數(shù)字交換技術(shù)應(yīng)用綜述

1、數(shù)字交換技術(shù)應(yīng)用綜述1第1章 概論交換技術(shù)是通信網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，交換技術(shù)的發(fā)展與通信網(wǎng)的發(fā)展是分不開(kāi)的。通信網(wǎng)主要包括交換節(jié)點(diǎn)、傳輸線路與終端設(shè)備。即交換技術(shù)與終端業(yè)務(wù)、傳輸技術(shù)必須相適應(yīng)。21.交換的概念與交換基本過(guò)程1.1 交換的概念通信的目的是實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。當(dāng)存在多個(gè)終端，且希望它們中的任何兩個(gè)都可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，最直接的方法是把所有終端兩兩相連，如圖1所示。這樣的一種連接方式稱為全互連式。3全互連式存在下列一些缺點(diǎn)：(1)當(dāng)存在N個(gè)終端時(shí)需用線對(duì)數(shù)為N(N1)2，即線對(duì)數(shù)量隨終端數(shù)的平方增加。(2)當(dāng)這些終端分別位于相距很遠(yuǎn)的兩地時(shí)，兩地間需要大量的長(zhǎng)途線路。(3)每個(gè)終端

2、都有N-1對(duì)線與其他終端相接，因而每個(gè)終端需要N-1個(gè)線路接口。(4)增加第N+1個(gè)終端時(shí)，必須增設(shè)N對(duì)線路。45圖1全互連方式示意圖圖2交換方式示意圖這些問(wèn)題將隨著用戶數(shù)量增加而增加，這是多終端通信的N2問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，可以設(shè)想，在用戶分布密集曲中心安裝一個(gè)設(shè)備。把每個(gè)用戶的終端設(shè)備都用各自專用的線路連接在這個(gè)設(shè)備上，這就是交換設(shè)備，如圖2所示。6交換設(shè)備可以在需要時(shí)，將這兩個(gè)用戶的通信線路連通。當(dāng)兩個(gè)用戶通信完畢，將兩個(gè)用戶間的連線就斷開(kāi)。有了交換設(shè)備，對(duì)N個(gè)用戶只需要N對(duì)線就可以滿足要求。使線路的投資費(fèi)用大大降低，盡管增加了交換設(shè)備的費(fèi)用，但它的利用率很高，相比之下、總的投資費(fèi)用將

3、下降。7根據(jù)電子和電氣工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的定義：交換機(jī)應(yīng)能在任意選定的兩條用戶線之間建立和(而后)釋放條通信鏈路。換句話說(shuō)，任一終端均可請(qǐng)求交換機(jī)在本用戶線和所需用戶線之間建立一條通信鏈路，并能隨時(shí)令交換機(jī)釋放該鏈路。8交換的基本過(guò)程1837年發(fā)明了電報(bào)，它是以數(shù)字信號(hào)的形式傳遞信息。1876年貝爾發(fā)明了電話，它是將語(yǔ)音變成模擬的電信號(hào)進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了雙方在兩地之間的對(duì)話。隨著電話用戶的增加，就發(fā)明了交換機(jī)。1878年出現(xiàn)了磁石式人工電話交換機(jī)。9人工電話交換機(jī)的交換過(guò)程體現(xiàn)了交換的基本過(guò)程。如圖3所示。每個(gè)用戶的話機(jī)通過(guò)用戶線接到交換機(jī)的用戶塞孔上，每個(gè)用戶塞孔上都裝置一個(gè)信號(hào)燈。在

4、交換機(jī)上還配備了一定數(shù)量的塞繩和插塞，用來(lái)連接用戶塞孔，這種塞繩和插塞稱為繩路，在繩路上連有通話機(jī)鍵、話終信號(hào)機(jī)鍵和送鈴流的機(jī)鍵。在人工電話交換機(jī)中，通話的接續(xù)由話務(wù)員完成。話務(wù)員通過(guò)耳、目、口來(lái)接受用戶的呼叫信息，經(jīng)過(guò)大腦的思維活動(dòng)進(jìn)行分析判斷，再通過(guò)人的神經(jīng)系統(tǒng)控制“手”去進(jìn)行接續(xù)操作。1011圖3 人工交換機(jī)可以看出，為了完成交換功能，交換機(jī)必須具有用戶間通話的話路系統(tǒng)，這就是用戶線、繩路、塞孔、信號(hào)燈等設(shè)備。除此之外，還必須有相當(dāng)于控制系統(tǒng)進(jìn)行接續(xù)的話務(wù)員。交換機(jī)的發(fā)展過(guò)程最早的自動(dòng)電話交換機(jī)是在1892年由美國(guó)人史端喬創(chuàng)造的步進(jìn)制自動(dòng)電話交換機(jī)。德國(guó)西門子發(fā)明了由用戶話機(jī)的撥號(hào)脈沖直

