现代传输与交换技术

1、现代传输与交换技术现代传输与交换技术教师：毛倩办公室：仪表一馆113Email: Tel: 55271601 (O)(M)第第1章章 导论导论通信系统的分类1传输技术5交换技术4 现代通信网的结构3现代通信系统的目标2通信系统按照不同方式可分成如下几类： 1. 按传输信号的形式模拟通信和数字通信在用户线上传输模拟信号的通信方式称为“模拟通信”，模拟信号无论在时间上或是在幅度上都是连续的。大多数电话通信就是模拟通信。数字信号是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号。电报信号就属于数字信号。1 1 通信系统的分类通信系统的分类信息包含在脉冲的有无之中，只要噪

2、声绝对值不超过信息包含在脉冲的有无之中，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无.采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去和原来的数字信号一样，可继续传输下去 抗干扰能抗干扰能力强力强 远距传输远距传输能保证质量能保证质量数字通信的优势数字通信的优势如电话、电报、图像、数据等，便于实现统一的综合如电话、电报、图像、数据等，便于实现统一的综合业务数字网业务数字网 适应各种适应各种通信业务通信业务 便于实现便于实现加密处理加密处理 便于采用便于采用大规模集成大

3、规模集成电路电路 便于实现便于实现计算机管理计算机管理1 1 通信系统的分类通信系统的分类1.按信道具体形式有线通信和无线通信2.按通信工作频段长波通信、 中波通信、 短波通信、 微波通信、 光通信等。通信通信有线通信有线通信无线通信无线通信电通信电通信双绞线双绞线架空明线架空明线同轴电缆同轴电缆光纤通信光纤通信短波通信短波通信微波通信微波通信卫星通信卫星通信散射通信散射通信第一章第一章 概概 述述通信系统的分类1现代通信系统的目标22 2 我们需要什么样的通信系统我们需要什么样的通信系统 现代通信现代通信新技术的新技术的目标目标支持任意类型的应用，如语音、视频、传真等（即多媒体网络）提供更多

4、更好的网络管理工具提供网络硬件/软件的“无缝”连接，以及网络之间的“无缝”连接在各个供应商的设备和网络上都能够运行良好的标准更大的吞吐量、 更高的传输速率、更低的延迟国内主要电信设备制造商：华为、中兴、大唐、烽火，国外主要电信设备制造商：西门子、富士通、朗讯、思科、NEC、北电网络、必须有统一的标准使各个制造商的设备及网络能够兼容，并且运行良好。不断增长的对更大通信容量的需求不断增长的对更大通信容量的需求文本文本图形图形声音声音彩色彩色图像图像视频视频带宽要求带宽要求设屏幕的分辨率为 768 512：v 一屏文本需要的存储空间约为 96 kbit;v 一幅由500条直线组成的矢量图形需要的存储

5、空间约18.4kbit;v 存储一秒语音信息需要的空间为 64 kbit;v 存储一秒数字化高质量音频需要的空间约为1.4 Mbit；v 一幅静止彩色图像需要的存储空间约为 9.4 Mbit；v 存储一秒PAL制式的视频图像需要的空间约为 240 Mbit。第一章第一章 概概 述述通信系统的分类1现代通信系统的目标2 现代通信网的结构3CATVCATV中继线卫星用户线用户线传输系统交换系统交换系统基站基站终端设备终端设备电视电话移动电话电 脑计算机3 3 现代通信网的结构现代通信网的结构电信网的基本组成如下图所示3 3 现代通信网的结构现代通信网的结构从功能的角度看，一个完整的现代通信网可分为

6、相互依存的三部分：业务网、传送网、支撑网，如下图所示。支撑网电话网ATM 网InternetFR 网移动网业务网光传送网传送网SDH/SONET信令网管理网同步网业务网业务网业务网负责向用户提供各种通信业务，如基本话音、数据、多媒体等，采用不同交换技术的交换节点设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网。主要业务网的类型如下表所示：业务网 基本业务 交换节点设备 交换技术 公共电话网 普通电话业务 数字程控交换机 电路交换 移动通信网 移动话音、数据 移动交换机 电路/分组交换 智能网 IN 以普通电话业务为基础的增值业务和智能业务 业务交换节点、 业务控制节点 电路交换 分组交换网(X

