ISDN整体介绍

前言

　　ISDN（综合业务数字网）是传统电话服务的替换产品，提供从终端用户到终端用户的全数字服务，实现了语音、数据、图形、视频等综合业务的一个全数字化传递方式。ISDN 不同于传统的 PSTN 网络，传统PSTN网络中用户的信息通过模拟的用户环路送至交换机后经A/D转换成为数字信号，经过数字交换和传输网络后，到达目的用户又将还原成模拟信号。所以ISDN在速度和抗干扰等都要优于PSTN。

1、ISDN的用户-网络接口

　1.1 接口类型

　　ISDN用户-网络接口有两种接口结构，即BRI和PRI。
　　BRI (Basic Rate Interface)：基本速率接口，提供2个64kbit/s速率的信道和1个16kbit/s速率的信道，也即是2个B信道和1个D信道，总共144kbit/s的信息通路。B信道是用来传送语音和数据等用户信息的通路。D信道是用来传送信令信息和低速分组数据的信道。BRI是大部分用户所用的接口，用户可以在这种接口上接入最多达8个的各种类型终端，进行语音、数据和图像等多种业务的通信。
　　PRI也称为基群速率接口，是一种线路类型的通常叫法。PRI接口分E1 PRI和T1 PRI两种，B、D信道的带宽均为64kbit/s。E1 PRI为30B+D，分TS0~TS31共32个时隙，TS0用于帧同步，TS16为D信道，一般在中国、亚洲部分国家和地区、欧洲等地使用；T1 PRI为23B+D，分TS0~TS23共24个时隙，TS23为D信道，一般在北美（北美把T1 PRI接口定义为PRA）、加拿大、日本、香港等地使用。
　　思考：T1线路中没有用于实现帧同步的时序，那么T1线路是怎么实现帧同步的呢？（关于这个问题看我的另一篇文章《isdn帧格式介绍》）

　1.2 功能群和参考点

　　为定义ISDN的用户-网络接口的配置并建立相应的接口标准，ISDN采用功能群和参考点的概念。
　　功能群是用户接入ISDN所需的一组功能，参考点是用来分割功能群的点。功能群和参考点都是抽象概念，功能群可由一个或多个设备完成，参考点可以对应也可以不对应一个物理接口。具体的功能群和参考点示意如下图所示。

　　网络终端1（NT1）：提供U接口和S/T接口，用于连接ISDN终端和ISDN交换机的设备，主要功能是在U接口和S/T接口之间进行码型转换，如中国标准的2B1Q/AMI码型转换。
　　网络终端2（NT2）：又称为智能的网络终端，可以包含OSI1～3层的功能。
　　1类终端设备（TE1）：是ISDN标准终端，它具有标准S接口，可以通过S接口直接与NT1或NT2相连。
　　2类终端设备（TE2）：是指非ISDN标准终端，它不具备S接口，不能直接与NT1或NT2相连。必须通过TA（终端适配器）接入S接口。
　　终端适配器（TA）：完成适配器功能（包括速率适配及协议转换），使TE2能接入ISDN的标准接口。
　　R参考点：R参考点是非标准ISDN终端接口，又称R接口，如RS232接口、IEEE488接口、模拟电话接口等。
　　U参考点：U参考点是网络与用户之间的线路接口，又称“U接口”。
　　S参考点：S参考点是ISDN终端（TE1或TA）与网络终端NT之间的线路接口，又称为S接口。
　　T参考点：T参考点是1类网络终端（NT1）与2类网络终端（NT2）之间的线路接口，又称为T接口。
　　注：现在很多产品都把NT2和TE1结合在一起，通常统称为S/T接口，B2模块只支持S/T接口。