5、接控制交換機(jī)的接線器動(dòng)作直接控制方式自動(dòng)交換機(jī)。以后又出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)制和升降制的交換機(jī)。它們是以“記發(fā)器”為標(biāo)志的間接控制方式的交換機(jī)。1919瑞典工程師比圖蘭得(Betulander)和帕爾默格林(Palmgren)發(fā)明了縱橫制自動(dòng)電話交換機(jī)，這種接線器將過(guò)去的滑動(dòng)摩擦方式的接點(diǎn)改成了壓接觸，從而減少了磨損，提高了壽命。121946年第一臺(tái)存儲(chǔ)程序控制的電子計(jì)算機(jī)的誕生，對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)起到了劃時(shí)代的作用，震撼著各個(gè)領(lǐng)域。這一新技術(shù)也使得人們有可能在電子交換技術(shù)中引入“存儲(chǔ)程序控制”這一概念。20世紀(jì)60年代初期以來(lái)，脈沖編碼調(diào)制(PCM)技術(shù)成功地應(yīng)用在傳輸系統(tǒng)中，各國(guó)都開(kāi)始了研制PCM信息的交

6、換系統(tǒng)。1970年法國(guó)首先在拉尼翁開(kāi)通了第一臺(tái)數(shù)字交換系統(tǒng)E10，開(kāi)始了數(shù)字程控交換的新時(shí)期。20世紀(jì)80年代后期，逐步出現(xiàn)了新的電信業(yè)務(wù)，隨之出現(xiàn)了新的交換技術(shù)。132. 電路交換世界上第一代電話交換機(jī)采用的是空分電路交換方式，利用接點(diǎn)等開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成電路交換網(wǎng)絡(luò)。隨著數(shù)字通信與PCM技術(shù)的迅速發(fā)展，采用PCM方式的數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用。14電路交換的主要優(yōu)點(diǎn)：(1)信息的傳輸時(shí)延小，對(duì)一次接續(xù)而言，傳輸時(shí)延固定不變；(2)信息以數(shù)字信號(hào)形式在數(shù)據(jù)通路中“透明”傳輸，交換機(jī)對(duì)用戶的數(shù)據(jù)信息不存儲(chǔ)、分析和處理，交換機(jī)在處理方面的開(kāi)銷比較小，對(duì)用戶的數(shù)據(jù)信息也不需要附加許多用于控制的信息，信

7、息的傳輸效率比較高。15(3)信息的編碼方法和信息格式由通信雙方協(xié)調(diào)，不受網(wǎng)絡(luò)的限制。電路交換的主要缺點(diǎn)是：(1)電路的接續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)傳輸較短信息時(shí)，通信通道建立的時(shí)間可能將大于通信時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)利用率低。(2)電路資源被通信雙方獨(dú)占，電路利用率低。16(3)通信雙方在信息傳輸、編碼格式、同步方式、通信協(xié)議等方面要完全兼容。這就限制了各種不同速率、不同代碼格式、不同通信協(xié)議的用戶終端直接的互通。(4)有呼損，即可能出現(xiàn)由于對(duì)方用戶終端設(shè)備忙或交換網(wǎng)負(fù)載過(guò)重而呼叫不通。173. 數(shù)據(jù)交換1)數(shù)據(jù)通信和話音通信的區(qū)別(1)通信對(duì)象不同 數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)的是計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之可以及人和計(jì)算機(jī)之間的通信，而電

