IP接入网

《IP接入网》? 强调整体性，强调总体标准和系统架构。以总体标准为纲，提纲而挈领，使本书结构更为清晰，描述全面而简洁、知识组织的系统性更强。
? 全面强调技术标准的重要性。观察标准发展之路有助于认清技术的演变，选择跟进有价值的技术，在研究工作中自觉地深入参与标准制定。
? 分析认识技术细节背后的支撑理念。希望读者从枯燥的网络协议中，得到更为深刻的认识；在知识获取和能力提高过程中，受到更为深刻的启迪。
? 内容涵盖主流的有线/无线接入技术及应用系统。分析各种接入技术原理以及与运营网络一致的典型综合接入应用系统，具有很强的针对性和实用性。
? 提供课程配套的PPT课件，以及相关实验的素材，方便教学与自学。

 

IP接入网是全IP化通信网络的重要构成。IP接入网技术是当前全IP通信网络发展与建设的重点，在全球广受重视。
本书系统性地介绍IP接入网技术。全书内容由4篇（11章）组成，重点介绍IP接入网总体标准ITUT Y.1231和基于三平面架构的参考模型，接入控制系统与协议，各种有线接入技术和无线接入技术。
本书以系统架构和参考模型为纲，基于技术标准和标准系列的分析来讨论接入网技术，标准协议介绍和协议背景分析并重，致力于知识获取、技能提高和技术理念培养。
本书可作为通信工程、网络工程、物联网工程等相关专业的高年级学生或研究生的专业课教材，也可供网络通信领域的高校教师、科研人员和技术人员参考。

