第一章現(xiàn)代交換原理概論

1、現(xiàn)代交換原理（第三版）現(xiàn)代交換原理（第三版）金惠文等編著中山大學南方學院溫慧妍公共郵箱ntelecomswitching126.omn密碼：10tongxinn參考資料：卞佳麗等編現(xiàn)代交換原理與通信網技術北京郵電大學出版社，2005 課程說明n總成績=平時成績（45%）十卷面考試（55%）n平時成績包含作業(yè)、小組論文和考勤，作業(yè)包括3040道小題，占總成績20%，小組論文占總成績25%。n考勤作為平時成績參考因素，缺課超過1/3課時以上取消平時成績。 第第 1 章章 概論概論n1.1 交換與通信網n1.2 電話交換n1.3 數據交換n1.4 寬帶交換技術n1.5 光交換技術n1.6 軟交換技術

2、終端終端傳輸媒介傳輸媒介終端終端電信號電信號電信號電信號信息信息信息信息點對點通信點對點通信在電信系統(tǒng)中，只有兩個終端的通信稱為點對點通信。在電信系統(tǒng)中，只有兩個終端的通信稱為點對點通信。1.1 交換與通信網交換與通信網點對點通信舉例點對點通信舉例話音話音數據數據圖1.1 用戶間互連構成通信網用戶間通過交換設備構成通信網圖1.2多個終端互連多個終端互連 在圖在圖1.2中，任意兩個終端需要通信（交換信息），可中，任意兩個終端需要通信（交換信息），可由交換設備控制相應的開關接點接通，為兩者提供一條由交換設備控制相應的開關接點接通，為兩者提供一條通信鏈路，當通信結束，則相應的開關接點斷開，釋放通信鏈

3、路，當通信結束，則相應的開關接點斷開，釋放通信鏈路。通信鏈路。n互連式通信網可靠，不會出現(xiàn)通信阻塞，但成本高（需互連式通信網可靠，不會出現(xiàn)通信阻塞，但成本高（需 n(n-1)/2根線）。根線）。n通過交換設備構成的通信網有可能出現(xiàn)阻塞（不是一定通過交換設備構成的通信網有可能出現(xiàn)阻塞（不是一定會阻塞），成本低。會阻塞），成本低。n通信網越大，后者的優(yōu)點越明顯。通信網越大，后者的優(yōu)點越明顯。 如如N=100時，時， 交換式通信網需交換式通信網需100根線根線 互連式通信網需互連式通信網需100992=4950根線根線說明說明終端用戶小交換機市話交換機匯接交換機中繼線用戶線大型通信網大型通信網結論結

4、論 交換設備交換設備是通信網的重要組是通信網的重要組成部分，交換設備的好壞決定了成部分，交換設備的好壞決定了通信網的好壞。通信網的好壞。通信網三要素通信網三要素組成通信網的三個基本要素： 終端終端： 傳輸線路傳輸線路： 交換設備交換設備：將消息（話音、圖像、數據）轉換成媒介能夠接受的電信號形式，同時將來自傳輸媒介的電信號還原成原始消息。如：電話機、 傳真機、計算機或稱傳輸媒介，信息的傳輸通道。如：電纜、光纜、無線電波。負責在任意的兩條用戶之間建立和（而后）釋放一條通信鏈路。如：交換機、路由器。12各種交換方式各種交換方式q電路交換電路交換q報文交換報文交換q分組交換分組交換q幀中繼幀中繼qAT

5、M交換交換qIP交換交換q光交換光交換q軟交換軟交換13CTM-Circuit Transfer ModePTM-Packet Transfer ModeATM-Asynchronous Transfer Mode各種交換方式各種交換方式IP交換交換多多速速率率電電路路交交換換快快速速電電路路交交換換ATMATM交交換換幀幀中中繼繼報報文文交交換換電電路路交交換換分分組組交交換換光交換光交換PTMCTM 控制方式的發(fā)展：控制方式的發(fā)展：交換方式的發(fā)展：交換方式的發(fā)展：人工交換人工交換機電式機電式電子式電子式自動交換自動交換電路交換電路交換報文交換報文交換分組交換分組交換快速電快速電路交換路交換

