出现综合业务数字网ISDN（Integrated Services Digital Network），90年代出现宽带综合业务数字网或称之为异步转移模式 ATM（Asynchronous Transfer Mode）。到了 21 世纪，互联网（Internet）在世界范围内迅速普及。
互联网是20世纪人类文明的辉煌成果，它起源于20世纪60年代末期美国国防部的高级研究计划局网络ARPAnet（Advanced Research Projects Agency Network），采取TCP/IP协议族实现计算机之间的分组数据通信。美国国家科学基金会于 1985年建立国家科学基金网络NSFNET（National Science Foundation Network），用于连接超级计算机中心，扩展了这种分组交换网络的规模和使用范围。互联网采用开放的体制和相对简单的通信协议，任何实体都可以连接到互联网上，以便提供资源或访问资源。1988年互联网连接的计算机数为 56 000台，2000年连接的计算机数突破1亿，用户数目超过3.5亿，2003年年底用户数目达6.8亿，截止到2005年5月底全球的网民数量达到8.89亿，全球的互联网普及率为13.9%，IP业务量每6~9个月翻一番，难以计数的信息资源向全世界提供信息服务。互联网在初始阶段是一个学术和军事的专用网络，经过30多年的发展，已经演变为全球性的信息资源的共享平台。互联网的发展是世界由工业化走向信息化的象征。互联网的早期主要服务对象是专业技术人员，浏览器的出现使得互联网的服务对象扩大到一般工程技术人员，IP 电话和 IP 电视的使用将使互联网的服务普及到普通平民百姓，这将是互联网发展史上最有价值的变化。
1.2 网络的融合
早期的电话网络、电视网络和数据网络都是为特定的业务需求而发展起来的专用网络。随着技术的进步，每一种网络都试图扩展自己的业务范围。我们所述的网络融合是指网络向着统一、互相合并的方向发展。20世纪80年代出现的综合业务数字网（ISDN）以及稍后出现的 ATM 热潮，代表了当时的技术走向，表达了人们希望在一个网络上通过听觉和视觉更全面获取信息的良好愿望。
在模拟电话网络的基础上借助调制解调的功能，使电话网不仅可以传送语音信号，还可以传送数据信号和静态图像，传真业务的功能覆盖了电报网络的功能，而它的运营维护成本比电报网络成本更低，从而迫使在世界范围内运营长达100多年的数据网络退出历史舞台。数据电话数字服务（DDS）也是在租用电话网络线路基础上实现的。可以说电话网络扩展了数据服务的功能，实现了语音业务和数据业务的融合。随着数字技术的应用和普及，以及非对称数字用户线路ADSL（Asymmetrical Digital Subscriber Line）、高速数字用户线路VDSL （Very high bit-rate DSL）的出现，拓展了用户线可应用的频谱，使得电话网络可以提供一些动态视频服务。
通常的有线电视网络中的传输系统是单向的模拟信道，电视节目信息从电视台的前端设备，经过由干线和分配网络组成的传输系统，送到用户电视机上。改造传输系统中的分配器，可以使得传输系统成为双向的总线式以太网，在收发双方增加调制解调设备，就可以传输数字信号，其原理与模拟电话网中增加调制解调器可以传输数字信号一样。目前中国广播电视总局正在推行这种网络模式，使得有线电视网络融合总线式以太网的功能。
互联网的初始目标是实现计算机之间的数据通信。通过对分组数据的差错控制和流量控制，可以保证数据信息的正确传输。20世纪90年代以后，语音通信逐步在互联网上流行。初始阶段语音的质量不够好，曾经受到一些人的质疑，认为互联网是尽力而为的服务模式，不能保证语音服务质量。随着时间的推移和技术的进步，IP电话质量达到可接受的水平，IP电话在世界范围内流行，成为广泛使用的业务。互联网成功地融合了数据业务和语音业务，以往的争论都自行消散。IP电视正在兴起，可以预见，新的争论也将伴随着这个融合过程。
21世纪是网络技术发展最活跃的时期，数字技术的发展使各种模拟信号数字化，通过数字传输、数字交换，在同一个物理网络平台上提供多种业务，传统的电话网业务、电视网业务和计算机网业务逐步融合是发展的大趋势。21世纪是人类从工业化社会迈向信息化社会的巨大变革的历史时期，人们的生活方式及工作方式都将发生很大变化，需要越来越多样化的信息服务。随着信息技术的快速发展，网络的结构和性能将向着适应服务多样化、多变化的方向演变。用户驻地网具备多个与运营网络的接口UNI（User to Network Interface），为各种业务的运营商提供接入环境。
1.3 用户驻地网的地位