8、話通信是實(shí)現(xiàn)人和人之間的通信。(2)傳輸可靠性要求不同 一般而言數(shù)據(jù)通信的比特差錯(cuò)率必須控制在10-6以下，而話音通信比特差錯(cuò)率可高到10-3。18(3)通信的平均持續(xù)時(shí)間和通信建立請(qǐng)求響應(yīng)不同 根據(jù)美國(guó)國(guó)防部對(duì)27000個(gè)數(shù)據(jù)用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，90的用戶數(shù)據(jù)通信時(shí)間在50s以下。而相應(yīng)電話通信的持續(xù)平均時(shí)間在5min左右，由此決定數(shù)據(jù)通信的信道建立時(shí)間要求也要短，通常應(yīng)該在15s左右。而相應(yīng)的電話通信過(guò)程的建立一般在15s左右。19(4)通信過(guò)程中信息業(yè)務(wù)量特性不同 統(tǒng)計(jì)資料表明，電話通信雙方講話的時(shí)間平均各占一半，一般不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間信道中沒(méi)有信息傳輸。而計(jì)算機(jī)通信雙方處于不同的工作狀態(tài)傳輸數(shù)據(jù)

9、速率是非常不同的。系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙測(cè)和遙控，傳輸速率一般只在30bs以下；如果用戶希望獲取大量文件，則一般傳輸速率在100kbs1Mbs是讓人滿意的。204. 分組交換采用了“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”方式，把報(bào)文裁成許多比較短的、被規(guī)格化了的“分組”(Packet)進(jìn)行交換和傳輸。由于分組長(zhǎng)度較短。具有統(tǒng)一的格式，便于在交換機(jī)中存儲(chǔ)和處理，“分組”進(jìn)入交換機(jī)后只在主存儲(chǔ)器中停留很短的時(shí)間，進(jìn)行排隊(duì)處理，一旦確定了新的路由，就很快輸出到下一個(gè)交換機(jī)或用戶終端，“分組”穿過(guò)交換機(jī)或網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間很短(“分組”穿過(guò)一個(gè)交換機(jī)的時(shí)延為毫秒級(jí))，能滿足絕大多數(shù)數(shù)據(jù)通信用戶對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求。21分組交換的主要優(yōu)點(diǎn)是：(

10、1)向用戶提供了不同速率、不同代碼、不同同步方式、不同通信控制協(xié)議的數(shù)據(jù)終端之間能夠相互通信的靈活的通信環(huán)境。(2)在網(wǎng)絡(luò)輕負(fù)載情況下，信息的傳輸時(shí)延較小，而且變化范圍不大，能夠較好地滿足計(jì)算機(jī)交互業(yè)務(wù)的要求。(3)實(shí)現(xiàn)線路動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)復(fù)用，通信線路(包括中繼線路和用戶環(huán)路)的利用率很高，在一條物理線路上可以同時(shí)提供多條信息通路。 22(4)可靠性高。每個(gè)分組在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)可以在中繼線和用戶線上分段進(jìn)行差錯(cuò)校驗(yàn)，使信息在分組交換網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)谋忍夭铄e(cuò)率大大降低，一般可以達(dá)到10-10以下，由于“分組”在分組交換網(wǎng)中傳輸?shù)穆酚墒强勺兊?，?dāng)網(wǎng)中的線路或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，“分組”可以自動(dòng)地避開(kāi)故障點(diǎn)選擇一條

11、新的路由，而通信不會(huì)中斷。23(5)經(jīng)濟(jì)性好。信息以“分組”為單位在交換機(jī)中存儲(chǔ)和處理，不要求交換機(jī)具有很大的存儲(chǔ)容量，降低了網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的費(fèi)用。對(duì)線路的動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用也大大降低了用戶的通信費(fèi)用。分組交換網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制和管理中心(NMC)對(duì)網(wǎng)內(nèi)設(shè)備實(shí)行比較集中的控制和維護(hù)管理，節(jié)省維護(hù)管理費(fèi)用。24分組交換的主要缺點(diǎn)是：(1)由網(wǎng)絡(luò)附加的傳輸信息較多，對(duì)長(zhǎng)報(bào)文通信的傳輸效率比較低。除此之外，我們還要設(shè)計(jì)許多不包含數(shù)據(jù)信息的控制分組，用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的建立、保持和拆除，并進(jìn)行差錯(cuò)控制以及數(shù)據(jù)流星控制等，可見(jiàn)，在交換網(wǎng)內(nèi)除了有用戶數(shù)據(jù)傳輸外、還有許多輔助信息在網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)，對(duì)于較長(zhǎng)的報(bào)文來(lái)說(shuō)，分組交

