現(xiàn)代通信系統(tǒng)課件：現(xiàn)代數(shù)字交換技術

現(xiàn)代數(shù)字交換技術3.1

概述

通信的目的是實現(xiàn)信息的傳遞。一個能傳遞信息的通信系統(tǒng)至少應該由發(fā)送終端、傳輸媒介和接收終端組成，如上圖所示。

發(fā)送終端將含有信息的消息，如話音、圖像、計算機數(shù)據(jù)等轉換成可被傳輸媒介接受的信號形式，如電信系統(tǒng)就要轉換成電信號形式，光纖系統(tǒng)就要轉換成光信號形式，同時在接收終端把來自傳輸媒介的信號還原成原始信息；傳輸媒介則把信號從一個地點送至另一個地點。這種僅涉及兩個終端的單向或交互通信稱為點對點通信。圖3.1最簡單的“點對點”通信示意圖

在用戶密集的中心安裝一個設備，把每個用戶的電話機或其他終端設備都用各自專用的線路連接到這個設備上。此設備相當于一個開關節(jié)點，平時處于斷開狀態(tài)，當任意兩個用戶之間交換信息時，該設備就把連接這兩個用戶的有關節(jié)點合上，這時兩用戶的通信線路連通。由于該設備能夠完成任意兩用戶之間交換信息的任務，所以稱其為交換設備，N部電話機僅需要N條電路，如圖3.2（b）所示。圖3.2用戶之間的連接方式3.2

交換方式分類3.2.1布控交換和程控交換布控和程控是交換設備控制部分兩種不同的實現(xiàn)方法。布控是布線邏輯控制（WiredLogicalControl,WLC）的簡稱。程控是存儲程序控制（

StoredProgramControl,SPC）的簡稱。1.布線邏輯控制交換機所謂布控，是指將交換機各控制部件按邏輯要求設計好，并用電路板布線的方法將各元器件同定連接好。具有一定的邏輯操作功能，在外來信號作用下，交換機的各項功能即能實現(xiàn)的一種控制方法。具有以下特點：(1）控制設備電路復雜，電路設計麻煩。(2）當用戶和網(wǎng)絡發(fā)生變化，或者開放新業(yè)務時，必須更改布線或電路，還要增加新設備。(3）控制設備動作速度慢，對元器件要求低。(4）交換機容量不大時比較經(jīng)濟。(5）相對程控交換機來說，操作易于掌握。2.存儲程序控制交換機所謂程控，是存儲程序控制的簡稱，程控交換是一種用計算機控制的電話交換技術．它將對交換機話路設備的控制功能預先編制成程序存到存儲器中．然后用計算機啟動運行程序．再通過接口電路控制交換機話路設備接續(xù)。即把各種控制功能、步驟、方法編成程序，放入存儲器，利用存儲器，由所存儲的程序控制整個交換機的工作。具有以下特點：(1）靈活性大，適應性強。(2）能方便地提供各種新業(yè)務。(3）便于采用公共信道信令系統(tǒng)。(4）易于實現(xiàn)維護自動化和集中化。(5）便于維護管理。(6）可靠性高．體積小，重量輕。3.2.2模擬交換和數(shù)字交換模擬交換與數(shù)字交換反映了交換接續(xù)的兩種不同的實現(xiàn)方法。所謂模擬交換，是指通過交換機交換接續(xù)的是模擬信號；所謂數(shù)字交換，是指通過交換機交換接續(xù)的是數(shù)字信號。當然，對數(shù)字交換而言，如果交換機所接終端（比如我們目前最常用的電話機）產(chǎn)生的信號是模擬信號．則有一個A/D或D/A轉換的過程。3.2.3空分交換和時分交換空分交換與時分交換是交換網(wǎng)絡的兩種不同的實現(xiàn)方式?？辗质侵缚臻g分隔，時分是指時間復用?？辗纸粨Q由空分交換網(wǎng)絡來實現(xiàn)。不同通話話路是通過空間位置的不同來進行分隔的，即在空間位置上實現(xiàn)的一種交換方式。時分交換是指對時分復用的信號進行交換。時分復用通常采用脈沖編碼調制（PCM）。模擬的話音信號經(jīng)過脈碼調制后，就變成了PCM信號。對PCM信號進行交換叫做”脈碼時分交換”，也稱“時隙交換”，通過數(shù)字接線器來實現(xiàn)。3.2.4電交換和光交換電交換與光交換反映了交換的信息載體的兩種不同的形式。電交換是指對電信號進行的交換，即交換的信息載體是電流或電壓形式的電信號。光交換是對光信號直接進行的交換。它不需要將光纜送來的光信號先變成電信號，經(jīng)過交換后再復原為光信號。由于被交換的信息載體從電變成了光。從而使光交換具有寬帶特性，且不受電磁干擾。光交換系統(tǒng)被認為是可以適應高速寬帶通信業(yè)務的新一代交換系統(tǒng)。3.3信息交換的常用術語3.3.1交換網(wǎng)絡與接線器交換網(wǎng)絡又稱為接續(xù)網(wǎng)絡，它可由一個或多個接線器組成。一臺交換機通常由交換網(wǎng)絡、接口、控制系統(tǒng)三部分組成，它們之間的關系如下圖所示。圖3.3交換機組成示意圖接口的作用是將來自不同終端（如電話機、計算機等）或其他交換機的各種傳輸信號轉換成統(tǒng)一的交換機內部工作信號，并按信號的性質分別將信令傳送給控制系統(tǒng)，將消息傳送給交換網(wǎng)絡。交換網(wǎng)絡的任務是實現(xiàn)各入線與出線上信號的傳遞或接續(xù)?？刂葡到y(tǒng)則負責處理信令，按信令的要求控制交換網(wǎng)絡以完成接續(xù)，通過接口發(fā)送必要的信令，協(xié)調整個交換機的工作。接線器可看做是一個有M條入線和N條出線的網(wǎng)絡，它有M×N個交叉接點。每個接點都可在控制系統(tǒng)的控制下接通或斷開，接線器的作用是根據(jù)需要使某一入線與某一出線接通。例如，在下圖3.4中，當我們希望將l號用戶線與中繼線接通時，只需將網(wǎng)絡交點（交叉接點）a接通。圖3.4交叉接點式接線原理示意圖3.3.2集中控制和分散控制集中控制與分散控制是程控交換機系統(tǒng)的控制機構所配置的兩種結構方式。如果每臺處理機均能控制全部資源，也能執(zhí)行所有功能，則這種控制方式就稱為集中控制；如果每臺處理機只能控制部分資源，執(zhí)行交換機的部分功能則這種控制方式就稱為分散控制。集中控制的優(yōu)缺點：優(yōu)點是處理機對整個交換系統(tǒng)的狀態(tài)能全面了解，處理機能控制所有資源。因為功能接口之間主要是軟件間的接口，改動功能也主要是改變軟件，比較簡單。缺點是它的軟件包括所有的功能，規(guī)模很大啕系統(tǒng)管理相當困難，同時系統(tǒng)相當脆弱。分散控制的優(yōu)缺點：主要優(yōu)點是每臺處理機只處理系統(tǒng)部分資源，沒有集中控制復雜，軟件規(guī)模較小，當一臺處理機故障時，其他處理機仍能完成控制功能，因此系統(tǒng)可靠性高。缺點是控制系統(tǒng)不了解所有資源，不能對資源和功能進行最佳分配。3.3.3電路交換和分組交換交換方式可分為電路交換與信息交換兩大類，這兩大類還可以進一步細分，如圖3.5所示。這里主要介紹電路交換和分組交換。圖3.5交換方式分類電路交換是交換中最早出現(xiàn)的一種交換方式．在電話通信中普遍采用電路交換方式。電路交換是一種實時的交互式交換，包括呼叫建立、信息傳送和連接釋性三個階段。在模擬電路交換中，交換機為通話雙方提供物理連接電路，并在整個通信過程巾被通話雙方獨占。在通話結束后釋放物理電路其他用戶才能占用。整個通信過程中每個分配的時隙是同定不變的，并為通話用戶所獨占，在通話結束后才能分配給別的用戶，這一工作方式也稱為同步時分復用。

