第一节　有线网络技术

一、计算机通信网

（一）概念

计算机通信网简称“计算机网”，是由多台计算机经通信线路互联而形成的通信网路，是计算机技术与通信技术相结合的产物。

1.按逻辑功能分类

计算机通信网按逻辑功能可分为通信子网和资源子网两部分，前者实现数据交换和传输，后者主要指计算机、外部设备和数据库，用以实现联网数据处理。

2.按跨地域范围分类

计算机通信网按跨地域范围分为广域网、城域网和局域网。这三类网络在结构、性能、媒质访问控制等方面都存在很大的差别，目前均得到广泛应用。主要用于实现资源（如数据库、外部设备等）共享，也可用以实现分布式数据处理和开通可视图文、电子信箱、电子数据互换等信息通信业务。

计算机通信网中，将全部功能划分为若干功能层次，通信双方必须遵守的规则和约定称为“网络的协议”，整个协议也相应地被划分成若干层次。各功能层次和协议的集合称为网络的体系结构。计算机通信网的体系结构是按照国际标准化组织（ISO）制订的开放系统互联（OSI）参考模型来规范的。随着三网融合的推进，计算机通信网渐渐融入了电信网和广播电视网之中，在局域网、城域网、广域网、核心网中都可见到其身影。我国的教育网是以计算机通信网为主的网络。

（二）特点

计算机通信网主要提供数据传输服务，即资源共享，其主要的服务就是因特网。

计算机通信的基本原理是将电信号转换为逻辑信号，其转换方式是将高低电平表示为二进制数中的1和0，再通过不同的二进制序列来表示所有的信息，也就是将数据以二进制中0和1的比特流的电的电压作为表示，产生的脉冲通过媒介（通讯设备）传输数据，达到通信的功能，这就是OSI的物理层，也就是通信的工作原理（图2-1）。

将整个协议垂直地分为7个层次，如图2-1所示。

1.物理层

经物理媒体透明传送比特流。

2.数据链路层

在链路上无差错地传送帧。

3.网络层

分组传送，路由选择和流量控制。

4.传输层

端到端经网络透明地传送报文。

5.会话层

会话管理与数据传输的同步。

6.表示层

数据格式的转换。

7.应用层

与用户应用进程的接口。

（三）关键技术简介

1.局域网（local area network，LAN）

是在一个局部的地理范围内（如一所学校、工厂和机关内），一般是方圆几千米以内，将各种计算机、外部设备和数据库等互相连接起来组成的计算机通信网。它可以通过数据通信网或专用数据电路，与远方的局域网、数据库或处理中心连接，构成一个较大范围的信息处理系统。局域网可以实现文件管理、应用软件共享、打印机共享、扫描仪共享、工作组内的日程安排、电子邮件和传真通信服务等功能。局域网严格意义上是封闭型的，它可以由办公室内几台甚至上千上万台计算机组成。决定局域网的主要技术要素为网络拓扑、传输介质与介质访问控制方法。

2.城域网（metropolitan area network，MAN）

是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，属宽带局域网。由于采用具有有源交换元件的局域网技术，网中传输时延较小，它的传输媒介主要采用光缆，传输速率在100兆比特/秒以上。城域网的一个重要用途是作为骨干网，通过它将位于同一城市内不同地点的主机、数据库，以及局域网等互相联接起来，这与广域网的作用有相似之处，但两者在实现方法与性能上有很大差别。城域网已经有了一个标准——分布式队列双总线（distributed queue dual bus，DQDB），即IEEE802.6，是由双总线构成，所有的计算机都连接在上面。

3.广域网（wide area network，WAN）

也称远程网（long haul network），通常跨接很大的物理范围，能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用分组交换技术，可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连，达到资源共享的目的。因特网（internet）是世界范围内最大的广域网。

广域网是由许多交换机组成的，交换机之间采用点到点线路连接，几乎所有的点到点通信方式都可以用来建立广域网，包括租用线路、光纤、微波、卫星信道。广域网交换机实际上就是一台计算机，采用处理器和输入/输出设备进行数据包的收发处理（表2-1）。

4.路由器（router）

亦称选径器，是在网络层实现互连的设备，它是一种连接多个网络或网段的网络设备，能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。路由器有较强的异种网互连能力，连接对象包括局域网和广域网。过去路由器多用于广域网，近年来由于路由器性能有了很大提高，因此在局域网互连中也越来越多地使用。路由器有两大典型功能，即数据通道功能和控制功能。

