2019年通信工程師考試中級交換技術(shù)-17資料

1、中級通信工程師考試交換技術(shù)第一章：緒論1.1 點(diǎn)對點(diǎn)通信與網(wǎng)絡(luò)通信 通信的基本原理告訴我們，通信系統(tǒng)的基本任務(wù)是將信息從它的發(fā)源地傳 送到它的目的地。 最簡單的通信系統(tǒng)就是如圖 1-1 所示的點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)。 通過信道（或稱電路）連接 起來的兩點(diǎn)稱為端點(diǎn)，其中配置有通信終端， 包含信息的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。信道是以傳 輸媒質(zhì)為物理基礎(chǔ)的信號 通路，它可能是各種有線或無線電路。 點(diǎn)對點(diǎn)通信的工作方式有單工、半雙工和（全）雙工三種。 由于大量的通信業(yè)務(wù)都是交互式的，故雙工方式是應(yīng)用最普遍墦點(diǎn)靖點(diǎn)的 通信方式。為了支持雙工通信，就需要利用雙向信道。以下 Wi-i 點(diǎn)對點(diǎn) 通信系統(tǒng) 如不作特殊說明，兩

2、點(diǎn)之間的信道都是指雙向信道。 實(shí)際上，這種點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)只在構(gòu)成某些專用通信電路（如熱線）時才 被應(yīng)用；而 應(yīng)用更普遍的是多點(diǎn)之間的通信。按照構(gòu)成上述點(diǎn)對點(diǎn)通信 系統(tǒng)的思路，一個多點(diǎn)通信系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)似乎應(yīng)如圖 1-2 所示。這種結(jié)構(gòu) 稱為終端設(shè)備之間的全互連結(jié)構(gòu)，其中任意兩個端點(diǎn) 之間都需要有一條 信道；如果端點(diǎn)數(shù)為漢，則共需 （N1-1）/2 條信道；而且每個終端需要有 N （N-1） 個接口。所以這種結(jié)構(gòu)所需的信道數(shù)將按況的平方律增加，當(dāng)況很 大時，其復(fù) 雜度是不能接受的。另一方面在每一對端點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)量強(qiáng) 度（即占用時間百分?jǐn)?shù)）一 般是較小的（小于 0.2） 。因而沒有必要在每 一對端點(diǎn)

3、之間設(shè)一條專用信道，換言之，全互連結(jié)構(gòu)的信道利用率是較低 的。為了減小復(fù)雜度，最簡單的辦法是采用如圖 1-3 所示的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個終端通過一 條信道連接到中心節(jié)點(diǎn)，在那里設(shè)有交換機(jī)。通過交換中 心的轉(zhuǎn)接作用，將需要進(jìn)行通信的 終端連接起來。圖 1-3 中示出通過交 換機(jī)提供的三條端到端連接通路。在這種最簡單的網(wǎng)絡(luò) 中，有三類網(wǎng)絡(luò) 元素，它們是：用戶終端、交換機(jī)和用戶環(huán)路（又稱為用戶線） ，后者是 用 戶終端與交換機(jī)之間的連接信道 （電路）。顯然， 在星型網(wǎng)絡(luò)中每個終 . 端只需要一個接口， 全網(wǎng)只需 W 條信道。與全互連網(wǎng)絡(luò)相比，復(fù)雜度大 為降低。但是，一旦中心節(jié)點(diǎn)的交換機(jī) 失效，全網(wǎng)就會

4、癱瘓，也就是說， 這種結(jié)構(gòu)的可靠性是不高的。此外，其覆蓋地域也受到 限制。為了擴(kuò)大覆蓋地域，可采用如圖1-4所示 的包含多個交換節(jié)點(diǎn)（SW交換局）的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)。在這種網(wǎng)絡(luò)中， 除了用戶終端、 交換機(jī)和 用戶線以外， 還有一類網(wǎng)絡(luò)元素，那就是位于 交換節(jié)點(diǎn)之間的中繼線（又稱為干線） 。 與用戶 線不同，它們不屬于用戶專用，而是歸廣大用 戶共享，按照用戶 的需求分配使用，因而信道 利用率較高。這樣，組網(wǎng)帶來的主要好處有：（1）可覆蓋更廣大的地域，為更多的用戶服務(wù)；（2）在端到端之間可提供多條路徑，從而提高了通信的可靠性；（3）網(wǎng)絡(luò)資源（交換機(jī)、中繼線等）為眾多的用戶共享，因而提髙了經(jīng)濟(jì)性。1.2.