目录

篇背景与基础

第1章接入网的IP化演进

1.1接入网的诞生

1.2泛通信网络IP化

1.3IP化的接入网

1.4参考文献

第2章预备知识

2.1数字传输基础

2.1.1香农信道定理

2.1.2带宽还是速率

2.1.3奈奎斯特准则

2.1.4高阶调制技术

2.2系统架构与参考模型

2.2.1系统架构基本
概念

2.2.2OSI系统架构

2.2.3802网络系统
架构

2.2.4MAC技术概要

2.3小结

2.4参考文献

第二篇IP接入网架构

第3章接入网系统架构

3.1背景

3.2IP接入网的三平面系统
架构

3.2.1新一代网络的
三平面架构

3.2.2传送功能架构

3.2.3系统管理架构

3.2.4接入控制架构

3.3G.902建议

3.3.1概述

3.3.2接入网的定义

3.3.3接入网的界定与
接口

3.3.4接入网的功能
架构

3.3.5小结

3.4Y.1231建议

3.4.1概述

3.4.2IP接入网定义

3.4.3接入网在IP网络
中的地位

3.4.4接入网系统架构

3.4.5驻地网

3.4.6IP接入网的
协议栈

3.4.7IP接入网的三平面
架构

3.4.8小结

3.5小结

3.6参考文献

第4章接入控制系统架构

4.1概述

4.2接入控制系统功能

4.3接入控制系统发展

4.3.1部署模式的演变

4.3.2控制协议的发展

4.4接入控制系统模型

4.4.1信息通道

4.4.2NAS模型

4.5接入控制协议环境

4.6小结

4.7参考文献

第5章接入控制协议

5.1概述

5.2EAP协议

5.2.1协议概述

5.2.2协议标准

5.2.3协议分层模型

5.2.4分组格式

5.2.5协议运行

5.2.6EAP在接入控制
中的地位

5.3PPPoE协议

5.3.1协议概述

5.3.2PPP简介

5.3.3协议接入模型

5.3.4协议分层模型

5.3.5分组格式

5.3.6协议运行

5.4IEEE 802.1X协议

5.4.1协议概述

5.4.2协议模型

5.4.3EAPOL PDU
格式

5.4.4协议运行

5.5RADIUS协议

5.5.1协议标准

5.5.2协议模型

5.5.3报文格式

5.5.4报文类型

5.5.5协议运行

5.5.6协议协同

5.6Diameter协议

5.6.1协议概要

5.6.2协议模型

5.6.3基础协议

5.6.4应用协议

5.7小结

5.8参考文献

第三篇有线接入技术

第6章以太网接入技术

6.1引言

6.1.1以太网的诞生与
发展

6.1.2以太网与IP的
匹配

6.1.3802.3标准浴火
重生

6.1.4以太网发展的
启示

6.2IEEE 802.3标准

6.2.1基本标准

6.2.2物理层增补

6.2.3其他增补

6.3系统架构与参考模型

6.3.1系统架构

6.3.2参考模型

6.3.3IP承载

6.4MAC层

6.4.1共享信道的接入
控制

6.4.2MAC协议基础

6.4.3CSMA/CD协议
概要

6.4.4全双工以太网

6.4.5MAC帧

6.5物理层

6.5.1标准

6.5.2参考模型

6.5.3PHY规范汇总

6.5.4双绞线接口

6.5.5光纤接口

6.6网桥与交换机

6.6.1网桥的系统结构

6.6.2网桥的运行原理

6.6.3以太网交换机

6.6.4交换式以太网

6.7虚拟局域网技术

6.7.1VLAN基本
知识

6.7.2VLAN加标帧
格式

6.7.3VLAN网桥的系统
结构

6.7.4VLAN网桥的工作
原理

6.7.5VLAN配置与实现
案例

6.7.6VLAN之间的
通信

6.8几个附加议题

6.8.1PoE

6.8.2OAM

6.8.3功能平面属性

6.9典型的接入应用

6.9.1基于PPPoE接入控
制的以太网接入

6.9.2基于IEEE 802.1X
接入控制的以太网
接入

6.10小结

6.11参考文献

第7章光纤接入技术

7.1概述

7.2光接入网基本概念

7.2.1光纤的传输窗口

7.2.2光接入网系统
结构

7.2.3光接入网应用
类型

7.2.4光接入网的分类

7.3PON概要

7.3.1基本概念

7.3.2标准演进

7.3.3系统结构

7.3.4双向传输技术

7.3.5多路接入技术

7.3.6物理拓扑

7.4EPON

7.4.1EPON概述

7.4.2EPON系统
结构

7.4.3EPON传输
原理

7.4.4EPON帧结构

7.4.5EPON参考
模型

7.4.6EPON的点到点
仿真

7.4.7EPON多点控制
协议

7.4.8MPCP控制帧

7.4.9EPON运维
管理

7.510G EPON

7.5.110G EPON
背景

7.5.210G EPON
概述

7.5.310G EPON技术
特点

7.5.410G EPON MPCP
控制帧

7.5.510G EPON
参考模型

7.6EPON的应用

7.6.1EPON典型应用
模式

7.6.2EPON组网
技术

7.7小结

7.8参考文献

第8章电话铜线接入技术

8.1概述

8.2标准发展

8.2.1ADSL标准演进

8.2.2VDSL标准

8.3DSL接入网架构演进

8.3.1以ATM为中心的
早期架构

8.3.2以Ethernet为中心
的架构

8.4电话铜线接入技术基础

8.4.1电话铜线的传输
性能

8.4.2用户接入段上
技术的演进

8.5ADSL传输技术

8.5.1频谱划分

8.5.2调制编码技术

8.5.3ADSL中的STM
和ATM模式

8.5.4ADSL成帧技术

8.6ADSL2传输技术的改进

8.6.1第三种转移
模式： PTM

8.6.2传输性能提升

8.6.3功率控制技术

8.6.4抗干扰能力的
增强

8.6.5ADSL2

8.7ADSL体系结构

8.7.1ADSL系统参考
模型

8.7.2ADSL.Lite

8.8ADSL的应用

8.8.1ADSL设备

8.8.2ADSL接入的典型
应用

8.9小结

8.10参考文献

第9章HFC接入技术

9.1概述

9.2标准发展

9.2.1多媒体有线网络
系统(MCNS)