分組交換采用存儲轉發(fā)交換方式，把傳送的信息分成很多小段（分組），并在每段信息前都附加一個標志碼（分組頭），用以標志其屬于哪一路信號。在許多情況下，多個這樣的單路信號共用一個標志化信道，信道可以按照需要動態(tài)地、靈活地分配給各單路信號，這一工作方式也稱為異步時分復用或統(tǒng)計時分復用。3.3.4靜態(tài)路由與動態(tài)路由交換網(wǎng)絡通過使用路由表或路由目錄在用戶之間發(fā)送信息。路由選擇的任務就是根據(jù)確定的輸入端與輸出端在交換網(wǎng)絡上的位置．選擇一條空閑的、運段連接的路由。對于靜態(tài)路由，除非網(wǎng)絡上發(fā)生重大的事情，如交換機故障，否則這個路由是不會發(fā)生變化的。即使故障，這類網(wǎng)絡也只向用戶發(fā)送錯誤信號。而不會試圖恢復中斷的用戶數(shù)據(jù)。對于具有自適應能力的動態(tài)路由，路由需要定期更新以反映不斷變化的網(wǎng)絡狀況，由于路由表隨時可能發(fā)生變化，與兩個終端用戶有關的分組可能采取不同的路由通過網(wǎng)絡。采用動態(tài)路由時，網(wǎng)絡或最終用戶負責在接收點重新組裝分組。3.4數(shù)字程控交換技術程控交換也稱時隙交換，由于在公用通信網(wǎng)中數(shù)字話音信號是采用TDM幀結構傳輸?shù)?，不同用戶的話音信號分別占用不同的時隙，因此在數(shù)字程控交換機中實現(xiàn)的數(shù)字交換實際上就是對數(shù)字話音信號進行時隙交換。時隙交換通過數(shù)字交換網(wǎng)絡完成，也就是要完成任意PCM復用線上任意時隙之間的信息交換。在具體實現(xiàn)時應具備以下兩種基本功能：在同一條PCM復用線上進行不同的時隙交換功能；在復用線之間進行同一時隙的空間交換功能。圖3.6同一復用線時隙交換示意圖圖3.7多復用線（4條）時隙交換示意圖在同一條PCM復用線上進行不同的時隙交換功能；在復用線之間進行同一時隙的空間交換功能。任何一條輸入時分復用線上的任一時隙的信息，可以交換到任何一條輸出時分復用線上的任一時隙中去。同一復用線時隙交換多復用線時隙交換然而在多復用線時隙變換中既有TSi的信息“A”交換到TS；又有TSj的信息“B”交換到TS，實現(xiàn)了信息的雙向傳遞，由此實現(xiàn)雙方通話。但是數(shù)字交換網(wǎng)絡只能單向傳送信息，所以對于每一個通話接續(xù)，在數(shù)字交換中應建立來去兩條通路構成雙向通路，如圖3.8所示。圖3.8雙向通信示意圖如前所述，數(shù)字交換網(wǎng)絡的基本功能可歸納為實現(xiàn)時隙交換和空間交換。實現(xiàn)時隙交換功能的部件稱為時間(T)接線器，實現(xiàn)空間交換功能的部件稱為空間(S)接線器，T接線器與S接線器的適當組合就構成了數(shù)字交換網(wǎng)絡，接線器是構成數(shù)字交換網(wǎng)絡的基本部件。容量的數(shù)字交換機可僅由T接線器構成單級數(shù)字交換網(wǎng)絡，S接線器不具有時隙交換功能，所以不能僅由S接線器構成數(shù)字交換網(wǎng)絡，但通過SJ主線器可以擴大交換也圍，增大容量。引入S接線器后，數(shù)字交換網(wǎng)絡可有兩種基本結構：TST型和STS型。3.4.1T接線器的基本原理T接線器實現(xiàn)時隙交換的原理是利用存儲器寫入與讀出時間（隙）的不同，即在輸入時隙寫入，而在其他時隙（通話另－用戶占用時隙）讀出來完成時隙交換。T接線器的組成和工作原理如圖3.9所示，主要由信息存儲器（IM）和控制存儲器（CM）組成。IM用來暫存信息碼，其容量取決于復用線的復用度（圖中以32為例）。IM的存取方式有兩種：一種為“順序寫人，控制讀出”的輸出控制型；另一種為“控制寫入，順序讀出”的輸入控制型，從而形成兩類T接線器．即順入控出型和控入順出型，分別如圖3.9(a）和（b）所示。在圖3.9（a）中，設輸入信碼在TSw上,要求經(jīng)過T接線器以后交換至TS上去．然后輸出至下一級。CPU根據(jù)這一要求，通過軟件在控制存儲器的2號單元寫入“30’，即由CPU“控制寫入”?？刂拼鎯ζ鞯淖x入定時時鐘控制，按照時隙號讀出相對應單元內容。圖3.9（b）的T接線器是按“控入順出”方式工作的，亦即其信息存儲器是按“控制寫入，順序讀出”方式工作的。圖3.9