5、1 公共交換電信網(wǎng)中的電路交換傳 統(tǒng) 的 公 共 交 換 電 信 網(wǎng) （ PublicSwilchedTelecommunicationNetworks,PSTN, 以下簡稱電信網(wǎng)） 由用戶終端、用戶環(huán)路、交換機(jī)和中繼線組成，包含本地網(wǎng)和長途網(wǎng)兩大部分。它提供的主要業(yè)務(wù)是電話，所以又稱公共電話網(wǎng) 本地網(wǎng)（ LocalNetwork） 如圖 1-5 所示。用戶終端（電話機(jī)、傳真機(jī)或話 帶數(shù)據(jù)終端等）經(jīng)用戶環(huán)路或用戶小交換機(jī)接人端局（ EndOffice）, 俗稱 市話局。端局內(nèi)設(shè)端局交換機(jī)；各端局之間及各端局與長途局之間通過中 繼線互連；在某些端局之間可能設(shè)匯接局，以提供附加的路由。長途網(wǎng)（ L

6、ongDistanceNetwork） 由長途中繼線連接不同等級的長途交換局 組成。長途局分若干級（國內(nèi)分為四級： C1-C4）, 采用髙階星型加直通電 路匯接的結(jié)構(gòu)，上級長途局與隸厲于它的下一級局采用星型連接，而在某 些業(yè)務(wù)童大的長途局之間設(shè)置直通電路。作為例子，圖 1-6 示出兩個大區(qū) 間的長途網(wǎng)絡(luò)。PSTN有以下特點(diǎn)：這是一個轉(zhuǎn)接式網(wǎng)絡(luò)，端到端一般要經(jīng)過交換機(jī)多次轉(zhuǎn)接； 采用的交換方式是電路交換，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶的請求提供端到端的連接通 路；通信全過程分為建立連接、用戶信息傳送、拆除并釋放連接三個階段； 呼叫連接控制依靠信令系統(tǒng)完成；永久性連接由網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)配置。 在建立連接過程中， 網(wǎng)絡(luò)最

7、重要的任務(wù)是尋址與選路。 網(wǎng)絡(luò)要根據(jù)主叫 （用 戶終端 ） 提供的被叫（用戶終端）地址，選擇一條通路。路由選擇的基本 原則是盡可能選擇最短的路徑，使呼叫盡快到達(dá)終點(diǎn)。所謂“最短路徑” ， 在這里指的是轉(zhuǎn)接次數(shù)（跳數(shù)）最少的路徑。如圖 1-6 所示，為建立用戶A與用戶B之間的連接通路，左邊的C4局應(yīng)該首先選擇標(biāo)注為 （1）的那組 中繼線，其次選擇標(biāo)注為（ 2）的那組中繼線，最后選擇標(biāo)注為（ 3）的那組中繼線（粗實(shí)線） 。所以，圖 1-6 中的粗實(shí)線被稱為最后路由中繼線。從圖中還可以看出，從一地的 C5局（端局）到另一地的 C5局，最多經(jīng)過8 次轉(zhuǎn)接，即端局與端局之間串接的鏈路數(shù)最多為9，或者說用

8、戶端到端之間串接的鏈路數(shù)最多為 11。電信網(wǎng)是一個具有悠久歷史的龐大的國際性網(wǎng)絡(luò)。其中采用的各項(xiàng)技術(shù)是 經(jīng)過長期運(yùn)行和使用的成熟技術(shù)，同時又隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷向前發(fā)展。特別是光纖傳輸、程控?cái)?shù)字交換、七號信令系統(tǒng)（ SSNa7）移動通 信網(wǎng)、智能網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的普遍采用， 使其趨于完善， 工作十分可靠， 可給用戶提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。電信網(wǎng)的一個發(fā)展方向是簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大本地網(wǎng)的覆蓋地域，將長途網(wǎng)由四級減為兩級其至一級；進(jìn)而將PSTN分為接人網(wǎng)和核心網(wǎng)兩大部分，端局以上均屬核心網(wǎng)。為了支持多種多樣的接人網(wǎng)，端局交換機(jī)要提供多 種接口，除了傳統(tǒng)的模擬二線（電話）接口以外，還要有各種數(shù)字接口，