7、.25) 低速数据业务(64 kb/s) 分组交换机 分组交换 帧中继网 局域网互连(2 Mb/s) 帧中继交换机 帧交换 数字数据网 DDN 数据专线业务 DXC 和复用设备 电路交换 计算机局域网 本地高速数据(10 Mb/s) 集线器(Hub)、网桥、交换机 共享介质、 随机竞争式 Internet Web、数据业务 路由器、服务器 分组交换 ATM 网络 综合业务 ATM 交换机 信元交换 传送网传送网传送网是随着光传输技术的发展，在传统传输系统的基础上引入管理和交换智能后形成的。传送网独立于具体业务网，负责按需为交换节点/业务节点之间的互连分配电路，在这些节点之间提供信息的透明传输通

8、道，它还包含相应的管理功能，如电路调度、网络性能监视、故障切换等。目前主要的传送网有SDH/SONET和光传送网(OTN)两种类型。支撑网支撑网支撑网负责提供业务网正常运行所必需的信令、同步、网络管理、业务管理、运营管理等功能，以提供用户满意的服务质量。支撑网包含三部分：1.同步网。同步网。负责实现网络节点设备之间和节点设备与传输设备之间信号的时钟同步、帧同步以及全网的网同步，保证地理位置分散的物理设备之间数字信号的正确接收和发送。2.信令网。信令网。对于采用公共信道信令体制的通信网，存在一个逻辑上独立于业务网的信令网，它负责在网络节点之间传送与业务相关或无关的控制信息流。3.管理网。管理网。

9、管理网的主要目标是通过监视业务网的运行情况，采取各种控制和管理手段，以便在各种情况下充分利用网络资源，保证通信的服务质量。第一章第一章 概概 述述通信系统的分类1现代通信系统的目标2 现代通信网的结构3交换技术4通信网由通信终端、传输设备和交换设备组成，其中交换设备是整个网络的核心。通信的目的是实现信息的传递。在通信系统中，信息是以电信号或光信号的形式传输的。一个通信系统至少应由终端和传输媒介组成，如下图所示。终端将含有信息的消息，如话音、图像、计算机数据等转换成可被传输媒介接受的信号形式，同时将来自传输媒介的信号还原成原始消息；传输媒介则把信号从一个地点传送至另一个地点。这样一种仅涉及两个终

10、端的单向或交互通信方式称为点对点通信点对点通信。消息消息消息消息终终 端端传输媒介传输媒介终终 端端5 交换技术交换技术5 交换技术交换技术当存在多个终端，且希望它们中的任何两个都可以进行点对点通信时，最直接的方法是把所有终端两两相连，如下图所示，这样的一种连接方式称为全互连式全互连式。多用户全互多用户全互连式连接连式连接5 交换技术交换技术 全互连式连接存在下列一些缺点：1)当存在 N 个终端时，线对数量以终端数的平方增加；2)当这些终端分别位于相距很远的两地时，两地间需要大量的长线路；3)每个终端都有 N-l 对线与其它终端相接，因而每个终端需要 N-1个线路接口；4)增加第 N+1个终端

11、时，必须增设 N 对线路。当 N 较大时，无法实用化；5)由于每个用户处的出线过多，因此维护工作量较大。5 交换技术交换技术如果在用户分布密集的中心安装一个设备交换机(switch，也叫交换节点)，每个用户的终端设备经各自的专用线路(叫用户线)连接到交换机上，如下图所示，就可以克服全互连式连接存在的问题。用户通过交换用户通过交换机连接机连接5 交换技术交换技术在上图中，当任意两个用户之间要交换信息时，交换机将这两个用户的通信线路连通。用户通信完毕，两个用户间的连线就断开。有了交换设备，N 个用户只需要 N 对线就可以满足要求，线路的投资费用大大降低，用户线的维护也变得简单容易。尽管这样增加了交

