home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ The Unsorted BBS Collection / thegreatunsorted.tar / thegreatunsorted / texts / txtfiles_misc / isdn.txt < prev    next >
Text File  |  1994-05-05  |  16KB  |  319 lines

  1.  
  2. AN INTRODUCTION TO ISDN
  3. by Dory Leifer
  4.  
  5.  
  6. Motivated by the ever increasing public need to send digital
  7. information in the form of voice, data or image, national governments
  8. along with private corporations have developed a scheme called
  9. Integrated Services Digital Network (ISDN). Although this concept
  10. dates back to the early 1970s, only recently have standards been
  11. developed. The standardization of ISDN has resulted in an emerging
  12. market of ISDN equipment and service plans. This technology will have
  13. widespread impact on both suppliers and users of network equipment and
  14. services.
  15.  
  16.     In the United States, all seven regional Bell operating
  17. companies have initiated limited testing and deployment of ISDN.
  18. General deployment is expected during the mid to late 1990s. Our
  19. European and Japanese counterparts are committed to the nationwide
  20. implementation of ISDN.
  21.  
  22.     This article introduces the basic concepts of telephone
  23. networks and ISDN and explores possible applications of ISDN
  24. technology.
  25.  
  26. The telephone network
  27.  
  28.     In order to understand why ISDN evolved, let's look at the
  29. current telephone network. The basic telephone is an analog instrument
  30. connected to a pair of wires. The pair of wires from a subscriber's
  31. premises, a private home for example, is connected over approximately
  32. a mile of cable to a local telephone company's central office. This
  33. pair of wires is commonly called the "last mile" or local loop.
  34.  
  35.     Inside the central office, the pair is attached to a device
  36. called a switch. The switch converts the analog signal to digital by
  37. sampling it thousands of times a second. The switch also routes the
  38. call by examining the telephone number called. If the call is
  39. long-distance, it is routed by the local telephone company, Michigan
  40. Bell, for example, to an Interexchange Carrier (IEC) such as AT&T,
  41. MCI, or US Sprint. The IEC routes the call to the local telephone
  42. company at the destination, still preserving the digital nature of the
  43. signal.
  44.  
  45.     This conversion between analog and digital seems reasonable
  46. for voice since humans (even programmers) cannot hear or speak
  47. digitally. But what if we intend to exchange digital information by
  48. connecting two computers together? In that case, we must convert
  49. digital information from our computers into analog signals using a
  50. modem.
  51.  
  52.     When these signals reach the central office, they are
  53. converted back to digital. The reverse process is used at the
  54. destination switch to convert the digital signal back to analog and
  55. pass it to the destination modem which finally turns it back for the
  56. last time to a computer bit stream.
  57.  
  58.     This process is not only redundant, it is inefficient. When
  59. voice is converted from analog to digital, a bit rate of 56,000
  60. bits-per-second (bps) is typically dedicated to carrying it. This rate
  61. is required to make sure that the voice will sound natural when it is
  62. converted back to analog. Since the telephone network treats modems
  63. the same way, a rate of 56,000 bps is also required to convey modem
  64. signals. However, most modems send and receive at or under 2400 bps.
  65. The rest of the capacity is wasted.
  66.  
  67.     Modems serve another purpose apart from digital transmission.
  68. Most modern modems incorporate automatic dialing and answer functions.
  69. We say that an autodial modem exchanges signalling information with
  70. the telephone network.  The modem can be instructed to place a call
  71. and report its progress: examples of what it can report back are
  72. "ringing", "busy", and "no circuits available".
  73.  
  74.     Again in this case, because the telephone network is designed
  75. for voice, computer equipment is disadvantaged. The modem requires
  76. special hardware to detect (actually to listen and guess) the sound of
  77. a busy signal, ring, or call incomplete message (usually preceded by
  78. three tones). This type of signalling is not only analog but it is in
  79. band: that is, signals and real transmitted information use the same
  80. channel. Sharing a single circuit to convey both transmission and
  81. signalling information imposes serious limitations.