9、如基群速率接口（ E1）、高速數(shù)字用戶線（HDSL接口、不對稱數(shù)字用戶線（ADSL接 口等。電信網(wǎng)的另一個發(fā)展方向是綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)，它不僅提供話音業(yè)務(wù)，而且支持 （同時或交替的）數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)務(wù)。在這方面，相繼出現(xiàn)了以電路交換為主的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）和基于異步轉(zhuǎn)移模式（ATM的寬帶綜合 業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ B-ISDN）。1.2.2 互聯(lián)網(wǎng)中的分組交換互聯(lián)網(wǎng)（ Internet）, 是一種通過路由器將多個物理網(wǎng)絡(luò)互連起來的邏輯上統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。從通信業(yè)務(wù)的角度看，互聯(lián)網(wǎng)是一種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，它可以支持 E-mail、FTP WW等多種應(yīng)用。被互連的網(wǎng)絡(luò)，通常稱為互聯(lián)網(wǎng)的子網(wǎng)，它們既可以是同類的

10、，也可以是異質(zhì)的。圖 1-7 和圖 1-8 分別示出互聯(lián)網(wǎng)的原理結(jié)構(gòu)。圖 1-7 著重示出多個物理網(wǎng) 絡(luò)通過路由器互連成邏輯上統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)；圖 1-8 主要示出路由器的地位與 作用，而用專線代表物理網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的子網(wǎng)分為兩類：一類是用于 轉(zhuǎn)發(fā)信息的中轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)； 一類是信息源或信息宿所在的末端網(wǎng)絡(luò)， 如局域網(wǎng)、 傳感器網(wǎng)絡(luò)等?；ヂ?lián)網(wǎng)與電信網(wǎng)的主要區(qū)別之一是采用基于異步時分復(fù)用的分組交換。其 中所有信息均以分組 （Packet） 為單位進(jìn)行傳送，分組長度和分組間隔均可 變。路由器基本上是一種分組交換機(jī)，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)分組的“存儲 轉(zhuǎn)發(fā)”。每個路由器首先存儲輸人的分組，然后根據(jù)分組首部所含的地址

11、 信息選路，將分組轉(zhuǎn)發(fā)到適當(dāng)?shù)妮敵龆丝?，并通過相應(yīng)的輸出鏈路發(fā)送給 下游的路由器。每個路由器都照此辦理，就可實(shí)現(xiàn)信息的端到端（主機(jī)到 主機(jī)）的傳送。路由器可分為三種：核心路由器、邊緣路由器和人路由器。前兩者構(gòu)成互 聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)（又稱骨干網(wǎng)） ；后者是各種接入網(wǎng)（如局域網(wǎng)）核心網(wǎng)的 接口。在核心網(wǎng)內(nèi)連接各路由器的中繼線路，稱為鏈路。這些鏈路可能是 專用線，也可能是由物理承載網(wǎng)絡(luò)（如光網(wǎng)絡(luò)）提供的傳輸通道?；ヂ?lián)網(wǎng) 采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議工作，這就是著名的 IP（InternetProtocol）0 所以 各種路由器都要運(yùn)行 IP, 實(shí)現(xiàn) IP 分組的存儲轉(zhuǎn)發(fā)。 互聯(lián)網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，從前只需

12、提供盡力而為. （BestEffort）的服務(wù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大， 它不僅要支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且要支持分組話音、視頻及多媒體業(yè)務(wù)。于是人們對互聯(lián)網(wǎng)提出了更高 的要求，要求它提供服務(wù)質(zhì)量（QoS）的保證。此外，互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)量也在不斷地急劇增長。因此，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向是寬帶化（高速化） ，并采取 多種措施保證 QoS。光纖波分復(fù)用（WDM技術(shù)的成熟解決了寬帶傳輸?shù)膯栴}。于是路由器成為網(wǎng)絡(luò)寬帶化的瓶頸。近年來高速路由器成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的熱點(diǎn)，繼吉比特 / 秒（ Gbit/s） 級路由器之后，太比特 / 秒（ TT）it/8） 級路由器也已問世。這 些髙速路由器的共同特點(diǎn)是采用了快速分組交

13、換技術(shù)。所以，今天的互聯(lián) 網(wǎng)已經(jīng)是一個巨大的采用寬帶傳輸和快速分組交換的國際性網(wǎng)絡(luò)。1.3 交換技術(shù)發(fā)展概述作為人類社會信息基礎(chǔ)設(shè)施的電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)都是社會發(fā)展過程中的產(chǎn)物。這些網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)人們的需求而產(chǎn)生，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而 發(fā)展。同樣，作為通信網(wǎng)核心技術(shù)的交換，一百多年來有了長足的進(jìn)步。交換的信號從模擬到數(shù)字，交換的機(jī)制從電路模式到分組模式，交換的控制從人工到自動，交換技術(shù)這些具有里程碑意義的發(fā)展和變化構(gòu)成了現(xiàn)代 通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。1.3.1 電路交換 如前所述，基于電路交換的電信網(wǎng)可根據(jù)用戶的請求提供端到端的連接通 路。但這是依靠一系列交換機(jī)協(xié)同動作來實(shí)現(xiàn)的。就某一臺交換機(jī)而言，

