3.2 分层设计的概念

3.2.1 为什么要分层设计

为了能够使不同地理分布且功能相对独立的用户之间实现资源共享和信息沟通，移动通信系统需要涉及和解决许多复杂的问题，包括信号传输、差错控制、寻址、数据交换和提供用户接口等一系列问题。体系结构是为简化这些问题的研究、设计与实现而抽象出来的一种结构模型。

结构模型有多种，如平面模型、层次模型和网状模型等，对于复杂的移动通信系统，一般采用层次模型。在层次模型中，往往将系统所要实现的复杂功能化分为若干个相对简单的细小功能，每一项分功能以相对独立的方式实现。这样就有助于将复杂的问题简化为若干个相对简单的问题，从而达到分而治之、各个击破的目的。就好比生产汽车，从用户需求开始到汽车整车下线涉及需求分析、图纸设计、零部件生产和整机装配等众多问题，如果不把这些问题进行一定的划分并实施人员分工的话，那么整个汽车生产过程将会变得非常复杂甚至是混乱，所以几乎所有的汽车生产厂商都会将汽车生产的复杂过程分解为几个相对简单的部分，并由不同的部门或人员去完成相应的工作。例如，由市场调查与预测部门去完成关于用户对汽车性能、外观和价格等方面的需求分析；设计部门根据市场调查与预测部门所递交的需求分析结果确定新车型，并产生新车型的设计图纸；零部件生产部门根据设计部门所提供的设计图纸进行零部件生产；整机装配部门负责将有关的零部件装配成汽车整机，最后完成一辆汽车的生产。

为了将移动通信系统中各个复杂的过程简单化，也需要对其进行分层、分模块的设计。

3.2.2 移动通信网的分层模型

将上述分层的思想或方法运用于移动通信网络中，就产生了移动通信网络的分层模型。在实施网络分层时要依据以下原则：

（1）根据功能进行抽象分层，每个层次所要实现的功能或服务均有明确的规定。

（2）每层功能的选择应有利于标准化。

（3）不同的系统分成相同的层次，对等层次具有相同功能。

（4）高层使用下层提供的服务时，下层服务的实现是不可见的。

（5）层的数目要适当。层次太少则功能不明确，层次太多则体系结构过于庞大。

依据以上原则，可以把网络通信分成两部分功能：面向处理功能和面向传送功能。面向处理功能部分更接近于各类应用和软件，种类繁多，层出不穷。面向传送功能部分更接近各类传送功能和硬件，类型较少，如图3-1所示。

图3-2给出了移动通信网络分层模型的示意图，该模型将移动通信网络中的每个节点抽象为若干层，每层实现一种相对独立的功能。在这个分层模型中的一些重要的术语如下：

（1）实体与对等实体。

每一层中，用于实现该层功能的活动元素称为实体（entity），包括该层上实际存在的所有硬件与软件，如终端、程序、进程等。不同机器上位于同一层次、完成相同功能的实体称为对等（peer to peer）实体。

（2）协议。

通信双方必须遵守的一系列规则的总称。

（3）服务与接口。

在网络分层结构模型中，每一层为相邻的上一层所提供的功能称为服务。N层使用N-1层所提供的服务，向N+1层提供功能更强大的服务。N层使用N-1层所提供的服务时并不需要知道N-1层所提供的服务是如何实现的，而只需要知道下一层可以为自己提供什么样的服务，以及通过什么形式提供。N层向N +1层提供的服务通过N层和N+1层之间的接口来实现。接口定义下层向其相邻的上层提供的服务及原语操作，并使下层服务的实现细节对上层是透明的。就好比上面汽车生产的例子中，制造工程师并不关心汽车图纸是怎样设计出来的，他们只关心能否得到一份可用于进行零部件生产的图纸以及通过什么渠道获得这份图纸。

（4）服务访问点（SAP）与原语。

层与层之间通过调用服务和提供服务达到完成网络通信的目的。上层通过调用下层的功能来实现与对等层的通信。这个调用接口称为服务访问点（SAP）。

上层在调用下层服务时，会将本层的协议数据单元（PDU）交给层间服务访问点，下层在接收到后，会从这个PDU中提取出本层的服务数据单元（SDU）并在其基础上封装上本层协议所需要的协议控制信息（PCI），然后作为本层的PDU调用下层的SAP接口服务。服务访问点及调用过程示意如图3-3所示。