  82.  
  83.     ISDN relieves the limitations of both in-band signaling and
  84. analog transmission. The next section describes a standard ISDN
  85. interface which provides end-to-end digital transmission and separates
  86. the signaling functions from the transmission functions. ISDN basic
  87. rate interface.
  88.  
  89.     The ISDN basic rate interface is the standard interface to
  90. connect subscribers to the ISDN. This interface uses the existing
  91. telephone wire pair.  Instead of using this pair for analog signaling
  92. and transmission, only digital information is conveyed. On this wire,
  93. three channels or digital paths exist.  The channels are multiplexed
  94. by giving each a time slice on the wire. Since ISDN channels are half
  95. duplex or uni-directional, a "ping-pong" method is used so that when
  96. one end transmits, the other listens. The ping pong happens with every
  97. tick of some central clock so the link appears to be bidirectional.
  98.  
  99.     Each ISDN circuit includes three channels:
  100.  
  101.       *  2 B or Bearer channels for data or voice (each 
  102.        64,000 bps)
  103.       *  1 D or Data channel for signaling or packet     
  104.        data (16,000 bps)
  105.  
  106. These channels provide both signaling and transmission. Notice that
  107. there is no distinction between voice and data on the B-channel. The
  108. ISDN treats both as a stream of bits. The bits have significance only
  109. to the terminating equipment such as a telephone for voice or a
  110. computer for data. When a subscriber wishes to place a call, the
  111. terminating equipment sends a packet on the D-channel containing the
  112. information needed by the network in order to establish the call.
  113. Assuming that the call succeeds, the subscriber may then send either
  114. voice or data on a B-channel. To end the call, a take-down packet is
  115. sent. This is analogous to hanging up.
  116.  
  117. Bearer channel transmission
  118.  
  119.     The B-channel is referred to as a clear channel because of its
  120. ability to pass an arbitrary bit stream transparently. In reality,
  121. arbitrary bit patterns have limited uses since the B-channel must
  122. adhere to the disciplines of existing voice and data networks. Sending
  123. voice using some non-standard encoding would preclude placing calls
  124. between the ISDN and the existing telephone network. A standard Pulse
  125. Code Modulation (PCM) scheme has been standardized for digitized voice
  126. because it is compatible with the existing voice network.
  127.  
  128.     Correspondingly, a data protocol must be employed on the
  129. B-channel if the subscriber is to reach hosts on the existing packet
  130. services which are not yet on the ISDN. Even if the host is on the
  131. ISDN, the network provides no guarantee that the data will be
  132. transmitted without errors. This is not a serious problem with
  133. terminal sessions (we live with error-prone modems), but for computer
  134. to computer connections (for example, performing a file transfer) an
  135. error-correction protocol may be required.
  136.  
  137.     The B-channel itself provides services that comply with layer
  138. one of the Open Systems Interconnection (OSI) Reference model (the
  139. physical layer).  That is, it offers a medium through which bits may
  140. pass.
  141.  
  142.     If a subscriber uses the ISDN to call another computer
  143. directly, a minimum of a layer-two protocol is involved for error
  144. correction and flow control. In many cases, the subscriber will wish
  145. to access a host on a packet network like Telenet. In this case, both
  146. a link layer (OSI layer two) and network layer (layer three) are
  147. required. The subscriber then uses the X.25 protocol between the ISDN
  148. and his or her machine. An interworking unit acts as a gateway between
  149. the ISDN and the packet network, using the X.75 protocol.
  150.  
  151.     A somewhat similar service could be deployed by Merit in the
  152. future to provide Internet access for ISDN subscribers. Off-campus
  153. users could place an ISDN call to an Internet gateway. They could then
  154. access TCP/IP applications like file transfer, remote terminal, and
  155. mail. ISDN provides added support in this case: since the ISDN would
  156. report the caller's address, a unique Internet address could be
  157. associated with a particular calling address. Other services which
  158. require authentication of the caller would also be facilitated by this
  159. feature.