14、 它的任務(wù)只是按照要求將指定的輸人端口與輸出端口接通。交換機(jī)是一個 多輸人多輸出設(shè)備。為了使每一個輸人端口都能與任何一個輸出端口連 接，就需要大量的開關(guān)。這些開關(guān)需要編織成一定的結(jié)構(gòu)，通常稱為交換機(jī)的內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)( SwitchingFabrics), 又稱為“接續(xù)網(wǎng)絡(luò)” ，其中各開 關(guān)的狀態(tài)是由交換控制器設(shè)置的。1876 年貝爾發(fā)明電話以后， 首先出現(xiàn)的是人工交換機(jī)。 塞繩可以看作為這 種交換機(jī)的內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)， 而控制器的任務(wù)則由接線員完成。 1892 年開通 了世界上第一部步進(jìn)制自動交換機(jī)，它的接續(xù)網(wǎng)絡(luò)由電磁繼電器的接點(diǎn)組 成，它的控制器包含許多上升旋轉(zhuǎn)型選擇器，由用戶話機(jī)發(fā)出的撥號脈沖

15、信號直接控制。 1940 年前后，出現(xiàn)了縱橫制交換機(jī)，其接續(xù)網(wǎng)絡(luò)采用了機(jī) 電縱橫接線器( Crossbar) ，實(shí)際上是一個由繼電器控制的開關(guān)矩陣，它 的控制方式是共同控制， 由布線邏輯實(shí)現(xiàn)。 縱橫制交換機(jī)曾得到廣泛應(yīng)用， 一直延續(xù)到 20世紀(jì) 80 年代才被更先進(jìn)的程控交換機(jī)所取代。 程控交換機(jī)是由計(jì)算機(jī)存儲的程序進(jìn)行共同控制的交換機(jī)，其內(nèi)部交換網(wǎng) 絡(luò)不再由機(jī)電開關(guān)構(gòu)成，而由電子開關(guān)構(gòu)成。交換網(wǎng)絡(luò)又有模擬空分和數(shù) 字時分之別?，F(xiàn)在得到廣泛應(yīng)用的是數(shù)字時分程控交換機(jī)。作為電話交換機(jī)，它提供的連接通命所支持的基本速率是64kbit/s(即一個PCM舌路);作為 ISDN 交換機(jī)，它可支持 /Vx

16、64kbit/s(/V=l-30) 的速率；作為寬帶電 路交換機(jī)，它可支持準(zhǔn)同步數(shù)字序列(PDH和同步數(shù)字序列(SDH各個等 級的速率，如E1(2.048Mbit/s),E3(34.368Mbit/s),STM-1(155.52Mbit/s),STM-16(2.5Gbit/s) 以及 STM>64(lOGbit/s) 等。由此可見， 電路交換是一項(xiàng)既古老又在不斷發(fā)展和更新的技術(shù)。 迄今為止， 它仍然得到廣泛的應(yīng)用。這是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：它能根據(jù)用戶的需求 提供端到端的臨時專用通路，在建立連接之后端到端的傳送時延是恒定的，基本上等于路徑的電波傳播時延。這一特點(diǎn)使得它能很好地支持恒定 比特

17、率的電話和視頻業(yè)務(wù)。但是，正因?yàn)樗峁┑氖桥R時專用通路，當(dāng)占 用該通路的用戶不發(fā)任何信息時，該通路的容量也不可能被其他用戶所 用，所以其信道利用率是不高的。 當(dāng)用戶發(fā)送的業(yè)務(wù)具有很強(qiáng)的突發(fā)性時， 信道利用率就會很低。另外，它支持的傳輸速率是固定的，因而是不靈活 的。1.3.2 分組交換 如前所述，現(xiàn)代的電路交換是一種數(shù)字時分程控交換，它的技術(shù)基礎(chǔ)是同 步時分復(fù)用。 它利用周期性出現(xiàn)的傳輸幀來承載用戶信息，不同的信息 通路是根據(jù)時隙在周期性幀內(nèi)的位置來區(qū)分的，由此帶來了信道利用率 低、速率不靈活等缺點(diǎn)。分組交換是根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特征設(shè)計(jì)的，它的技 術(shù)基礎(chǔ)是異步時分復(fù)用（又稱統(tǒng)計(jì)時分復(fù)用） 。它利用