2、ISDN结构模型

　2.0 isdn分层介绍

　　ISDN兼备了计算机通信网的功能和特性，OSI技术成为ISDN的基础之一。OSI参考模型自底向上七层分别为：物理层(Physical Layer)，数据链路层(Data Link Layer)、网络层(Network Layer)、传输层( Transport Layer) 等。ISDN采用了其中底三层，只有这3层都正常工作了，ISDN连接才能工作。
　　第一层是物理层。物理层提供建立、维持和释放物理连接的手段，保证物理电路上的信息传输。物理层采用的协议是I.430(BRI)和I.431(PRI)。
　　第二层是数据链路层。在物理层的基础上提供数据链路的建立、维持和释放手段。ISDN用户-网络接口链路层协议称为LAPD(Link Access Procedure on the D channel: D通路链路接入协议)。LAPD的主要功能是在ISDN D通路上建立链路，以帧为单位传递第三层的信息或第二层的控制信息。
　　第三层是网络层。包括D信道上的Q.931信令和B信道上的网络层协议（IP、IPX、APPLETALK等），Q.931信令处理呼叫方和被叫方之间的呼叫建立连接问题。
　　协议及分层如下图所示：
　　

　2.1 物理层

　　2.1.1 电缆说明

　　在S/T接口中，NT与TE之间数据传输采用4线传输方式，也就是收发分离方式。通常使用的电缆是四芯双绞线，电缆的两端是RJ-11插头。该电缆上传输的是差分信号，四根线传送的电气信号分别是TX+、TX-、RX+、RX-。

　　2.1.2 工作方式

　　ISDN(BRI)S/T接口的工作方式有两类：一类是点到点操作，另一类是点到多点操作。
　　点对点结构：只有一个TE连接到NT。这种工作方式的配置较为简单，终端设备TE与NT之间的距离允许最长为1000m（如下图，TR代表终接电阻）。

　　点对多点结构：NT和TE采用总线型连接方式。总线结构有短无源总线和延长无源总线两种。
　　①短无源总线：根据I.430的建议，这种总线的长度可长达100~200m，具体长度与线路质量（传播时延与损耗）有关。总线可以复联的终端数量最多为8个,TE到总线连线的最大距离为10m。

　　②延长无源总线：延长无源总线适用于将NT和终端设备分开设置的情况。这种总线最远端离NT的距离可以长达500m。这种配置要求终端的位置相对集中，以保证各终端到NT之间的信号时延不至差别过大，TE之间集中于50m的范围内，总线可以复联的终端数量最多为4个。

　　2.1.3 xhfc芯片结构介绍

　　Xhfc-2us就是我们公司用的bri芯片。该芯片主要包括三个部分Microprocessor Bus interface、PCM interface、S/T or Up interface。
　　Microprocessor Bus interface用来对芯片的寄存器进行控制，支持串行接口和并行接口，我们的驱动使用的是串行的spi接口。
　　PCM interface用来传输语音数据。TDM总线配制成工作时钟2M，帧同步时钟8K，因此共有32个时序。一个B2模块需要占用六个时序（2B+D + 2B+D）。
　　S/T or Up interface就是我们bri线接的那个口，可以配置成S/T接口或者Up接口，我们只支持S/T接口，一个芯片有两个S/T接口。
　　限于篇幅，关于XHFC芯片的详细介绍，我另外整理了文档《XHFC工作原理介绍》。
　　

　　2.1.4 物理层的激活

　　在I.430协议中定义了5 种INFO消息（INFO0~INFO4），他们将用于链路的激活，物理层的激活流程如下图所示：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（图2.1.4-a）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　INFO0~INFO4信号的发送由状态机控制，图（２.1.４-b）和图（２.1.４-c）分别是NT模式和TE模式的状态机。这里以TE模式为例，描述INFO信号的发送流程：首先对芯片进行复位后状态机处于F0，接着使能状态机切到F2，F2收到INFO0切到F3，然后由软件控制芯片发出Activate request，接着收到INFO0后状态机从F3切到F4，F4发送INFO1信号给NT端，如果收到INFO2的回复就切到F6否则T3超时重新回到F3，F6发送INFO3信号给NT端，如果收到INFO4的回复，那么切到F7激活状态，如果收到INFO0那么重新回到F3状态。