T接線器的組成和工作原理3.4.2S接線器的基本原理S接線器的作用是完成不同復用線間的時隙交換，主要由電子交叉接點矩陣和控制存儲器(CM)組成。圖3.10表示出2×2的交叉接點矩陣，它有2條輸入復用線和2條輸出復用線?？刂拼鎯ζ鞯淖饔檬强刂平徊娼狱c矩陣，控制方式有兩種：一種是輸入控制方式，如圖3.10（a）所示，它是按輸入復用線來配置和管理CM的，即每一條輸入復用線有一個CM，由這個CM未決定該輸入PCM線上各時隙的信碼要交換到哪一條輸出PCM復用線上去；另一種是輸出控制方式，如圖3.10（b）所示，它是按輸出PCM復用線來配置和管理CM的，即每一條輸出復用線有一個CM，由這個CM來決定哪條輸入PCM線上哪個時隙的信碼要交換到這條輸出PCM復用線上來。以圖3.10（a）為例來說明S接線器的工作原理。設輸入PCM的TS1中的信碼要交換到輸出PCM1中去，當時隙1時刻到來時，在CM的控制下，使交叉點01閉合，使輸入PCM的TS1中的信碼直接轉送至輸出PCM1的TS1去。因此，S接線器能完成不同的PCM復用線間的信碼交換，但是在交換中其信碼所在的時隙位置不變，即它只能完成同時隙位置內的信碼交換。故s接線器在數(shù)字交換網(wǎng)絡中不單獨使用。圖b原理相同。圖3.10

S接線器的組成和工作原理3.4.3TST交換網(wǎng)絡TST是三級交換網(wǎng)絡，兩側為T接線器，中間一級為S接線器，S級的出入線數(shù)取決于兩側T接線器的數(shù)量，如S級采用16×16×256掛線器的輸出控制方式，則S接線器有16條輸入復用線。有16條輸出復用線，所以兩側各有16個T接線器，每個T接線器完成256個時隙交換，整個交換網(wǎng)絡可以完成256×16=4096個時隙的交換。TST網(wǎng)絡實現(xiàn)交換的關鍵是接線器的受控特性，通過處理機向各控制存儲器相應存儲單元內寫入正確的內容。下圖給出了一個TST網(wǎng)絡的結構示意，圖中假設S級采用3×3×32接線器輸入控制方式T，表示S接線器有3條復用線（HW），每條復用線有32個時隙。因此，TA、TK兩級信息存儲器各有32個單元，各級控制存儲器也各有32個單元。圖3.11

TST數(shù)字交換結構示意圖因此3條輸入復用線就需要有3個T接線器；3條輸出復用線需要有3個TB接線器；而負責復用線交換的S接線器矩陣應為3×3，因而也有3個控制存儲器。各級的功能與控制方式如下：(1)TA接線器負責輸入復用線的時隙交換，工作于輸出控制方式；(2)S接線器負責復用線之間的空間交換，工作于輸入控制方式；(3)TB接線器負責輸出復用線的時隙交換，工作于輸入控制方式。需要指出，兩級T接線器的工作方式必須不同，以利于控制。而誰是輸入控制，誰是輸出控制，都是可以的。對于S接線器用什么控制方式也是二者均可的，因3.11中采用的是輸入控制方式。假設A信碼占用HWI的TS2’B信碼占用HWO的TS1’，TST交換網(wǎng)絡在A、B之間是如何進行路由接續(xù)的呢？首先討論HWITS2→HW3TS:n方向的接續(xù)。CPU在存儲器中找到一條空閑路由，即交換網(wǎng)絡中的一個空閑時隙，圖中假設此空閑時隙為TS7。