18、分組來承載用戶信 息，分組之間的間隔時間是可變的。因而發(fā)送速率是靈活可變的，而且當(dāng) 用戶無信息發(fā)送時，就可以不發(fā)分組，即不占用信道資源。 分組交換是伴隨計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)誕生的。 1969 年，出現(xiàn)了第一個計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)ARPANET同時也驗(yàn)證了分組交換及相應(yīng)的一整套通信協(xié)議。ARPANE最初只有四個交換節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間 鏈路的傳輸速率僅為 56kbit/8 。 1972 年， E-mail 的發(fā)明引起了該網(wǎng)絡(luò)的大發(fā)展，用戶數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)大大增加。1982-1983年，ARPANE采用TCP/IP協(xié)議集，從而可以將多個異質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起來，構(gòu)成更大的網(wǎng)絡(luò)。1986年，美國國家科學(xué)基金委員會 （NSF）,用NSFNE

19、T勺骨干網(wǎng)將其國內(nèi)的 多個區(qū)域 網(wǎng)絡(luò)互連起來，從而開始了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。 1990 年， ARPANET 被關(guān)閉。1991年，WWW (World Wide Web的發(fā)明，1995年，取消互聯(lián)網(wǎng)只能應(yīng)用于教育、科研和政府部門的限制，這兩者推動了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量和用 戶數(shù)的猛增。幾乎與此同時， 采用分組交換的公共數(shù)據(jù)網(wǎng) ( Packet Switched Public Data Network, PSPDN) 也得到發(fā)展。這些公用數(shù)據(jù)網(wǎng)均基于 ITU-T ( 原 CCITT) 的 X. 25 協(xié)議。于是，出現(xiàn)了兩種分組交換。一種是面向連接型的分組交換，又稱為虛電 路分組交換； 另一種是非連接型的分組交換

20、，又稱為數(shù)據(jù)報(bào)分組交換。前者的典型協(xié)議是 X_25;后者的典型協(xié)議是IP。經(jīng)過多年的平行發(fā)展之后，實(shí)踐證明， IP 成為主流的分組交換技術(shù)。1.3.3 快速分組交換 分組交換克服了電路交換信道利用率低、速率不靈活的缺點(diǎn)，但它的存儲 轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制又帶來新的問題。在每個交換節(jié)點(diǎn)，對于到達(dá)的每個分組都需要 作比較復(fù)雜的處理，如識別分組首部的協(xié)議控制信息(包括目的地址、源 點(diǎn)地址、業(yè)務(wù)類型等) 、選擇路由、排隊(duì)等待、調(diào)度輸出等，加上分組到 達(dá)的隨機(jī)性，流量難于控制，輸出速率有限等因素，使得分組在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部 的排隊(duì)等待時間有很大的隨機(jī)性。這就是說，分組的端到端傳送時延和時 延的抖動難于確保。為了解決這一問題，

21、在 1983 年前后，人們提出了快 速分組交換的概念。快速分組交換( FastPacket Switching,FPS), 又稱高速分組交換，仍然是 存儲轉(zhuǎn)發(fā)式交換， 但從多方面采取措施減小分組的轉(zhuǎn)發(fā)時延。 這些措施是： 簡化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，盡量通過硬件進(jìn)行分組的轉(zhuǎn)發(fā)處理;大大提高端口及相應(yīng)鏈路的傳輸速率； 采用固定長度的小分組，以便于用硬件實(shí)現(xiàn)分組交換。 光纖傳輸為前兩個措施的采用提供了可能。光纖傳輸?shù)碾x質(zhì)量（誤碼率小 于 10_9） 允許人們簡化鏈路層通信協(xié)議， 取消差錯控制所需要的反饋重傳； 采用寬帶光纖傳輸可大大提高鏈路的傳輸速率。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電 路的發(fā)展又為分組交換的硬件實(shí)現(xiàn)奠定了

