现代交换技术教材课件

1、第第1章章绪绪 论论 由由“通信通信”到到“电信电信”，仅仅一字之差，仅仅一字之差，却引发了一场革命，拉开了信息通信技术发却引发了一场革命，拉开了信息通信技术发展的帷幕。展的帷幕。 今天我们所说的通信，通常是指电通信，今天我们所说的通信，通常是指电通信，即电信。即电信。 随着通信网向数字化、智能化、综合化、随着通信网向数字化、智能化、综合化、宽带化、个人化方向的快速发展，各种交换宽带化、个人化方向的快速发展，各种交换技术不断涌现，并将按下一代网络（技术不断涌现，并将按下一代网络（NGN）框架在控制、业务等层面进行融合。框架在控制、业务等层面进行融合。交换与通信网交换与通信网1.11.1通信网分

2、层模型通信网分层模型1.21.2交换技术的分类交换技术的分类1.31.3交换技术的发展交换技术的发展1.41.4 1.1.1 交换机的引入交换机的引入 在通信系统中，信息是以电信号或光信在通信系统中，信息是以电信号或光信号的形式传输的。号的形式传输的。 如图如图1-1所示，一个通信系统至少应包括所示，一个通信系统至少应包括终端和传输介质。终端和传输介质。图图1-1 点到点通信点到点通信 当存在多个终端且希望它们中的任何两当存在多个终端且希望它们中的任何两个都能进行点到点通信时，最简单、最直个都能进行点到点通信时，最简单、最直接的方法就是把所有终端两两相连，如图接的方法就是把所有终端两两相连，如

3、图1-2所示。所示。 图图1-2 多用户全互连通信多用户全互连通信 这种连接方式称为全互连。这种连接方式称为全互连。 全互连组网可以实现任何两个终端之间全互连组网可以实现任何两个终端之间的通信需要，但存在下列不足。的通信需要，但存在下列不足。（1）连接线对的数量随终端数的平）连接线对的数量随终端数的平方增加，当存在方增加，当存在N个终端时，需要的个终端时，需要的连接线对数为连接线对数为N (N 1)/2。（2）当终端相距较远时，需要大量）当终端相距较远时，需要大量的长途线路。的长途线路。（3）每个终端都有）每个终端都有N-l对线与其他终对线与其他终端相接，因而每个终端需要端相接，因而每个终端需

4、要N-1个线路个线路接口。接口。（4）增加第）增加第N+1个终端时，必须增设个终端时，必须增设N对线路。当对线路。当N较大时，无法实用化。较大时，无法实用化。 图图1-3 引入交换节点引入交换节点 如图如图1-4所示，最简单的通信网可以仅由所示，最简单的通信网可以仅由一台交换机组成，每个用户（电话机或终一台交换机组成，每个用户（电话机或终端）通过一条专用的用户环线（简称用户端）通过一条专用的用户环线（简称用户线）与交换机中的相应接口相连接。线）与交换机中的相应接口相连接。 图图1-4 由一台交换机组成的通信网由一台交换机组成的通信网 由交换机组成的通信网称为交换式通信网。由交换机组成的通信网称

5、为交换式通信网。 交换式通信网的一个突出优点是很容易组交换式通信网的一个突出优点是很容易组成大型网络，以电话通信为例，当终端数目成大型网络，以电话通信为例，当终端数目较多，且分散在相距很远的不同地区时，可较多，且分散在相距很远的不同地区时，可以用交换机组成如图以用交换机组成如图1-5所示的电话通信网。所示的电话通信网。 图图1-5 由多台交换机组成的通信网由多台交换机组成的通信网 定义：通信网是由一定数量的节点（包括定义：通信网是由一定数量的节点（包括端系统、交换机）和连接这些节点的传输端系统、交换机）和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按照约定的规系统有机地组织在一起的，按照约定的规

6、则或协议完成任意用户间信息交换的通信则或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。体系。 图图1-6 面向连接网络的工作原理面向连接网络的工作原理 图图1-7 无连接网络的工作原理无连接网络的工作原理 面向连接和无连接的主要区别如下：面向连接和无连接的主要区别如下：（1）面向连接网络对每次通信总要）面向连接网络对每次通信总要经过建立连接、传送信息、释放连接经过建立连接、传送信息、释放连接三个阶段，而无连接网络并不为每次三个阶段，而无连接网络并不为每次通信过程建立和拆除连接。通信过程建立和拆除连接。（2）面向连接网络中的每一个节点）面向连接网络中的每一个节点必须为每一个呼叫选路，一旦路由确必须为每一