（1）数据通道功能：

包括转发决定、背板转发以及输出链路调度等，一般由特定的硬件来完成。

（2）控制功能：

一般用软件实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统管理等。

5.交换机（switch）

是一种基于网卡的硬件地址（MAC）识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。交换机分为二层交换机、三层交换机或是更高层的交换机。三层交换机同样可以有路由器的功能，而且比低端路由器的转发速率更快。它的主要特点是：一次路由，多次转发。

路由器和交换机的主要区别体现在以下几个方面：

（1）工作层次不同：最初的交换机是工作在OSI/RM开放体系结构的第二层（数据链路层），而路由器一开始就设计工作在OSI模型的第三层（网络层）。由于交换机工作在OSI的第二层（数据链路层），所以它的工作原理比较简单，而路由器工作在OSI的第三层（网络层），可以得到更多的协议信息，作出更加智能的转发决策。

（2）数据转发所依据的对象不同：交换机是利用物理地址或者说MAC地址来确定转发数据的目的地址。路由器则是利用不同网络的ID号（即IP地址）来确定数据转发的地址。IP地址是在软件中实现的，描述的是设备所在的网络，有时这些第三层的地址也称为协议地址或者网络地址。MAC地址通常是硬件自带的，由网卡生产商划分并已经固化到了网卡中，一般来说是不可更改的。IP地址则常由网络管理员或系统自动分配。

（3）传统的交换机只能分割冲突域，不能分割广播域；路由器可以分割广播域。由交换机连接的网段仍属于同一个广播域，广播数据包会在交换机连接的所有网段上传播，在某些情况下会导致通信拥挤和安全漏洞。连接到路由器上的网段会被分配成不同的广播域，广播数据不会穿过路由器。虽然第三层以上交换机具有VLAN功能，也可以分割广播域，但是各子广播域之间是不能通信交流的，它们之间的交流仍然需要路由器。

（4）路由器提供了防火墙的服务，仅转发特定地址的数据包，不传送不支持路由协议的数据包和未知目标网络的数据包，从而可以防止广播风暴。

交换机一般用于LAN-LAN的连接，交换机归于网桥，是数据链路层的设备，有些交换机也可实现第三层的交换。路由器用于WAN-WAN之间的连接，可以解决异性网络之间的转发分组，作用于网络层。它们只是从一条线路上接收输入分组，然后向另一条线路转发。这两条线路可能分属于不同的网络，并采用不同协议。相比较而言，路由器的功能较交换机要强大，但速度相对较慢、价格昂贵。第三层交换机既有交换机线速转发报文的能力，又有路由器良好的控制功能，因此得到广泛应用。

可以这么认为，交换机在具体的城域网中往往扮演着VLAN透传的角色，就是桥。路由器默认不支持二层交换机，路由器的每一个端口都是一个独立的广播域和冲突域，而交换机只有一个广播域和端口数量的冲突域。在二层交换机上存在MAC表，三层交换机上存在路由表、MAC.ARP表；在路由器上存在路由表和ARP表。当一个路由器上的一个二层VLAN100和另外一个路由器上的三层VLAN100对接时，是不通的，这时需要借助L2VPN技术进行互通，比较流行的是VPLS技术。

（四）在医疗行业中的应用前景

计算机通信网相比电信网络、广播电视网络，在医疗行业中属于主流地位，医院在建设时都以计算机通信网为主。大型医院一般都建设两张物理隔离的计算机通信网，一张内网（内部局域网），一张外网（互联网）。

1.内网

主要应用在医院内部业务系统，如医院信息管理系统、医学决策支持系统、检验系统、电子病历系统、医学图像系统、体检系统、办公系统、物资管理系统等。

2.外网

主要应用在对外服务的系统，如远程医疗系统、“互联网＋医疗”相关应用（预约挂号、缴费、查询检验检查报告、网络问诊）、门户网站等。

计算机通信网服务于医疗、教学、科研及管理，可以说目前医院的运作离不开计算机通信网的支撑，一旦网络出现故障，医院甚至会陷入业务停顿的境地。由于系统越来越多、数据量越来越大，对网络的带宽和稳定性要求也就越来越高，特别是影像传输系统和视频监控系统在医院的普及，网络光纤化的趋势越来越明显，万兆主干带宽、千兆桌面带宽已经成为三甲医院的标配。