12、換的傳輸效率就不如電路交換和報(bào)文交換的高。25(2)技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。分組交換機(jī)要對(duì)各種類型的“分組”進(jìn)行分析處理，為“分組”在網(wǎng)中的傳輸提供路由，并且在必要時(shí)自動(dòng)進(jìn)行路由調(diào)整，為用戶提供速率、代碼和規(guī)程的變換，為網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)管理提供必要的報(bào)告信息等，要求交換機(jī)要有較高的處理能力。265.寬帶交換技術(shù) 電信業(yè)務(wù)和媒體傳輸特性 在20世紀(jì)80年代后期逐步出現(xiàn)了一些新的電信業(yè)務(wù)，具體有： 智能用戶電報(bào)(Teletex)、可視圖文(Videotext)，遙測(cè)(Tetemetry)、監(jiān)視(Surveillance)和告警(A1arm)、電子郵件(Electronic mail)、可視電話(Video Pho

13、ne)和電視會(huì)議(Video Conference)、圖文電視(Telex)、視頻點(diǎn)播(VODVideo on Demond)。27事實(shí)上隨著技術(shù)的發(fā)展和人們需求的增加還會(huì)出現(xiàn)更多的新業(yè)務(wù)。分析上面的業(yè)務(wù)可以看到，信息傳輸?shù)拿襟w方式從單一話音傳輸向話音、數(shù)據(jù)、文本、圖形、動(dòng)畫(huà)和圖像、視頻復(fù)合的多媒體信息轉(zhuǎn)化。由于信息多媒體化導(dǎo)致新一代業(yè)務(wù)傳輸具有與傳統(tǒng)話音或文本數(shù)據(jù)所不同的傳輸特性。28(1)各種業(yè)務(wù)信息的傳輸要求具有不同的速率，具有不同的突發(fā)性。(2)各種業(yè)務(wù)傳輸具有不同的誤差要求和延時(shí)要求。為此人們提出許多改進(jìn)方案，下面首先介紹電路交換和分組交換的改進(jìn)方案。291)快速電路交換 為了使電路

14、交換的概念擴(kuò)展到具有波動(dòng)和突發(fā)性的業(yè)務(wù)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合，人們提出了快速電路交換的核心思想是在有信息傳送時(shí)快速建立通道，如果用戶沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸則釋放傳輸通道。發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)必須在較短的時(shí)間內(nèi)完成端到瑞的鏈路的建立，要求網(wǎng)絡(luò)有高速的計(jì)算能力。302) 快速分組交換幀中繼(1)幀中繼中取消了X 25協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和用戶設(shè)備之間每段傳輸鏈路上的數(shù)據(jù)差錯(cuò)控制， (2)幀中級(jí)數(shù)據(jù)傳輸基本數(shù)據(jù)單元是幀，去掉了有關(guān)進(jìn)行鏈路差錯(cuò)控制的幀中的域。 (3)幀中繼數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)識(shí)符(DLCI)，作為網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信道標(biāo)志、類似于分組交換虛電路中的邏輯信道號(hào)的概念，因此說(shuō)幀結(jié)構(gòu)格式中包含路由選擇的

15、信息。313) ATM新一代可以適合各種不同業(yè)務(wù)的多媒體通信的交換和復(fù)用技術(shù)，顯然必須綜合電路交換和分組交換的優(yōu)勢(shì)，可以支持高速和低速的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，具有高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率。這就是ITUT給出的新一代的交換和復(fù)用技術(shù)-異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)。32ATM方式具有4項(xiàng)基本特點(diǎn)。(1)采用ATM信元復(fù)用方式 在ATM中采用固定長(zhǎng)度的分組(53個(gè)字節(jié))，稱為信元(cell)。ATM是按信元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)復(fù)用的，在時(shí)間上沒(méi)有固定的復(fù)用位置。(2)ATM采用面向連接并預(yù)約傳輸資源的方式工作。(3)在ATM網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部取消逐段鏈路的差錯(cuò)控制和流量控制，而將這些工作推到了網(wǎng)絡(luò)的邊緣。(4)ATM信元頭部功能降低。334)I

