交換與路由技術基礎

第四章交換與路由技術基礎

交換與路由技術是網(wǎng)絡的重要組成部分，采用不同交換路由技術的節(jié)點交換設備可組不同業(yè)務的通信網(wǎng)絡。本章主要內(nèi)容：典型網(wǎng)絡分類組網(wǎng)技術基礎各種節(jié)點交換技術節(jié)點交換技術與OSI模型的關系網(wǎng)絡技術節(jié)點交換系統(tǒng)的基本功能。

第四章交換與路由技術基礎4.1網(wǎng)絡分類及交換基本功能4.1.1典型網(wǎng)絡分類及組網(wǎng)基本技術要素1．典型網(wǎng)絡分類典型網(wǎng)絡指目前正在運營的主要網(wǎng)絡，要區(qū)分不同的典型網(wǎng)絡，關鍵在于該網(wǎng)絡使用的交換技術。第四章交換與路由技術基礎

第四章交換與路由技術基礎2組網(wǎng)基本技術要素（1）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀網(wǎng)-效率高、管理復雜、成本高分級網(wǎng)-（我國采用）（2）編號計劃-身份識別（3）計費方式

其他：路由選擇、流量控制等。第四章交換與路由技術基礎4.1.2交換在網(wǎng)絡中的作用交換的引入在最初的僅涉及兩個終端的單向或交互通信的點對點通信系統(tǒng)中，信息以電信號的形式傳輸。系統(tǒng)至少由終端和電線(電纜)組成，如圖4.1所示。

第四章交換與路由技術基礎

第四章交換與路由技術基礎

引入交換設備后，交換設備就和連接在其上的用戶終端設備以及它們之間的傳輸線路構(gòu)成了最簡單的通信網(wǎng)，并可由多個交換設備構(gòu)成實用的大型通信網(wǎng)，如圖4.4所示。1、利用匯接交換機互連多個端局交換機，疏導本交換區(qū)各交換機之間的互通業(yè)務。2、用戶交換機，在信令方式上相當于用戶電話機。

第四章交換與路由技術基礎

第四章交換與路由技術基礎交換的基本功能：能正確接收和分析來自UNI（用戶側(cè)）或（NNI網(wǎng)絡側(cè)接口）的呼叫信令；能正確接收和分析來自UNI或NNI的地址信令；能按照目的地址正確地進行路由選擇，并通過NNI轉(zhuǎn)發(fā)信號；能控制連接的建立；能按照要求拆除連接。

第四章交換與路由技術基礎交換的基本概念：

第四章交換與路由技術基礎交換的基本概念：

第四章交換與路由技術基礎4.2交換基本原理4.2.1交換節(jié)點中傳送的信號同步時分復用信號

所謂時分復用，就是采用時間分割的方法，把一條高速數(shù)字信道分成若干低速數(shù)字信道，構(gòu)成同時傳輸多個低速信號的子信道。第四章交換與路由技術基礎4.2交換基本原理4.2.1交換節(jié)點中傳送的信號同步時分復用信號

第四章交換與路由技術基礎2統(tǒng)計時分復用信號

把需要傳送的信息分成很多小段，稱為分組。每個分組前附加標志碼，標志要去哪個輸出端，即路由標記。各個分組在輸入時使用不同時隙，雖然使用不同時隙，但標志碼相同的分組屬于一次接續(xù)。所以，把它們所占的信道容量看作一個子信道，這個子信道可以是任何時隙。這樣把一個信道劃分成了若干子信道，稱為標志化信道。

第四章交換與路由技術基礎

第四章交換與路由技術基礎4.2.2電路交換與分組交換

1、電路交換電路交換的發(fā)展：電路交換（CS：CircuitSwitching）技術是最早出現(xiàn)的一種交換方式，起源于電話交換系統(tǒng)，現(xiàn)已有一百多年的歷史，目前主要應用于電話網(wǎng)中，也可用于數(shù)據(jù)通信。第四章交換與路由技術基礎電話通信的特點是交互式實時通信，對時延和時延抖動敏感，而對誤碼差錯不敏感。在通信過程中，交換機不需要對信息進行差錯檢驗和糾正，但要求交換機處理時延小。有時，將傳輸信道統(tǒng)稱為電路。