用户驻地网CPN（Customer Premises Network），是指从用户驻地业务集中的地点到用户终端的相关设施。从网络结构上看，引入用户驻地网便于实施对网络的分级维护和管理，便于在社区范围内按需要开放自己的业务，减轻基础网的负担。用户驻地网采用IP技术，可以把用户驻地网视为互联网的组成部分。一个国家与其他国家相连接的路由器构成互联网的国际平面。在一个国家内部，可能有一个或几个干线网络运营商运营一个或几个覆盖全国的干线网络，这些干线网络形成互联网的国家平面。干线网络的末端连接着许许多多用户驻地网。用户驻地网的典型代表是校园网络、企事业单位网络以及正在兴起的居民社区网络。2001年6月1日信息产业部第411号文件“关于开放用户驻地网运营市场试点工作的通知”和“关于开放宽带用户驻地网运营市场的框架意见”中将用户驻地网（宽带用户驻地网）定义为用户网络接口到用户终端之间的传输及线路等相关设施。用户驻地网的管理界定为从用户驻地业务集中点到用户终端之间的传输及线路等相关设施。用户驻地可以是一个居民小区，也可以是一栋或相邻的多栋写字楼。国家对电信业务实行许可证制度，宽带用户驻地网运营许可证的发放将比照增值业务许可证的发放方式来管理。用户驻地网运营许可证的发放由各省、直辖市电信主管部门审批。有运营许可证的运营商可以在许可证规定的地区从事宽带用户驻地网设施的建设，网络元素的出售、出租和提供许可证规定的其他业务。为保证用户的合法权益和公众电信业务的正常使用，保证电信企业之间的公平竞争，对宽带用户驻地网的管理遵循以下原则：（1）为保证全程全网端到端的电信级服务质量和互联互通，宽带用户驻地网必须符合信息产业部规定的技术标准和性能指标要求，包括设备接口、传输性能、网管和计费、信息与网络安全、业务可用性、同步性能要求等，经过测试后方可正式接入公众电信网。（2）用户有自由选择电信业务提供商的权利。宽带用户驻地网运营商必须为要求使用宽带用户驻地网的电信业务提供商提供平等接入条件。（3）为保证宽带用户驻地网覆盖范围内的电信用户的合法权益，宽带用户驻地网运营商与其他电信运营商之间应签订协议，明确双方责任、权利和义务。（4）取得宽带用户驻地网运营许可证的运营商在租用其他运营商传输通路的条件下，可以在城域内将其运营的宽带用户驻地网互联。
信息产业部已经下发通知，新建小区的电信设施由开发商建设，其成本摊入房价，开发商或物业应为各电信运营商提供平等的接入和使用条件，用户安装哪个运营商的电话或宽带由业主自己决定，开发商和物业无权包办。新建小区通信管道及楼内通信暗管、暗线，由开发商负责建设。房地产开发商不得与电信业务经营者签订垄断性或排他性协议，不得以任何方式和理由限制其他电信运营企业依法进入，不得限制或变相限制消费者依法选择电信业务经营者和电信业务的权利。信息产业部的通知要求，电信业务经营者投资改造已建的电信设施时，应当按照多家电信业务经营者共同进入的标准进行电信设施建设。小区住宅售出后，公用管线部分应该归业主所有。一旦确定“业主是小区内驻地网的拥有者”，开发商和物业只能是业主委托代理人，而不能对“最后一公里”形成垄断，中国电信、网通、铁通等电信运营商将同时在住宅小区和商住楼的公用间设置交换机，用户可以自由选择提供服务的运营商。
用户驻地网的出现标志着网络发展进入新的历史阶段，它将导致网络体系结构的大变革。在驻地范围内，以一个公用物理网络替代多个专业物理网络，大幅度降低网络的建设成本和运营维护成本。骨干网运营商把驻地网看成用户，为驻地网提供保证质量的带宽资源，并规范接口标准，大幅度简化骨干网络的管理。在传统的网络体系中，电信网、有线电视网、计算机网、安全监控网络分别建网，每一种业务的提供商就是相应网络的提供商。在有用户驻地网的体系中，业务提供商与网络提供商是分离的，许许多多的新业务将会如雨后春笋一样涌现出来。在工业社会中发展起来的信息服务的垄断现象将退出历史舞台。
1.4 用户驻地网的结构
用户驻地网是互联网的组成部分，位于互联网拓扑层次结构的底层，如图 1-1所示。用户驻地网属于某个城域网或专业网，它与城域网或专业网之间的接口是UNI。城域网和专业网都是互联网的一部分，它们与互联网骨干网之间的接口是 NNI（Network to Network Interface）。图1-1 用户驻地网在互联网中的位置
用户驻地网是解决用户宽带综合接入的主要方式之一，在居住密集的楼宇社区，采用光纤到大楼，5 类线到家庭的连线方式；在居住分散的别墅社区，采用光纤或各种数字用户线路xDSL（all kinds of Digital Subscriber Line）到家庭的连接方式；以无线局域网的方式使驻地范围内的无线设备与固定网中设备的互联互通。用户驻地网在TCP/IP的基础上，实现组播协议和质量保证体系，在一个物理网络上，实现传统电话网、有线电视网、计算机网的基本业务，把传统的IP电话、有线电视和Internet等业务融为一体，为家庭用户同时提供IP电话、有线电视、视频点播、计算机上网等各种服务，其服务质量与常规专业网络服务质量在同一水平。驻地网络具有面向服务的体系结构，依据驻地居民的实际需求增加新的业务。该系统改变了各种应用采用各自独立物理网络的传统运行模式，网络构架简单，维护管理高度智能化，操作简便，运行成本低廉。