這時，CPU就向HWI的CM

的7號單元寫入“2”；向CMH的7號單元寫入“31”向S級1號CMc的7號單元寫入“3”。IMA按順序寫入，TS2時刻將信碼A寫入到HWI的IMA的2號單元中去。TS7時刻，順序讀出CM，7號單元內容“2”作為IMA的讀出地址，控制讀出，于是就把原來在TS2的信碼A交換到了TS。此時，S級1號CMc讀出7號單元內容“3”，控制l號輸入線和3號輸出線在TS1時接通，就將信碼A送至TB接線器中。HW線上的TB接線器的JMB在CMB控制下將TS7中的信碼A寫入到31號單元中去。在IMBJ順序讀出時，TS31時隙讀信碼HWITS2并送至HW3TS31，完成HWITS→HW.TSn方向的交換。交換網(wǎng)絡必須建立雙向通路，即除了上述HW1TS2→HW3TS31方向之外，還要建立HW3TS31→HWITS2方向的路由。HW:iTS:n→HW1TS2方向的路由選擇通常采用“反相法”，即兩個方向相差半幀。在本例中一幀為32個時隙，半幀為16個時隙，HWITS2→HW3TS31方向空閑內部時隙選定TS7’則HW3TS:ll→HWITS2方向就應選定16+7=23,即TS2:i。這樣可使得CPU一次選擇兩個方向的路由，避免CPU的二次路由選擇，從而減輕CPU的負擔。HW3TSn→HWITS，方向的信息傳輸過程與HWITS2→HW.,TSi1方向相似，只需將內部空閑時隙改為TS2:i，圖3.11也畫出了HW:iTS.11→HWITS2方向的交換過程，信息交換原理大同小異，不再贅述。在通話終結拆線時，CPU只要把控制存儲器相應單元清除即可。3.4.4數(shù)字程控交換呼叫處理與控制用戶打電話的過程是：主叫摘機，撥被叫號碼，被叫應答，開始講話，話畢掛機。對應于用戶的這些操作，交換機應按順序完成下列動作：①送出撥號音；②接收撥號；③撥號數(shù)字分析：④呼叫被叫用戶；⑤被叫應答；⑥切斷。這就是程控交換機基本的呼叫接續(xù)過程。

現(xiàn)將幾個呼叫接續(xù)階段用流程圖表示，如圖3.12所示圖3.12呼叫接續(xù)階段流程圖3.5分組交換3.5.1概述

分組交換技術是由RAND公司的保羅?布朗（PaulBaran）和他的同事于1961年在美國空軍RAND計劃的研究報告中首先提出來的。布朗等人當時的想法是，將通話雙方的對話內容分成一個一個很短的小塊（分組），在每一個交換站將這一呼叫的“分組”與其他呼叫的“分組”混合起來，并以“分組”為單位發(fā)送，通話內容通過不同路徑到達終端，終點站收集所有到達的“分組”，然后將它們按順序重新組合成可懂語言。如果傳輸線路在網(wǎng)中的某一位置被截收，收到的是由多個對話交錯在一起的“分組”，其含意是不連貫的，從而達到保密目的。

后來，美國國防部高級規(guī)劃研究局，開始從事分組交換技術的研究和開發(fā)工作，并于1969年完成了世界上第一個分組交換網(wǎng)ARPAnet的建設。ARPAnet的成功，鼓舞了許多通信設備公司，使他們看到了利用分組交換技術實現(xiàn)公用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的前景，于是紛紛開始研究和開發(fā)分組交換技術。分組交換的主要優(yōu)點是：(1）對用戶終端的適應性強。(2）信息傳輸時延相對于報文交換減小。(3）線路利用率高。分組交換傳輸實現(xiàn)了線路的動態(tài)統(tǒng)計時分復用，在一條物理線路上可以同時提供多條信息通路，提高了線路利用率。(4）可實現(xiàn)分組多路通信。(5）可靠性高。分組在分組交換網(wǎng)中傳輸時，分段獨立地進行差錯控制，使信息傳輸誤碼率大大降低。(6）經(jīng)濟性好。信息以分組為單位存儲和處理，可以簡化交換處理，降低網(wǎng)內設備的費用；采用動態(tài)統(tǒng)計時分復用，從而大大降低線路使用費用。分組交換的主要缺點是：(1）信息傳輸效率較低。(2）實現(xiàn)技術復雜。3.5.2分組交換的基本原理