22、基礎(chǔ)。這樣，一種采用定長小分組的快速分組交換體制就應(yīng)運(yùn)而生了。這個定長小分組被稱為信元（Cell） 。1988年，ITU-T（原CCOT第18研究組決定采用固定長度的信元作為信息傳送的基本單位，并將這種基于信元的復(fù)用與 交換體制命名為異步轉(zhuǎn)移模式（ Asynchionouo Transfer Mode,ATM） 。ATMI是一種高速'低時延的信息傳送方式，它采用基于信元的異步時分復(fù)用 和面向連接的快速分組交換技術(shù)。 1990-1993 年， ITU-T 制訂了關(guān)于 ATM 的一系列建議。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 ,信元的長度為 53字節(jié)（每宇節(jié)含 8比特），由5 字節(jié)的標(biāo)頭域和 48 字節(jié)的載荷域組成

23、。信元標(biāo)頭的主要功能是作為連接 標(biāo)識，使信元按選定的路由在網(wǎng)內(nèi)流動；載荷域用于承栽用戶信息與控制 管理信息。ATM繼承電路交換面向連接的特點(diǎn)，在建立連接階段可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由計(jì) 算功能，實(shí)現(xiàn)帶寬等資源的分配， 通過連接接納控制可限制進(jìn)網(wǎng)的業(yè)務(wù)量， 因而可提供QoS保證。ATM又繼承分組交換的特點(diǎn)，采用異步時分復(fù)用， 以10%左右的標(biāo)頭幵銷為代價，換取較髙的信道利用率。ATM信元長度雖然固定，但信元之間的間隔可變，因而傳輸速率靈活，既可支持恒定比特 率業(yè)務(wù)，也可支持可變比特率業(yè)務(wù)。所以，ITU-T將ATM確定為B-ISDN的 目標(biāo)轉(zhuǎn)移模式。但是 ATM采用面向連接的方式也有缺點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)連接控制，

24、就需要一套復(fù)雜的信令系統(tǒng)；在傳送短消息的情況下，建立連接階段 的時間開銷使信道利用率低下；對于變速率收務(wù)，如何分配帶寬的問題始 終沒有很好的解決辦法。1.3.4 標(biāo)記交換ATM可支持恒定比特率業(yè)務(wù)。這類業(yè)務(wù)是電路交換能夠很好支持的業(yè)務(wù)， 故又稱為電路仿真業(yè)務(wù)。通過不太復(fù)雜的適配協(xié)議，ATM就可直接支持電話、視頻通信等應(yīng)用。ATM也可支持可變比特率業(yè)務(wù)，其中主要是計(jì)算機(jī) 的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今日，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都已掛在互聯(lián)網(wǎng)上， 而互聯(lián)網(wǎng)采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是IP。因此，ATM要有用武之地，必 須支持IP o 另一方面，IP也需要ATM技術(shù)的支持以解決 QoS問題。這樣，客觀上就出 現(xiàn)了融合IP

25、與ATM這兩種技術(shù)的需要。在研究和發(fā)展的過程中，曾提出 過多種方案，如經(jīng)典的 ATM 承載 IP (Classical IP Over ATM, IPOA) 、 ATM 承載多協(xié)議( Multiple Protocol Over ATM, MPOA) 、 IP 交換( IP Switch in g)、標(biāo)簽交換(Tag Switch in g)等。發(fā)展結(jié)果是多協(xié)議標(biāo)記交換(Multi-Protocol Label Switching, MPLS)成為 ATM與 IP 融合的主流技術(shù)。MPLS是 1997年由互聯(lián)網(wǎng)工程部(Internet Engineering Task Force, IETF)

26、 提出的。作為互聯(lián)網(wǎng)的一種骨干網(wǎng)，如圖1-9所示，MPLS網(wǎng)絡(luò)由標(biāo)記交換邊緣路由器LER標(biāo)記交換(中間)路由器LSR及連接它們的傳輸鏈路構(gòu) 成。標(biāo)記交換的基本思想是：在數(shù)據(jù)分組首部的前面附加一個短的固定長度的 標(biāo)記，在骨干網(wǎng)內(nèi)不是依據(jù)分組首部的地址信息，而是依據(jù)這個標(biāo)記來進(jìn) 行分組的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理簡述如下。(1) 待傳的數(shù)據(jù)分組流首先在人口 LER 處被分類，然后匯聚成不同的轉(zhuǎn)發(fā) 等價類 (Forwarding Equivalence Class, FEC) 。 FEC 可以看作是一批沿 著相同路徑流動，并要求作同樣轉(zhuǎn)發(fā)處理的分組。例如，人們可以將目的 地址相同的那些分