9.2.2DOCSIS标准

9.3CATV网络和HFC
网络

9.3.1CATV网络

9.3.2HFC网络

9.4Cable Modem系统原理

9.4.1Cable Modem系统
组成

9.4.2Cable Modem与
CMTS交互操作
要点

9.4.3Cable Modem协议
模型

9.5Cable Modem物理层技术
要点

9.5.1下行信道物理层
规范

9.5.2上行信道物理层
规范

9.6Cable Modem MAC层技术
要点

9.6.1上行信道的分配

9.6.2上行信道的冲突
解决

9.6.3MAC层的同步

9.6.4MAC层帧结构

9.7基于同轴线缆的以太接入
技术

9.7.1早期EoC技术
简介

9.7.2新一代EoC技术
概述

9.7.3ITUT G.hn
标准

9.7.4IEEE 1901

9.8小结

9.9参考文献

第四篇无线接入技术

第10章无线局域接入技术

10.1引言

10.2802.11标准

10.2.1标准发展
历程

10.2.2基本标准

10.2.3物理层增补

10.2.4其他增补

10.2.5关于WiFi

10.3网络架构与参考模型

10.3.1无线传输
环境

10.3.2网络基本
结构

10.3.3网络服务

10.3.4服务组与服务组
标识

10.3.5WLAN系统
构成

10.3.6分发系统

10.3.7参考模型

10.4MAC层

10.4.1MAC服务

10.4.2MAC结构

10.4.3MAC帧
结构

10.5CSMA/CA协议

10.5.1概述

10.5.2时隙与帧间
间隔

10.5.3载波侦听

10.5.4ACK与RTS/
CTS

10.5.5随机后退

10.5.6多片阵发
传输

10.5.7DCF访问
过程

10.5.8CSMA/CA
小结

10.6PHY层

10.6.1无线通信
基础

10.6.2系统架构
与模型

10.6.3PMD系统
概要

10.7网络安全性

10.7.1无线网络的
安全环境

10.7.2802.11的安全性
标准

10.7.3安全技术
概述

10.7.4安全应用

10.8小结

10.9参考文献

第11章无线广域接入技术

11.1引言

11.2无线广域接入体系

11.2.1无线广域接入的
概念

11.2.2无线广域接入的
类型

11.2.3无线广域数据
业务

11.3陆地广域无线数据通信
系统

11.3.1移动通信网的
发展概况

11.3.2陆地广域无线
数据通信系统
的组成

11.4GPRS接入技术

11.4.1GPRS的技术
特点

11.4.2GPRS的网络
结构

11.4.3GPRS的信道编码
与数据速率

11.4.4GPRS的资源分配
与数话共存

11.4.5GPRS的协议
模型

11.4.6GPRS的数据
传输

11.4.7GPRS的
局限性

11.5CDMA20001X接入
技术

11.5.1CDMA20001X
的网络结构

11.5.2CDMA20001X
的数据业务与
传输

11.6LTE/4G接入技术

11.6.1LTE/4G的
网络结构

11.6.2LTE/4G的
业务与信令
概述

11.6.3LTE/4G协议
模型

11.6.4LTE/4G中UE
的接入过程

11.75G接入技术概述

11.7.15G标准

11.7.25G应用新
特点

11.7.35G新技术

11.8小结

11.9参考文献

附录A缩略语