分組交換是在傳統(tǒng)的存儲轉發(fā)式報文交換的基礎上發(fā)展起來的一種新型的數(shù)據(jù)交換技術。分組交換方式的工作過程是分組終端將用戶要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息分割成許多一定長度的數(shù)據(jù)段，每個數(shù)據(jù)段除了用戶信息外，還另加上了一些必要的操作信息，如源地址、目的地址、用戶數(shù)據(jù)段編號及差錯控制信息等。所有這些信息按照規(guī)定的格式裝配成一個數(shù)據(jù)信息塊，稱之為“分組”。與發(fā)送端連接的分組交換機收到報文信息后，將其分成若干個分組存入存儲器，并進行路由選擇。1、分組的復用分組交換的基本思想是實現(xiàn)通信資源的共享。一般而言，終端速率與線路傳輸速率相比低得多，若將線路分配給這樣的終端專用，則是對通信資源的很大浪費。將多個低速的數(shù)據(jù)流合成起來共同使用一條高速的線路，提高線路利用率，是充分利用通信資源的有效方法，這種方法稱為多路復用。目前存在多種不同的多路復用方法，從如何分配傳輸資源的角度，可以分成兩類：一類是固定分配（預分配）資源法；另一類是動態(tài)分配資源法。（1）固定分自己資源法在一對用戶要求通信時，網(wǎng)絡根據(jù)申請將傳輸資源（如頻帶、時隙等）在正式通信前預先固定地分配給該對用戶專用。無論該對用戶在通信開始后的某時刻是否使用這些資源，系統(tǒng)都不能再分配給其他用戶，而是供該用戶獨占專用，無論空閑與否，別的用戶都不能使用。（2）動態(tài)分配資源法固定分配資驚法的主要缺點是在通信進行中即使用戶傳輸空閑時，通路也只能閑置，使得線路的傳輸能力得不到充分的利用。為了克服這個缺點，人們提出了動態(tài)分配（或稱按需分配）傳輸資源的概念。根據(jù)需要，當用戶有數(shù)據(jù)要傳輸時才分配給它傳輸資源，而當用戶暫停發(fā)送數(shù)據(jù)時，就將資源收回。這種根據(jù)用戶實際需要分配傳輸資掘的方法也稱為統(tǒng)計時分復用（STDM）統(tǒng)計時分復用與固定分配復用方式相比，在終端與線路的接口處要增加兩個功能：緩沖存儲功能和信息流控制功能，其實現(xiàn)原理示意圖如圖3.13所示。增加的功能主要用于解決終端爭用線路傳輸資源時可能產(chǎn)生的沖突。動態(tài)分配傳輸信道的方式可在同樣傳輸能力條件下傳送更多信息，它允許每個用戶傳輸速率高于其平均速率，最高可達到線路總的傳輸能力。在數(shù)據(jù)交換傳輸方式中，報文交換、分組交換、幀交換和幀中繼、ATM交換，以及IP交換都屬于統(tǒng)計時分復用方式。圖3.13統(tǒng)計時分復用（STDM）原理示意圖在固定分配資源復用方式（時分或頻分）中，每個用戶的數(shù)據(jù)都是在預先固定的子通路（時隙或子頻帶）中傳輸?shù)模邮斩撕苋菀子啥〞r關系或頻率關系將它們區(qū)分開來，分接成各用戶的數(shù)據(jù)流。而在統(tǒng)計時分復用方式中，各用戶終端的數(shù)據(jù)是按照一定單元長度隨機交織傳輸?shù)模ㄈ鐖D3.13所示）。由于各終端數(shù)據(jù)流是動態(tài)隨機傳輸?shù)?，因此不能再用定時關系或頻率關系在接收端來區(qū)分和分接它們。為了識別分接來自不同終端的用戶數(shù)據(jù)．通常在采用統(tǒng)計時分復用時，將交織在一起的數(shù)據(jù)發(fā)送到線路上之前給它們打上與終端有關的“標記”，例如在數(shù)據(jù)前加上終端號，這樣接收端就可以通過識別用戶數(shù)據(jù)的“標記”將它們區(qū)分開來。線路的邏輯信道可用邏輯信道號描述，邏輯信道號可以獨立于終端編號，邏輯信道號作為線路的一種資源可以在終端要求通信時由STDM設備分配。對同一個終端，每次呼叫可以分配給不同的邏輯信道號，但在同一次呼叫連接中，來自某一個終端的數(shù)據(jù)組的邏輯信道號應相同。這樣，一個終端可以同時通過網(wǎng)絡建立起多個數(shù)據(jù)通路（如圖3.14中終端4同時建立了三個通路）。圖3.14用邏輯信道號作“標記”進行交織傳輸示意圖2、分組的格式在分組交換中，分組是交換和傳輸處理的對象，每個分組都帶有控制信息和地址信息，使其可以在分組交換網(wǎng)內獨立地傳輸，并以分組為單位進行流量控制、路由選擇和差錯控制等處理。另外，為了可靠地傳輸分組數(shù)據(jù)塊，還在每個數(shù)據(jù)塊上加上了高級數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）的規(guī)程標識、幀校驗序列，它們都以幀的形式在信道上傳輸，如圖3.15所示。圖3.15分組的格式分組頭有3個字節(jié)，其中通用格式識別符由第1字節(jié)的第5～8比特組成，第8比特用來區(qū)分傳輸?shù)姆纸M是用戶數(shù)據(jù)還是控制數(shù)據(jù)；第7比特用來傳送確認比特，“0”表示數(shù)據(jù)分組由本地DTEDCE確認，“1”表示進行端到端DTE-DTE確認；第6和第5比特為模式比特，“01”表示分組的順序編號按模8方式工作。邏輯信道組號和邏輯信道號共12比特，用來表示在DTE與交換機之間（即終端與通信線路之間）的時分復用信道上以分組為單位的時隙號，在理論上最多同時支持4096個呼叫，實際上支持的邏輯信道數(shù)取決于接口的傳輸速率、與應用有關的信息流的大小和時間分布。分組類型識別符區(qū)分各種不同的分組，共有呼叫建立分組、數(shù)據(jù)傳輸分組、恢復分組和呼叫釋放分組四類。3、分組的傳輸在分組交換網(wǎng)中，對分組流的傳輸處理有兩種方式：一是虛電路方式，二是數(shù)據(jù)報方式。（1）虛電路方式在虛電路方式巾，發(fā)送分組前，先要建立一條邏輯連接，即為用戶提供一條虛擬的電路，如圖3.16所示。假設A要將多個分組送到B，它首先發(fā)送一個“呼叫請求”分組到1號節(jié)點，要求到B的連接。1號節(jié)點決定將該分組發(fā)到2號節(jié)點，2號節(jié)點又決定將之發(fā)送到4號節(jié)點，最終將“呼叫請求”分組發(fā)送到B,如果B準備接收這個連接的話，它發(fā)送－個“呼叫接收”分組，通過4號、2號、1號節(jié)點到達A，此時，A站和B站之間可以經(jīng)由這條已建立的邏輯連接即虛電路（圖中VC1）來傳輸分組、交換數(shù)據(jù)。圖3.16虛電路方式原理示意圖虛電路方式的一次通信具有呼叫建立、數(shù)據(jù)傳輸和呼叫釋放三個階段。數(shù)據(jù)分組按建立的路徑順序通過網(wǎng)絡，目的節(jié)點收到的分組次序與發(fā)送方是一致的，目的節(jié)點不需要對分組重新排序，因此重裝分組就簡單了，而對數(shù)據(jù)量較大的通信傳輸效率較高。之所以稱這種連接為“虛”電路，是因為分組交換機（網(wǎng)絡節(jié)點）按線路傳輸能力的“動態(tài)按需分配”原則為這種連接保持一種鏈接關系：就像有一條物理數(shù)據(jù)電路在通信兩端的終端之間一樣，終端可以在任何時候發(fā)送數(shù)據(jù)（受流量控制）；如果終端暫時沒有數(shù)據(jù)可發(fā)送，網(wǎng)絡仍保持這種連接關系，但是這時網(wǎng)絡可以將線路的傳輸能力和交換機的處理能力用作其他服務，它并沒有獨占網(wǎng)絡的資源。所以，這種連接電路又是“虛”的。（2）數(shù)據(jù)報方式在數(shù)據(jù)報方式中，單獨處理每個分組。以圖3.17為例，假設A站有三個分組的消息要送到C站，它將1、2、3號分組一連串地發(fā)給1號節(jié)點，1號節(jié)點必須為每個分組選擇路由。收到1號分組后，1號節(jié)點發(fā)現(xiàn)到2號節(jié)點的分組隊列短于3號節(jié)點的分組隊列，于是它將1號分組發(fā)送到2號節(jié)點，即排入到2號節(jié)點的隊列。但是對于3號分組，1號節(jié)點發(fā)現(xiàn)此時到3號節(jié)點的隊列最短，因此將2號分組發(fā)送到3號節(jié)點，即排入到3號節(jié)點的隊列。每個分組雖然有同樣的目的地址，但并不走同一條路徑。另外，3號分組先于2號分組到達6號節(jié)點也是完全可能的。因此，這些分組有可能以一種不同于它們發(fā)送時的順序到達C站，需要對它們重新排序。用戶通信不需要經(jīng)歷呼叫建立和呼叫清除的階段，對短報文消息傳輸效率較高。