6、ATM交換交換幀中繼幀中繼多協(xié)議標記多協(xié)議標記交換交換MPLS三種基本三種基本交換方式交換方式寬帶交換方式寬帶交換方式軟交換軟交換單一業(yè)務網寬帶綜合業(yè)務網下一代網絡光交換光交換1.2 電話交換電話交換n呼叫建立呼叫建立：主叫方通過撥號的方式通知網絡被叫方的電話號碼，：主叫方通過撥號的方式通知網絡被叫方的電話號碼，網絡根據被叫方的號碼在主叫與被叫之間建立一條通路。網絡根據被叫方的號碼在主叫與被叫之間建立一條通路。n主叫和被叫進行通信，通話過程中雙方所占用的通道將不為其他主叫和被叫進行通信，通話過程中雙方所占用的通道將不為其他用戶使用。用戶使用。n呼叫釋放呼叫釋放： 完成通信后，主叫或被叫掛機，通

7、知網絡可以釋放通完成通信后，主叫或被叫掛機，通知網絡可以釋放通信信道。信信道。n本次通信過程所占用的信道釋放后可以被其他通信過程使用，這本次通信過程所占用的信道釋放后可以被其他通信過程使用，這種交換方式稱為種交換方式稱為電路交換方式電路交換方式。電話交換機n世界上第一代電話交換機采用的是空分電路交換方式，利用接點等開關元件構成電路交換網絡。1.3 數據交換數據交換1.3.1 數據通信和話音通信的區(qū)別數據通信和話音通信的區(qū)別n通信對象不同n傳輸可靠性不同n通信的平均持續(xù)時間和通信建立請求響應不同n通信過程中信息業(yè)務量特性不同1.3.2 利用電話網絡進行數據傳輸利用電話網絡進行數據傳輸n電話網絡主

8、要業(yè)務為電話、圖文傳真、低速數據、慢速圖像。n電話網絡是用于傳輸0.33.4kHz模擬話音信號，如果要使用這樣的信道傳輸數據信息，在發(fā)送端必須有相應的設備把數字數據信號轉換成模擬信號（這個過程稱為調制），在接收端必須將相應的模擬信號回復成數字數據信號（這個過程稱為解調）。這個能完成調制和解調功能的這個設備稱為調制解調器（Modem）。優(yōu)缺點優(yōu)缺點n優(yōu)點：簡單。只要求用戶擁有計算機、調制解調器和電話線就可以連接到Internet。n缺點：傳輸速率低；信道利用率低。20交換節(jié)點交換節(jié)點A交換節(jié)點交換節(jié)點B交換節(jié)點交換節(jié)點C建立建立傳送傳送釋放釋放電路交換的基本過程電路交換的基本過程1.3.3 電路

9、交換電路交換 (Circuit Switching)21 通信之前先建立通路，通信時通信之前先建立通路，通信時通路獨占，通信結束，通路釋放。通路獨占，通信結束，通路釋放。實時性好，線路利用率差。實時性好，線路利用率差。電路交換的特點電路交換的特點電路交換的缺點電路交換的缺點n電話通信網中的話音業(yè)務，具有實時性強、可靠性要求不高的特點，而電路交換不管是其面向連接的特點，還是對信息無差錯控制、透明傳輸以及基于呼叫損失的流量控制特點，都滿足了話音業(yè)務的特性，因而電話通信網采用電路交換方式。 n電路交換由于無差錯控制機制，因而對數據交換的可靠性沒有分組交換高，不適合對差錯敏感的數據業(yè)務；同時由于電路交