图1-2给出了一个典型的用户驻地网系统，这个典型的系统包括卫星数字电视接收服务器、视频组播服务器、视频点播服务器、现场直播服务器、视频会议服务器、计费服务器、网络管理服务器、宽带接入交换设备、家庭网关设备、无线网关、电话网关、移动电话、移动终端、计算机、模拟电视机、数字电视机以及IP电话机等，每一个用户驻地网都可以依据驻地实际需要增加或减少相应的设备，或者改变某些设备的性能指标。图1-2 用户驻地网系统
卫星数字电视接收服务器的主要功能是实时接收来自卫星的数字电视广播DVB（Digital Video Broadcast）信号，将电视频道信号解调、解复用，将实时传输的复用后的传送码流TS （Transport Stream）按照特定的格式打包后，采用组播方式发往交换机。多台卫星数字电视接收服务器组合起来可以构成多频道实时播放服务器群。
视频组播服务器的主要功能是组播视频节目和储存视频节目。目前一台视频服务器可以提供多达100个频道以上的电视节目，并可以做到每一个频道的用户数原则上不受限制。可以很方便地添加或删除一个频道节目的播放，实现节目的启动和停止以及更换某个频道的节目内容；视频服务器中的硬盘组中存放大量的视频节目，具有大容量、高速、安全和稳定的特点。节目源可以来自有线电视台、卫星电视接收服务器以及其他存储设备中的影视节目。
视频点播服务器存放MPEG-4格式的视频节目，系统中的用户可以通过计算机或家庭网关进行点播，MPEG-4 格式视频节目的解码由用户端计算机或家庭网关中的软件实现。一个视频点播服务器可以支持500个同时在线的用户。
视频会议服务器收集分会场的现场信息，按照会议主持者的意愿将发言者的信息发送给各个分会场和其他听众。并提供交互讨论的功能。
现场直播服务器与摄像头、话筒等设备配套，它能实时快速采集和压缩来自现场的信息并实时发送出去，如同一路电视节目一样实时播放，可以用于体育和娱乐现场转播，也可用于会议和远程教育。
计费服务器为整个系统的运行提供收费依据，配有一套完善的计费管理软件，包括用户管理、缴费管理、信息查询、参数配置和控制管理等功能。系统管理员可以修改界面，设置计费参数。
网络管理服务器是网络管理系统的主要组成部分，网络管理系统的软件包括管理服务器的管理软件和被管网元中的代理程序，网络管理的基本软件和数据存放在网络管理服务器中，代理软件分布在所有视频业务服务器、路由器、交换机、家庭网关等网络设备之中。网管系统基于简单网络管理协议SNMP（Simple Network Management Protocol），动态检测和分析网络设备运行状态及故障情况，为网络运行的维护管理提供必要的信息和技术支持。
监控系统包括监控前端和监控中心，监控前端负责采集视频信号，压缩后打包送往监控中心。监控中心负责审核用户权限，存储、转发视频信息。用户可以在能上网的任何地方访问他有权限访问的视频前端。
交换机是用户驻地网组网核心设备。交换机 SW1200 可提供 12 个吉比特接口。交换机SW200可提供2个吉比特接口和32个百兆接口，交换机SW100可提供1个吉比特接口和24个百兆接口。交换机SW1200、SW200和SW100都提供线速无阻塞交换，支持组播、虚拟局域网VLAN（Virtual Local Area Network）、质量保证QoS（Quality of Service）、Internet组管理协议IGMP（Internet Group Management Protocol）和简单网络管理协议SNMP，具有家庭间信息隔离能力，在一些设置条件下可以具有边缘路由器的能力。
家庭网关是用户驻地网的末端接入设备，该设备能解码数字电视广播 DVB 码流，提供RGB、S-Video和复合视频等多种接口方式连接电视机，支持 PAL/NTSC制式的视频输出，音频解码可支持DVB-S中音频标准。家庭网关设备有4个10Base-T以太网接口、1个RS232串口，用于连接计算机、IP电话机以及其他家庭网络设备，家庭网关具有路由器功能。
无线网关是用户驻地网的末端无线接入设备，是有线网络的延伸，提供数据业务、基于IP协议的语音VoIP（Voice over IP）、网络电视IPTV（Internet Protocol Television）等业务的无线接入，对语音、视频等实时业务提供服务质量保证机制，支持多队列转发机制和用户流量控制，实现同一子网内的无缝切换。
IP 电话网关用于用户驻地网中的 IP 电话与公共电话网上电话的转接，主要有执行会话启动协议SIP（Session Initiation Protocol）协议和执行H.323协议两种类型的网关。
IP电话机、电视机TV、计算机PC/NC等终端设备都是末端用户设备，它们与家庭网关或无线网关相连，通过交换机连到用户驻地网中的各种服务系统，供用户收看电视节目、打电话和上网，多种业务可以同时进行。
1.5 用户驻地网的特征
用户驻地网的物理形态很像传统的局域网，但在网络实际内容方面，用户驻地网与传统局域网有本质差别，可以认为用户驻地网是在传统局域网基础上发展起来的新一代网络。（1）流量规划和准入控制
流量规划和准入控制是用户驻地网系统不同于通常互联网的主要特性之一。通常的互联网由于发展迅速和太多的不确定性，很难做流量规划，通常不做准入控制，当接入用户增多时，减缓相应速度，公平对待每一个用户。这种机制不适合流媒体业务要求。用户驻地网辖域内的用户业务和业务量都是可以预知的，可以依据流量分布来规划网络结构和线路带宽。