第四章交換與路由技術基礎

電路交換過程第四章交換與路由技術基礎電路交換的特點：(1)信息傳送的最小單位是時隙；(2)面向連接的工作方式（物理連接）；

(3)同步時分復用（固定分配帶寬）如下圖

第四章交換與路由技術基礎我國電路交換基于PCM30/32路同步時分復用系統(tǒng)，每秒鐘傳送8000個幀，每幀32個時隙，每個時隙8比特，每路通信信道（TS）為64kbit/s恒定速率，即對每路通信所分配的帶寬是固定的。在信息傳送階段不管有無信息傳送，都占用這個TS子信道，直到通信結(jié)束。

第四章交換與路由技術基礎電路交換應用：適合于通信量大，用戶確定、連續(xù)占用信道的情況，如話音傳送、中低速文件傳送、傳真業(yè)務等；固定電話網(wǎng)中的交換機；GSM網(wǎng)中的移動交換中心；窄帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（N-ISDN）；智能網(wǎng)（IN）中的業(yè)務交換點（SSP：ServiceSwitchingPoint）；

不適合于具有突發(fā)性（以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸）、斷續(xù)占用信道、對差錯敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務。

第四章交換與路由技術基礎電路交換的缺點：信道利用率低；接續(xù)時間長；有呼損；不同類型用戶終端之間不能通信等；數(shù)據(jù)通信的特點；具有突發(fā)性，信息斷續(xù)占用信道；不要求實時通信；要求誤碼率低，等等。

第四章交換與路由技術基礎2.分組交換

普遍采用基于存儲－轉(zhuǎn)發(fā)方式的各種交換技術，從報文交換、分組交換到快速分組交換等。

分組交換的本質(zhì)就是存儲轉(zhuǎn)發(fā),它將所接收的分組暫時存儲下來，在目的方向路由上排隊，當它可以發(fā)送信息時，再將信息發(fā)送到相應的路由上，完成轉(zhuǎn)發(fā)。其存儲轉(zhuǎn)發(fā)的過程就是分組交換的過程.第四章交換與路由技術基礎報文交換：（1）報文交換的基本原理技術的提出：報文交換（MessageSwitching）是根據(jù)電報的特點提出來的。電報傳送的特點：基本上只要求單向連接；一般允許有一定的延遲；如果傳輸中有差錯，則必須糾正。報文交換：采用統(tǒng)計時分復用和存儲—轉(zhuǎn)發(fā)方式，交換的邏輯單位是報文。

第四章交換與路由技術基礎分組交換綜合了電路交換和報文交換的優(yōu)點，保持了一定的信道利用率和較小時延。

分組：將一份較長的報文信息分成若干個較短的、按一定格式組成的等長度的數(shù)據(jù)段，再加上包含有目的地地址、分組編號、控制比特等的分組頭，形成一個統(tǒng)一格式的交換單位，稱為“報文分組”，簡稱“分組”（Packet）、數(shù)據(jù)包、信息包。第四章交換與路由技術基礎分組交換：就是用分組裝拆設備（PAD）將用戶數(shù)據(jù)分成等長數(shù)據(jù)塊（稱分組或包），按照統(tǒng)計時分復用（動態(tài)分配）的方法，按需分配信道，采用數(shù)據(jù)報或虛電路方式，進行數(shù)據(jù)傳輸。

第四章交換與路由技術基礎分組交換的主要優(yōu)點：具有不同速率、不同格式、不同碼型、不同的同步方式和不同的通信控制規(guī)程的不同類型數(shù)據(jù)終端之間可以進行通信；信道利用率高；信息的傳輸時延小，且變化范圍不大，能夠較好地滿足交互式實時通信的要求；可靠性高。

第四章交換與路由技術基礎分組交換的主要缺點：為了保證分組能夠正確傳輸，需加地址和控制信息——分組頭，故增大了開銷，從而降低了傳輸效率。分組交換技術復雜，且要求交換機有較高的處理能力。傳統(tǒng)的分組交換采用X.25協(xié)議，完成OSI模型的低三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡（分組）層功能。X.25數(shù)據(jù)鏈路層采用完全的差錯控制（包括幀定位、差錯檢驗和糾正）；交換在第三層實現(xiàn)。

