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文档简介

1、第第3章章 交换技术交换技术现代通信系统现代通信系统课程课程2022-5-141第3章 交换技术 3.1 交换技术概述交换技术概述 3.2 电路交换电路交换 3.3 分组交换分组交换 3.4 ATM交换交换 3.5 多标签标记交换(多标签标记交换(MPLS) 3.6 软交换软交换 3.7 7号信令号信令2022-5-142交换的含义:交换的含义: 在大量的终端用户之间,按所需在大量的终端用户之间,按所需目的地来互相传递目的地来互相传递话音、文本、数话音、文本、数据、图像据、图像等信息。等信息。3 3. .1 1 交换技术概述交换技术概述2022-5-143自从自从1876年年Bell.A.G发

2、明电话以来,一个电信系统至少应由发明电话以来,一个电信系统至少应由终端和传输媒介组成。终端和传输媒介组成。在电信系统中,只有两个终端的通信在电信系统中,只有两个终端的通信称为称为点对点点对点通信通信3.1.1 交换与通信网交换与通信网终端终端传输媒介电信号电信号消息消息2022-5-144话音话音数据数据称连接两个话机的这一对线为称连接两个话机的这一对线为一条线路。一条线路。多个用户如何通信?多个用户如何通信?点对点通信举例点对点通信举例3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-145 当存在多个终端时,人们希望其中任意两个终端之当存在多个终端时,人们希望其中任意两个终端之间都可以进行

3、点对点通信。间都可以进行点对点通信。 以最基本的一种交换以最基本的一种交换电话交换电话交换为例,为例,为了让任为了让任意两个用户在需要时都可以进行通话,在用户数很意两个用户在需要时都可以进行通话,在用户数很少时,可以采用个个相连的方法。少时,可以采用个个相连的方法。 3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-146(终端终端=5、线对数、线对数=10)无交换的多个终端的通信l用户数增多时:用户数增多时:l用户线数急剧增多;用户线数急剧增多;若终端数为若终端数为n,则线对数为,则线对数为 n(n-1)/2(当终端(当终端n=100时,线对数时,线对数=100X(100-1)/2=4950

4、)l每个用户如何确定与其他用户通每个用户如何确定与其他用户通话的问题;话的问题;l每新增加一个用户的处理问题。每新增加一个用户的处理问题。可靠性高可靠性高以全互连的方式两两相连。以全互连的方式两两相连。 优点优点缺点缺点3.1.1 交换与通信网交换与通信网7全互连方式时,全互连方式时,若终若终端数为端数为8,则线对数,则线对数为为C 28= 8(8-1)/2无交换的多个无交换的多个终端要实现相终端要实现相互间通信,必互间通信,必须以全互连的须以全互连的方式两两相连方式两两相连。2022-5-148 当用户数为当用户数为N时,需要的互连线对数为时,需要的互连线对数为N(N-1)/2。显然,这种个

5、个互连的方法很不经。显然,这种个个互连的方法很不经济,而且操作复杂,当济,而且操作复杂,当N较大时根本无法实现较大时根本无法实现。 引入了交换设备,用户终端只需要一对引入了交换设备,用户终端只需要一对线线对对与交换机相连,由交换机控制任意用户之间与交换机相连,由交换机控制任意用户之间的接续。的接续。3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-149引入交换的终端间通信用户间通过交换机连接用户间通过交换机连接交换机交换机用户线用户线出现交换机,出现交换机,完成各个用户完成各个用户之间的接续之间的接续100条;条;变为变为5000条条) 1(21-nnn优点优点用户线数大大减少用户线数大大减

6、少3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-1410l交换:在通信的源和目的终端之间建立通信信道,实现信息传递的过程。l交换机:能在任意选定的两条用户线之间建立和(而后)释放一条通信链路。交换概念讨论:如何扩大范围?讨论:如何扩大范围?3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-1411多个交换节点组成的通信网中继线中继线市话交换机市话交换机汇接交换机汇接交换机用户交换机用户交换机3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-1412l交换设备:即交换机,完成交换的功能。l终端设备:完成用户消息与电信号的转换,以及电信号的发送和接收。l用户线:用户终端设备与交换机之间的线路。