前言

多年以前阅读一本名著的前言，一直令人难以忘怀。前言中开门见山地写道： 一本书总是有一个前言，前言虽然总是置于全书的前面，通常却是完成于全书的后，它或是用来解释一本书的创作目的，或是用于……。在全书完成之际写前言，以说明本书编写的特点及目的开始，应当是有益的。
编写特点
个特点是强调整体性，强调总体标准和系统架构。本书以ITUT Y.1231——IP接入网的总体标准为纲，认识新兴的IP接入网与传统的电信接入网的本质区别，构造IP接入网的系统架构，提出基于传送、控制、管理等三大平面的IP接入网参考模型。这一切都是希望从一开始就使读者能够具有掌控全局的高度，并以全局性的观点贯穿始终掌握IP接入网的关键技术。以总体标准为纲，提纲挈领，可以使本书结构更为清晰，描述全面而简洁，知识组织的系统性更强。
第二个特点是全面强调技术标准的重要性。很多人都相信一流的企业做标准，在学习专业课程中尽早接触标准，是十分有益的。本书各章都介绍相应的技术标准，包括标准系列与标准发展。观察标准发展之路有助于认清技术的演变，有助于选择跟进有价值的技术，当然也有助于在今后的研究工作中自觉地、深入地参与标准制定活动。
第三个特点是分析认识技术细节背后的支撑理念。本书在相应的章节中适当地包括一些深入的议题，例如802.3标准中的载波一致性准则和802.11标准中的信道掌控理念。提供对这些议题的辨识，希望读者能在网络协议的枯燥文本中，得到更为深刻的认识； 在知识获取和能力提高的过程中，受到更为深刻的、能够伴随一生的启迪。
第四个特点是内容涵盖主流的有/无线接入技术及应用系统。不仅分析各种接入技术原理，而且分析与运营网络一致的典型的综合接入应用系统，具有很强的针对性和实用性。希望能够理论结合实际，培养技术和工程应用能力。
授业解惑固然必要，传道更是根本。录先贤之言，愿与诸君共勉。
内容安排
本书的内容组织为4篇，共11章。
篇包括第1、2章。第1章主要讨论接入网的演进，可以视为全书的绪论。第2章介绍一些重要的预备知识，包括数字传输、网络系统结构与参考模型以及MAC协议基础。
第二篇包括第3~5章。第3章讨论基于传送、控制、管理三平面的IP接入网架构。使用三平面概念描述IP接入网可以更简洁、更清晰，理解也更为准确、容易。在IP接入网中引入三平面系统架构，是本书一个重要的基本观点。第4章讨论IP接入网的接入控制架构。接入控制是IP接入网与电信接入网的重大差别，也是IP接入网的技术关键。第5章讨论一系列IP接入控制协议。多个控制协议相互协同实现完整的用户接入控制功能。
第三篇包括第6~9章，主要讨论基于有线介质传输的接入技术，包括以太网接入技术、光纤接入技术、电话铜线接入技术和HFC接入技术。
第四篇包括第10、11章，主要讨论各种无线接入技术，包括无线局域接入技术和无线广域接入技术。
本书内容较多，作为教材使用时，建议课程为48学时，也可简化部分内容适合32学时的教学。
编写与致谢
本书由雷维礼、马立香主编，设计全书内容架构，把控全书整体内容； 由雷维礼教授、马立香副教授、彭美娥副教授、杨宁副教授和吴凡副教授通力合作，共同编写完成。经彭美娥副教授核对，雷维礼教授和马立香副教授统一全书风格并终完成定稿。
本书曾以书名《接入网技术》于2006年出版。十多年来，接入网技术迅速演变，在长期教学研究中，我们提出并完善了IP接入网系统架构及其参考模型，更新、补充了近10年的技术发展资料，终于完成本书。
接入网涉及面广、技术发展快，IP接入网正在蓬勃兴起并对接入网带来全面而深刻的影响。本书疏漏和不当之处在所难免，诚恳希望各位读者不吝指正。
编者