7、个呼叫选路，一旦路由确定连接即建立，路由中各节点需要为定连接即建立，路由中各节点需要为接下来进行的通信维持连接的状态；接下来进行的通信维持连接的状态；无连接网络中的每个节点必须为每个无连接网络中的每个节点必须为每个传送的分组独立选路，但节点中不需传送的分组独立选路，但节点中不需要维持连接的状态。要维持连接的状态。（3）用户信息较长时，面向连接方）用户信息较长时，面向连接方式通信效率较高；反之，使用无连接式通信效率较高；反之，使用无连接方式要好一些。方式要好一些。 在通信网中，信息传递过程涉及诸多操在通信网中，信息传递过程涉及诸多操作，如比特流传送、同步、流量控制、差作，如比特流传送、同步、流量

8、控制、差错控制、拥塞控制、路由选择、会话过程错控制、拥塞控制、路由选择、会话过程管理和数据加密等。管理和数据加密等。 因此，寄希望由单一通信实体完成所有的因此，寄希望由单一通信实体完成所有的操作和功能是不切实际的，同时也不利于定操作和功能是不切实际的，同时也不利于定义具体的操作功能。义具体的操作功能。 现代通信网采用分层结构，主要原因如下。现代通信网采用分层结构，主要原因如下。（1）分层可以降低网络设计的复杂度。）分层可以降低网络设计的复杂度。 （2）方便异构网络设备间的互连互通。）方便异构网络设备间的互连互通。 （3）增强网络的可升级性。）增强网络的可升级性。 （4）促进竞争和设备制造商的分

9、工。）促进竞争和设备制造商的分工。 图图1-8 OSI-RM的分层结构的分层结构（1）物理层）物理层 （2）数据链路层）数据链路层 （3）网络层）网络层 （4）传输层（运输层）传输层（运输层） （5）会话层）会话层 （6）表示层）表示层 （7）应用层）应用层 1对等层间通信对等层间通信 在分层模型中，将位于不同系统（包括在分层模型中，将位于不同系统（包括端系统和中间系统）的相同层称为对等层。端系统和中间系统）的相同层称为对等层。 在对等层之间进行通信的进程称为对等在对等层之间进行通信的进程称为对等进程。进程。 如图如图1-9所示，对等层间通信产生和处理的所示，对等层间通信产生和处理的对象称为协

10、议数据单元（对象称为协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）。）。图图1-9 对等层间通信对等层间通信 通常，把传输层数据单元称为段通常，把传输层数据单元称为段（Segment），网络层数据单元称为分组），网络层数据单元称为分组或包（或包（Packet），数据链路层数据单元称），数据链路层数据单元称为帧（为帧（Frame），物理层数据称为比特流），物理层数据称为比特流（Bit）。）。 因此，相应地有应用层协议数据单元因此，相应地有应用层协议数据单元（APDU，Application Protocol Data Unit）、表示层协议数据单元（）、表示层协议数据单元（PPDU

11、，Presentation Protocol Data Unit）、会话）、会话层协议数据单元（层协议数据单元（SPDU，Session Protocol Data Unit）等。）等。图图1-10 对等层数据封装和解封过程示例对等层数据封装和解封过程示例实体实体 所谓实体（所谓实体（Entity），是指任何可发送或），是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。接收信息的硬件或软件进程。 第第N层实体通常由两部分组成：相邻层间层实体通常由两部分组成：相邻层间的接口和第的接口和第N层通信协议。层通信协议。 OSI定义了如下定义了如下4种用于层间信息交换的种用于层间信息交换的原语：原语： 请求原语

12、（请求原语（Request）；）； 指示原语（指示原语（Indication）；）； 响应原语（响应原语（Response）；）； 证实原语（证实原语（Confirm）。）。 语音、数据等不同的通信业务具有不同语音、数据等不同的通信业务具有不同的特点，如有的对实时性要求很高，有的的特点，如有的对实时性要求很高，有的对差错敏感；有的传输速率恒定，有的具对差错敏感；有的传输速率恒定，有的具有突发性。有突发性。 因而要求网络采用不同的交换方式。因而要求网络采用不同的交换方式。 目前已经出现和使用的交换技术如图目前已经出现和使用的交换技术如图1-12所示。所示。图图1-12 主要交换技术分类主要交换技