分組交換是數(shù)據(jù)通信與計算機相結(jié)合的產(chǎn)物，分組交換網(wǎng)節(jié)點就是一部專用計算機。

第四章交換與路由技術基礎分組交換與報文交換比較（報文時延大）

第四章交換與路由技術基礎

第四章交換與路由技術基礎3.快速電路交換（FCS:FastCircuitSwitching)

在快速電路交換中，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帶寬，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，而不完成實際的物理連接。當用戶真正要傳送信息時，才根據(jù)事先分配的帶寬和建立的連接關系，建立物理連接；當沒有信息傳送時，則拆除該物理連接。

第四章交換與路由技術基礎

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，即只在信息要傳送時才使用所分配的帶寬和相關資源，因而它提高了帶寬的利用率。

快速電路交換的核心思想是在有信息傳送時快速建立通道，如果用戶沒有數(shù)據(jù)傳輸則釋放傳輸通道。

第四章交換與路由技術基礎4.快速分組交換（FPS:FastPacketSwitching)其基本思想是盡量簡化協(xié)議，只具有核心的網(wǎng)絡功能，以提供高速、高吞吐量、低延時的服務。----當節(jié)點為幀中繼交換機時，可構(gòu)成幀中繼網(wǎng)（FR：FrameRelay）

第四章交換與路由技術基礎5.異步轉(zhuǎn)移模式（ATM:AsynchronousTransferMode)ATM交換技術主要有以下幾個特點：信元（ATM的分組單元）長度固定（53字節(jié)）。幀長可變，信息插入位置是隨機的，無周期性。傳輸速率可變，根據(jù)時隙中的標記來識別信號、進行交換，不需要同步信號進行時隙定位。繼承了電路交換中速率固定的獨立性；又具有分組交換對任意速率的適應性。

第四章交換與路由技術基礎

ATM技術是以分組傳送模式為基礎并融合了電路傳送模式高速化的優(yōu)點發(fā)展而成的。采用異步時分復用方式，

實現(xiàn)了動態(tài)分配帶寬，可適應任意速率的業(yè)務；固定長度的信元和簡化的信頭，使快速交換和簡化協(xié)議處理成為可能，從而極大地提高了網(wǎng)絡的傳輸處理能力，使實時業(yè)務應用成為可能。第四章交換與路由技術基礎比較：第四章交換與路由技術基礎6.光交換技術是在20世紀80年代發(fā)展起來的一種新的寬帶交換技術。光交換是以光的形式直接實現(xiàn)各用戶之間的信息交換，信息通過光交換單元時，不需要經(jīng)過光電、電光轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)光交換的主要設備是光交換機，應用光波技術進行交換，光交換網(wǎng)絡有空分交換、時分交換和波分交換。優(yōu)點：可提高通信質(zhì)量和可靠性；可減少設備和降低網(wǎng)絡成本；具有寬帶特性，不受電磁干擾；大大提高了交換單元的吞吐量，交換速度和交換容量大。第四章交換與路由技術基礎6.光交換技術光交換機第四章交換與路由技術基礎6.光交換技術華為光端機OptiXOSN7500II智能光交換系統(tǒng)第四章交換與路由技術基礎6.光交換技術光纖連接第四章交換與路由技術基礎4.2.3開放系統(tǒng)互連參考模型與節(jié)點交換技術1.開放系統(tǒng)互連參考模型（OSI）在OSI中，將通信實體按其完成功能分為7層，分別為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。如圖所示。第四章交換與路由技術基礎第四章交換與路由技術基礎信息傳遞過程第四章交換與路由技術基礎3.OSI與節(jié)點交換技術

簡單地說，OSI模型與各種交換技術及由它們形成的各種業(yè)務網(wǎng)之間的關系可概括為：電路交換和電話網(wǎng)、數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)DDN以及移動通信網(wǎng)相當于OSI模型的第1層，即物理層交換，無需使用協(xié)議；使用X.25協(xié)議的低速分組交換數(shù)據(jù)網(wǎng)，相當于OSI模型的低3層，即包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(分組)層；第四章交換與路由技術基礎3.OSI與節(jié)點交換技術