　　　　　　　　　　（图2.1.4-b）State machine for NT mode
　　　　　　　　　　
　
　　　　　　　　　　（图2.1.4-b）State machine for TE mode　　　　　　　　　

　2.2 数据链路层

　　2.2.1 链路层协议介绍

　　ISDN 的D信道和 B信道在第二层使用不同的协议，B信道一般采用PPP或者 HDLC来组成帧数据，通常情况下采用PPP协议。在D信道中，一般使用由Q.920 和Q.921定义，使用LAPD协议组成帧数据。在ISDN中，所有的硬件寻址都发生在第二层，每个S/T总线可以支持8个ISDN终端，他们通过菊花链的方式串行连接，这样为了区分TE，每个TE必须有一个唯一的地址。
　　LAPD 帧格式有 2 种，LAPD-A 和 LAPD-B，格式 A 不含信息域，即格式 A 为格式 B 的子集，LAPD-B 帧格式如下：

　　F：标志段的作用是标志一帧的开头和结尾，它用一个特殊的8比特码组“01111110”表示。
　　A：地址段的主要用途是标志D信道上的多个数字链路，地址段的长度是16bit，包括TEI，SAPI，C/R，EA等4个组成部分，格式如下图所示：

　　TEI：TEI 为一个 7bit 数字，位于 D 信道的 LAPD 帧的地址字段中，一般由 ISDN 交换机自动分配给一个TE，通常在TE上电启动的时候产生一个地址分配请求。TEI地址范围如下：
　　0~63 : 用于非自动TEI 分配
　　64~126: 用于自动TEI分配
　　127 : 用于组分配或者广播
　　
　　SAPI：数据链路层业务接入点标识符。在一个用户终端设备中，可能存在不同的第三层实体，他们对应不同的SAPI。SAPI和TEI加在一起既标识了一个独立的用户第三层实体，又标识了D信道上一个惟一的逻辑链路，因此TEI+SAPI又叫做数据链路连接标识(DLCI，Date Link Connection Identifier)。

　　C/R：该比特是地址段的第2个bit，它的用途是区分该帧是命令帧还是响应帧。在表12中，在用户侧，发送命令帧时，C/R比特为“0”；发送响应帧时，C/R比特为“1”。而网络侧则相反，发送命令帧时，C/R比特为“1”；发送响应帧时，C/R比特为“0”。
　　EA：地址扩展比特。地址的长度由地址字段八比特组的第一个比特来表示，即地址扩展比特EA。EA=0表示下一个字节仍是地址段，EA=1表示地址段结束。LAPD的地址段长度为2字节，所以第1个EA固定为“0”，第2个EA固定为“1”。
　　

　　C：控制段。LAP-D定义了3种类型的帧：编号信息帧(I)、监视帧(S)以及无编号信息帧(U)。I帧用来在第3层实体之间传送信息，N(S)、N(R)和P功能是各自独立的；S帧用来执行数据链路的监视功能，传送控制信息，例如证实I帧、请求重新发送I帧和请求暂时停止发送I帧；U帧用于附加链路控制功能和非证实方式传送信息，这种帧不包含顺序编号。U帧共有六种，其中SABME是在请求建立多帧操作时发送；DISC帧在要求结束多帧操作时发送；DM帧是向对端表示二层处于拆线状态，无法执行多帧操作；UA帧是对SABME和DISC等帧的响应帧；FRMR帧是向对端显示不正常的状态；UI帧是无证实操作方式下传递的信息帧，用于进行不加编号的信令传送。这3种帧的控制段的格式是不同的，如下图所示：

　　I：信息段仅在I帧和某些U帧中出现，S帧不含信息段。
　　FCS：FCS是错误检测码，长度为16bit，由发送端根据所需发送的数据内容，按照一定的算法计算而产生。

　　2.2.2 链路层激活流程

　　在激活ISDN物理链路后，则需要在数据传输层面上激活逻辑链路，逻辑链路激活分为三个阶段。Phase 1：通过SAPI(127)和TEI(63)这类广播消息使ISDN交换机为设备分配一个TEI 值 。Phase 2：通过回复SABME消息确认得到TEI=84，并且由ISDN交换机回复UA消息确认TE分配。Phase 3：通过回复SPID 消息确认链路上的SPID正确。其过程如下图所示：