27、組歸并為一個 FEC,也可以將目的子網(wǎng)地址相同的分組 歸并為一個FEC,還可以將目的子網(wǎng)地址相同、QoS要求也相同的分組歸并 為一個 FEC。采用原有的IP路由協(xié)議(如OSPF,BGP為FEC選擇路徑。使用標(biāo)記分配協(xié)議LDP為各個FEC分配標(biāo)記，并建立相應(yīng)的標(biāo)記交換路徑 (Label Switching Path, LSP) 標(biāo)記一般只具有本地意義，因此在 LER 處 要建立分組首部與標(biāo)記的映射關(guān)系，在每個LSR處要建立輸人標(biāo)記與輸出標(biāo)記的對應(yīng)關(guān)系。人口 LER接收到達(dá)的分組，識別分組首部，給分組打上標(biāo)記。LSP途徑的各LSR識別輸人分組的標(biāo)記，根據(jù)該標(biāo)記將其轉(zhuǎn)發(fā)到適當(dāng)?shù)妮?出端口，并更換標(biāo)記

28、。出口 LER刪除標(biāo)記，將分組轉(zhuǎn)發(fā)給目的IP子網(wǎng)。由上述標(biāo)記交換的原理可以看出，ATM交換也是一種標(biāo)記交換，ATM信元標(biāo)頭中的連接標(biāo)識 VPI，VCI就是一種標(biāo)記。因此 MPLS可以看成ATM交換 技術(shù)與IP路由技術(shù)的結(jié)合。MPLS吸取ATM的優(yōu)點(diǎn)，采用面向連接的交換 機(jī)制，利用IP路由協(xié)議為FEC建立LSP。在LSP的建立過程中，可以實(shí)現(xiàn) 帶寬分配、接納控制、流量均衡、QoS路由等技術(shù)，從而有利于保證服務(wù)質(zhì)量。在MPLS網(wǎng)內(nèi)，各個節(jié)點(diǎn)只按照標(biāo)記進(jìn)行分組的轉(zhuǎn)發(fā)，而標(biāo)記轉(zhuǎn)發(fā) 信息表的規(guī)模遠(yuǎn)小于 IP 路由表的規(guī)模，因而査表時間大為減小，即分組 的轉(zhuǎn)發(fā)速度顯著提髙?？傊鄬?IP而W, MPL5

29、提高了分組轉(zhuǎn)發(fā)的速度， 可以提供QoS保證。相對于ATM而言，MPLS引人了轉(zhuǎn)發(fā)等價類 FEC的概念, MPLS的 一個連接通路為一個 FEC的邊緣到邊緣的傳送服務(wù)，也就是為匯 聚分組流的傳送服務(wù)。因此，MPLS的連接將會持續(xù)更長的時間，為建立連 接花費(fèi)的開銷比例大為減小。MPLS在具有以上優(yōu)點(diǎn)的同時，仍然存在以下問題。MPLS的面向連接的交換機(jī)制與IP的無連接本性仍存在矛盾，它只能用于 互聯(lián)網(wǎng)的骨干網(wǎng)，而不能作為互聯(lián)網(wǎng)的統(tǒng)一的交換體制。因而，在邊緣節(jié) 點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)IP與MPLS協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，增加了復(fù)雜性。如果LSP采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動方式建立的話，那么僅當(dāng)某個FEC的第一個分組到達(dá)時，入口 LER才

30、能幵始LSP的建立過程。因?yàn)樾枰谌丝?LER與出口 LER之間往返傳送標(biāo)記分發(fā)消息，此過程至少需要經(jīng)歷一個往返傳輸時間。 在這段時間內(nèi)到達(dá)的厲于該 FEC的分組都得在人口 LER中排隊(duì)等待或者按 傳統(tǒng)的 IP 方式轉(zhuǎn)發(fā)。這一過程引起的時延是不可忽略的。給各LSP分配多大帶寬，仍是一個問題。1.4 交換機(jī)的一般組成與各部分的功能 電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)盡管有許多不同點(diǎn)，但它們都是由許多節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的 傳輸鏈路構(gòu)成的，而節(jié)點(diǎn)又分為端節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)。中間節(jié)點(diǎn)的功能是交 換，由交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。交換機(jī)是一種多輸入多輸出設(shè)備，其基本任務(wù)是根據(jù) 用戶的要求將信息從輸入端口轉(zhuǎn)發(fā)到指定的輸出端口。為此，交換機(jī)一般由交換