2018年11月

第3章接入网系统架构
本章讨论IP接入网的系统架构，引入三平面架构的观点剖析接入网的总体标准，解析总体标准中体现的IP接入网基本功能及其系统结构。总体标准是一个标准系列的总纲领，接入网总体标准是统领接入网一系列标准的等级规范。本章内容主要包括：
 总体标准和系统结构的背景知识。
 以三平面架构分析IP接入网的系统功能及其基本模型。
 剖析电信接入网总体标准ITUT G.902。
 剖析IP接入网总体标准ITUT Y.1231。
3.1背景
本章主要讨论接入网的总体标准。通过对总体标准的分析讨论，初步认识IP接入网的基本功能与系统架构，为进一步学习IP接入网的全面知识提供系统性的坚实基础。
总体标准是一个纲领性的文件，位于一个标准系列中的等级，布局整个标准系列的全局。总体标准统领整个标准系列，从层次认识通信系统，概念表述全面而抽象。
理解总体标准，掌握接入网的基本功能与系统架构，既是学习的重点也是学习的难点。本节讨论以下几个问题，为认识总体标准提供必要的背景知识。
 什么是总体标准。
 总体标准的作用是什么。
 接入网的总体标准有哪些。
 制定接入网标准主要的标准化机构。
总体标准是规范系统级基本功能与架构的标准。系统架构定义系统功能性的逻辑划分及划分之间的协同。在一个系统中，各个功能性的逻辑实体相互配合、协调一致，共同完成系统功能。总体标准并不具体定义各个功能实体的技术细节，也不定义实体间的接口细节。实体和接口的具体规范由系列标准中较低层次的其他标准定义。
总体标准从层次整体规范了系统，是对一个通信系统标准的“顶层设计”。总体标准是一个总纲领，统领并制约系列中的其他标准。总体标准就像是一个大型工程的总体规划，虽然规划并不是工程的具体设计，但是工程设计必须在总体规划的指导和制约下进行。
深入学习接入网技术时应当牢记： 总体是一个纲，纲举目张。总体标准是顶层，在顶层指导下理解系统中的各个构件，有助于深刻理解构件的功能及其地位，准确认识构件间的接口及其协同。这样的学习，有助于系统的融会贯通，避免知识点的支离破碎。
接入网的总体标准主要有两个“建议”： ITU G.902—1995和ITU Y.1231—2000。G.902是1995年制定的代的接入网总体规范，总结接入网20余年的发展，从电信运营商的观点出发制定了该标准。因此，G.902—1995通常被称为电信接入网总体标准。Y.1231建议是2000年制定的接入网总体的第二代标准，定义了IP接入网的基本功能与系统架构，通常被称为IP接入网总体标准。随着各类通信网络都趋于IP化的演进，Y.1231标准对接入网的IP化越来越凸显重要意义。
IP接入网使用了广泛的技术，涉及多个标准和标准化机构。IP接入网涉及OSI模型中的网络层、MAC层和物理层，相应层次的技术标准分别由不同的标准化机构制定。
ITUT Rec.由ITUTSS(国际电信联盟、电信标准部)制定，ITUT是电信界的国际标准化机构。ITU制定的标准都称之为建议(Recommendation)，虽然名为“建议”然而都是全球电信界都遵循的别国际标准。接入网的总体标准G.902和Y.1231就是典型的ITUT“建议”。
IP接入网中运用了多种MAC技术，这些LAN/MAN(局域网与城域网)的MAC技术主要执行IEEE 802标准。IEEE 802标准由IEEE(美国电气电子工程师协会)802委员会制定，由IEEE核准颁发。
IP接入网当然涉及IP技术。有关TCP/IP的权威标准是众所周知的RFC文档，由互联网界著名的IETF制定颁发。
ITUT“建议”、IEEE 802标准和IETF的RFC文档是IP接入网技术的重要的标准技术文档。
3.2IP接入网的三平面系统架构
随着现代信息通信技术(Information & Communication Technology，ICT)的高速发展，信息通信网络越来越复杂，描述和理解网络技术机制越来越困难。为了梳理和分析复杂的技术机制，进入21世纪以来，ICT领域开始启用三平面系统架构来规范描述网络架构。