12、换设备的费用，但它的利用率很高，相比之下，总的投资费用将下降。电路交换电路交换在网络中，两个端点之间通常需要通过中间节点实现通信, 这些中间节点并不关心数据内容，而是提供一个交换设备, 把数据从一个节点转发到另一个节点，直至达到目的端。因此交换技术主要是指网络中间节点所提供的交换功能。通常，在网络系统中主要使用三种交换技术: 电路交换、 报文交换和分组交换。1.电路交换（Circuit Switching） 电路交换的基本处理过程包括呼叫建立、通话(信息传送)、连接释放三个阶段，最典型的例子是电话交换系统，如下图所示。电路交换电路交换主叫用户A局B局C局被叫用户拨号音拨号占用信号占用信号振铃取

13、机通话(信息传送)被叫挂机反向拆线信号主叫挂机正向拆线信号挂机正向证实信号呼叫建立连接释放回铃音挂机电路交换电路交换电路交换的主要特点：1.电路交换是一种实时交换，适用于实时要求高的话音通信（全程的传输时间200ms）。2.在通信前要通过呼叫为主、被叫用户建立一条局间逻辑的端-端连接。如果呼叫请求数超过交换网的连接能力（过负荷），用户会听到忙音。3.电路交换预分配带宽，话路接通后，即使无信息传送也虚占电路。据统计，传送数字话音时电路利用率仅为36%。4.在传送信息时，没有任何差错控制措施，不利于传输可靠性要求高的突发性数据业务。5.采用电路交换方式的交换节点在建立的连接通路上通常只提供一种基本

14、的传送速率(如64kb/s)。报文交换报文交换2.报文交换（Message Switch） 与电路交换的工作原理不同，在报文交换中，每份报文含有报头，包含收、发双方的地址，以便交换节点进行路由选择。传送报文时，没有连接建立和释放这两个阶段，而是由交换节点接收每份报文，予以存储，再按照报头内容向目的节点进行转发（即存储/转发的方式）。报文交换过程如下图所示。报文交换报文交换传播时延传输时延存储/处理时延用户电报机AA 局B局C局用户电报机BM1M1M1M1t报文交换报文交换报文交换的优点如下：1.节点之间的信道可被报文共享，因此线路利用率高； 2.接收者和发送者无需同时工作, 当接收者处于“忙”

15、时, 中间节点可将报文暂时存储起来；3.当流量加大时，报文仍然可以接收，但延时会增加；4.可 同 时 向 多 个 目 的 端 发 送 同 一 报 文 ， 实 现 多 播（Multicast）功能；5.可以在报头中设置报文优先级，中间节点可根据报文优先级的高低提供不同质量的转发服务。6.能够在网络上实现报文的差错控制和纠错处理；7.可以进行传输速率和代码格式的转换, 从而使两个传输速率、数据格式相异的端点可相互连接。 报文交换报文交换 报文交换方式的主要缺点是不适于实时通信或交互式通信，网络的延时比较长，波动范围比较大。所以不能用来传输声音或图像信号，也不适用于交互式通信。报文交换方式主要用在早

16、期的广域网中。分组交换分组交换 分组交换与报文交换十分相似，但是需要将用户的原始信息（报文）分成若干个小的数据单元来传送，这些数据单元称为分组（Packet），也可称之为“包”。每个分组中必须附加一个分组标题，包含可供处理的控制信息（路由选择、流量控制和阻塞控制等），交换机采用存储/转发方式传送每一个分组。 从原理上看，分组交换与报文交换相比似乎没有明显区别。 而事实上，限制数据单元的最大长度将会明显地改善网络性能。 分组交换技术是一种广泛应用于网络中的交换技术。 现有的公共数据交换网、局域网都采用分组交换技术。数据报数据报 在分组交换网中, 通常采用数据报（DG，Data Gram）和虚电路