7、l中继线:交换机之间的线路。l传输设备:完成信号的远距离传输,由用户线、中继线及其他相关传输系统设备构成。l通信网:通信网是一种使用交换设备,传输设备,将地理上分散用户终端设备互连起来实现通信和信息交换的系统。 l通信网三要素:交换设备、传输设备和用户终端设备。几个概念交换设备是通信网的核心,决定了通信网的类型。交换设备是通信网的核心,决定了通信网的类型。3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-1413能找出接通能找出接通的各对电话的各对电话吗?吗?3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-1414利用汇接交换机互连多个利用汇接交换机互连多个端局交换机,疏导本交换端局交换机,

8、疏导本交换区各交换机之间的互通业区各交换机之间的互通业务。务。用户交换机,在信令方式用户交换机,在信令方式上相当于用户电话机。上相当于用户电话机。2022-5-1415 专门用来传送各交换机之间通专门用来传送各交换机之间通信操作和维护信令的数据通信信操作和维护信令的数据通信的分组交换网络。的分组交换网络。用户环路,常以模拟方式传用户环路,常以模拟方式传送送300-3400Hz话音信号。话音信号。采用采用PCM时分复用,每个用时分复用,每个用户占用户占用64kbit/s带宽,常以带宽,常以2Mbit/s或更高速率的复用群或更高速率的复用群传送话音传送话音/数据。数据。通信网的传输设备主要由用户通

9、信网的传输设备主要由用户线、中继线以及其他相关传输线、中继线以及其他相关传输系统设备构成。系统设备构成。2022-5-1416电话通信系统电话通信系统的特点的特点 :a.电话通信是一个电话终端对另一个电话终端的电话通信是一个电话终端对另一个电话终端的通信,因此,它属于通信,因此,它属于点到点点到点通信的范畴。通信的范畴。b.电话通信既能把主叫端的电信号传送至被叫端电话通信既能把主叫端的电信号传送至被叫端,又能把被叫端的电信号传送至主叫端。因此,又能把被叫端的电信号传送至主叫端。因此电话通信属于电话通信属于双向通信双向通信。c.在电话通信中,用户通话都需要经过在电话通信中,用户通话都需要经过交换

10、设备交换设备来连通。来连通。 电话交换电话交换是电信交换中最基本的一种交换业务是电信交换中最基本的一种交换业务3.1.1 交换与通信网交换与通信网2022-5-1417q电路交换q报文交换q分组交换q帧中继qATM交换qIP交换q光交换q软交换交换方式的发展是随着通信网的发展而发展,交换方式的发展是随着通信网的发展而发展,不同业务的通信有不同的特点,其交换方式也不同不同业务的通信有不同的特点,其交换方式也不同3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1418193.1.2 交换方式交换方式2022-5-14各种交换方式CTM - Circuit Transfer Mode(电路传送模式电路传送

11、模式)PTM - Packet Transfer Mode(分组传送模式分组传送模式)ATM - Asynchronous Transfer Mode(异步传送模式异步传送模式)IP交换、光交换、软交换交换、光交换、软交换多多速速率率电电路路交交换换快快速速电电路路交交换换ATM 交交换换帧帧中中继继报报文文交交换换电电路路交交换换分分组组交交换换PTMCTM3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1420语音业务与数据业务区别l语音业务电话网电话通信电路交换l数据业务数据网数据通信分组交换等通信方式通信方式 通信对象通信对象实时性实时性可靠性可靠性持续时间持续时间电话通信电话通信人人高高低

12、低5分钟分钟数据通信数据通信计算机计算机低低高高1-50秒秒3.1.2 交换方式交换方式21 主要用于电话通信网中,完成电话交换 电话通信过程打电话过程 三个阶段 建立连接信息传递拆除连接 连接:交换机根据被叫号码在主、被叫之间建立的一条专用物理通道。电路交换 (Circuit Switching)3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1422电路交换的基本过程:电路交换的基本过程:交换节点交换节点A交换节点交换节点B交换节点交换节点C建立建立传送传送释放释放3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1423电路交换过程N1N3N2N5N4用户用户A用户用户B你好!你好!建立连接阶段建立连

13、接阶段信息传递阶段信息传递阶段拆除连接阶段拆除连接阶段面向物理连接面向物理连接3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1424电路交换特点电路交换特点面向物理连接面向物理连接信道专用信道专用透明传输透明传输无差错控制无差错控制呼损制呼损制用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量,用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量,过负荷时呼损率增加,但不影响已建立的呼过负荷时呼损率增加,但不影响已建立的呼叫。叫。对通信信息不作处理对通信信息不作处理( (信令除外信令除外) ),而是原封,而是原封不动地传送。不动地传送。在通信的用户间建立专用的物理连接通路。在通信的用户间建立专用的物理连接通路。(固定分配带宽)