13、术分类 电路交换（电路交换（CS，Circuit Switching）是最）是最早出现的一种交换技术，主要用于电话通信。早出现的一种交换技术，主要用于电话通信。 电话通信对时延和时延抖动十分敏感，电电话通信对时延和时延抖动十分敏感，电路交换是一种实时的交换技术。路交换是一种实时的交换技术。 电路交换的基本过程包括呼叫建立、信电路交换的基本过程包括呼叫建立、信息传送（通话）和连接释放三个阶段，如息传送（通话）和连接释放三个阶段，如图图1-13所示。所示。图图1-13 电路交换的基本过程电路交换的基本过程 电路交换的主要优点如下：电路交换的主要优点如下：（1）信息的传输时延小，且连接建）信息的传输

14、时延小，且连接建立，传输时延固定不变。立，传输时延固定不变。（2）信息在通路中）信息在通路中“透明透明”传输，传输，交换机对用户的信息不存储、不分析、交换机对用户的信息不存储、不分析、不处理，而是原封不动地传送，交换不处理，而是原封不动地传送，交换机的处理开销比较小，信息的传输效机的处理开销比较小，信息的传输效率比较高。率比较高。 电路交换存在下列不足：电路交换存在下列不足：（1）电路资源被通信双方独占，利）电路资源被通信双方独占，利用率较低。用率较低。 当通信时间较短（或传送较短信息）时，当通信时间较短（或传送较短信息）时，呼叫建立的时间可能大于通信时间，网络的呼叫建立的时间可能大于通信时间

15、，网络的利用率低。利用率低。（3）存在呼损，即可能出现由于被）存在呼损，即可能出现由于被叫方终端设备忙或通信网络负荷过重叫方终端设备忙或通信网络负荷过重而呼叫不通的情况。而呼叫不通的情况。（4）通信双方在信息传输速率、编）通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信协议等方面码格式、同步方式、通信协议等方面要完全兼容，这就限制了不同速率、要完全兼容，这就限制了不同速率、不同编码格式和不同通信协议的用户不同编码格式和不同通信协议的用户终端之间的通信。终端之间的通信。 分组交换来源于报文交换，采用分组交换来源于报文交换，采用“存存储储转发（转发（Store and Forward）”方式，方式

16、，同属于可变比特率交换范畴。同属于可变比特率交换范畴。 为此，下面先介绍报文交换（为此，下面先介绍报文交换（Message Switching）。）。 1 1报文交换报文交换图图1-14 报文交换的一般过程报文交换的一般过程（1）信息以）信息以“存储存储转发转发”方式通方式通过交换机，输入、输出电路的速率和过交换机，输入、输出电路的速率和编码格式等可以不同，很容易实现不编码格式等可以不同，很容易实现不同类型终端之间的通信。同类型终端之间的通信。（2）在信息传送（报文交换）的过）在信息传送（报文交换）的过程（从用户程（从用户A到用户到用户B）中没有呼叫）中没有呼叫建立和接续过程，来自不同用户的信

17、建立和接续过程，来自不同用户的信息可以在同一条线路上以报文为单位息可以在同一条线路上以报文为单位进行多路复用，电路利用率较高。进行多路复用，电路利用率较高。（3）用户不需要叫通对方就可以发）用户不需要叫通对方就可以发送报文；如果需要，同一报文可以由送报文；如果需要，同一报文可以由交换机转发至多个不同的用户，实现交换机转发至多个不同的用户，实现多播通信。多播通信。 但报文交换存在如下不足：但报文交换存在如下不足：（1）由于采用）由于采用“存储存储转发转发”方式，方式，信息通过交换机时，时延和时延变化信息通过交换机时，时延和时延变化都较大，不利于实时通信。都较大，不利于实时通信。（2）交换机要有能

18、力存储各用户发）交换机要有能力存储各用户发送的报文，其中有的报文可能很长，送的报文，其中有的报文可能很长，要求交换机具有较高的处理能力和较要求交换机具有较高的处理能力和较大的存储容量。大的存储容量。 分组交换同样采用分组交换同样采用“存储存储转发转发”方式，方式，但处理对象不是以报文为单位，而是把报文但处理对象不是以报文为单位，而是把报文划分成许多较短的、格式化的划分成许多较短的、格式化的“分组分组（Packet）”进行传输和交换。进行传输和交换。 分组长度较短，且具有统一的格式，便于分组长度较短，且具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理。在交换机中存储和处理。 分组进入交换机后只在主存储器