17、（VC，Virtual Circuit）两种方式来处理分组流。1.数据报：在数据报方式中, 每个分组将独立地进行传输, 由于网络的中间交换节点对每个分组可能选择不同的路由, 这些分组到达目的端的顺序可能与发送的顺序不同, 因此目的端必须重新排序分组，组装成一个完整的原始报文，如下图所示。数据报交换过程数据报交换过程BCDEFAGH4133562323213241114虚电路虚电路 虚电路是分组交换网向用户提供的另一种网络服务方式，数据传输过程与电路交换方式类似，也经历三个阶段：建立连接、数据传输和拆除连接。1.建立连接：建立连接：源端在发送数据分组之前，先请求分组建立一条逻辑连接，网络中间节点

18、根据该请求在源端和目的端之间预先选择一条传输路径。（由于该路径上的各段线路是共享的，并非独占的，因此这种逻辑连接称为虚电路。）2.数据传输：数据传输：当虚电路建立起来后，源端和目的端之间便可以在这条虚电路上交换数据。在虚电路服务方式中，用户所有的分组均按已建立的路径有序地通过网络，因此接收端不需要对收到的分组重新排序，分组在网内的传送时延相对较小，且容易及时发现分组丢失。3.拆除连接：拆除连接：当数据传输完毕后, 其中的任一个端点都可以发出拆除连接请求分组, 终止这个虚电路。虚电路交换过程虚电路交换过程计算机DTE ADCEA局DCEB局DCEC局计算机DTE B呼叫请求分组呼叫连通分组释放请

19、求分组DCE释放证实分组连接释放数据传输呼叫建立P1P2P3传播时延传输时延存储/处理时延入呼叫分组呼叫接受分组t释放指示分组释放证实分组DTE虚电路虚电路 虚电路方式既不像电路交换那样需要独占线路，而是采用共享线路方式来建立连接，通过存储转发方法实现数据交换；它又不同于数据报方式，只是在建立虚电路时选择一次路由，后续的各个分组只要使用该路由传送即可，而无需重新选择路由。 按虚电路方式通信，通信双方便于进行流量控制和差错控制，以保证按顺序正确接收，所以虚电路意味着可靠的通信。当然它没有数据报方式灵活，效率也不如数据报方式高。 虚电路可以是暂时的，即会话开始建立，会话结束拆除，这叫做虚呼叫；也可

20、以是永久的，即通信双方一开机就自动建立，直到一方(或同时)关机才拆除，这叫做永久虚电路。第第1章章 导论导论通信系统的分类1传输技术5交换技术4 现代通信网的结构3现代通信系统的目标26 光纤技术光纤技术1960年，美国人梅曼发明了第一台红宝石激光器，使光通信成为可能。1966年，英籍华裔学者高锟和霍克哈姆发表了关于传输介质新概念的论文，指出利用光纤传输信息的可能性和技术途径，奠定了现代光通信的基础。此后光纤通信发展十分迅速，现在，单模光纤通信系统的传输速率最高可达10Gb/s，无中继传输距离可达100km150km。电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然光波和电波都是电磁

21、波，但是频率差别很大。 光纤通信用的近红外光（波长约1m）的频率（约300 THz），比微波（波长为0.1m1 mm）的频率（3300 GHz）高3个数量级以上。部分电磁波频谱部分电磁波频谱100 THz10 THz1 THz100 GHz10 GHz1 GHz100 MHz10 MHz1 MHz1 m可见光线10 m100 m1 mm10 mm100 mm1 m10 m100 m中波(MF)短波(HF)米波(VHF)分米波(UHF)厘米波(SHF)毫米波(EHF)亚毫米波远红外线近红外线(光纤通信用）频率波长名称紫外线光纤通信的优点光纤通信的优点 损耗很小，损耗很小， 中继距离很长且误码率很小中继距离很长且误码率很小若传输速率为若传输速率为2.5 Gb/s，中继距离可达中继距离可达150 km；若若传输速率为传输速率为10 Gb/s，中继距离可达中继距离可达100 km。 容许频带很宽，传输容量很大容许频带很宽，传输容量很大抗电磁干扰抗电磁干扰性能好性能好泄漏小，泄漏小， 保保密性能好密性能好速率等级：速率等级：155M、622M、2.5G、10G， 重量轻、重