14、(固定分配带宽)2022-5-14253.1.2 交换方式交换方式2022-5-14263.1.2 交换方式交换方式2022-5-142728电路交换技术主要适用于传送和话音相关的业务。3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1429多速率电路交换多速率电路交换 多速率电路交换(多速率电路交换(Multi-Rate Circuit Switching,MRCS)是基于传统电路交换的一)是基于传统电路交换的一种改进方式,它可以对不同的业务提供不同的种改进方式,它可以对不同的业务提供不同的带宽,包括基本速率(例如带宽,包括基本速率(例如8kbit/s 或或 64kbit/s )及其整数倍。)及其

15、整数倍。在节点内部的交换网络及其控制上实现多速率交在节点内部的交换网络及其控制上实现多速率交换的要求,可以采用两种方法:换的要求,可以采用两种方法:采用多个采用多个不同速率的交换网络不同速率的交换网络采用一个采用一个统一的多速率交换网络统一的多速率交换网络3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1430快速电路交换快速电路交换 快速电路交换(快速电路交换(Fast Circuit Switching,FCS)是电路交换的又一种形式,是为了克服)是电路交换的又一种形式,是为了克服传统电路交换中固定分配带宽的缺点和提高灵传统电路交换中固定分配带宽的缺点和提高灵活性而提出的。活性而提出的。 只在信

16、息要传送时才分配带宽和有关资源。只在信息要传送时才分配带宽和有关资源。 在呼叫建立时,要求通路上的交换节点分配并在呼叫建立时,要求通路上的交换节点分配并“记忆记忆”所需的带宽和去向,但并不占用该带所需的带宽和去向,但并不占用该带宽,称之为逻辑连接。宽,称之为逻辑连接。 当用户发送信息时,交换机才通过呼叫标识确当用户发送信息时,交换机才通过呼叫标识确定并激活该逻辑连接,形成物理连接。定并激活该逻辑连接,形成物理连接。 3.1.2 交换方式交换方式2022-5-14报文交换(Message Switching)报文:报文交换中信息传递的基本单位报文:报文交换中信息传递的基本单位 公用电信网的电报自

17、动交换是报文交换的典型应用,有的专用数据网也采公用电信网的电报自动交换是报文交换的典型应用,有的专用数据网也采用报文交换方式。用报文交换方式。源地址源地址目的地址目的地址用户信息用户信息结束标志结束标志)!注意:将用户所有信息打包成一个报文!注意:将用户所有信息打包成一个报文3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1431报文交换(Message Switching) 基本原理:存储转发无连接无连接N1N3N2N5N4用户用户A用户用户B3.1.2 交换方式交换方式3233交换节点A交换节点B交换节点C报文报文传输时延存储时延处理与排队时延报文交换的时延报文交换的时延3.1.2 交换方式交换

18、方式2022-5-14报文交换的特点 无连接 信道共享 无呼损 实时性差3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1434 ?讨论:针对数据通信的特点和要求,如何改进电路交换和报文交换方式来满足数据通信的要求?数据通信特点: 突发性 可靠性高 时延要求不高n电路交换信道利用率低,而报文交换实时性差,电路交换信道利用率低,而报文交换实时性差,不满足许多数据通信系统的实时性要求。不满足许多数据通信系统的实时性要求。3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1435 分组交换将用户要传送的信息分割为若干个分组(packet),每个分组中有一个分组头,含有可供选路的信息和其他控制信息。分组交换(PS:

19、Packet Switching)分组头分组头(标题标题)地址、信息类型、编号地址、信息类型、编号各个包分别独立传输各个包分别独立传输不定长的数据包不定长的数据包分组长分组长度可选度可选3.1.2 交换方式交换方式2022-5-143637交换节点A交换节点B交换节点C传输时延存储时延处理与排队时延分组 1分组 2分组 3分组 5分组 4分组 1分组 2分组 3分组 5分组 4分组交换的时延分组交换的时延2022-5-14 数据报(DG:Datagram)方式 虚电路(VC:Virtual Circuit)方式分组交换的两种工作方式3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1438 数据报不需