19、中停留分组进入交换机后只在主存储器中停留很短的时间，进行排队处理，一旦确定了很短的时间，进行排队处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端。用户终端。 分组通过交换机或网络的时间很短（一分组通过交换机或网络的时间很短（一般为毫秒级），能满足绝大多数数据通信般为毫秒级），能满足绝大多数数据通信对实时性的要求。对实时性的要求。 根据交换机对分组的处理方式不同，分根据交换机对分组的处理方式不同，分组交换分为数据报（组交换分为数据报（Datagram）和虚电路）和虚电路（Virtual Circuit）两种工作方式。）两种工作方式。 分组交换的主要

20、优点如下：分组交换的主要优点如下：（1）能向用户提供在不同速率、不）能向用户提供在不同速率、不同编码方式、不同通信协议的数据终同编码方式、不同通信协议的数据终端之间相互通信的灵活的通信环境。端之间相互通信的灵活的通信环境。（2）在网络负荷较轻的情况下，信）在网络负荷较轻的情况下，信息的传输时延较小，而且时延的变化息的传输时延较小，而且时延的变化范围不大，能够较好地满足计算机通范围不大，能够较好地满足计算机通信的要求。信的要求。（3）便于实现线路上用户信息的动）便于实现线路上用户信息的动态统计复用，通信线路（包括中继线态统计复用，通信线路（包括中继线和用户线）的利用率较高，在一条物和用户线）的利

21、用率较高，在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路。理线路上可以同时提供多条信息通路。 分组传输时可以在中继线和用户线上分分组传输时可以在中继线和用户线上分段进行差错校验，使信息在分组交换网络段进行差错校验，使信息在分组交换网络中传输的比特差错率大大降低，一般可以中传输的比特差错率大大降低，一般可以达到达到10 10以下。以下。 由于分组传输的路由是可变的，当网络由于分组传输的路由是可变的，当网络中的设备或线路发生故障时，分组可以主中的设备或线路发生故障时，分组可以主动避开故障点，故分组交换可靠性高。动避开故障点，故分组交换可靠性高。 信息以分组为单位在交换机中存储和处信息以分组为单位在交换机

22、中存储和处理，不要求交换机具有很大的存储容量，理，不要求交换机具有很大的存储容量，降低了网络设备的费用；对线路的动态统降低了网络设备的费用；对线路的动态统计复用也大大降低了用户的通信费用。计复用也大大降低了用户的通信费用。 分组交换存在的不足如下：分组交换存在的不足如下：（1）由于网络附加的开销较多，对）由于网络附加的开销较多，对长报文通信的效率较低。长报文通信的效率较低。 （2）技术实现复杂。）技术实现复杂。 传统的分组交换网络是基于传统的分组交换网络是基于X.25建议的。建议的。 20世纪世纪80年代以后，随着光纤通信技术的年代以后，随着光纤通信技术的发展，光纤逐渐成为通信网传输介质的主体

23、。发展，光纤逐渐成为通信网传输介质的主体。 光纤通信具有容量大、传输质量高的特点，光纤通信具有容量大、传输质量高的特点，数据传输误码率小于数据传输误码率小于10 9，系统能够提供，系统能够提供10100Gbit/s甚至更高的数据传输速率。甚至更高的数据传输速率。 另一方面，随着计算机技术的发展，终另一方面，随着计算机技术的发展，终端的智能化程度不断提高，许多原来由网端的智能化程度不断提高，许多原来由网络完成的工作（如差错控制）可以由端系络完成的工作（如差错控制）可以由端系统实现。统实现。 在这样的环境下，分组交换显然就没有在这样的环境下，分组交换显然就没有必要像必要像X.25那样再做许多精巧而

24、烦琐的工那样再做许多精巧而烦琐的工作了。作了。 快速分组交换（快速分组交换（FPS，Fast Packet Switching）就是在这样的背景下提出的。）就是在这样的背景下提出的。 快速分组交换可理解为尽量简化协议，快速分组交换可理解为尽量简化协议，甚至只保留核心的网络功能，以提供高速、甚至只保留核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换技术。高吞吐量、低时延服务的交换技术。 广义的广义的FPS包括帧中继（包括帧中继（FR，Frame Relay）与信元中继（）与信元中继（CR，Cell Relay）两）两种交换方式。种交换方式。 ATM交换采用的是信元中继方式。交换采用的是信元

