现代交换原理-开放试验课件

1、现代交换原理实验课安排第十二周： 实验内容：多种信号音及人工交换实验 实验地点：H212第十四周： 实验内容：FSK来电显示实验 实验地点：H212第十六周： 实验内容：回铃音实验 实验地点：H212现代交换原理课程介绍现代交换原理是通信工程的一门主要专业课，在现代通信领域中有着广泛的应用，随着通信技术的发展和广泛应用，信息学科相关领域的工程技术人员也需要了解和掌握现代交换原理和技术的相关知识。本课程的目的是使学生掌握各种现代交换系统的基本原理和实现方式，了解本领域技术的最新发展趋势。使学生不仅具有应用及维护现代交换系统及相关系统和网络的基本技能，同时为将来从事现代通信系统和通信网络设备的设计

2、、使用与维护打下良好的专业技术基础。课程目标掌握存储程序控制交换原理。掌握电路交换、分组交换、ATM交换等了解常用交换设备及其在现代通信网中的位置及其外部环境。了解光交换以及软交换技术，以及现代通信技术的最新发展1.1交换与通信网第1章 概 论1.2交换方式1.3交换技术的发展1.4 NGN与软交换1.1 交换与通信网问题： 什么是通信?通信是指按约定规则进行的信息传送。Communication, Com.或Comm.。 Telecommunication ，Telecom.1.1交换与通信网信息、消息与信号 信息是消息包含的有效内容。信息是抽象的、本质的，消息是信息的物理形式，消息包含的信

3、息多少可用信息量来度量。消息是信息的载体，消息需调制成信号才能在信道中传输。信号是信息的电磁形式，是消息的物理载体。 1.1.1 从点到点通信到通信网（一）点到点通信信源发送端变换器信道反变换器信宿噪声源接收端终端电信号电信号消息消息传输媒介终端1.1交换与通信网点到点通信系统种类繁多，但还不能称为通信网。如何实现多个用户之间的通信？最简单、最直接的方式就是两两互相连接。（一）点到点通信1234561.1交换与通信网如果终端用户过多，则使得网络控制变得复杂全互连方式存在什么问题？（1）N2 问题；（2）经济性问题；（3）可操作性问题；（4）控制和管理问题。123456在实际应用中，全互连方式仅

4、用于终端数目少、地理位置集中、可靠性要求很高的场合。 （一）点到点通信1.1交换与通信网要实现多用户间的通信，需要一个合理的拓扑结构将多个用户有机地连接在一起，并定义标准的通信协议，以使它们能协同工作，这样就形成了一个通信网。 如何实现任意两个用户之间的通信？（一）点到点通信1.1交换与通信网123456（二）交换式通信网416235N2问题变成了N条用户线，由交换机组成的交换式通信网容易组成大型网络。 开关设备1.1交换与通信网（二）交换式通信网交换式通信网组网示意图用户交换机市话交换机汇接交换机用户线中继线1.1交换与通信网（二）交换式通信网在交换式通信网中，交换机负责接入用户、建立连接、

5、分配资源、中转信息，以及必要的网络管理与控制功能。 由于用户众多、位置分散，因此交换式通信网必须解决编号、寻址、控制、管理、接口标准、可扩充性、服务质量保证等一系列在点到点模型系统中原本不是问题的问题。 1.1交换与通信网（二）交换式通信网（1）交换节点的功能监视功能：发现和判断用户的呼叫请求 。信令功能：接收和分析地址信号 ，按目的地址选路，并转发信号。连接功能：按需实现任意端口之间的信息传送 。控制功能：控制连接的建立与释放 。（二）交换式通信网交换式通信网首先用于电话通信，并采用电路交换方式构成电话通信网络。20世纪60年代以后，个人计算机日益普及，迫切需要数据通信，来共享计算机的计算和

6、存储资源，因此，计算机连网成为现实的需要，这就出现了交换技术的另一个重要分支 数据交换。（2）电话交换与数据交换（二）交换式通信网电话通信和数据通信都是以传送信息为目的，两者之间有什么不同呢？通信对象不同通信过程中业务特征不同 通信的平均持续时间和实时性要求不同 可靠性要求不同 1.1.2 通信网的定义与构成（一）通信网的定义通信网是由一定数量的节点和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。通信网是由各种软、硬件设施按照一定的规则互连在一起，完成信息传递任务的系统。1.1交换与通信网1.1.2 通信网的定义与构成（二）通信网的构成要素终端(