20、要预先建立逻辑连接,而是按照每个分组头中的目的地址对各个分组独立进行选路。数据报用户用户AN1N3N2N5N4用户用户B无连接无连接3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1439虚电路 虚电路方式,就是在用户数据传送前先建立端到端之间虚电路方式,就是在用户数据传送前先建立端到端之间的的虚电路虚电路;一旦虚电路建立后,属于同一呼叫的数据分组均;一旦虚电路建立后,属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送,呼叫结束后拆除虚电路。沿着这一虚电路传送,呼叫结束后拆除虚电路。注意:注意:虚电路虚电路不同于电路交换中的物理连接,而是逻辑连接不同于电路交换中的物理连接,而是逻辑连接。面向虚(逻辑)连接面

21、向虚(逻辑)连接用户用户AN1N3N2N5N4用户用户B3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1440 帧交换帧交换 (FS Frame Switching) 帧交换是一种帧方式的承载业务,为克服分组交换协议处理复杂的缺点,它简化了协议,其协议栈只有物理层和数据链路层,去掉了三层协议功能,从而加快了处理速度。由于在二层上传送的数据单元为帧,因此称其为帧交换。 分组交换、帧交换、帧中继协议处理的不同分组交换、帧交换、帧中继协议处理的不同 3.1.2 交换方式交换方式2022-5-144142帧交换帧交换 通常的分组交换是基于通常的分组交换是基于X.25协议。协议。X.25包含包含了三层了三层

22、:第一层是物理层,第二层是数据链路层:第一层是物理层,第二层是数据链路层,第三层是分组层,它们分别对应于开放系统互,第三层是分组层,它们分别对应于开放系统互连(连(Open System Interconnection,OSI)参)参考模型的下三层,每一层都包含了一组功能。考模型的下三层,每一层都包含了一组功能。3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1443帧交换主要特点:帧交换主要特点: 帧交换是在第二层(链路层)进行复用和传送帧交换是在第二层(链路层)进行复用和传送,而不是在分组层。,而不是在分组层。 帧交换将用户面与控制面分离。帧交换将用户面与控制面分离。帧方式是将用户信息流以帧为帧

23、方式是将用户信息流以帧为单位在网络内传送。单位在网络内传送。3.1.2 交换方式交换方式2022-5-14帧中继 (FR:Frame Relay) 帧中继与帧交换方式相比,其协议进一步简化,它不仅没有三层协议功能,而且对二层协议也进行了简化。它只保留了二层数据链路层的核心功能,没有了流量控制、重发等功能,以达到为用户提供高吞吐量、低时延特性,并适合突发性的数据业务的目的。 分组交换、帧交换、帧中继技术特点比较分组交换、帧交换、帧中继技术特点比较 3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1444固定长度的信元固定长度的信元 信元信元(cell)只有只有53个字节个字节(byte),其中开头,其

24、中开头5个字个字节称为信头节称为信头(cell header),其余,其余48个字节为信息域个字节为信息域,或称为净荷,或称为净荷(pay load)。q采用很短的信元可以减少交换节点内部的采用很短的信元可以减少交换节点内部的缓冲器容量以及排队时延和时延抖动。缓冲器容量以及排队时延和时延抖动。q信元的长度固定,则有利于简化交换控制信元的长度固定,则有利于简化交换控制和缓冲器管理。和缓冲器管理。ATM交换-异步传送模式3.1.2 交换方式交换方式2022-5-144546 ATM的主要思想:的主要思想: 尽量把交换的处理负担从交换机转移到通信尽量把交换的处理负担从交换机转移到通信的两端,以最大限

25、度地减小交换机的处理时间,的两端,以最大限度地减小交换机的处理时间,并给用户和网络操作者以最大的灵活性。并给用户和网络操作者以最大的灵活性。ATM交换-异步传送模式3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1447 ATM技术可同时向用户提供统一的服务,技术可同时向用户提供统一的服务,包括话音业务、数据业务和图像信息,非常适包括话音业务、数据业务和图像信息,非常适合传送高速数据业务。是目前已知的一种最适合传送高速数据业务。是目前已知的一种最适合于宽带综合业务数字网(合于宽带综合业务数字网(B-ISDN)的交换方)的交换方式。式。ATM交换机主要交换机主要用在骨干网络中用在骨干网络中3.1.2