用户驻地网系统是一个异步网络系统，各个节点的缓存机制可以吸收瞬间的拥挤和微小的抖动，但是这种机制不能解决媒体流长时间的拥塞问题。为保证网络中不会出现长时段的过载现象，在网络的用户接口处做准入控制，以保证已承诺用户的带宽需求，不容许超越限制的用户信息进入网络。在无线接入的情况下，信道饱和时若继续增加流量，将引起碰撞急剧增加，传输性能迅速下降，采用流量控制技术，可以避免信道过载，改善服务质量。（2）流分类和流整形
用户驻地网系统中同时存在多种媒体流，这些媒体流的实时性要求不一样，可以采用流分类机制，让语音流优先，视频流次之，计算机网络的常规数据流排在最后。作为用户驻地网系统的扩展，当无线接入时，亦采用了基于流分类的多队列转发机制，提供网络层语音等实时业务的优先级功能，保证其服务质量。
用户驻地网系统中可以有100个以上的视频流处在同一个优先等级中，媒体流在传输过程中发生抖动不可避免，为此采用流整形技术消除抖动。在媒体流的入口处，媒体流的每一个片段都打上时间标识，在媒体流的出口处，采用缓存机制来消除媒体流的抖动，依据媒体流片段的时间标识进行整形，使媒体流恢复成进入网络时的形态。媒体流整形的质量取决于准确的时钟，有了足够精度的时钟，就可以把媒体流整形成与专业网络中流媒体同样的形态，使用户驻地网系统中流媒体的业务质量达到和专业网络中流媒体同样的品质。（3）系统时钟和网同步
用户驻地网系统中每一个设备都有自己的时钟，并依据自己的时钟给感知的事件顺序，称之为偏序。分布式系统中所有事件的全序是无法得到的。各个设备的时钟计时频率存在差异，它们造成的误差积累是一些实时业务所不能忍受的。用户驻地网对系统中设备时钟进行实时校准，使得各个设备时钟与世界协调时UTC（Universal Time Coordinated）之间的误差足够小，为流媒体整形和网络同步提供必要的时间基准。（4）单向虚拟通道和用户信息隔离
用户驻地网系统采用交换方式的系统结构，终端用户到交换机的线路是彼此独立的，为每一个终端用户分配一个单向的虚通道，通过VLAN将用户隔离。为公共的服务器到所有的用户分配一个单向的虚通道，实现资源共享。这样不仅可以避免信息广播造成的带宽浪费现象，而且能有效地实现用户信息的隔离。用户驻地网系统用户信息安全的程度与常规电话网相同。（5）高速无阻塞交换
用户驻地网系统利用操作系统内核路由协议软件，将路由决策结果实时映射到硬件表，通过三层交换机“一次软件路由，多次硬件交换”的方法，实现了吉比特无阻塞的交换。根据用户的分布适当配置交换机，使100个频道的视频节目同时播放，语音业务和计算机上网业务同时进行。（6）精细的网络管理
用户驻地网系统中包含网络设备自动发现和网络拓扑自动生成软件，用自动化的技术来确定网络管理的对象。网络管理系统实时监视辖域内的每一个设备和每一条线路的工作状态，包括服务类别、信息流量、误码率等参数，为网络计费提供依据，并将相应数据形成历史文件，以便对网络运行状态进行分析。管理员可以实时看到网络中每一个设备、每一条线路的工作状态，当系统中出现异常情况时，网管系统会给出告警和定位信息，提醒网络管理员采取相应措施。它不仅提供辖域中网元状态的管理，还注重业务类别和业务质量的管理。（7）细粒度的网络计费
用户驻地网系统提供多种网络计费策略，有以下几种方式可供选用：①包月制计费系统，每个月固定收费，收费数额与服务类别、服务量无关。其优点是计费系统简单，缺点是不够公平，并且诱导无谓浪费网络带宽。②按流量统计事后计费系统，在交换机上统计每一个用户使用网络的信息量，每个月进行结算，多用多付费。这种计费方法比较简单，比包月制计费多一些合理的因素。③基于策略和内容的计费系统，计费策略考虑到服务的类别、服务的信息量、服务所在的时间段以及节假日、大用户优惠等因素。这种计费系统相对比较复杂，但它更合理、更完善、更实用。用户驻地网中计费策略可以由运营者设置。用户驻地网提供细粒度网络计费策略，不同的业务类别采用不同的费率，同一种业务要考虑服务的时间段、是否是节假日、服务的地区、服务的信息量等。计费系统对欠费用户给出提醒信息，并依据欠费程度冻结某些服务。（8）无线接入形成驻地空间全覆盖
无线接入是用户驻地网的一种通信方式，是驻地有线网络的补充，它与有线网络共同构成驻地空间的全覆盖。用户驻地网以有线网络为基础，由于无线信道的误码率比有线信道的误码率高很多，无线设备应当尽快接入有线网络，尽可能利用驻地有线宽带网络。（9）软交换实现视频会议中多点控制器
视频会议系统是按照生活中会议的流程开发的，该系统由视频会议控制服务器、会议管理Web服务器和各种会议终端组成。视频会议控制服务器的功能类似于通常视频会议系统中的多点控制器MCU（Multipoint Control Unit），负责把会议发言者的音视频转发给会议参加者。会议管理Web服务器负责会议的创建、管理等；会议终端用于终端用户参与会议。会议主持人通过会议管理Web服务器管理会议过程和发言权转移。（10）社区宽带综合业务