上层与下层这一系列服务的调用与被调用都是通过层间的原语实现的。原语是指上层使用下层所提供的服务必须通过与下层交换的一些命令，它是只有相邻两层才能够识别和理解的语言。原语分为四类，分别是：请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）、确认（Confirm）。原语的工作原理如图3-4所示。

为了能更好地理解上面所介绍的实体、协议、服务、接口等概念，我们以如图3-5所示的邮政系统为例来说明这个问题。假设处于甲地的写信人要给处于乙地的收信人发送信件，则在信件传递的整个过程中，主要涉及用户、邮局和运输部门三个层次。写信人写好信的内容后，将它装在信封内并投入邮筒里交由邮局寄发，邮局收到信后，首先进行信件的分拣和整理，然后装入一个统一的邮包交付运输部门进行运输，如航空信交民航部门，平信交铁路或公路运输部门等；乙地相应的运输部门得到装有该信件的货物箱后，将邮包从其中取出，并交给乙地的邮局，乙地的邮局将信件从邮包中取出投到用户的信箱中，从而收信人收到了来自发信人的信件。

在这过程中，写信人和收信人都是最终用户，处于整个邮政系统的最高层；邮局处于用户的下一层，是为用户服务的，对于用户来说，他只需知道如何按邮局的规定将信件内容装入标准信封并投入邮局设置的邮筒就行了，而无须知道邮局是如何实现寄信过程的，这个过程对用户来说是透明的。运输部门是为邮局服务的，并且负责实际的邮件运送，处于整个邮政系统的最底层。邮局只需将装有信件的邮包送到运输部门的货物运输接收窗口，而无须操心邮包作为货物是如何到达异地的。在此邮筒就相当于邮局为用户提供服务的接口，而运输部门的货物运输接收窗口则相当于运输部门为邮局提供服务的接口。

另外，写信人与收信人、本地邮局和远地邮局、本地运输部门和远地运输部门则构成了邮政系统分层模型中不同层上的对等实体。为了能将信件准确地由发信人送达收信人，对等实体之间必须有一些约定或惯例。例如，写信时必须采用双方都懂的语言文字和文体，开头是对方称谓，最后是落款等。这样，对方收到信后才可以读懂信的内容，知道是谁写的，什么时候写的等等。同样，邮局之间要就邮戳的加盖、邮包格式等制定统一的规则，而运输部门之间也会就货物运输制定有关的航运规定。这些规则或约定就相当于网络分层模型中的协议。从这里可以看出，协议是“水平的”，是控制对等实体间通信的规则；服务是“垂直的”，是通过服务访问接口由下层向上层提供的。

从上述关于邮政系统的类比中还可以发现，尽管对收信人来说，信来自于写信人，但实际上这封信在甲地历经了由用户到邮局再到运输部门的过程，在乙地则历经了从运输部门到邮局再到用户的过程。类似地，网络分层结构模型中数据的传输，也不是直接从发送方的最高层到接收方的最高层。在发送方，每一层都把协议数据交给它的下一层，直到最下层；在接收方，则由最下层开始一层一层地往上送至最高层。在发送方由上而下的过程中，每一层为了实现本层的功能都要加上相应的控制信息，从而被传输的数据在形式上是越来越复杂；而到了接收方，在自下而上的过程中，每一层都要卸下在发送方对等层所加上的那些控制信息。就如同信件到了本地邮局要装入邮包中，邮包到了本地运输部门要装入货运箱中，而一旦到达远端的运输部门，则要将邮包重新从货运箱中取出交给远端邮局，而远端邮局要将信件重新从邮包中取出交给用户。通信网络中分别将发送方和接收方所历经的这种过程称为数据封装和数据拆封。

按照与邮政系统类似的逻辑，从2G到3G再到B3G和4G，移动通信系统都采用了这样的分层模型，如图3-6所示为UMTS系统的网络协议分层模型。整个系统自下而上被分成了传输网络层、无线网络层和非接入层三个大的层次，每个层次中又包括若干个子层。在每一层中又按功能不同分为用户面和控制面。这一分层模型在LTE系统中保留了绝大部分特性。因此，这个网络协议分层模型也可以作为LTE的分层模型，具体不同之处见后续章节。