书城科普日新月异的信息科学(科普知识大博览)
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第8章 信息科学技术概述(4)

通信业务量激增,通信质量要求越来越高:人们生活水平的提高导致了用户对通信的频次和质量要求的提高。同时由于人类已从传统的工业时代逐渐过渡到了信息时代,超过半数的劳动者在办公室或高度自动化的场所工作,随时涉及到信息的运用和处理,对通信的要求也与日俱增。

总之,通信网络的发展趋势是宽带化、智能化、个人化和综合化,能够支持各类窄带和宽带、实时和非实时、恒定速率和可变速率业务,尤其是多媒体业务。

目前具有一定规模的三大通信网络是公众电话网(PSTN,也称市话网)、有线电视网(CATV)和计算机网,它们都各有优点和不足。

公众电话网虽可高质量地支持话音业务,但网络的效率不高,不能很好地支持高速数据和多媒体业务,难以满足快速发展的市场需求。目前,电信运营商已经开始考虑从单一电信运营商向综合信息服务商转型。

有线电视网虽然实时性和宽带能力较好,但是不支持双向通信,无统一的技术标准和网络管理体系。目前基于IP网络来传输电视(IPTV)成为电信运营商和广播电视部门普遍看好的新业务,通过广电网与公众电话网的结合实现IPTV业务已经成为一个新的研究热点。

计算机网络能很好地支持数据业务,符合通信技术数字化的要求,但目前在支持话音和图像等通信业务方面,还需要进一步解决实时性、业务质量、安全性和高效管理等问题。

当前,这3种网都在逐步演进,使自己具备其他两网的优点,技术上取长补短,业务上也在相互渗透。从长远发展的角度看,各种网络在服务层次上融合形成智能信息网络是未来的发展方向。

.通信网分类由于现代通信网络是一个在长期的历史过程中逐步发展起来的纷繁复杂的巨大体系,具有众多方面的技术特征,因此对于它的分类也可以从多个角度进行。

按业务分类按照网络中传输的信息或者是网络承载的业务来划分,可以将通信网划分为电话网、电报网、数据网、传真网、计算机网、广播电视网、蜂窝移动电话网、互联网(Internet)等。

语音传输是世界上最普遍的通信形式,为传送语音信息而发展起来的电话网已遍布全世界,覆盖了地球的每一个角落。对现有的电话网进行改造,主要是提高语音质量,降低成本,并增加新业务。预测表明,语音通信仍将是通信网中一种最繁忙的业务。

目前很多通信系统是为用户提供某种专门业务而存在的。未来的通信网络中,各种类型的消息应该能够融合在一个统一的通信网络中传输、交换和处理,为用户提供综合业务。

按传输手段分类从组成网络的信道来划分,可以分为电缆网、光纤网、短波通信网、微波中继网、卫星通信网和移动通信网等。

按照传输信号的形式分类可分为模拟通信网、数字通信网和模拟/数字混合通信网。现阶段纯模拟通信网已很少采用,较多采用的是模拟/数字混合通信网。

按使用范围分类按照网络覆盖的物理范围来划分,通信网络可以分为本地网、国内网和国际网。本地网包括大城市本地网以及中等城市、小城市和区县本地网。国内网是负责本地网之间长途业务的网络。国际电话通信网由国际局、长话局、市话局以及各种类型的线路组成。每个国家都设有国际电话局。

按运营模式分类通信网按运营方式不同可划分为公用网和专用网。公用网即公众网,是向全社会开放的通信网。专用通信网是相对而言的,它是军事国防或国民经济的某一专门部门,如铁道、石油、水利、电力等部门自建或向电信运营商租用电路,专供本部门内部业务使用的通信网。

按网络功能分类通信网的功能层次由几部分完成:传送网(包括骨干传送网和接入网)、业务网、支撑网(包括信令网、同步网和网络管理网)等。电信骨干传送网是公共的数字传输平台或信息高速公路,实现模式可有SDH、ATM、光波分复用网络等。在电信传送网之上不同业务网共享网络资源。业务网为用户提供各种业务,支撑网保证业务网正常运行并为其提供支撑服务。电信支撑网的功能主要是保障网络正常运行,提高网络的服务质量,增强网络功能。

.通信网络的发展趋势随着通信技术的发展,特别是20世纪90年代中期以来,互联网快速发展,以互联网为代表的新技术革命正在深刻地改变着传统的电信概念和体系。随之而来的是数据通信业务迅速增长,在不少国家甚至超过了话音业务量。在这种市场需求下,新业务层出不穷,传统的基于TDM的话音网络已远远不能满足日益膨胀的数据业务发展的需求,而基于IP的分组交换的数据网络在市场驱动下日益发展壮大。因此,为了满足市场多样化的需求,基于TDM的话音网和基于IP的分组网的融合将形成可以传递话音和数据等综合业务的新一代网络。于是,下一代网络(NGN)的概念应运而生。目前,国际标准组织对NGN标准化工作展开了广泛的研究,重点在NGN的体系架构和网络演进等方面。