　　对于点到点的方式，其TEI值固定为零，所以其链路激活流程如下图所示：

　　此后逻辑链路上还需要协商一些参数：
N200— Maximum number of times to retransmit the sabme frame. The default value is 3.
N201— Maximum length of an Information field. The default value is 260 octets.
N202— Maximum number of times to request TEI assignment. The default is 3.
K — Maximum number of unacknowledged I-frames. The default is 1 for SAPI = 0 and 3 for SAPI ≠ 0.
T200— Time between SABME’s . The default is 1s.
T201— Minimum time between TEI identity check messages. Just use in NT-PTMP mode. The default is 1s.
T202— Minimum time between TEI identity request messages. The default is 2s.
T203— Maximum time without frame exchange. The default is 10s.
　　ISDN第二层链路控制的一个功能就是确保D信道是激活的。每隔10秒，ISDN交换机都会送一个接收就绪(RR)包给路由器，并期望立即得到回应。

　2.3 网络层

　　2.3.1 网络层协议介绍

　　用户-网络接口D信道上第3层的呼叫控制协议由I.450/I.451（即Q.930/Q.931）定义。其帧格式如下图所示：

　　协议标识符：识别所使用的第三层协议，Q.931、X.25等等，Q931为0x08。
　　呼叫参考值：唯一的识别用户网络接口上的每个呼叫。在呼叫开始时分配该字段值，当呼叫清除后，该字段值可以用于其他呼叫过程。
　　消息类型：识别信息类型(也就是SETUP、CONNECT 等)。
　　消息单元：信息单元是消息具体要传送的信息。信息单元分为单字节信息单元和变长信息单元两种。
　　下图表示消息的传送过程，由图可以看出第3层消息和第2层（I.440/I.441）帧以及第1层（I.430）帧的关系。

　　2.3.2 呼叫控制流程

　　网络层根据第二层提供的服务完成呼叫控制的功能，包括电路交换呼叫和分组交换呼叫的控制。
　　首先，被叫方收到主叫方发来的SETUP信息处理呼叫信息，然后告诉主叫方的呼叫已经开始建立，并且已经在提醒被叫用户。接着被叫用户向主叫用户发送请求连接信息，主叫用户确认连接信息，这样下来两方就可以进行通话了。最后主叫用户挂掉电话发送拆除连接信息，被叫用户释放该连接，主叫用户返回释放完成信息，整个通话结束。下图是呼叫控制的整个流程。

　　SETUP：该消息是由主叫用户发向网络和由网络发向被叫用户的，用来发起一个呼叫建立过程。
　　CALL PROC：该消息是由被叫用户发向网络侧或由网络侧发向主叫用户的，作用是标识被请求的呼叫建立已经启动，并且不会再接受其他的呼叫建立请求。
　　ALERTING：该消息是由被叫用户发向网络侧或由网络侧发向主叫用户的，作用是标识已经向被叫用户发出振铃信息。
　　CONNECT：该消息是由被叫用户发向网络侧和由网络侧发向主叫用户的，用来标识连接通路被接受。
　　CONNECT ACK：该消息由网络侧向被叫用户发送的，用来标识该被叫用户已经被授予该连接通路。该消息也会由主叫用户向网络侧发送，用来确认对称的通路连接控制过程。
　　DISCONNECT：该消息由用户发起，请求网络侧释放该连接通路。
　　RELEASE：该消息是由网络侧发向用户的，用来标识连接通路已经被切断，并且网络侧已经准备释放该信道和呼叫参考。接受端收到该消息后，将在发出RELEASE COMPLETE后释放该信道并准备释放该呼叫参考值。
　　RELEASE COMPLETE：该消息由用户侧发出，用来标识本端已经释放该呼叫的信道和呼叫参考值，该信道可以再次被利用，接受端可以释放相应的呼叫参考值。