圖3.17數(shù)據(jù)報方式原理示意圖（3）分組的路由選擇分組交換網(wǎng)最重要的特點之一是分組能夠在網(wǎng)絡中通過多條路徑從源點到達終點，而選擇什么路徑最合適就成了分組交換機必須決定和影響其特性的問題。首先根據(jù)某種準則和方法選擇確定傳輸路由（包括第1,2,3，…選擇），然后在傳輸過程中隨時監(jiān)測網(wǎng)絡狀況并根據(jù)網(wǎng)絡的情況隨時調整分組的路由，從而保證分組到達終點。路由選擇是Ht網(wǎng)絡提供的功能，不同的分組交換網(wǎng)可能采用不同的路由選擇方法。按照不同的網(wǎng)絡要求、不同的準則可以構成許多路由選擇方法，路由選擇的方法很多，常用的有擴散式路由法、查表路由法等。（4）流量控制流量控制是指通過一定的于段使得在網(wǎng)絡中各個鏈路上的信息流量都保持在一定的上限值之下。在分組交換方式巾流量控制特別重要，這是因為：(1）由于中繼線路是統(tǒng)計時分復用的，因此必須用流量控制方法來防止線路過分擁擠，導致數(shù)據(jù)分組排隊等待時間過長。(2）由于網(wǎng)絡終端速率可能不一致，因此必須用流量控制方法來調整終端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，以防止快速的終端向慢速的終端發(fā)送數(shù)據(jù)分組太多，超出其接收能力。(3）由于終端與交換機處理數(shù)據(jù)分組的能力限制，因此必須使用流量控制方法在其不能處理更多數(shù)據(jù)時抑制對方的數(shù)據(jù)傳送。實現(xiàn)流量控制的方法很多，常用“窗口”方法來控制對方發(fā)送信息的速度，“窗口”的尺寸選擇非常重要，合適的“窗口”尺寸可使流量控制的響應時間和終端發(fā)送能力得到最大限度的保證。表3.1電路交換方式與分組交換方式特點的比較項目