  160.  
  161. The data channel
  162.  
  163.     The Data or D-Channel was originally specified by the CCITT
  164. for signaling but later was re-specified to include both signaling and
  165. transmission of packet data. Unlike its sister B-channel, the
  166. D-channel is not designed to carry an arbitrary bit stream. The
  167. D-channel uses both a link layer, Link Access Protocol-D (LAPD),
  168. similar to HDLC, and a network layer, Q.931, similar to X.25.
  169.  
  170.     The D-channel may be used for packet data when data throughput
  171. is not of high priority. No call set-up or take-down is required when
  172. using the D-channel to interface in packet mode.
  173.  
  174.     The signaling protocol on the D-channel is based on the set of
  175. signaling messages needed to establish and release a simple 64,000 bps
  176. B-channel voice or data connection. Included in call set-up are:
  177.  
  178.   *     Flexible addressing compatible with many standard 
  179.     network
  180.   *     Required data rate
  181.   *    IEC (long distance carrier) selection 
  182.     if applicable
  183.   *     Notification if line forwarded to 
  184.     another address
  185.   *     User information text
  186.  
  187. Signaling information is exchanged between a subscriber and the ISDN.
  188. But this information must also be passed within the ISDN to assure
  189. timely circuit establishment, efficient allocatmon of resources, and
  190. accurate billing and accounting between various service providers. A
  191. protocol called Common Channel Signaling Number Seven (CCS7) performs
  192. these functions. CCS7 was designed by AT&T and is based on the
  193. international standard CCITT Signaling System Seven (SS7). CCS7 is
  194. already used on a wide scale for signaling in the non-ISDN world but
  195. will be essential to support ISDN.
  196.  
  197. Equipment
  198.  
  199.     Compatibility with existing equipment is extremely important
  200. to most of the users who will migrate from switched and private
  201. networks to ISDN.  Therefore, most of the early ISDN equipment which
  202. users will purchase will be adapters for non-ISDN devices such as
  203. asynchronous terminals with RS-232 interfaces, 3270 style terminals
  204. with IBM SDLC and coax interfaces, and various LANs. An interface to
  205. connect common analog telephones will surely be a hot seller.
  206.  
  207.     Many of these devices are quite complex because they have to
  208. support both signalling and transmission. For example, an adapter
  209. which allows RS-232 attachment for terminals needs to interface with
  210. both the B- and D- channels.
  211.  
  212.     Under development by several manufacturers are integrated
  213. terminals that combine voice, data, and signaling into a compact
  214. desktop package.  Initially, these terminals will function as
  215. expensive desktop space savers, replacing a separate phone and
  216. terminal, but later they will provide access to truly integrated
  217. services.
  218.  
  219. What is an integrated service?
  220.  
  221.     An integrated service is one that is capable of providing a
  222. wide assortment of information well organized into a single package.
  223. This information may be, for example, in the form of voice, computer
  224. data, video, or facsimile.
  225.  
  226.     Initially, services available on ISDN will not be integrated.
  227. Voice and data, although they may be accessed together on an
  228. integrated terminal, have little to do with one another. Voice calls
  229. will involve only voice and data calls only data. We speak of this
  230. relationship as Service Coexistence.
  231.  
  232.     The second generation of ISDN services will be integrated. For
  233. example, consider a future bank credit card service. A card holder who
  234. disputes an entry in the credit card bill places an ISDN call to the
  235. bank. At the bank, a customer representative equipped with an ISDN
  236. terminal answers the call. The bank representative immediately has
  237. access to the caller's name and records since the ISDN passes the
  238. customer's originating address. The bank uses this address as a key
  239. into its customer database. The representative can address the
  240. customer by name when answering the phone. When the customer explains
  241. the nature of the problem, the bank representative retrieves the
  242. previous month's bill, which appears simultaneously on both screens.