ITUT Y.1231建议定义了IP接入网的三大功能及其基本特征。Y.1231描述简约但前瞻性十分强，因此理解其深刻的内在意义十分不易。本书引入在新一代网络中已成主流的三平面网络架构，用以诠释总体标准Y.1231的核心内容，构建IP接入网的三平面架构，在相应平面重新描述接入网的三大功能并建立三大功能的基本模型。
IP接入网的三平面架构与Y.1231总体标准在本质上是一致的，但架构描述更为清晰，功能定位更为准确，参考模型更易于理解。
本书将IP接入网的三平面架构贯穿全书。提纲挈领，展开IP接入网的全部内容，使IP接入网涉及的繁杂内容更清晰、更易于理解。
3.2.1新一代网络的三平面架构
进入21世纪以来，新一代通信网络中开始引入三平面架构，使新一代网络的复杂架构可以表述得更加简洁、更加清晰。
20世纪末期，在多个网络标准中开始出现控制平面的概念，并称以前的功能基本上都是位于数据平面或用户平面。控制平面的引入，强化了管控能力的定义，提供了网络控制功能独立于网络基本业务功能的独立性。IETF在MPLS标准文档中开始使用控制平面的概念； 21世纪初期，ITUT的多个总体标准中开始全面引入三平面架构； IEEE 802标准也开始使用数据/管理/控制平面的概念。进入21世纪以来，网络总体标准向三平面系统架构演进的趋势日益明显。
新一代网络系统中，采用传送、管理、控制三平面系统架构渐成主流，三平面架构形成了层面清晰的网络系统级模型，可使复杂网络的参考模型简洁、清晰，易于理解、易于使用。
在新一代网络的总体标准中，ITUT Y.1304和Y.2011建议明确了三大平面的定义并全面用之于系统架构，具有很高的借鉴价值。
ITUT G.8080/Y.1304： 《ASON系统架构》(Architecture for ASON)颁布于2001年11月。ASON(Automatically Switched Optical Network，自动交换光网络)是21世纪的新一代光通信网络，是NGN体系中的一种重要物理网络。在ASON中使用传送、管理、控制三平面构建了ASON的系统架构，三平面的定义简化如下。
 传送平面(Transport plane)： 提供用户信息在不同位置间的转移。特定情况下也可转移某些控制信息或网管信息。
 管理平面(Management plane)： 执行系统管理功能并协调所有平面。系统管理实体对传送和控制平面在五大管理功能域执行系统管理。五大功能域是性能管理(Performance management)、故障管理(Fault management)、配置管理(Configuration management)、记账管理(Accounting management)和安全管理(Security management)。
 控制平面(Control plane)： 执行呼叫控制和连接控制功能。通过信令(控制协议)建立和释放连接，并可从故障中恢复连接。
ITUT Y.2011： 《NGN一般原理与参考模型》(General principles and general reference model for NGN)颁布于2004年10月，使用数据平面、管理平面、控制平面的概念，规范了NGN(Next Generation Network，下一代网络)一般性的原理与通用的参考模型。
 数据平面(Data plane)： 用于数据转移的一组功能。
 管理平面(Management plane)： 用于实体管理的一组功能。
 控制平面(Control plane)： 用于控制实体运行的一组功能。
分析Y.1304—2001和Y.2011—2004可以看出，虽然二者的功能架构均基于三大平面的概念，但细节有所差别。
Y. 1304是一种物理网络(ASON)的规范而Y.2011是一种逻辑网络(NGN)的规范，因此Y.1304的定义具体而利于实施，而Y.2011的定义更为抽象、概括力更强。
三大平面的名称中，“管理平面”和“控制平面”几乎用于所有标准，但是基本的平面，不同的标准使用了“数据平面”“传送平面”“用户平面”等不同的术语。
本书提出的IP接入网模型使用术语“传送平面”，可以更好地衔接IP接入网的传送功能。