二、电信网络

（一）概念

电信网络是电信系统的公共设施，是指在两个和多个规定的点间提供连接，以便在这些点间建立电信业务和信息的节点与链路的集合。它从概念上可分为装备（物理）网和业务网。

1.装备网

是许多业务网的承载者，一般由终端设备、传输设备和交换设备等组成。

2.业务网

是承担各种业务（语音、数据、图像、广播电视等）中的一种或几种的电信网，一般由终端、传输、交换和网路等技术组成，网内各个同类终端之间可根据需要接通，有时也可固定连接。

简单的电信系统可以没有交换系统。复杂的电信网除了终端、传输和交换设备外，还有维护监控网、信令网、网路管理网以及特种服务中心等。

（二）特点

除了提供语音服务外，宽带业务也是电信网络的主要服务。ADSL技术提供上下行带宽不对称的宽带业务；光纤网可为用户提供上下行对称的100Mbps以上的接入速率；第四代移动通信网络（简称4G）能为用户提供高达100Mbps以上的下载速度。

（三）关键技术简介

电信网络由终端设备、传输设备和交换设备三要素构成，运行时还应辅以信令系统、通信协议以及相应的运行支撑系统。

1.终端设备

一般装在用户处，提供由用户实现接入协议所必需功能的设备（电信端点）。它的作用是将语音、文字、数据和图像（静止的或活动的）信息转变为电信号或电磁信号发出去，并将接收到的电信号或电磁信号复原为原来的语音、文字、数据和图像信息。典型的终端设备有电话机、电报机、移动电话机、无线寻呼机、数据终端机、微计算机、传真机、电视机等。有的终端设备本身也可以是一个局部或小型的电信系统，它们对公用电信网来说，作为终端设备接入，如用户交换机、ISDN终端、局域网、办公室自动化系统、计算机系统等。

2.传输设备

是将电信号或电磁信号从一个地点传送到另一个地点的设备。它构成电信网络中的传输链路，包括无线电传输设备和有线电传输设备。

（1）无线电传输设备：

有短波、超短波、微波收发信机和传输系统，以及卫星通信系统（包括卫星和地球站设备）等。

（2）有线电传输设备：

有架空明线、地下电缆、同轴电缆、海底电缆、光缆等传输系统。装在上述系统中的各种调制解调设备、脉码调制设备以及终端和中继附属设备、监控设备等，也属于传输设备。

3.交换设备

是实现一个呼叫终端（用户）和它所要求的另一个或多个终端（用户）之间的接续，或非连接传输选路的设备和系统，是构成电信网络中节（结）点的主要设备。交换设备包括各种电话交换机、电报交换机、数据交换机、移动电话交换机、分组交换机、宽带异步转移模式交换机等。

4.网络技术

是电信网络宏观上的软件部分，包括网的拓扑结构、网内信令、协议和接口，以及网的技术体制、标准等，是业务网实现电信服务和运行支撑的重要组成部分。

5.异步传输模式（asynchronous transfer mode，ATM）

是实现B-ISDN业务的核心技术之一，是一种为了多种业务设计的、通用的、面向连接的传输模式。ATM是一项信元（可将信元想象成一种运输设备，能够把数据块从一个设备经过ATM交换设备传送到另一个设备）中继技术，是以信元为基础的一种分组交换和复用技术，其数据分组大小固定。

ATM适用于局域网和广域网，具有高速数据传输率和支持多种类型（如声音、数据、传真、实时视频、CD质量音频和图像）通信的特点。采用面向连接的传输方式，将数据分割成固定长度的信元，通过虚连接进行交换。ATM集交换、复用、传输为一体，在复用上采用的是异步时分复用方式，通过信息的首部或标头来区分不同信道。ATM在LAN或WAN上传送声音、视频图像和数据。

6.综合业务数字网（integrated services digital network，ISDN）

是一个数字电话网络国际标准，是一种典型的电路交换网络系统。在ITU的建议中，ISDN是一种在数字电话网（IDN）的基础上发展起来的通信网络，能够支持多种业务，包括电话业务和非电话业务。

ISDN由IDN发展演变而成，提供端到端的数字连接，支持一系列业务（包括语音和非语音业务），为用户提供多用途的标准接口以接入网络。通信业务的综合化是利用一条用户线就可以提供电话、传真、可视图文及数据通信等多种业务。