電路交換分組交換接續(xù)時間較長較短信息傳輸時延短．偏差也小較短．偏差較大信息傳輸可靠性一般好對業(yè)務過載的反應拒絕接收呼叫（呼損）減少用戶輸入的信息流，延時增大信號傳輸?shù)耐该餍杂袩o異種終端之間的通信不可以可以電路利用率低高交換機費用一般較高實時會話業(yè)務適用負載下適用3.5.3幀中繼1、幀中繼的概念幀中繼（FrameRelay,FR）技術是隨著數(shù)據(jù)通信的發(fā)展，在分組交換技術基礎上發(fā)展起來的。幀中繼應能夠提供的功能有：(1）在公用和專用的系統(tǒng)上為多通信結構（包括早期的終端一主機結構和今天的任意通信結構）提供經(jīng)濟有效的連接。(2）提供高速的傳輸。(3）提供按需的帶寬（傳輸速率）分配，以適應突發(fā)信息量的要求。(4）通過處理多規(guī)程傳輸信息來保護用戶的現(xiàn)有投資。由于FR是在幀級（鏈路層）實現(xiàn)復用傳送的，故稱為幀中繼。2、幀結構和傳輸方式在FR傳送網(wǎng)中，幀的長度是可變的，最大長度可達1000字節(jié)以上，每個幀含有“數(shù)據(jù)鏈路連接標識符”（DLCI)，從源DTE到宿DTE之間的所有途徑節(jié)點均根據(jù)DLCI指明出口信道。使用DLCI標識的幀格式如圖3.18所示。圖3.18幀中繼中的幀格式幀的主要部分“用戶信息”可以是X.25分組或別的格式（例如SNA幀、LAN幀等），用戶信息部分（即數(shù)據(jù)分組）在網(wǎng)中透明傳輸，節(jié)點不做任何處理操作。幀的首部F標志（幀標志）、DLCI及尾部F（SC幀校驗序列）和F標志在幀中繼節(jié)點進行檢驗，但不計數(shù)不要求重發(fā)，發(fā)現(xiàn)錯的分組丟棄，錯誤分組由終點和源點設備間負責檢錯重發(fā)，即終點發(fā)現(xiàn)丟棄分組要求源點重發(fā)，這樣就大大地簡化了交換節(jié)點的操作。2字節(jié)DLCI地址字段中，還包括流量控制和校驗信息，如圖3.19所示。其中C/R為命令響應指示位；EA為擴展地址位；FECN為前向顯式擁塞通知位；BECN為后向顯式擁塞通知位；DE為丟棄核準位。幀中繼節(jié)點只在超載情況下向DTE發(fā)送信號，從而簡化了處理過程。當節(jié)點可能超載時，向DTE發(fā)送FECN或BECN，要求減少傳輸數(shù)據(jù)量；當已發(fā)生超載情況時網(wǎng)絡就丟棄幀，由終點DTE去發(fā)現(xiàn)并請求重發(fā)。幀中繼采用的這種DLCI地址標識符的連接是永久虛連接（PVC），所以，幀中繼實現(xiàn)的是類似專線式的連接。圖3.19幀中繼中的幀的地址字段3.5.4ATM交換技術1、ATM概述ATM是在分組交換技術基礎上發(fā)展起來的快速分組交換。它綜合了分組交換高效率和電路交換高速率之優(yōu)點，可以適應各種速率的業(yè)務。ATM技術是在克服了分組交換和電路交換方式局限性的基礎上產(chǎn)生的，它以一個統(tǒng)一的多媒體網(wǎng)絡實現(xiàn)帶寬、實時性、傳輸質量要求各不相同的網(wǎng)絡服務。ITUT給ATM的定義是：“以信元為信息傳輸、復接和交換基本單位的傳送方式”。信元是ATM的基本特征，ATM信元是一種固定長度的數(shù)據(jù)分組，ATM信元長為53字節(jié)。前面5字節(jié)為信頭．后面的字節(jié)為信息域。ATM方式克服了電路交換模式不能適應任意速率業(yè)務，難于導入未來新業(yè)務的缺點，采用異步復用方式提高了線路的利用率；簡化了分組交換模式中的協(xié)議，并用硬件對簡化的協(xié)議進行處理實現(xiàn)；交換節(jié)點不再對信息進行差錯控制．從而極大地提高了網(wǎng)絡通信信息的處理能力。2、ATM交換原理為了提高信息處理和交換速度，降低時延，ATM以面向連接的方式工作。網(wǎng)絡對交換傳送的處理工作十分簡單：通信開始時先建立虛電路，然后將虛電路標志（即地址信息）寫入信頭，網(wǎng)絡根據(jù)虛電路標志進行交換和傳送。ATM網(wǎng)絡中提供信元交換功能的節(jié)點稱為交換節(jié)點。實際上，交換節(jié)點完成的只是虛電路的交換。因為同一虛電路上的所有信元都選擇同樣的路由．經(jīng)過同樣的通路到達目的地，在接收端，這些信元到達的次序總是和發(fā)送端的發(fā)送次序相同。由于輸入、輸出復用線上的信元部是異步復用的，可能會在同一時刻多條輸入復用線上的信元要求去往同一條輸出復用線，造成了信元在交換機內的時延，這個時延是隨機的，它與隊列的多少以及隊列的長度有關。ATM交換是一種異步時分交換。異步時分交換不是通過時隙互換來完成交換功能的，而是通過改變信元的標志碼（信元的VPI和IVCI值）來完成交換功能的。為了更清楚地了解ATM信元交換的過程．下面以圖3.20加以說明。當一個虛電路建立時，在與其對應的輸入復用線的接續(xù)。信元到達后，標志變?yōu)椤?”，用它來識別虛電路。將RB和交換機內由識別符z裝入信頭后把信元發(fā)往交換網(wǎng)。網(wǎng)內各交換模塊具有自律選路功能，它根據(jù)RB將信元發(fā)往指定的方向3輸入緩沖器和1輸入緩沖器也是用于防止信元“撞車”而設置的。圖3.20ATM交換原理圖3、ATM的特點ATM網(wǎng)具有靈活性和適應性強、能有效地利用資源和多業(yè)務通用網(wǎng)絡等優(yōu)點，這些優(yōu)點是由ATM技術的特點帶來的，ATM的基本特點有：