7、Terminal) 交换节点(Switching Node)传输系统(Transmission System)业务节点(Service Node)1.1.2 通信网的定义与构成 电话、传真、计算机、视频终端等，它们是信息的产生者和使用者。主要功能： 1）用户信息的处理 用户信息的发送和接收，并将信息转换成适合传输的信号以及相应的反变换。 2）信令信息的处理 产生和识别连接建立、业务管理等控制信息。 终端（ Terminal）1.1.2 通信网的定义与构成 交换节点（ Switching Node ） 通信网的核心设备，负责集中、转发用户终端信息，但并不产生和使用这些信息。主要功能： (1) 接

8、入功能。 (2) 连接功能。 (3) 信令功能。 (4) 其它控制功能。 路由信息更新与维护、计费、话统和维护管理等。网络接口接口控制信令用户线中继线交换节点功能结构1.1.2 通信网的定义与构成 传输系统（ Transmission System ） 为信息传送提供通道，并实现网络节点的互连。包括线路接口、传输媒介、交叉连接设备等。 其主要目标是提高物理线路的利用率，采用复用技术，如频分、时分、码分、波分复用等。 为保证交换节点正确接收和识别传输的数据流，交换节点必须与传输系统协调一致，保持帧同步和位同步、遵守相同的体制(如SDH、WDM)等。1.1.2 通信网的定义与构成 业务节点（ Se

9、rvice Node ） 业务控制点(SCP)、智能外设（IP）、语音信箱（VMS），以及因特网上各种服务器等。由连接在网络边缘的计算机、数据库系统组成。 (1) 实现独立于交换节点的控制逻辑。 (2) 实现对交换节点业务控制。 (3) 提供智能化、个性化、差异化服务。 基本业务的呼叫建立、执行控制在交换节点实现，但很多新的电信业务则转移到业务节点中。1.1.2 通信网的定义与构成（三）通信网的类型按信号方式划分：模拟通信网和数字通信网。按服务区域划分：本地/长途或LAN/WAN。 按业务类型划分：电话通信网(PSTN、PLMN)、数据通信网(X.25 、FR 、Internet) 。按服务对

10、象划分：公用通信网和专用通信网。按活动方式划分：固定通信网和移动通信网。1.1.2 通信网的定义与构成（四）通信网的结构用户驻地网、接入网和核心网核心网驻地网接入网驻地网接入网UNIUNISNISNI公用设施用户设备（四）通信网的结构 用户驻地网CPNCustomer Premises NetworkCPN是用户自有网络，指用户终端至业务集中点之间所包含的传输及线路等相关设施。小至终端，大至局域网。实现用户和业务的集中，信息的变换与适配、复用与交换、寻址与选路等功能。（四）通信网的结构 接入网AN （Access Network ）有线接入铜线接入技术：HDSL、ADSL、VDSL、LAN e

11、tc.光纤接入技术：FTTC、FTTB、FTTH混合光纤/同轴电缆接入HFC无线接入固定无线接入：LDMS、MMDS、 802.11 、802.16移动无线接入：GSM、CDMA、UMTS、WIMAX综合接入：FTTC+HFC、有线+无线（四）通信网的结构 核心网CN （Core Network）是通信网的骨干，由现有和未来的宽带、高速骨干传输网和大型交换节点构成。发展趋势：IP化、综合化、扁平化所有业务全部由统一的IP核心网承载，差别仅在于接入网。统一的IP核心网用统一的设备代替原来各网系专用设备，大大降低开发和运营成本。1.2 交换方式1.2.1交换技术概述1.2.2主要交换技术1.2.1

12、 交换技术概述 根据信息传递时是否预先建立端到端的连接，通信网交换技术分为两大类：面向连接型（CO,Connection Oriented）无连接型（CL,Connectionless ）面向连接适用于大批量、可靠数据传输业务，但网络控制较复杂；无连接方式控制简单，适用于突发性强、数据量少的业务。（一） 面向连接和无连接1.2.1 交换技术概述通信网是以交换节点为核心构建的，为了实现信息传递，各交换节点必须拥有当前网络的拓扑结构信息（网络地图）。节点包含路由表、转发表（可选）、交换模块（空分型、共享型等）和控制信令（路由交换信令、转发表建立信令、端到端连接信令）。（二） 交换节点的功能结构路由