ISDN除了可以用来打电话外，还可以提供如可视电话、数据通信、会议电视等多种业务，从而将电话、传真、数据、图像等综合在一个统一的数字网络中进行传输和处理，这就是“综合业务数字网”名字的来历。

7.非对称数字用户线路（asymmetric digital subscriber line，ADSL）

是一种异步传输模式，提供的上行和下行带宽不对称，因此亦称为非对称数字用户环路，属于DSL技术的一种。ADSL是一种新的数据传输方式，采用频分复用技术，把普通的电话线分成了电话、上行和下行三个相对独立的信道，从而避免了相互之间的干扰。用户可以边打电话边上网，不用担心上网速率和通话质量下降的情况。理论上，ADSL可在5千米的范围内，在一对铜缆双绞线上提供最高1Mbps的上行速率和最高8Mbps的下行速率（也就是通常说的带宽），并同时提供语音和数据业务。

一般来说，ADSL速率完全取决于线路的距离，线路越长，速率越低。ADSL技术能够充分利用现有公共交换电话网（public switched telephone network，PSTN），只须在线路两端加装ADSL设备，无须重新布线，即可为用户提供高宽带服务，极大地降低了服务成本。同时，ADSL用户独享带宽，线路专用，不受用户增加的影响。最新的ADSL2＋技术可以提供最高24Mbps的下行速率，和第一代ADSL技术相比，ADSL2＋打破了ADSL接入方式带宽限制的瓶颈，在速率、距离、稳定性、功率控制、维护管理等方面进行了改进，其应用范围更加广阔。

在电信服务提供商端，需要将每条开通ADSL业务的电话线路连接在数字用户线路访问多路复用器（DSLAM）上。在用户端，用户需要使用一个ADSL终端［因为和传统的调制解调器（modem）类似，所以也被称为“猫”］来连接电话线路。由于ADSL使用高频信号，所以在两端都要使用ADSL信号分离器将ADSL数据信号和普通音频电话信号分离出来，避免打电话的时候出现噪声干扰。

通常的ADSL终端有一个电话Line-In、一个以太网口，有些终端集成了ADSL信号分离器，还提供一个连接的Phone接口。

某些ADSL调制解调器使用USB接口与电脑相连，需要在电脑上安装指定的软件以添加虚拟网卡进行通信。

8.GPON（gigabit-capable passive optical network）

GPON技术是基于ITU-TG.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准，具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点，被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化、综合化改造的理想技术。GPON技术起源于1995年开始逐渐形成的ATMPON技术标准，PON是英文“无源光网络”的缩写。GPON最早由FSAN组织于2002年9月提出，ITU-T在此基础上于2003年3月完成了ITU-T G.984.1和G.984.2的制订，2004年2月和6月完成了G.984.3的标准化，从而最终形成了GPON的标准族。基于GPON技术的设备基本结构与已有的PON类似，也是由局端的光线路终端（OLT）、用户端的光网络终端或称光网络单元（ONT/ONU）、连接前两种设备由单模光纤（SM fiber）和无源分光器（splitter）组成的光分配网络（ODN）以及网管系统组成。

GPON的技术特点是在二层借鉴了ITU-T定义的通用成帧规程（generic framing procedure，GFP）技术，扩展支持GEM（general encapsulation methods）封装格式，将任何类型和任何速率的业务经过重组后由PON传输，而且GFM帧头包含帧长度指示字节，可用于可变长度数据包的传递，提高了传输效率，因此能更简单、通用、高效地支持全业务。

（四）在医疗行业中的应用前景

电信网络在医疗行业主要提供宽带接入和云存储服务两大业务。

1.宽带接入

是全网接入业务的单一汇聚点，又是用户业务流量的统一转发点。在这个特殊的网络点，如果它能与其他专用网络设备实现联合组网应用，就能够大大提高网络总体性能和用户的实际接入速度。应用场景包括：①专线跨院区直连；②互联网业务；③医保专线接入；④银联专线接入；⑤远程会诊。

2.云存储服务

以影像图像文件备份服务、远程医疗为主，其他服务为辅。应用场景包括：①影像图像文件存储；②远程影像诊断平台。

三、广播电视网络

（一）概念

广播电视网络是高效、廉价的综合网络，利用有线电视铺设的同轴电缆进行数据信号的传递，它具有频带宽、容量大、多功能、成本低、抗干扰能力强、支持多种业务、连接千家万户的优势，它的发展为信息高速公路的发展奠定了基础。同时，由于其免去了铺设线缆的麻烦，只需要在用户端增加设备即可访问网络，为网络的普及提供了极大便利。