用户驻地网系统采用面向服务的体系结构，实现了传统电视网、电话网和互联网的业务，并可以依据居民的需求增加本社区特有的业务，例如在校园社区可以增加教师讲课的现场直播、网上教育服务，一般居民社区可以增加安全监控、楼宇门禁、幼儿英语服务，老年社区可以增加保健、医疗的服务。随着信息化和社区自治水平的提高，社区的特色服务会越来越多，传统的电话、电视和上网服务不能满足未来信息社会中人们的需求，在未来的社会中，普通民众不仅是信息的消费者，同时也是信息的生产者，各种专业人员和社团可以在网络上提供信息服务。用户驻地网将带着驻地特征发展起来，形成形形色色的自治网络系统。
1.6 用户驻地网的现状
2001年6月1日信息产业部下发“关于开放用户驻地网运营市场试点工作的通知”，在北京、上海、广州、深圳、济南、青岛、武汉、南京、杭州、宁波、厦门、重庆、成都等13个城市，组织进行宽带用户驻地网运营市场开放、管理试点工作。其中影响比较大的是四川泰龙通信和长城宽带。“泰龙模式”的早期版本始于2003年4月，泰龙通信通过与房产商合作，建设和管理包括固话、宽带在内的用户驻地网，然后向电信运营商出租获利，但成都电信对该模式大为质疑并试图扼杀。双方争论不休，最终在成都市政府的斡旋下暂告平息。泰龙通信放弃了对成都电信收取网络租赁费用，而成都电信也允许泰龙通信接入网中的用户自行选择电信运营商。此后，全国各地非主导固网运营商则照章学样，扶持大批变通“小泰龙”在全国市场上攻城掠地，形成星火燎原之势，与主导运营商争夺市场。目前，泰龙通信把三网合一纳入试验内容，这种新“泰龙模式”的特点在于，泰龙通信只负责网络接入，不提供业务内容，网络则对运营商开放共用，由运营商平等接入，用户自由选择业务。在这样的模式下，业务的选择权不再是由网络的投资者掌控，而是直接交给用户，不论是广电的数字电视、视频点播，还是运营商的语音业务、数据业务乃至IPTV都同时出现在用户菜单上。
长城宽带以其快速部署用户接入线路而闻达于业界，对基础电信运营商采取的是高姿态合作态度，采用优先发展互联网接入，再开拓应用服务的战略，赢得了规模效应。
经过几年的试验，走过坎坷的历程，取得了很多的进步。政策制定者和运营商对一些基本的原则获得了一致的认识，例如用户驻地网开放运营，运营商公平接入，用户可以自由选择服务等。对一些实际问题有了较深入的理解，例如用户驻地网路管线等基础设施由开发商负责建设，产权归驻地居民所有，比较容易实现驻地网与其他网络运营商公平接入。在宽带用户驻地网与接入网的互联互通，资费及网间结算方面也积累了经验。“十一五”规划中提出加强宽带通信网、数字电视网和下一代互联网等信息基础设施建设，推进三网融合。国家明确了网络发展方向，将会消除管理体制中的壁垒。
到目前为止，用户驻地网的发展中还存在一些问题有待解决。国家对用户驻地网运营实行许可证制度，许可证的发放由各省、直辖市电信主管部门审批，实际上是一种半开放的体制，普通民营企业很难跃过门坎，通常与非主流电信运营商合作形成形形色色的“小泰龙”，普通民营企业并没有获得平等的机会进入用户驻地网的服务，普通民众得到的实惠较少，创新成果进入服务领域依然比较困难。在用户驻地网业务方面，过去的试验主要针对多个电信运营商的服务问题，涉及广电的视频业务融合才刚刚开始，也许还要走一段曲折的路。
1.7 用户驻地网的发展趋势
在信息技术领域中，当一种技术的功能被另一种技术的功能完全覆盖，而它的成本又失去竞争能力，在正常情况下它将退出历史舞台，电报网被传真网取代就是一个例子。
当技术发展触动某些利益集团时，制约发展的主要因素可能来源于经济、政治和法律。例如把IP电话看成是垄断经营的电话业务还是看成是开放经营的计算机增值业务，在美国是经过争论的，最后把IP电话看成开放业务，其结果是原来的占垄断地位的电话公司破产，上千家的IP电话公司开始新的竞争，使得国际长途电话每分钟的费用从1美元降至2美分。对于这样的事实，站在不同的立场会有完全不同的评价。我们国家的IP电话业务经过几年的争论，现在是一种半开放的业务，或者说是几家特许经营的业务，国际长途电话每分钟的费用从十几元人民币降至几元。随着互联网的普及，不经过公共电话网的纯IP电话正在逐步扩展，IP电话的开放性争论还会继续下去。IP电视是垄断经营的特许业务还是开放业务的争论刚刚开始，尽管这场争论会走过怎样的历程现在还难以预料，但是网络业务走向融合，运营方式走向开放的大趋势是不会改变的。在农业社会里，农业的生产和消费是开放的，盐和铁的生产是专营的。在工业化社会里，工业产品的生产和消费是开放的，电话和电视业务是专营的。在信息化社会里，信息的生产、传输、管理和消费是人类的主要活动，有关信息的业务是充分开放的。
21世纪是人类有史以来信息领域发展最快的阶段，光纤和光波分复用技术、大规模集成芯片和高速交换机使得通信基础设施的能力大幅度提高，嵌入式操作系统、高性能的通信协议和信号处理技术使得通信设备的价格大幅度跌落，为人类进入信息化社会创造了条件。