13、与转发有什么区别 ? 1.2.1 交换技术概述问题：1.2.1 交换技术概述（二） 交换节点的功能结构面向连接型节点维护管理路由表路由信息交换UNI信令呼叫处理转发控制NNI信令转发表交换模块管理信息路由协议信令信息信令信息用户信息用户信息无连接型节点维护管理路由表路由信息交换转发控制交换模块管理信息路由协议用户信息用户信息目前广域网上使用的交换技术主要包括：电路交换、分组交换、帧中继、ATM技术、IP交换。电路交换和分组交换是通信网最基本的交换技术，帧中继、ATM以及各种IP交换则是基于这两种技术的综合或改进。交换技术的发展趋势：信道利用率越来越高，支持可变速率和多媒体业务，并具有复杂的协议

14、体系来保证服务质量。1.2.2 主要交换技术1.2.1 交换技术概述对于无连接型网络，由于无需创建和维持连接状态，网络节点根据路由表转发信息；而对于面向连接型网络则同时需要路由表和转发表。路由表用于建立节点之间的连接，可静态设置（如PSTN、ATM网），也可动态创建。 转发表通过网管或信令创建，控制节点内部连接。网管指配的转发表，支持永久或半永久连接；而信令创建的转发表，支持动态连接。（三） 路由与转发1.2.2 主要交换技术电路交换多速率电路交换快速电路交换异步传送模式（ATM）快速分组交换分组交换控制简单控制复杂固定比特率可变比特率电路域分组域1.2.2 主要交换技术MRCS交换技术电路交

15、换分组交换FCSX.25FRCRPVCSVCSMDSATMFPSIP广域网局域网二层交换三层交换（1）基本过程：连接建立、信息传送、释放。（2）技术特点 带宽固定，电路利用率低。 实时性强。 无差错控制，不适于数据传输。 基于呼损制方式工作。 电路交换适合于电话通信、文件传送、高速传真，不适合突发和对差错敏感的数据业务。（一） 电路交换（一）电路交换人工交换机需要话务员1878 : 磁石式交换机1891 : 共电式交换机自动交换机 1892 : 史端乔交换机1919 : 纵横制交换机1965 : 程控交换机（一）电 路 交 换人工交换机组成（1）多速率电路交换（MRCS Multi-rate

16、Circuit Switching）是为适应多业务交换的需求而产生的，提供不同的带宽，包括基本速率（如64kbps）及其整数倍。 （2）实现方式采用不同速率的交换网络：硬件多，控制简单；采用统一的交换网络：硬件少，但控制复杂。 多速率电路交换（一）电 路 交 换 基本思想：只在信息传送时才分配带宽和资源。不为每个呼叫专门分配和保留其所需的带宽，提高了带宽的利用率。连接建立和拆除要有相当高的速度，否则难以实现。只有当信息发送时才建立真正的连接，时延比电路交换大。 快速电路交换报文交换数据以报文为单位传输，长度不限且可变。数据传送过程采用存储转发的方式。发送方在发送一个报文时把目的地址附加在报文上

17、，途径的节点根据报文上的地址信息，将报文转发到下一个节点，接力式的完成整个传送过程。每个节点在收到报文后，会将之暂存并检查有无错误，然后通过路由信息找出适当路线的下一个节点的地址，再把报文传送给下一个节点。报文的传输只是占用两个节点之间的一段线路，而其他路段可传输其他用户的报文。报文在经过节点时会产生延迟。这段延迟包括接收报文所有位（bit）所需的时间，等待时间和发送到下一个节点所需的排队延迟。 报文交换优点：线路效率高；节点可暂存报文并对报文进行差错控制和码制转换电路交换网络中，通信量很大时将不能接收某些信息，但在报文交换网络中却仍然可以，只是延迟会大些可以方便地把报文发送到多个目的节点建立

18、报文优先权，让优先级高的报文优先传送缺点：它不能满足实时交互式的通信要求，经过网络的延迟可能会有不小的变化有时节点收到的报文太多以致不得不丢弃或阻止某些报文对交换节点的存储量有较高要求。 基本原理 是为适应数据通信的要求而产生的交换方式，分组交换也叫包交换，它是以分组为信息单位，以存储/转发方式在网络中传送数据的交换方式。 （二）分 组 交 换交换节点A交换节点B交换节点C分组1分组3分组4分组2分组1分组2分组5分组3分组4分组5传输时延存储时延处理与排队时延分组交换的过程（二）分 组 交 换 技术特点： 1）采用存储/转发方式，支持异种终端间的可变速率通信要求 2）采用统计时分复用，线路利