26、交换方式交换方式2022-5-1448IP交换(交换(IP Switch) 是专门用于在是专门用于在ATM网上传送网上传送IP分组的技术分组的技术,它克服了,它克服了Classical IP Over ATM的一些缺陷的一些缺陷(如在子网之间必须使用传统路由器等),提(如在子网之间必须使用传统路由器等),提高了在高了在ATM上传送上传送IP分组的效率,是目前一种分组的效率,是目前一种典型的属于典型的属于集成模型集成模型的技术。的技术。 3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1449IP/ATM集成交换集成交换 由于由于Internet的迅速发展,基于的迅速发展,基于IP网络的应网络的应用日

27、益广泛。用日益广泛。IP与与ATM的结合已成为研究的热的结合已成为研究的热点和发展趋势。点和发展趋势。3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1450IP与与ATM的结合有两种模式:的结合有两种模式:重叠模式重叠模式:IP层运行于层运行于ATM层之上。层之上。两套地址:两套地址:ATM地址、地址、IP地址,且需要地址解析地址,且需要地址解析两种选路协议:两种选路协议:ATM选路协议、选路协议、IP选路协议。选路协议。有:有: Classical IP over ATM 、局域网仿真(、局域网仿真(LANE)、)、ATM上的多协议(上的多协议(MPOA)。)。3.1.2 交换方式交换方式202

28、2-5-1451集成模式集成模式:将:将IP与与ATM有机地结合在一起。有机地结合在一起。一套地址:一套地址:IP地址,不需要地址解析;地址,不需要地址解析;一种选路协议:一种选路协议:IP选路协议。选路协议。有:有: IP交换、标签(交换、标签(Tag)交换、多协议标记交)交换、多协议标记交换(换(MPLS)。)。3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1452 光纤有着巨大的频带资源和优异的传输性能光纤有着巨大的频带资源和优异的传输性能,是实现高速率、大容量传输的最理想的物理,是实现高速率、大容量传输的最理想的物理媒质。随着波分复用(媒质。随着波分复用(Wavelength Divisi

29、on Multiplexing,WDM)技术的成熟,一根光纤)技术的成熟,一根光纤中能够传输几百吉比特中能够传输几百吉比特/秒(秒(Gbit/s)到太比特)到太比特/秒(秒(Tbit/s)的数字信息,这就要求通信网中交)的数字信息,这就要求通信网中交换系统的规模越来越大,运行速率也越来越高换系统的规模越来越大,运行速率也越来越高 光交换3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1453 光交换和光交换和ATM交换一样,是宽带交换的重要组成交换一样,是宽带交换的重要组成 光交换技术是一种光纤通信技术,它是指不经过任何光光交换技术是一种光纤通信技术,它是指不经过任何光电转换,在光域直接将输入光信号

30、交换到不同的输出端。电转换,在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。 随着光器件和波分复用技术的发展和不断成熟,光交换随着光器件和波分复用技术的发展和不断成熟,光交换机技术成为实现机技术成为实现NGN的一个核心技术。的一个核心技术。光交换3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1454电交换光 电光 电光 电光 电电 光光 电电 光光信号光信号光交换光信号光信号光信号的电交光信号的电交换换能确保用户与用能确保用户与用户之间的信号传户之间的信号传输与交换全部采输与交换全部采用光波技术。用光波技术。2022-5-1455光交换的传输路径采用:光交换的传输路径采用:空分交换方式、空分交换方式、时

31、分交换方式、时分交换方式、波分交换方式。波分交换方式。当前有空分机制的光路交换当前有空分机制的光路交换(ODX)、时空、时空结合的光突发交换结合的光突发交换(OBS), 只完成光层交只完成光层交换。换。 3.1.2 交换方式交换方式2022-5-14软交换 NGN(Next Generation Network)即下一代网络,实现了传统的以电路交换为主的PSTN网络向以分组交换为主的IP电信网络的转变,从而使在IP网络上发展语音、视频、数据等多媒体综合业务成为可能。 软交换是下一代网络的控制功能实体,它独立于传送网络,主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能,同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务,并向第三方提供可编程能力,它是下一代网络呼叫与控制的核心。3.1.2 交换方式交换方式2022-5-1456软交换最核心的思想就是业务/控制与传送/接入相分离,其特点具体体现在: 应用层和控制层与核心网络完全分开,以利于快速方便的引进新业务; 传统交换机的功能模块被分离为独立的网络部件,各部件功能可独立发展;

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