31、網(wǎng)絡(luò)、控制器和接口三大部分組成，如圖 1-10 所示 交換網(wǎng)絡(luò)（ SwitchingFabrics） 執(zhí)行交換機(jī)的傳送面功能。從原理上看， 最基本的交換網(wǎng)絡(luò)是一個交叉接點(diǎn)（ Crossbar） 矩陣，它提供任意輸人與 輸出之間的可控制的連接。圖 11 示出一個 4x4 的交叉接點(diǎn)矩陣，每個接 點(diǎn)的開關(guān)有兩種狀態(tài)：交叉連接（ Cross） 或平行連接（ Bar） 。如果要使第 *' 條輸人線與第）條輸出線連通，那么，只要令相應(yīng)交叉點(diǎn)的開關(guān)處于平 行連接狀態(tài)，而讓這兩條線上的其他開關(guān)保持交叉連接狀態(tài)即可。當(dāng)然， 實(shí)際的交換網(wǎng)絡(luò)要復(fù)雜得多，它可能是單個的 Crossbar 交換器或交換單 元

32、，也可能是由許多交換單元組成的多級交換網(wǎng)絡(luò)。對于分組型的交換網(wǎng) 絡(luò)，在交換單元的輸人端或輸出端，還可能設(shè)有緩沖器?？刂破?Controller） 執(zhí)行交換機(jī)的控制面功能?？刂破鞯幕救蝿?wù)是控 制上述交換網(wǎng)絡(luò)各開關(guān)的狀態(tài)。對于面向連接的交換方式，它必須具有信 令功能，即接收、處理和發(fā)送信令，以實(shí)現(xiàn)呼叫連接控制的全過程，包括 連接的建立、維持和釋放。對于非連接的交換方式，它的基本功能是實(shí)現(xiàn) 路由控制， 包括路由表的建立和更新、 路由表的查找、 路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)等； 在確定了到達(dá)分組的路由之后，再去控制交換網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)，將分組引導(dǎo)到 正確的輸出端口。交換網(wǎng)絡(luò)中各開關(guān)狀態(tài)的保持時間，對于不同的交換機(jī)制是大

33、不相同的。 對空分電路交換而言，交叉開關(guān)的保持時間等于一個呼叫的持續(xù)時間，大 約幾秒至幾百秒；對數(shù)字同步時分電路交換而言，交叉開關(guān)的保持時間等 于一個時隙（通常是一個字節(jié)）的持續(xù)時間；對分組交換來說，該保持時 間等于一個分組的持續(xù)時間；對 ATM交換來說，該保持時間等于一個信元的持續(xù)時間 接口（ Interfaces） 是交換機(jī)與各種傳輸鏈路的界面，是交換機(jī)對外服務(wù) 的窗口。 接人交換機(jī)和邊緣交換機(jī)的接口包括用戶線接口和中繼線 （干線） 接口，而用戶線有模擬和數(shù)字之分，數(shù)字用戶線又有多種不同的速率和不 同的傳輸協(xié)議，因此需要多種接口，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的適配功能 u 核心交換機(jī) 的接口種類相對簡單，只

34、需要有中繼線接口，但要求高速處理。1.5 交換機(jī)的主要性能指標(biāo)衡量交換機(jī)性能的主要技術(shù)指標(biāo)有：交換容量、阻塞率、時延、差錯率、 接口類型及速率、可靠性等。交換容童是交換機(jī)所能提供的最大吞吐董， 即最大的信息轉(zhuǎn)發(fā)能力。傳統(tǒng)的電話交換機(jī)的容量通常用額定的話路數(shù)表 示。現(xiàn)代交換機(jī)的容量往往用速率單位 bit/s 度童。交換容最主要取決于 內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)的端口數(shù)、端口速率及交換結(jié)構(gòu)。例如，設(shè)端口數(shù)=8, 每個端口的速率為及=2.5Gbit/s,交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部無阻塞，則交換容量 C=N+R=200Gbit/8。交換機(jī)實(shí)際運(yùn)行時的吞吐量往往小于其容量，這是因 為每個端口不可以滿負(fù)荷（即達(dá)到 100%的利用率）的工作。阻塞率是交換機(jī)內(nèi)部資源全部被占用的概率。這里的資源，主要指帶寬和 緩沖器。 對于電路交換而言， 阻塞使得呼叫連接請求被拒絕， 常稱為呼損， 所以按時間計(jì)算的呼損率就等于阻塞率。對于分組交換而言，阻塞引起分 組的丟失，所以分組的丟失率就等于阻塞率。時延分為信令處理時延和分組轉(zhuǎn)發(fā)時延。