19、用率高 3）具有差错控制功能，传输可靠性高 4）经济性好（二）分 组 交 换分组交换 缺点： 1）技术实现复杂（交换机要完成转发、路由、流控、速率和规程转换等）。 2）分组长度可变，存储管理复杂。 3）协议处理复杂，时延大。 4）网络附加信息多，长报文通信效率较低。（二）分 组 交 换 分组交换提供的服务 （1）数据报(DG：Datagram) （2）虚电路(VC：Virtual Circuit) 交换式虚电路(SVC,Switched Virtual Circuit) 永久虚电路(PVC,Permanent Virtual Circuit) （二）分 组 交 换第一代分组交换系统ARPANe

20、t，几百包/秒第二代分组交换系统DPS2500、EWSP等，几万包/秒第三代分组交换系统快速分组交换，吉比特路由器等（二）分 组 交 换 分组交换系统 虚电路和数据报两种服务的比较虚电路 （VC）数据报（DG）分组头逻辑信道标识详细的目的地址选路面向连接（CO）无连接（CL）分组顺序收端不需对分组重新排序收端需对分组重新排序 时延传输时延小 传输时延大 故障敏感对网络故障适应能力较差 对网络故障适应能力强 应用连续的数据流传送业务（文件、传真） 面向事务的询问/响应型数据业务（二）分 组 交 换 电路交换以电路连接为目的。信息传送时与交换系统无关。 分组交换以信息分发为目的。交换机对分组逐个加

21、工处理（差错控制、流量控制等），并根据分组头中的地址和控制域，将分组分发到出端口。 电路交换是一种“粗放”的交换方式，只管连接而不管传送的信息。分组交换比较“精细”，对传送的信息进行管理。 分组交换与电路交换的比较（二）分 组 交 换 FR（Frame Switching）简化分组交换协议，以加快节点的处理速度。 （1）基本原理 帧交换是一种帧方式的承载业务，在数据链路层以简化的方式传送和交换数据单元。 （2）与分组交换的比较 帧方式在链路层进行复用和传送；将用户平面和控制平面分离。 帧交换FR（二）分 组 交 换 FPS（Fast Packet Switching）进一步简化协议，只保留核心

22、功能，以提供高速、高吞吐量、低时延的服务。 （1）快速分组交换分类 专指ATM交换，但广义的FPS包括帧中继（Frame Relay）信元中继（Cell Relay）。 （2）帧中继（Frame Relay） 与帧交换相比，进一步简化了协议。 快速分组交换FPS （3）帧中继产生背景和应用 传输系统：数字化、光纤化 终端系统：智能化 为简化或取消差错和流量控制创造了条件。应用范围： FR采用可变长度帧，适于突发信息传送。 局域网（LAN）互连。 快速分组交换FPS ATM（ Asynchronous Transfer Mode ）是ITU-T为B-ISDN确定的复用、传输和交换模式，其设计目标

23、是在一个统一的网络平台上用分组交换技术来实现话音、数据、图像等业务的综合传送。（1）固定长度的信元中继（2）信头简化：以减少交换节点处理开销5字节48字节信元头 负载（净荷）（三） ATM 交 换（3）面向连接（CO） 为便于控制和管理，ATM虚连接采用等级结构：虚信道连接（VCC:Virtual Channel Connection）虚通路连接（VPC:Virtual Path Connection ） 传 输 线 路155M/bs STM-1 通 道 2Mb/s 数字通道 (E1)数字电路 (64kb/s)STM 中 的 分 级 通 道 结 构 （物 理 通 道 概 念） 传 输 线 路

24、虚 通 路 (VP)虚信道（VC)ATM 的非 分 级 通 道 结 构 （ 逻 辑 通 道 概 念）(a) STM(b) ATM（三） ATM 交 换（4）异步时分（ATD）交换STD：Synchronous Time Division 同步时分交换ATD：Asynchronous Time Division 异步时分交换 CBA CBATS0TSiTSnTS0TSiTSnXZYZ空YZ空XX空(a) STD（连接和时隙位置一一对应）(b) ATD（属于同一连接的各信元不占用固定的时隙位置）（三） ATM 交 换（5）引入了ATM适配层（AAL）AAL实现与特定业务类型相关的功能，以此来支持区分服务的能力，这对实现综合业务的传送目标来说至关重要，也是ATM与其他面向单业务优化设计的网络间的重要区别。（三） ATM 交 换1988年，确定了ATM的固定信元格式。90年代初期，小容量ATM交换机面世。90年代中期，美欧洲等开始建立ATM实验网。目前，其应用逐步从骨干网转移至接入，用于承载IP业务。（三） ATM 交 换 IP交换是将第二层交换和网络流量管理能力与第三层路由