25、中继方式。 与与X.25协议相比，帧中继采用一种简化协议相比，帧中继采用一种简化的协议，它只有的协议，它只有OSI-RM模型的下两层，模型的下两层，没有第三层，甚至在数据链路层也只保留没有第三层，甚至在数据链路层也只保留了核心功能，如帧的定界、同步及差错检了核心功能，如帧的定界、同步及差错检测等。测等。 与传统的分组交换相比，帧中继有两个与传统的分组交换相比，帧中继有两个主要特点。主要特点。 一是帧中继以帧为单位来传送和交换数一是帧中继以帧为单位来传送和交换数据，在第二层（数据链路层）进行复用和据，在第二层（数据链路层）进行复用和传送，而不是在分组层，这就简化了协议，传送，而不是在分组层，这就

26、简化了协议，加快了处理速度。加快了处理速度。 二是帧中继将用户面与控制面分离，而通二是帧中继将用户面与控制面分离，而通常常 的分组交换是不分离的：用户面负责业的分组交换是不分离的：用户面负责业务信息的传送；控制面负责提供呼叫和连务信息的传送；控制面负责提供呼叫和连接的控制，主要包括信令功能。接的控制，主要包括信令功能。 ATM具有下列基本特点：具有下列基本特点：（1）采用定长信元。）采用定长信元。（2）面向连接。）面向连接。 （3）异步时分交换。）异步时分交换。 （4）支持多种业务并具有服务质量）支持多种业务并具有服务质量保证。保证。 图图1-15 传输通道示意传输通道示意 计算机网络是利用通

27、信设备和传输线路将计算机网络是利用通信设备和传输线路将不同地理位置、功能独立不同地理位置、功能独立 的多个计算机系的多个计算机系统互连在一起，通过一系列的协议实现资统互连在一起，通过一系列的协议实现资源共享和信息传递的系统。源共享和信息传递的系统。 从服务范围看，计算机网络分为局域网从服务范围看，计算机网络分为局域网（LAN，Local Area Network）、城域网）、城域网（MAN，Metropolitan Area Network）和）和广域网（广域网（WAN，Wide Area Network）。）。 随着局域网技术，特别是电信级以太网随着局域网技术，特别是电信级以太网技术（技术（

28、CE，Carrier Ethernet）的发展，）的发展，计算机网络的应用范围正在向城域网甚至计算机网络的应用范围正在向城域网甚至广域网延伸。广域网延伸。 本书主要介绍局域网和广域网中使用的本书主要介绍局域网和广域网中使用的基本交换技术。基本交换技术。 局域网技术包括以太网、令牌环、光纤局域网技术包括以太网、令牌环、光纤分布式数据接口（分布式数据接口（FDDI）、）、ATM等，但等，但真正得到广泛应用的是美国电气和电子工真正得到广泛应用的是美国电气和电子工程师学会程师学会IEEE802委员会制定的委员会制定的以太网以太网标标准和技术。准和技术。 图图1-16 传统以太网和交换式局域网传统以太网

29、和交换式局域网图图1-17 广域网组网示例广域网组网示例 1.4.1 电路交换的发展电路交换的发展1机电式交换机机电式交换机2模拟程控交换模拟程控交换 程控交换具有下列优越性：程控交换具有下列优越性：（1）灵活性大，适应性强。）灵活性大，适应性强。 （2）能提供多种新的服务性能。）能提供多种新的服务性能。 （3）便于实现共路信令。）便于实现共路信令。 （4）便于实现操作维护和管理工作）便于实现操作维护和管理工作的自动化。的自动化。 （5）适应现代电信网的发展。）适应现代电信网的发展。 与模拟交换不同，数字交换在话路部分与模拟交换不同，数字交换在话路部分交换的是经过脉冲编码调制（交换的是经过脉冲编码调制（PCM，Pulse Code Modulation）的数字话音信号，交换）的数字话音信号，交换机内部的互连网络采用数字交换网络机内部的互连网络采用数字交换网络（DSN，Digital Switching Network）。）。 数字程控交换在技术上表现出以下数字程控交换在技术上表现出以下3个主个主要特征：要特征：（1）随着大规模集成电路技术的发）随着大规模集成电路技术的发展，数字程控交换机采用单路编译码展，数字程控交换机采用单路编译码器和数字交换网络，实现了用户级和器和数字交换网络，实现了用户级和选组级的全数字化。选组级的全数字化。（2）局间