16、P交換Internet網(wǎng)由多層路由器構(gòu)成的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)趨向飽和，當(dāng)它擴(kuò)充到一定限度后，其經(jīng)濟(jì)性和效率卻隨規(guī)模的進(jìn)一步增大而下降，將面臨下述問(wèn)題：(1)Internet骨干網(wǎng)的傳送容量太小帶寬資源不足，現(xiàn)有路由器尋址速度低，吞吐量不夠，同時(shí)用戶接入速率太低。34(2)當(dāng)用戶數(shù)量急劇增加時(shí)，路由器網(wǎng)絡(luò)性能將下降，這時(shí)路由器雖然可以保證優(yōu)先級(jí)較高的數(shù)據(jù)傳輸，但由于它采用大連接的IP協(xié)議，因而不能讓服務(wù)質(zhì)量(帶寬、優(yōu)先級(jí)等)與商業(yè)上的優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)起來(lái)。35(3)路由器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的進(jìn)一步增大要求路由器支持大數(shù)量的端口，然而目前一般的路由器只支持10個(gè)端口，即使是大型路由器也只能支持50個(gè)端口，即路由器的端口數(shù)受

17、到限制。因此大型的Internet節(jié)點(diǎn)需要配置多個(gè)路由器，它們之間通過(guò)以太網(wǎng)或光纖分布式數(shù)據(jù)接口(FDDI)相連。這種可堆疊式配置元論在成本上和性能上代價(jià)都很高。同時(shí)在純路出器網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)端即使是內(nèi)部中間端口都需要占用IP地址。36(4)規(guī)模較大的路由器網(wǎng)絡(luò)大多采用分層結(jié)構(gòu)，并在大的節(jié)點(diǎn)采用上述可堆疊式配置，以支持大量用戶接入。由于IP包在沿途每一個(gè)路出器上都需進(jìn)行排隊(duì)和協(xié)議處理，因此分層路由器結(jié)構(gòu)和可堆疊式配置使得IP包需要經(jīng)過(guò)更多的路由器數(shù)，這將導(dǎo)致傳輸延遲增加，性能下降。37ATM技術(shù)的出現(xiàn)為解決現(xiàn)有Internet所面臨的問(wèn)題提供了解決方案。用ATM網(wǎng)絡(luò)從多方面來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，即如何在A

18、TM網(wǎng)絡(luò)上支持Internet，實(shí)際上可歸結(jié)到如何在ATM 上支持TCPIP的問(wèn)題。目前主要有兩類方法：類是所謂疊加模型，包括ATM上的傳統(tǒng)式IP規(guī)范(IPOA)及ATM多協(xié)議規(guī)范(MPOA)。另一類是所謂集成模型，包括IP交換和標(biāo)記交換(LS)等， 386. 光交換技術(shù)光交換和ATM交換一樣，是寬帶交換的重要組成。在長(zhǎng)途信息傳輸方面，光纖已經(jīng)占了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。用戶環(huán)路光纖化也得到很大發(fā)展，尤其是寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)中的用戶線路必須要用光纖。這樣，處在ISDN中的寬帶交換系統(tǒng)上的輸入和輸出的信號(hào)，實(shí)際上就都是光信號(hào)。39光技術(shù)已經(jīng)在信息傳輸中得到廣泛的應(yīng)用，如果采用光交換機(jī)，光電變換過(guò)程都可以省去。除了減少光電變換的損傷外，采用光交換可以提高信號(hào)交換的速度，因?yàn)殡娊粨Q的速率受電子器件速度的限制。為此，光交換技術(shù)成為未來(lái)發(fā)展的方向。從目前已進(jìn)行的研制和開(kāi)發(fā)的情況來(lái)看，光交換的傳輸路徑采用空分、時(shí)分和波分交換方式，以及 碼分交換方式407. 軟交換技術(shù) 當(dāng)前，基于Internet的各種應(yīng)用正如火如茶地迅猛發(fā)展，帶動(dòng)著IP網(wǎng)以令人難以置信的增長(zhǎng)速度迅速發(fā)展。隨著Internet應(yīng)用的大規(guī)模普及，“Everything Over IP已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)，基于分