（二）特点

广播电视网络是以运营电视视频节目为主的网络，随后开展宽带接入服务，使用频分复用技术，使普通宽带数据与交互视频在不同载波下传输，交互视频和宽带数据可互不干扰。在NGB广播电视网络下，其核心交换设备逐步升级为专用的视频交互设备，因此在传输视频上具有高带宽、低延时、上下行带宽对称等特性，且覆盖面积广阔，是传输视频信号的理想网络。

（三）广播电视网络关键技术

1.混合光纤同轴电缆网（hybrid fiber-coaxial，HFC）

是一种经济实用的综合数字服务宽带网接入技术。HFC通常由光纤干线、同轴电缆支线和用户配线网络三部分组成。有线电视台发送的电信号先变成光信号在光纤干线上传输；到用户区域后光信号转换成电信号，经分配器分配后通过同轴电缆支线送到用户区。它与早期CATV同轴电缆网络的不同之处主要在于，在干线上用光纤传输光信号，在前端需完成电-光转换，进入用户区后要完成光-电转换。

2.CMTS（cable modem terminal systems）

是管理控制Cable Modem的设备，其配置可通过Console接口或以太网接口完成。配置内容主要有下行频率、下行调制方式、下行电平等。下行频率在指定的频率范围内可以任意设定，但为了不干扰其他频道的信号，应参照有线电视的频道划分表在规定的频点上选定。

3.GPON＋CCMTS

超光网是以CCMTS为核心支撑技术实现的“光纤接入，同轴转换”的有线网络传输方式，可以实现每户100Mbps双向宽带接入，同时无线覆盖信号辐射仅为手机的千分之一。除了GPON＋CCMTS的有线网络改造方案之外，超光网还包括WiFi信号、3G信号的室内无线覆盖方案以及数字频点倍增解决方案。

超光网包含几个部分：GPON＋CCMTS，这是有线改造方案；WiFi信号、3G信号的室内无线覆盖方案；数字频点倍增解决方案，以及其他几个综合技术方案，这些方案综合在一起称为超光网。也就是说超光网是个大概念，它的组成部分很多，但是出发点都是解决实际的市场需求，着眼点都是未来的发展趋势。

就前三个解决方案而言，都是充分挖掘了同轴的资源，在楼道接入端会把CCMTS输出的信号、3G信号、WiFi信号、频点倍增的信号通过一个称为宽带接入器的设备汇聚在一起，以一根同轴的方式传到家庭里。在入户端，只需要把有线盒更换成一个无线盒进行简单的信号分离，就可以把3G信号、WiFi信号和有线电视信号同时接入室内，完成室内的高速宽带覆盖。超光网充分利用现有网络资源，为用户提供宽带、语音、CATV等多业务接入，具有高带宽、统一网管、网络改造成本低、保护原有投资、网络改造速度快等优点。

4.EOC（ethernet over cable）

是基于有线电视同轴电缆网，使用以太网协议的接入技术。基本原理是采用特定的介质转换技术（主要包括阻抗变换、平衡/不平衡变换等），将符合802.3系列标准的数据信号通过入户同轴电缆传输。该技术可以充分利用有线电视网络已有的入户同轴电缆资源，解决最后100米的接入问题。根据介质转换技术的不同，EOC技术又分为有源EOC技术和无源EOC技术。

（四）在医疗行业中的应用前景

广播电视网络在医疗行业的应用主要在远程视频会诊业务上，其中视联网是基于广播电视网络打造的针对视频会诊的网络。视联网属于广播电视网络升级改造后的一种网络，其最大特点是视频全交换，不仅提供100M以上的双向宽带接入服务，还可以提供视频全交互服务。视联网采用V2V的（video to video）实时高清视频交换技术，可以在一个网络平台上将任何所需的服务，如高清视频会议、视频问诊、视频监控、高清电视、视频教学、现场直播等视频、语音、图片、文字、通讯、数据等全部整合在一个系统平台，通过电视或电脑实现点对点或点对多点的高清品质视频播放（图2-2）。

四、三网数据传输对比

三网在传输视频上的对比如表2-2所示。