幀中繼及幀中繼網(wǎng)相當于OSI模型的低2層：物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，并對數(shù)據(jù)鏈路層進行了簡化；

ATM協(xié)議相當于OSI模型的低2層，但比幀中繼還簡化；以太網(wǎng)協(xié)議也使用OSI模型的低2層，但它的數(shù)據(jù)鏈路層比較復雜；IP網(wǎng)使用OSI模型的低4層協(xié)議。第四章交換與路由技術基礎4.具有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)TCP/IP是四層的體系結(jié)構(gòu)：應用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡接口層。但最下面的網(wǎng)絡接口層并沒有具體內(nèi)容。因此往往采取折中的辦法，即綜合

OSI和

TCP/IP

的優(yōu)點，采用一種只有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)。第四章交換與路由技術基礎五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層5應用層4運輸層3網(wǎng)絡層2數(shù)據(jù)鏈路層1物理層應用層(applicationlayer)運輸層(transportlayer)網(wǎng)絡層(networklayer)數(shù)據(jù)鏈路層(datalinklayer)物理層(physicallayer)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用進程數(shù)據(jù)先傳送到應用層加上應用層首部，成為應用層

PDU主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層PDU再傳送到運輸層加上運輸層首部，成為運輸層報文主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層報文再傳送到網(wǎng)絡層加上網(wǎng)絡層首部，成為IP數(shù)據(jù)報（或分組）主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2IP數(shù)據(jù)報再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)應用層(applicationlayer)5432154321物理傳輸媒體主機

1AP2AP1電信號（或光信號）在物理媒體中傳播從發(fā)送端物理層傳送到接收端物理層主機

2主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2物理層接收到比特流，上交給數(shù)據(jù)鏈路層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊咳〕鰯?shù)據(jù)部分，上交給網(wǎng)絡層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2網(wǎng)絡層剝?nèi)ナ撞?，取出?shù)據(jù)部分上交給運輸層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝?nèi)ナ撞浚〕鰯?shù)據(jù)部分上交給應用層主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝?nèi)ナ撞?，取出應用程序?shù)據(jù)上交給應用進程主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用程序數(shù)據(jù)應用層首部H510100110100101比特流110101110101注意觀察加入或剝?nèi)ナ撞浚ㄎ膊浚┑膶哟螒贸绦驍?shù)據(jù)H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H4運輸層首部H3網(wǎng)絡層首部H2鏈路層首部T2鏈路層尾部主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

210100110100101比特流110101110101計算機2的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢蟀褞臄?shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡層H2T2H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)H3H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2網(wǎng)絡層剝?nèi)シ纸M首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給運輸層H5應用程序數(shù)據(jù)H4H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2運輸層剝?nèi)笪氖撞亢蟀褕笪牡臄?shù)據(jù)部分交給應用層應用程序數(shù)據(jù)H5應用程序數(shù)據(jù)主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2應用層剝?nèi)脤覲DU首部后把應用程序數(shù)據(jù)交給應用進程主機

1

向主機

2

發(fā)送數(shù)據(jù)5432154321主機

1AP2AP1主機

2我收到了

AP1

發(fā)來的應用程序數(shù)據(jù)！第四章交換與路由技術基礎4.2.4無連接與面向連接網(wǎng)絡技術分為無連接和面向連接兩大類，面向連接方式可分為面向物理連接和面向邏輯連接。另外，按照連接建立和拆除的控制方式又分為半永久連接和交換式連接。第四章交換與路由技術基礎4.3交換系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與功能描述