10、換采用固定帶寬分配方式，因而其電路利用率低、不適合突發(fā)（ burst ）業(yè)務。電路交換適合于實時性、恒定速率的業(yè)務。 將整個報文信息（報頭將整個報文信息（報頭+正文正文+報尾）在網絡的報尾）在網絡的每個節(jié)點處（交換局）都是先存儲，等輸出線路空每個節(jié)點處（交換局）都是先存儲，等輸出線路空閑再轉發(fā)，直至送達目的地。閑再轉發(fā)，直至送達目的地。特點：特點：無需建立通路（無連接），實時性差，線無需建立通路（無連接），實時性差，線路利用率好（可在非高峰時期傳送）。適用于公路利用率好（可在非高峰時期傳送）。適用于公眾電報和電子信箱業(yè)務。眾電報和電子信箱業(yè)務。1.3.4 報文交換報文交換 （Message S

11、witching）優(yōu)缺點優(yōu)缺點n主要優(yōu)點：以存儲轉發(fā)的方式實現(xiàn)不同終端之間的通信；比較高的線路利用率；沒有呼叫損失。n主要缺點：時延大；對交換機要求具有高速的處理能力和大的存儲容量；不適用于即時交互式的數據通信。n 將報文分成若干個分組（將報文分成若干個分組（packet)，每個分組要加上分，每個分組要加上分組頭，然后以分組為存儲轉發(fā)單位逐節(jié)點轉發(fā)，到達目組頭，然后以分組為存儲轉發(fā)單位逐節(jié)點轉發(fā)，到達目的地再按編號組裝成原報文。的地再按編號組裝成原報文。n 分組交換有兩種工作模分組交換有兩種工作模式：式：數據報數據報、虛電路虛電路方式。方式。n分組交換的特點：分組交換的特點：實時性實時性較好，

12、線路利用率高。較好，線路利用率高。1.3.5 分組交換分組交換 （Packet Switching）數據報數據報n數據報方式：以分組為基本單位逐節(jié)點數據報方式：以分組為基本單位逐節(jié)點轉發(fā)，且不同分組可沿不同的路徑傳輸，轉發(fā)，且不同分組可沿不同的路徑傳輸，類似報文交換。類似報文交換。n 首先網絡在通信兩端建立邏輯連接，然后首先網絡在通信兩端建立邏輯連接，然后 用戶數據以分組為單位沿該路徑順序傳送到用戶數據以分組為單位沿該路徑順序傳送到達終點（逐節(jié)點轉發(fā)）。類似于電路交換，達終點（逐節(jié)點轉發(fā)）。類似于電路交換，但通路不是一直占用。但通路不是一直占用。虛電路虛電路虛電路工作方式數據報工作方式數據報方

13、式的每個分組頭中要包含詳細的目的數據報方式的每個分組頭中要包含詳細的目的地址地址虛電路方式由于預先已建立邏輯連接對應關系虛電路方式由于預先已建立邏輯連接對應關系(保存在交換機保存在交換機)，分組頭中只要含有對應于所，分組頭中只要含有對應于所建立的建立的VC的邏輯信道標識的邏輯信道標識虛電路與數據報的比較虛電路與數據報的比較分組頭分組頭VC方式預先有建立過程，但一旦虛電路建立方式預先有建立過程，但一旦虛電路建立，在端到端之間所選定的路由上的各個交換，在端到端之間所選定的路由上的各個交換節(jié)點都具有映象表，存放出入邏輯信道的對節(jié)點都具有映象表，存放出入邏輯信道的對應關系，每個分組到來時只要查找映象表

14、，應關系，每個分組到來時只要查找映象表，而不需要進行復雜的選路。而不需要進行復雜的選路。DG方式則不需要有建立過程，但對每個分組方式則不需要有建立過程，但對每個分組都要獨立地進行選路。都要獨立地進行選路。虛電路與數據報的比較虛電路與數據報的比較選路選路VCVC方式中，屬于同一呼叫的各個分組在同方式中，屬于同一呼叫的各個分組在同一條虛電路上傳送，分組會按原有順序到一條虛電路上傳送，分組會按原有順序到達終點，不會產生失序現(xiàn)象。達終點，不會產生失序現(xiàn)象。DGDG方式中，各個分組由于是獨立選路，可方式中，各個分組由于是獨立選路，可以從不同的路由轉送，會引起失序。以從不同的路由轉送，會引起失序。虛電路與