国际电信联盟(ITU)启动了NGN的标准研究。ITU提出了NGN的概念性描述,认为NGN是一个分组网络,提供包括电信业务在内的多种业务,能够利用多种带宽和满足业务质量(QOS)要求的传送技术,实现业务功能与底层传送技术的分离;提供用户对不同业务提供商网络的自由接入,并支持通用移动性,实现用户对业务使用的一致性和统一性。

的基本特征如下:

①分组传送;②控制功能从承载、呼叫/会话、应用/业务中分离出来;③业务的提供与网络分离,提供开放接口;④利用各基本的业务组成模块,提供广泛的业务和应用(包括实时、流、非实时和多媒体业务);⑤具有端到端QOS和透明的传输能力;⑥通过开放接口与传统网络互通;⑦具有通用移动性;⑧允许用户自由地接入不同的业务提供商;⑨支持多样标识体系,并能将其解析为IP地址以用于IP网络路由;⑩同一业务具有统一的业务特性;融合固定与移动业务;业务功能独立于底层传送技术;适应所有管理要求,如应急通信、安全性和私密性等要求。

简言之,NGN的目标是满足新的通信需求,以促进公平竞争、鼓励个人投资、定义满足各种管理要求的通信体系结构以及提供开放的网络接入方式。

目前,关于NGN的体系结构,不同标准研究组织提出的建议也不尽相同,但对NGN通过分层、分面和开放式结合的方式,给业务提供者和运营者提供一个平台的认识是一致的。

可以看出,NGN从结构上分为4层,自上而下依次为接入传输层、媒体层、控制层和业务/应用层;各层之间的接口和协议是标准的,是开放式的;层间是分离的,满足接入与传输承载分离、传输承载与交换控制分离、交换控制与业务分离,这样各层可以各自发展拓广,不影响层间的要求。

图9为NGN的分层结构示意图,各层的功能描述如下:

①接入和传输层:将用户连接至网络,集中用户业务并将它们传递至目的地,包括各种接入手段。

②媒体层:将信息格式转换为能够在网上传递的格式。例如,将话音信号分割成ATM信元或IP包。此外,媒体层可以将信息路由至目的地。

③控制层:包括呼叫智能。此层根据收到的业务,控制底层网络元素对业务流的处理。

④业务/应用层:在呼叫建立的基础上提供额外的服务。

图9下一代网络的分层结构通信的容量、业务质量和安全仍是未来发展的基本技术指标,但是信息安全是目前发展中的薄弱环节与瓶颈,电脑病毒和黑客攻击威胁着网络安全,利用互联网传播有害信息的手段不断更新。除普遍存在的利用论坛、留言板、电子邮件、手机短信、在线聊天工具、电子出版物传播有害信息外,也出现了利用声音及图像文件进行非法活动威胁人们的正常生活。互联网带给人们自由开放的同时,也带来不可忽视的安全风险,因此网络信息安全方面的问题在未来通信网络的发展中应予以重点关注,下一节将讨论这个问题。

概括起来,未来的通信网,数字化是基础,综合化、个人化是目标,宽带化、智能化是实现的主要手段。

数字化数字化就是在通信网中全面使用数字技术,包括数字传输、数字交换和数字终端等。在过去,由于话音、数据、图像的信号类型各不相同,无法在同一网络中传输,所以,分别形成了传话音的电信网、传数据的互联网以及传图像的有线电视网。随着数字技术的发展,无论何种信号,均可用0和1表示,消除了信号类型的差别,未来的网络建设也必将向数字化演进。数字化是统一各种通信系统的前提。

综合化综合化包括业务的综合、传输与交换的综合、业务网与支撑网的综合、硬件与软件的综合以及通信与计算机的综合。随着微电子技术、计算技术、数字信号处理技术、光纤技术等高科技领域的重大突破,未来的网络将是一种能够综合各种信息媒体功能的宽带综合业务数字网,可以连接各种传输方式的网络,如无线通信、卫星通信、微波通信、光纤通信等;可以容纳已知的各种信息服务,如模拟电视广播、模拟声音广播、数字电视广播、准自选影视NVOD(每个节目固定间隔时间,用几个通道同时滚动加密广播)、真自选影视TVOD(一个用户独享一个节目,用户可以随心所欲地控制播放)、电子图书馆、电子报刊、可视电话、社区服务、连接各种信息家电等;可以实现信息收集、传递、处理和控制一体化,提供传输速度更快、容量更大、质量更好的信息通道。