  243. If the statement is in error, the balance can be recomputed before the
  244. customer's eyes.  Integrated services can also facilitate research
  245. collaboration via multi-media voice, image, and control functions
  246. between scientists.
  247.  
  248. Applications which require exchange of only short, infrequent
  249. messages can use services offered by the D- channel. Applications such
  250. as burglary alerting, energy control, credit card verification, cable
  251. TV requests for service, and home shopping can be accomplished using
  252. the D-channel packet facilities.
  253.  
  254. Advantages of circuit switching
  255.  
  256.     Although the data rate of 64,000 bps may be too slow for
  257. bandwidth-intensive applications like real-time high definition
  258. imaging, ISDN's circuit-switched capabilities do offer several
  259. advantages to the research community over packet-switched networks
  260. like Merit, NSFNET or ARPANET. Certain real-time applications which
  261. require cross-country connectivity can be run over ISDN. Although the
  262. individual circuits which comprise modern packet networks may be much
  263. faster than 64,000 bps, the overhead involved in packet switching and
  264. queueing is far in excess of similar circuit switching functions on an
  265. established call.
  266.  
  267.     Packet networks try to optimize aggregate performance across
  268. the entire network. Real-time applications are usually interested not
  269. in averages but rather in worst cases. If you get a 64,000 bps ISDN
  270. circuit, you will be guaranteed 64,000 bps service for the duration of
  271. the connection. Throughput on a packet network might average 150,000
  272. bps, for example, but might fall below 64,000 bps 10% of the time,
  273. causing serious problems for a real-time system.
  274.  
  275.     Another advantage ISDN has over packet networks is its
  276. potential ability to interface to a wide variety of digital laboratory
  277. equipment. The ISDN B-channel offers clear channel transmission. There
  278. is no protocol overhead involved in order to exchange information.
  279. This bit pipe can be used, for example, between detector/collector
  280. paired devices without the complication and expense of packet protocol
  281. gateway machines at each end of the connection. ISDN interfaces will
  282. eventually be readily available in VLSI, which will allow them to work
  283. with a wide variety of equipment at minimal additional cost.
  284.  
  285.  
  286. High speed (broadband) ISDN
  287.  
  288.     Many argue that 64,000 bps, based on the transmission capacity
  289. of the existing telephone system, is too slow to provide a wide
  290. assortment of integrated services. High-definition television,
  291. computer-aided design, medical imaging, and high-quality audio all
  292. require far more bandwidth than available in the current ISDN. An
  293. evolving standard for broadband ISDN (B-ISDN) may include 150
  294. Megabit-per-second subscriber lines over fiber optic local loops.
  295.  
  296. Conclusion
  297.  
  298.     ISDN will extend the capabilities of today's telephone
  299. networks, thus providing a market for new services. Most introductory
  300. services will apply service co-existence; services will be described
  301. as "running over" ISDN.  ISDN will do for data networks what the
  302. Communications Act of 1934 did for voice -- provide a ubiquitous
  303. method for public transmission. Pioneer users of this technology will
  304. have both the opportunity and the challenge of helping to shape the
  305. future of telecommunications. *
  306.  
  307. (Dory Leifer is a programmer for the Merit Computer Network, located
  308. in Michigan. This article was originally published in the Merit
  309. Network News, Vol 3 # 3, October, 1988).
  310.  
  311.                         --------------
  312.  
  313. CERFNET NEWS AVAILABLE IN HARD COPY
  314.  
  315. Send a request to help@cerf.net if you would like to be added to the
  316. hard copy distribution of CERFnet News. Postscript versions are also
  317. available via anonymous ftp to NIC.CERF.NET in the subdirectory
  318. cerfnet_news.
  319.