用户驻地网是在传统局域网的基础上发展起来的综合业务网络，它保留了局域网的基本协议，在分组交换的基础上，实现了电信网和电视网的服务质量和安全保障；以一个计算机网的建设成本，支撑计算机网、电话网、电视网三种网络业务；在体系结构上采用面向服务方式，支持多种服务的组合；在运营维护方面实现了高度智能化，大幅度降低了运营和维护成本。这些优点使得用户驻地网有良好的发展前景。
用户驻地网将为社区居民提供数字电视、可视电话、视频点播、网上游戏、网上购物、网上学习、网上求职、医疗救助、安全监控等多种服务。家用电器自动控制系统、自动抄表系统、门禁控制系统、电梯监控系统、消防报警系统、保安监控系统、可视对讲系统、紧急广播系统、保安巡更系统、电视监控系统、停车场管理系统、背景音乐系统将进一步规范和整合，纳入用户驻地网的服务范围。可以预见，相关的专业服务公司将应运而生，为社区提供设备维护和商品的物流配送。各种教育信息、文艺信息、娱乐信息以及网上游戏的专业开发公司也将大量产生，信息资源的生产和管理将是一类新型的就业机会。
我国是一个人口居住密集的国家，我们的社区居民多数住在楼宇中，而西方发达国家的中产阶级居民多数分散居住在单独住宅。在居民楼环境下实现宽带到户比分散居住环境下实现宽带到户要容易得多。在楼宇环境中建设一个局域网的代价由十几个家庭到几十个家庭来分担，在分散居住环境下建设一个局域网的代价则由一个家庭来承担。这种客观环境，为我国实现社区信息化营造了巨大的优势。我国是一个迅速崛起的发展中国家，创新和超越是实现华夏民族伟大复兴的必由之路。全球性的信息领域大变革是一个千载难逢的机遇，我们有可能在社区信息化应用方面走到世界的前列。
参考文献
［1］李明琪.宽带接入网络.北京：科学出版社，2002
［2］Ray Horak.通信系统与网络.原书第三版.杜大鹏等译.北京：中国水利水电出版社，2003
［3］吴志美，张焕强，王军.社区网络与宽带接入.软件学报，2003（14）：23～28
［4］石志强，吴志美.互联网中的服务质量保证.通信学报，2004（4A）：54～59第2章用户驻地网交换设备
用户驻地网中使用交换式以太网交换机作为组网的核心设备，与互联网形成无缝连接，可以实现电视、电话、计算机上网等多种业务，在性能、价格、可管理、可控制和可扩展性等方面都有明显优势，有着良好的应用前景。
2.1 以太网交换机的基本技术
2.1.1 交换机硬件结构
智能型二层以太网交换机是二层交换部分与控制部分的结合体；智能型三层以太网交换机是二层/三层交换部分与控制部分的结合体。包交换部分与控制部分（嵌入式CPU）之间的结构关系如图 2-1所示。二层交换机和三层交换机在硬件结构上没有本质区别，只是多了一个三层交换表，使用中需要更为复杂的配置，实现网络地址转换 NAT（Network Address Translation）功能、三层协议以及三层路由表管理等功能。为此，通常由较强大的嵌入式CPU系统（Embedded CPU System）完成这部分功能。从当前的技术和成本来看，三层交换机有可能取代智能型二层交换机。图2-1 二层和三层交换机的硬件结构
根据目前所使用的交换技术，交换机通常分为总线型交换结构和交叉矩阵结构两大类，总线型交换结构又分为并行总线型和共享存储器总线型两种。
并行总线型交换结构，如图 2-2所示。各模块间的所有信息都经过总线传输，各路输入数据经过输入处理模块进入总线，并经总线由相应输出处理模块取出输出数据。总线采用时分制为每个模块分配时隙。总线结构的交换背板容量越大，交换速度越快，但是受实现技术的限制，提高背板容量的幅度往往是有限的。
共享存储器总线型交换结构，如图2-3所示。交换机使用大量的高速随机存取存储器RAM（Random Access Memory）存储输入数据，各路输入数据经过相应模块的输入处理部件进入共享存储器，又经相应模块的输出处理部件从存储器中取出数据，以小体积的存储器部件替代高复杂度的背板总线，简化了交换结构。其缺点是当容量扩展到一定程度时内存操作会产生较明显的延迟，这种设计还需要多个交换引擎，使得系统结构复杂、成本增高。图2-2 并行总线型交换结构图2-3 共享内存型总线交换结构图2-4 交叉矩阵（点对点）结构
交叉矩阵结构又称点对点结构，如图2-4 所示。点对点交换使用一种全矩阵互连方案，每个模块都通过连线直接连接其他模块，形成全连通网状背板。由于每对模块都有一组专用的连接线，而不必设置中央交换阵列，对于N个模块的系统，背板总容量等于N×(N−1)倍点对点链路的传输速度。但是由于网状连接的几何性质，交叉矩阵在扩大端口数时实现成本和复杂度迅速增加，限制了交换机容量的提高。某些使用交叉矩阵技术的交换机，通过减少每个端口的缓冲容量来降低成本，但这又将引发阻塞现象。
现实中的交换机多采用混合型交换技术，例如交换机内部的子交换模块形成星形结构，子交换模块之间的互连采用交叉矩阵，子交换模块采用共享存储器技术。星形结构中连接子交换模块的中央交换矩阵往往需要考虑冗余备份。混合星形结构方案可以获得较高的性能和较低的复杂度，是目前大容量交换机采用的较好方案。
2.1.2 交换机软件系统