(1）免除了信元凈荷的差錯控制和流量控制，大大簡化了網(wǎng)絡控制。由于光纖線路的可靠性很高（誤碼率小于10勺，因此沒有必要進行逐鏈路的差錯控制，ATM僅保留了端到端的差錯與流量控制，考慮到ATM節(jié)點上流量太大．為盡量減少信元的丟失率，需要合理進行資源分配和設計隊列容量，并在呼叫建立時審查用戶申請的帶寬，當網(wǎng)絡有足夠的資源時才接受此呼叫，否則就拒絕用戶接入。(2）面向連接的工作方式。信息傳送前，先提出呼叫請求，網(wǎng)絡保留必要的資源，建立虛電路（包括虛信道vc和虛路徑VP）；接著是用戶信息傳送；信息傳送完畢后，網(wǎng)絡要釋放這些資源，拆除虛電路，以保證傳輸業(yè)務質量，降低信元丟失率。(3）簡化了信頭功能。與X.25分組頭相比，ATM信元信頭功能十分簡單，主要是標志虛電路、信頭差錯檢驗和信元優(yōu)先度設置等。由于信頭功能簡單，因此信頭處理速度很快，使信元的排隊處理時延大大降低，從而使處理時延很小。(4）采用長度較小的同定長度信元。降低了交換節(jié)點內部的緩沖區(qū)容量，減少了信息在緩沖區(qū)內排隊的時延和時延抖動，這對實時業(yè)務是有利的。3.5.5IP交換1、傳統(tǒng)IP路由器通常將具有集中處理結構、不涉及多層交換技術、沒有采用專用ASIC芯片的路由器稱為傳統(tǒng)路由器，其處理能力一般是每秒幾十萬個包，最大吞吐能力約1Gb/s。路由器主要完成兩個功能：尋找去往目的地的最佳路徑和轉發(fā)分組。路由器的功能結構見圖3.21，由控制部分和轉發(fā)部分組成。轉發(fā)部分由輸入端口、交換網(wǎng)絡和l輸出端口組成：控制部分由路由處理、路由表和路由協(xié)議組成路由器工作在OSI參考模型的下三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層，完成不同網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)存儲和轉發(fā)。路由器常通過查找路由表的方法轉換IP分組，查找算法主要有精確匹配查找和最長匹配查找。圖3.21路由器的功能結構設三個路由器互聯(lián)網(wǎng)絡如圖3.22所示，PC的IP地址為128.7.254.10,PCB的IP地址為128.7.253.15,PCc的IP地址為128.7.234.18，表3.4為路由器A遵循的路由表。下面以PCA至PCB、PCT、到PC，兩種情況為例．討論分組在路由器A轉發(fā)分組的過程。圖3.22路由器的功能結構PC的IP分組到達路由器A的端口,首先解析分組頭，提取目的IP地址,以目的IP地址為索引，在路由表中使用最長匹配原則進行查找，由路由表可得：(1）對PC，飛至

PCB，連接到端口2，連通128.7.253.0子網(wǎng)，路由費用為j。將該IP分組進行鏈路層封裝，并從端口2轉發(fā)出去。(2）對PC，飛到PC，有兩條路由可供選擇：一條從端口3連接到下一跳IP地址為128.7.238.2的路由器B，路由費用為2；另外一條從端口5連接到下一跳IP地址為128.7.240.2的路由器C，路由費用為3。路由器選擇路由費用最小的路由作為最佳路由，因此，將該IP分組進行鏈路層封裝，并從端口3轉發(fā)出去。目的IP地址子網(wǎng)掩碼端口

下一跳地址路由費用路由類型狀態(tài)

255.255.255.01

1

DirectUP128.7.253.255.255.255.02

1DirectUP128.7.234.255.255.255.03128.7.238.22StaticUP128.7.234.255.255.255.05

128.7.240.23StaticUP

表4

路由器中的路由表

2、IP交換的基本概念IP交換的基本思想是為了避免網(wǎng)絡層轉發(fā)的瓶頸，進行高速鏈路層交換。IP交換可以認為是地址轉換問題，其關鍵任務是將IP子網(wǎng)地址與鏈路層地址相結合。這樣，可以通過短標識的VPI/VCICATM中）與交換系統(tǒng)相連進行轉發(fā)。傳統(tǒng)的IPoverATM技術有IETF(InternetEngineeringTaskForce）的ClassicIPoverATM和ATM論壇的LANE等。但是它們都存在著不少限制，主要有以下幾點：(1）在運行實時業(yè)務時不能保證服務質量（QoS）。(2）在網(wǎng)絡較大時，會造成vc連接數(shù)很大，增加了路由計算的額外開銷。(3）數(shù)據(jù)必須在邏輯子網(wǎng)間轉發(fā)，沒有充分利用交換設備的能力為了解決上述問題，滿足Internet規(guī)?？焖僭鲩L和對實時多媒體業(yè)務的需求，需要將網(wǎng)絡交換機（L2層）的速度和路由器（L3層）的靈活性結合起來，這就是IP交換，也稱為第二層交換。采用IP交換的新一代設備可以使網(wǎng)絡帶寬達到T-bit級。

IP交換機和路由器主要有兩個區(qū)別：(1）對轉發(fā)數(shù)據(jù)分組的信息結構進行分析的深度不同，這會直接影響轉發(fā)數(shù)據(jù)分組的速度。(2）對網(wǎng)絡節(jié)點間通信量的管理不同，IP交換機要檢查OSI模型中的數(shù)據(jù)鏈路層的信息頭，以便在連接的兩點之間建立一條路徑，所有屬于該路徑的分組由此發(fā)出。如果采用了交換方式，那么管理者就可以專門辟出一定量的帶寬來處理諸如多媒體應用和視頻會議之類的通信。而路由則是根據(jù)OSI網(wǎng)絡層中分組頭的IP地址來進行選擇的，路由器必須檢查每個分組的IP地址，并分別為之選定一條最佳路徑。這是一種無連接的網(wǎng)絡服務，有利于從各種數(shù)據(jù)源中隨