15、數據報的比較虛電路與數據報的比較分組順序分組順序VC方式對故障較為敏感，當傳輸鏈路或交換方式對故障較為敏感，當傳輸鏈路或交換節(jié)點發(fā)生故障時可能引起虛電路的中斷，需節(jié)點發(fā)生故障時可能引起虛電路的中斷，需要要重新建立重新建立。有些分組網具有再連接功能，出現(xiàn)故障時可自動有些分組網具有再連接功能，出現(xiàn)故障時可自動建立新的虛電路，并做到不丟失用戶數據建立新的虛電路，并做到不丟失用戶數據,例如例如: 可以通過與故障點最近的交換機恢復可以通過與故障點最近的交換機恢復DG方式中各個分組可選擇不同路由，對故方式中各個分組可選擇不同路由，對故障的防衛(wèi)能力較強，從而可靠性較高。障的防衛(wèi)能力較強，從而可靠性較高。虛電

16、路與數據報的比較虛電路與數據報的比較故障敏感性故障敏感性VC方式適用于方式適用于較連續(xù)的數據流較連續(xù)的數據流傳送，其持傳送，其持續(xù)時間應顯著地大于呼叫建立的時間，如續(xù)時間應顯著地大于呼叫建立的時間，如文件傳送、傳真業(yè)務等。文件傳送、傳真業(yè)務等。DG方式則適用于面向事務的詢向響應型方式則適用于面向事務的詢向響應型數據業(yè)務。數據業(yè)務。虛電路與數據報的比較虛電路與數據報的比較應用應用優(yōu)缺點優(yōu)缺點n優(yōu)點：靈活；傳輸時延??；信道利用率高；可靠性高；經濟性好。n缺點：由網絡附加的傳輸信息較多，傳輸長報文的效率比較低；技術實現(xiàn)復雜。 報文交換的時延報文交換的時延 分組交換的時延分組交換的時延分組交換和報文交

17、換比較分組交換和報文交換比較整段完整信息傳輸整段完整信息傳輸切分為小塊傳輸切分為小塊傳輸三種基本交換方式的比較三種基本交換方式的比較電路交換報文交換分組交換通路建立時間長中短實時性好差中交互性好差中線路利用率低中高協(xié)議處理簡單中復雜終端一致性要求不要求不要求1.4 寬帶交換技術寬帶交換技術1.4.1 電信業(yè)務和媒體傳輸特性電信業(yè)務和媒體傳輸特性n隨著技術的發(fā)展和人們需求的增加，信息傳輸的媒體方式由單一的話音傳輸向話音、數據、文本、圖形、動畫和圖像、視頻復合的多媒體信息轉化。n新一代的業(yè)務傳輸具有與傳統(tǒng)話音或文本數據所不同的傳輸特性：n傳輸要求具有不同的速率，具有不同的突發(fā)性。n具有不同的誤差要

18、求和時延要求。1.4.2 快速電路交換快速電路交換n電路交換固定分配帶寬，不能適應突發(fā)業(yè)務。電路交換固定分配帶寬，不能適應突發(fā)業(yè)務。n快速電路交換快速電路交換：當呼叫建立時，在呼叫連接上：當呼叫建立時，在呼叫連接上的所有交換節(jié)點要在相應的路由上分配所需的的所有交換節(jié)點要在相應的路由上分配所需的帶寬，帶寬，與電路交換不同的是交換節(jié)點只記住所與電路交換不同的是交換節(jié)點只記住所分配的帶寬和相應路由連接關系，而不完成實分配的帶寬和相應路由連接關系，而不完成實際的物理連接際的物理連接。當用戶真正要傳送信息時，才。當用戶真正要傳送信息時，才根據事先分配的帶寬和建立的連接關系，建立根據事先分配的帶寬和建立的