大多数智能交换机的软件平台基于嵌入式操作系统。智能交换机的软件系统需要部署复杂的协议和实现一系列强大而灵活的控制功能，还需要综合考虑效率问题，采用嵌入式Linux系统来实现这类软件系统性价比较好。Linux 的系统架构分为内核态和用户态两部分，内核态属操作系统的核心部分，用户态是在内核态之上对系统功能进行扩展。
图2-5给出了一个三层交换机的典型软件系统框架，包括网络模型中数据链路层、网络层和传输层的软件模块，图中方框表示的模块位于内核态，圆角框表示的模块位于用户态，灰色背景方框表示Linux系统自带的TCP/IP协议栈模块。
三层交换机的软件系统包括设备驱动、网络协议实体和设备管理模块三个部分。设备驱动是指对硬件寄存器、控制表、DMA 等进行访问与交互的程序，在操作系统的核心态中实现。交换机中驱动程序包括网络接口设备驱动程序和字符设备驱动程序，通过网络接口驱动程序处理网络线路上数据接收和发送，通过字符设备驱动程序处理交换机的管理与配置。网络层之上的协议，一般部署在 Linux的用户态中。设备管理控制模块也部署在用户态中，主要为用户提供对硬件设备进行管理的配置界面，包括命令行方式和Web方式。图2-5 交换机的软件系统结构
2.1.3 地址管理
交换机地址表是交换机中最重要的数据，交换机的地址表有一定的容量限制，较低端的交换机地址表容量较小，较高端的交换机地址表容量较大。加电之前，交换机的地址表是空的，地址表的填写是通过地址学习完成的。地址表的数据结构由芯片厂商设计和定义。图2-6所表示的是一种二层地址表表项的数据结构，二层地址表用于存放单播/组播 MAC（Media Access Control）地址和一些特性参数。图2-6 二层地址表表项
在图2-6所示的地址表项中，V表示地址有效性设置；SK表示是否跳过此条地址设置；A表示老化地址设置；Addr表示源MAC地址；DEV#表示所属装置编号；PORT#表示所属端口编号；ST表示静态地址设置；R是保留项；M表示单播/组播转发类型设置；ID表示CPU干预“目标地址”设置，IS表示CPU干预“源地址”设置。
交换机的地址管理主要包含数据帧转发、地址学习和地址老化3种机制。（1）数据帧转发是交换机的基本功能，当交换机某端口收到一个数据帧时，计算数据帧校验码CRC（Cyclic Redundancy Check）。如果CRC出错，抛弃该帧。如果CRC正确，交换机以帧头中的目的 MAC 地址为关键字在地址表中查找匹配表项。如果找到，比较匹配表项的对应端口是否等同数据帧的输入端口，等同时抛弃数据帧，否则数据帧转发到匹配表项的对应端口；如果没有找到，交换机将此数据帧广播到除接收端口之外的所有端口。（2）地址学习是填写地址表项的过程，当交换机某端口收到一个数据帧，且无 CRC 错误时，以帧头中的源 MAC 地址为关键字在地址表中查找匹配表项，如果找到，查看表项的对应端口是否与数据帧源端口一致，不一致则更新表项的对应端口，一致则不需进行地址学习；如果没有找到匹配表项，则进行新地址学习，建立一条新的地址表项。（3）地址老化是淘汰旧地址表项的过程，交换机地址表受容量限制，不可能支持无限添加地址表项；网络结构也可能随时发生变化，已建立的地址表项可能失效，因此需要地址表老化机制。具体实现是在程序中为每条地址表项设定生存期，超过生存期的地址将被自动释放，再用时重新学习。
为了实现三层路由功能，同时能获得类似二层交换的转发速度，三层交换机通常按照“一次软件路由，多次硬件交换”的理念来实现三层交换功能。“一次软件路由”是指对于特定数据流的第一个数据分组，需要软件做出路由决策，并将路由决策信息填入三层地址表中，以便后续数据分组的“多次硬件交换”。达到了灵活的路由决策和快速的三层交换的双重效果。三层地址表中的信息包括目的IP地址、下一跳路由接口的MAC地址或目的主机的MAC地址、三层交换机输出路由接口的 MAC 地址和交换机输出端口等信息。不同的芯片厂商的三层地址表的数据结构可能有些差别。
当交换机收到一个需要三层路由的数据分组时，交换机硬件提取数据分组的目的IP地址并以其为关键字在三层地址表中查找匹配的三层地址表项。找到后，修改数据分组的目的MAC地址、源MAC地址，并将IP头的存活时间TTL（Time To Live）减1，重新计算IP头校验和。最后从交换机输出端口发送出去。这个过程就是三层硬件交换过程。
对于填入三层地址表中的三层地址表项，也需要进行老化处理，防止长时间不用的三层地址表项占用三层地址表空间。三层地址的老化和三层地址的学习一样，也是由软件来完成的。
2.1.4 队头阻塞预防
图2-7 队头阻塞示意图队头阻塞HOL（Head Of Line blocking）是交换机中一种常见的状况。当一个输出端口发生拥塞时，会影响其他没有发生阻塞的输出端口的流量。如图2-7所示，输入端口A的75%的流量发往输出端口B，25%的流量发往输出端口D；输入端口C的100%的流量发往输出端口D。假设输出端口D发生拥塞，端口A发往输出端口D的25%的流量不能被及时处理，堵塞在端口A缓冲队列的队头。虽然输出端口B没有发生拥塞，但是端口A发往端口B的75%的流量也无法得到处理。输出端口D的拥塞影响了A到B的流量转发，这就是典型的队头阻塞。