交換系統(tǒng)的基本功能可概括為連接（Interconnection）功能、接口（Interface）功能、信令（Signaling）功能、控制（Contorol）功能，如圖所示，這也反映了交換節(jié)點高度抽象的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第四章交換與路由技術基礎4.3.1連接功能的數(shù)學描述1.用連接集合描述交互網(wǎng)絡的連接特性2.用連接函數(shù)描述交換網(wǎng)絡的連接特性每一個交換網(wǎng)絡都可用一組連接函數(shù)來表示，一個連接函數(shù)對應一種連接。連接函數(shù)表示相互連接的入線編號和出線編號之間的一一對應關系，即存在連接函數(shù)f，在它的作用下，入線x與出線f(x)相連接，0≤x≤M－1,0≤f(x)≤N－1。第四章交換與路由技術基礎舉例：某一連接函數(shù)表示為δ(x2x1x0)＝x1x0x2(4-3)則有：δ(000)＝000，δ(001)＝010，δ(010)＝100，…，δ(111)＝111；即入線0與出線0相連接，入線1與出線2相連接，入線2與出線4相連接，等等。第四章交換與路由技術基礎4.3.2連接功能的基本技術拓樸結(jié)構(gòu)交換網(wǎng)絡的拓樸結(jié)構(gòu)大致可以分為時分結(jié)構(gòu)和空分結(jié)構(gòu)，既可適用于同步時分復用信號，也可適用于統(tǒng)計時分復用信號。第四章交換與路由技術基礎2.控制方式常用的選路策略有：條件選擇和逐級選擇；自由選擇和指定選擇。3.阻塞特性阻塞特性的概念：雖然連接在交換網(wǎng)絡上的出入線空閑，但由于交換網(wǎng)絡的內(nèi)部阻塞，即交換網(wǎng)絡內(nèi)無法提供空閑通道，造成無法建立呼叫或傳送用戶信息，這種現(xiàn)象稱為阻塞特性。第四章交換與路由技術基礎4.故障防衛(wèi)

交換網(wǎng)絡是交換系統(tǒng)的核心部件，一旦發(fā)生故障會影響眾多的呼叫連接，甚至導致全系統(tǒng)中斷。因此，必須具備有效的故障防衛(wèi)性能。除了提高硬件的可靠性以外，通常配置雙套冗余結(jié)構(gòu)，或采用多平面結(jié)構(gòu)。第四章交換與路由技術基礎4.3.3接口功能

各種交換系統(tǒng)都接有用戶線、中繼線。用戶線和中繼線終接在交換系統(tǒng)的UNI接口和NNI接口，進而接至交換網(wǎng)絡。不同類型的交換系統(tǒng)具有不同的接口功能。

第四章交換與路由技術基礎4.3.3接口功能

例如，數(shù)字程控電話交換要有適配模擬用戶線、模擬中繼線和數(shù)字中繼線的接口電路；N-ISDN交換系統(tǒng)要有適配2B＋D的基本速率接口和30B＋D和基群速率接口；移動交換系統(tǒng)要具有通往基站的無線接口；ATM交換系統(tǒng)則要有適配不同碼率、不同業(yè)務的各種物理媒體接口。第四章交換與路由技術基礎4.3.4信令功能信令的基本概念信令是指通信系統(tǒng)中的控制指令，它可以在指定的終端之間建立領事的通信通道，并維護網(wǎng)絡本身的正常運行。下圖為兩個用戶通過兩個端局進行電話接續(xù)的基本信令流程：第四章交換與路由技術基礎第四章交換與路由技術基礎信令方式

信令的傳送要遵守一定的規(guī)約和規(guī)定，這就是信令協(xié)議和信令方式。信令的分類隨路信令和共路信令隨路信令：信令全部或部分地在話音信道中傳送；共路信令：信令傳輸通道與話路完全分開，將若干條話路的信令集中起來，在一條公共的高速數(shù)據(jù)鏈路上傳送。2.線路信令、路由信令和管理信令線路信令路由信令管理信令3.用戶線信令和局間信令用戶線信令局間信令第四章交換與路由技術基礎.3.5控制功能

交換系統(tǒng)要自動完成大量的交換接續(xù)，并保證良好的服務質(zhì)量，必須具有有效的合乎邏輯的控制功能。連接功能、接口功能及信令功能都與控制功能密切相關?？刂乒δ苤饕绍浖崿F(xiàn)，但有些也可用硬件實現(xiàn)。

第四章交換與路由技術基礎.3.5