19、連接關系，建立物理連接；當沒有信息傳送時，則拆除該物理物理連接；當沒有信息傳送時，則拆除該物理連接。由此可知，快速電路交換是在要傳送用連接。由此可知，快速電路交換是在要傳送用戶信息時才連接物理傳輸通道，即戶信息時才連接物理傳輸通道，即只在信息要只在信息要傳送時才使用所分配的帶寬和相關資源傳送時才使用所分配的帶寬和相關資源，因而，因而它提高了帶寬的利用率。它提高了帶寬的利用率。 快速電路交換的特點快速電路交換的特點 n由于并不為每個呼叫專門分配和保留其所需的帶寬，因此提高了帶寬 的使用效率。n物理連接的建立和拆除要有相當高的速度。n由于只有當信息發(fā)送時才建立真正的連接，因此時延比通常的電路交換要

20、大。n快速電路交換雖然也提高了帶寬的利用率，但控制復雜，其靈活性比不上快速分組交換，故未得到廣泛應用。1.4.3 快速分組交換快速分組交換幀中繼幀中繼數據傳輸協(xié)議數據傳輸協(xié)議X.25n采用虛電路復用方式提高信道利用率，減少網絡傳輸的費用。n在網絡相鄰結點的傳輸通路上執(zhí)行差錯控制協(xié)議，保證相鄰網絡結點之間傳輸的數據正確性。n采用流量控制，保證線路上傳輸的數據不超過信道容量。nX.25協(xié)議規(guī)定了較豐富的控制功能，獲得了很高的可靠性，但卻導致了分組通過網絡的傳輸時延比較大。幀中繼技術幀中繼技術n幀中繼采用的是永久虛電路方式。n取消了X.25協(xié)議的數據差錯控制，將由網絡完成的差錯控制由終端完成。網絡只

21、進行差錯檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯誤就把分組丟棄。n幀中繼數據傳輸的基本數據單元是幀，幀是數據鏈路層的概念。幀的格式做了簡化，去掉了有關進行鏈路差錯控制的幀中的域。n幀中繼數據傳輸采用數據鏈路連接標志符（DLCI）。DLCI指明數據傳輸的通道，填入交換機的路由表中，指示信息傳輸的通道，并沒有分配網絡資源。永久虛電路永久虛電路(PVC)n應用戶預約，由網絡運營者為之建立固應用戶預約，由網絡運營者為之建立固定的虛電路，而不需在呼叫時臨時建立定的虛電路，而不需在呼叫時臨時建立虛電路，可直接進入數據傳送階段的方虛電路，可直接進入數據傳送階段的方式。式。分組交換與幀中繼的比較分組交換與幀中繼的比較 固定長度的信元

22、固定長度的信元信元信元(cell)只有只有53個字節(jié)個字節(jié)(byte)，其中開頭，其中開頭5個字節(jié)稱個字節(jié)稱為信頭為信頭(cell header)，其余，其余48個字節(jié)為信息域，或稱為個字節(jié)為信息域，或稱為凈荷凈荷(pay load)。q采用很短的信元可以減少交換節(jié)點內部的緩沖器容量以及排采用很短的信元可以減少交換節(jié)點內部的緩沖器容量以及排隊時延和時延抖動。隊時延和時延抖動。q信元的長度固定，則有利于簡化交換控制和緩沖器管理信元的長度固定，則有利于簡化交換控制和緩沖器管理。面向連接面向連接ATM采用面向連接的方式。即用戶信息傳送前，先要有連接建立采用面向連接的方式。即用戶信息傳送前，先要有連接

23、建立過程，在信息傳送結束后，要拆除連接。它不是物理連接，而是一種過程，在信息傳送結束后，要拆除連接。它不是物理連接，而是一種虛連接虛連接(VC：Virtual Connection)。ATM交換交換-異步傳送模式異步傳送模式取消差錯控制和流量控制取消差錯控制和流量控制ATM運行在誤碼率很低的光纖傳輸網上，同時預運行在誤碼率很低的光纖傳輸網上，同時預約資源機制保證網絡中傳輸的負載小于網絡的傳輸約資源機制保證網絡中傳輸的負載小于網絡的傳輸能力，因此取消了傳輸鏈路上的差錯控制和流量控能力，因此取消了傳輸鏈路上的差錯控制和流量控制。如果出現(xiàn)差錯，則由終端設備判斷和處理。制。如果出現(xiàn)差錯，則由終端設備判