个人化个人化也叫个人通信。个人通信是指人们能在任何时间、任何地点与任何地点的另一个人进行通信,不管通信双方处于静止状态还是移动状态,都能够利用分配给个人的号码完成各种通信。个人通信是21世纪通信发展的重要方向。

个人通信的一个主要特点,是每一个用户有一个属于自己的唯一通信号码,取代了以设备为基础的传统通信号码(现在的电话号码、传真号码等,是某一台电话机、传真机等的号码)。电信网随时跟踪用户,并提供所需的服务。不论被呼叫的用户是在汽车上、轮船上、飞机上,还是在办公室里、家里、公园里,电信网都能根据呼叫人所拨的个人号码找到他。用户通信完全不受地理位置的限制。

实现个人通信的"无缝网",必须要把各种技术的通信网组合到一起,把移动通信网和固定通信网结合在一起,把有线接入和无线接入结合到一起,才能综合成一个容量极大、无处不通的个人通信网,称之为"无缝网",形成所谓万能个人通信网。这是21世纪电信技术发展的重要目标之一。

宽带化未来的接入网、交换网、传送网都将是宽带网。各种电视会议、可视电话、宽带可视图文、高清晰度电视、多媒体通信业务、高速数据传输、高速文件传送都可以在一个宽带网络中传输。当前,为了开展上述数据业务,提高数据传输速率,各部门正在努力使自己的网络合理化。有线电视本身就是宽带网,电信网中骨干传送网部分的宽带化正在迅速展开,接入网的宽带化也正在逐渐进行,并将成为未来几年的重要任务。

智能化用户对通信的需求与日俱增,希望从终端能得到更多的业务和服务。随着各网络相互融合,其业务功能将更加强大和完善,智能新业务将进一步拓宽。例如,网络可以自行对流量进行分类,自动将语音流量划分在传输过程中最高的优先级,应用流量则有可能获得第二位的传输优先级,反之,对于不像前两种流量那样对时间敏感的电子邮件流量将在最后才通过网络。最终,智能网将赋予商业用户更多的网络控制能力,实现网络经营者和业务提供者的自行编程,使网络经营公司、业务提供者和用户三者均可参与业务生成过程,从而更简单、更经济、更有效、更全面地为用户提供各种信息业务。

更进一步,未来通信网络的发展是面向更高的应用和服务层次的智能信息网络,可以支持各种智能应用。

信息安全信息网络的发展和广泛应用,引起了生产方式、生活方式和思想观念的巨大变化,极大地推动了人类社会的发展和人类文明的进步,把人类社会带入了崭新的信息时代。然而,人们在享受信息网络所带来的巨大惠益的同时,也面临着信息安全的严峻考验。现在,网络的信息安全已经成为世界性的问题,它关系到国家的政治、经济、军事、文化、意识形态的安全,也关系到个人隐私的安全。

信息安全是一个广泛的概念。它包含几个不同层次的问题:第一个层次是指信息载体(即信号)的安全,即保证通信的信号不被未授权方所截获,或者即使被截获了也不能被非法接收者理解,可以称为保密安全;第二个层次是指信息的网络安全,即保证网络不遭受破坏,从而保证通信所传送的信号(因而信号所携载的信息)不会受到破坏,可以称为网络安全;第三个层次是指信息内容的安全,即信号所表现的内容本身必须满足安全要求,可以称为内容安全。这3个层次的安全概念是互相关联的,核心的问题是信息内容的安全。

保密安全密码技术是实现保密安全的核心技术。密码技术的发展大致可以分为3个阶段:1949年之前是古典密码阶段,历史上曾被广泛使用的各种古典密码大多都比较简单,可用手工和机械操作来实现加解密。1949年,信息论创始人仙农发表了经典论文《保密通信的信息理论》,从信息的观点给出了密码学的理论框架,使密码学走上了科学的轨道。1976年,Diffie和Hellman发表了《密码学的新方向》,提出了一种新的密码体制,冲破了长期以来一直沿用的单钥密码体制。新的双钥(公钥)密码体制可使通信双方无须事先交换密钥就可建立保密通信。自此,密码技术得到了迅速的发展。其中最著名的对称密钥加密算法是DES,它成为了事实上的全球工业标准,应用了20年左右。目前,DES被论证不再安全,已经过时。1997年4月15日美国国家技术标准委员会(NIST)发起了征集高级数据加密标准(AES)算法的活动并成立了专门的AES工作组,2000年10月,NIST选定"Rijndael"为AES。

可见,最初人们认为信息安全就是通信保密,采用的保障措施就是加密和基于计算机规则的访问控制,这被称为"通信保密(COMSEC)"时代,其标志就是仙农的《保密通信的信息理论》。它的理论框架可以抽象成图10的模型。