队头阻塞使得逻辑上看似无关的流量之间相互影响，使得拥塞影响扩大，这是应该避免的现象。解决队头阻塞的机制称为队头阻塞防止（HOL Prevention）。队头阻塞已有多种解决方案，其中常见的一种防止队头阻塞的机制是针对输出端口的输出缓冲队列的长度设置两个门限，一个称为HOL防止状态进入门限，另一个称为HOL防止状态退出门限。HOL防止状态进入门限值大于 HOL防止状态退出门限值。当输出端口的输出缓冲队列的长度大于HOL防止状态进入门限值时，输出端口进入 HOL 防止状态，发往该输出端口的数据分组将被丢弃，从而不会阻塞发往其他输出端口的流量。当输出端口的输出缓冲队列的长度小于 HOL防止状态进入门限值时输出端口并不马上退出 HOL 防止状态，而是等到输出缓冲队列的长度小于HOL防止状态退出门限值时才退出HOL防止状态。这在一定程度上可以防止输出端口在很短的时间内反复进出HOL防止状态。
随着网络流量类型的多样化，不同服务质量要求的流量在输出端口中需要处于不同的输出队列中。同一个端口的不同输出队列间也可能发生队头阻塞的情况。其发生的机理和解决机制与上述的不同输出端口间的队头阻塞情况相类似。
2.1.5 流控机制
基于背压的流量控制（feedback-based flow control）发生在数据链路层，当发送方数据流量超过接收方承载能力时，由接收方通知发送方暂停发送数据帧。背压控制与队头控制不同，它只是减少到达流量，不丢失本地分组；但是背压控制可能造成发送方设备队头阻塞，同样影响网络的服务质量。
当端口运行在全双工模式时，一旦遇到网络拥塞，将会发送符合802.3x标准的“流控帧”（pause frame），从而在一定时间范围内停止传输无控制（non-control）帧，减少在高阻塞的环境下的丢帧率。流控帧长度一般小于64字节，采用的组播地址为：01-80-c2-00-00-01，它们是MAC控制帧的子集。通常而言，根据（美国）电气电子工程师学会IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）标准，长度超过64字节的流控帧会被丢弃，除非有专门的解释器标识该帧有效。
2.1.6 缓冲队列
交换机中的缓存队列可以平滑突发流量，提高整体的吞吐量，降低分组丢失率。交换机上的缓冲队列溢出是造成网络分组丢失的主要原因。增大缓冲队列的长度，可以减少由此造成的分组丢失。但是缓冲队列过长，传输数据的平均排队时延增大，时延敏感的实时流难以承受，所以交换机的缓存容量应有一定限度。
交换机端口缓冲队列的管理包括缓冲资源分配与分组丢失策略。目前大多数交换机能提供一定意义上的区分服务（DiffServ），处于网络边界节点的交换机对数据流进行分类聚合，网络内部节点对聚集流分配缓冲区和带宽资源，提供特定质量的调度转发。交换机缓冲区大小是芯片厂商设计好的，通常按照各种业务流的特点进行队列和带宽划分，各种队列数据分组超过一定数量的时候，还要制订相应的丢弃策略，以下是三种较常用的分组丢弃选择策略。（1）丢弃未进入队列的分组，还是丢弃以前进入队列的分组；（2）分组丢弃阈值是静态设置还是动态调整；（3）随机丢弃还是确定性丢弃。
用户驻地网通常集成了视频、语音、数据等多种服务，在服务分类的基础之上，针对不同的服务为交换机设计不同的缓冲队列分配原则和分组丢弃策略，提高驻地网系统的综合服务能力。
2.2 非对称VLAN
虚拟局域网VLAN技术把传统的广播域，按需要分割成各个独立的子广播域，一个VLAN中的广播分组只能在本VLAN内传输，不能传输到其他VLAN中。一个VLAN中的用户不会受到其他 VLAN 中广播信息的干扰，依据应用环境决定 VLAN 成员的数目，一个用户可以属于不同的VLAN。在通常情况下，用户接收和发送数据时都使用相同的VLAN，在一些特定的情况下用户接收和发送数据使用两个不同 VLAN，后者称为“非对称”VLAN。用户驻地网的服务器为驻地用户服务，为了实现链路层快速转发媒体流，需要大范围的VLAN，用户又希望自己的 VLAN 尽量小，以免受到其他用户的干扰。非对称 VLAN 提供了两全其美的解决办法，非对称VLAN是驻地网的一项重要的技术特征。图2-8 非对称VLAN
非对称 VLAN 是普通 VLAN 的改进型，把交换机的端口分为服务端口和用户端口两种类型，每一个用户端口的地址转发表包含自身 MAC 地址表项和希望到达的服务器的 MAC地址表项，服务器端口的地址转发表包含自身 MAC 地址表项和希望到达的用户的 MAC 地址表项，用户的 VLAN 与服务器的VLAN 是不对称的，如图 2-8所示。在非对称的 VLAN系统中，用户的信息彼此隔离，所有的用户都可以访问共同的服务器。
非对称VLAN可以通过级联的方式来扩展系统中的用户数，如图
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]