24、斷和處理。信頭簡化信頭簡化 ATM信元的信頭功能有限，主要是虛連接的標識，信元的信頭功能有限，主要是虛連接的標識，還有優(yōu)先級標志、信頭的差錯檢驗等。還有優(yōu)先級標志、信頭的差錯檢驗等。ATM交換交換同步時分（時間位置、物理信道）同步時分（時間位置、物理信道） (STD(STD：Synchronous Time Division) Synchronous Time Division) 異步時分（標記、物理信道）異步時分（標記、物理信道） (ATD(ATD：Asynchronous Time Division)Asynchronous Time Division)時分交換時分交換ATD與STD的概念

25、 ATMATM技術是以技術是以分組傳送分組傳送模式為基礎，融合了模式為基礎，融合了電路電路傳送傳送模式高速化的優(yōu)點發(fā)展而成的。模式高速化的優(yōu)點發(fā)展而成的。ATMATM克服了克服了STMSTM不能適應任意速率業(yè)務，難以導入不能適應任意速率業(yè)務，難以導入未知新業(yè)務的缺點；未知新業(yè)務的缺點；簡化了分組通信中的協(xié)議，并由硬件對簡化的協(xié)簡化了分組通信中的協(xié)議，并由硬件對簡化的協(xié)議進行處理，交換節(jié)點不再對信息進行流量控制議進行處理，交換節(jié)點不再對信息進行流量控制和差錯控制，從而極大地提高了網絡的傳輸處理和差錯控制，從而極大地提高了網絡的傳輸處理能力。能力。ATM交換的優(yōu)點交換的優(yōu)點IP: 流行通信協(xié)議，為

26、互連的異種物理網絡提供了統(tǒng)一的流行通信協(xié)議，為互連的異種物理網絡提供了統(tǒng)一的IP地址，從而屏蔽了下層物理網絡地址的差異性，統(tǒng)一地址，從而屏蔽了下層物理網絡地址的差異性，統(tǒng)一了異種網絡地址，保證了異種網絡互通。了異種網絡地址，保證了異種網絡互通。IP over ATM有兩種模式：疊加模型有兩種模式：疊加模型,集成模型集成模型Internet已取得了巨大成功，但隨著用戶量的急劇增加，已取得了巨大成功，但隨著用戶量的急劇增加，由多層路由器構成的網絡已趨于飽和，網絡經常阻塞，由多層路由器構成的網絡已趨于飽和，網絡經常阻塞，用戶的業(yè)務質量得不到保證，為此需用用戶的業(yè)務質量得不到保證，為此需用ATM技術對

27、傳統(tǒng)技術對傳統(tǒng)的的Internet網絡進行改進。網絡進行改進。IP交換和標記交換就是交換和標記交換就是ATM技術與技術與IP路由技術結合的兩路由技術結合的兩個產物，最后這兩種產物技術統(tǒng)一成一個標準個產物，最后這兩種產物技術統(tǒng)一成一個標準多協(xié)議標多協(xié)議標記交換記交換MPLS。IP交換和標記交換交換和標記交換1.5 光交換技術光交換技術 光技術在信息的傳輸中已得到廣泛應用，特別是在光技術在信息的傳輸中已得到廣泛應用，特別是在B-ISDN中幾乎所有的傳輸都采用光纖傳輸，而目前的交中幾乎所有的傳輸都采用光纖傳輸，而目前的交換機都是電交換機，采用光交換已是迫切需要。光交換換機都是電交換機，采用光交換已是迫切需要。光交換技術的傳輸路徑采用空分、時分和波分的交換方式。技術的傳輸路徑采用空分、時分和波分的交換方式。光電光電電光電光電 交 換光光電電光光電電電電光光電電光光電電 交交 換換光信號光信號光信號光信號光光 交交 換換光信號光信號光交換的優(yōu)點光交換的優(yōu)點n減少了光電轉換的損傷。光信號的抗干減少了光電轉換的損傷。光信號的抗干擾能力遠遠高于電信號。擾能力遠遠高