现代交换原理与技术课件：第2章 交换技术基础

1、2.1 通信协议及网络分层2.3 交换单元与交换网络2.4 基本话务理论2.5 通信网服务质量第二章 交换技术基础2.2 通信网交换基本技术2.1.1 网络分层的概念2.1 通信协议及网络分层2.1.2 接口与服务2.1.3 OSI与TCP/IP2.1.4 OSI与节点交换技术的关系2.1.1 网络分层的概念问题：为什么要分层 ? 人类生产和社会活动中，有许多服务遵循“分层”法则，如邮政通信、客货运输与交通系统。既有分工又相互协作，为人们提供便捷的服务。 对于通信网络，简单地说“分层”是为了简化系统的设计，提高系统运行的有效性、可靠性和可扩充性。 相隔很远的甲乙二人计划通过电话讨论网络问题。完

2、成这样的信息交流至少可以分为三个层次 。认识层 语言层 传输层 双方具备起码的网络知识，懂得所谈内容。双方必须说同一种语言，否则需要翻译。语音的传送（声电、电声转换）。2.1.1 网络分层的概念2.1.1.1 网络分层的原因降低网络设计的复杂度。方便异构设备间的互连互通。增强网络的可升级性。促进竞争和设备制造商的分工。 不同网系的层数、命名和实现的功能各不相同，但其分层设计的思想是相同的，即下层为上层提供某种服务，同时屏蔽实现的细节。通信网协议体系结构 是指网络分层结构和相应的协议构成的集合。4.1节2.1.1.2 分层体系结构OSI参考模型TCP/IP参考模型传输层物理层网络层链路层会话层表

3、示层应用层主机 B主机 AOSI七层参考模型传输层网络层链路层会话层表示层应用层物理层物理层网络层链路层物理层网络层链路层网络中间节点4.1节2.1.1.2 分层体系结构TCP/IP的四层参考模型传输层物理层网络层链路层会话层表示层应用层传输层网际层网络接口层各种应用层协议物理层网络层链路层会话层表示层应用层4.1节OSITCP/IP传输层物理层网络层数据链路层应用层综合模型2.1.1.2 分层体系结构分层结构中各层功能物理层 透明的比特流传输。数据链路层 相邻节点间以帧为单位的数据的可靠传输。网络层 分组转发、路由选择，将上层数据按地址传送到目的地。传输层 负责两个主机中进程之间的通信，实现

4、端到端的可靠通信。应用层 直接为用户提供应用服务。4.1节2.1.1.2 分层体系结构 实体（Entity）是指每一层中任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。第N层实体通常由两部分组成：相邻层间的接口和第N层通信协议。 位于不同系统的同层实体叫做对等层实体。实体与服务访问点2.1.1.2 分层体系结构（N）（N）（N-1）（N+1）（N+1）Protocol（N-1） 在同一系统中，相邻两层实体进行交互的地方称为服务访问点（SAP），服务只在服务访问点(SAP)处有效，第N+1层必须通过第N层的SAP才能使用第N层提供的服务。第N层可有多个SAP，每个SAP有惟一的地址来标识它。实体与服务访问

5、点2.1.1.2 分层体系结构 上层使用下层服务时必须通过与下层的接口交换一些命令，这些命令被称为服务原语。OSI定义了四种原语类型：实体与服务访问点请求原语(Request)；指示原语(Indication)；响应原语(Response)；证实原语(Confirm)。2.1.1.2 分层体系结构协 议服务原语服务原语用 户提 供 服 务服 务 提 供 者第 n 层第 n + 1 层 用 户SAPSAP2.1.1.3对等层间的通信 对等层间交换的信息单元称为协议数据单元（PDU，Protocol Data Unit）。应用层协议数据单元（APDU）传输层协议数据单元段（Segment）网络层协

6、议数据单元分组或包（Packet）链路层协议数据单元帧（Frame）物理层协议数据单元比特流（Bit）。 由于数据传输具有方向性，因此协议必须为从源端到目的端的连接规定工作方式，按其方向性可分为三种：2.1.1.3对等层间的通信单工通信：数据只单向传输。半双工通信：数据可以双向传输，但两个方向不能同时进行，只能交替传输。 全双工通信：数据可以同时双向传输。ICISDUHeaderSDUICIPDUIDU第N1层第N层接口SAPSAP: Service Access PointIDU: Interface Data UnitSDU: Service Data UnitPDU: Protocol

7、Data UnitICI: Interface Control Informatino2.1.2 接口与服务 一个IDU由SDU和一些控制信息(ICI)组成，其中SDU是要通过网络传到对等层的业务信息，ICI主要包含协助下一层进行相应协议处理的控制信息，它本身并不是业务信息的一部分。ICISDUHeaderSDUICIPDUIDU第N1层第 N 层接口SAP2.1.2 接口与服务 下层为上层提供的服务分为两类：面向连接服务(Connection-oriented)：使用全部四类原语。无连接服务(Connectionless)：使用请求、指示两类原语。2.1.2 接口与服务个服务通常由一组原语(

8、primitive)操作描述，用户进程通过这些原语操作可以访问该服务。原语由原语名、类型和参数三部分组成（类似程序调用和参数传递）。上层利用服务原语通知下层要做什么；下层利用服务原语报告上层已做了什么。 服务原语通常是一些系统调用。2.1.2 接口与服务本层用户只能看见服务而无法看见下面的协议。下层协议对上层服务用户是透明的。 协议是“水平的”，即协议是控制对等实体之间通信的规则。服务是“垂直的”，即服务是由下层向上层通过层间接口提供的。分层结构中，协议与服务的关系2.1.2 接口与服务服务、接口、协议服务：下层为其上层提供的功能。说明本层做了什么工作，但并未说明如何做的。接口：下层告诉上层进

9、程如何访问本层。包括所需参数及可能的结果等。协议：为了完成本层的功能，两个对等实体间遵循的通信规则集合。4.1节2.1 通信协议及网络分层2.3 交换单元与交换网络2.4 基本话务理论2.5 通信网服务质量第二章 交换技术基础2.2 通信网交换基本技术2.2 网络交换基本技术2.2.1 接口技术2.2.2 信令技术2.2.3 控制技术2.2.4 互连技术交换节点抽象功能结构2.1 网络交换基本技术网络接口控制信令用户线中继线交换节点功能结构接口C&C08 SM交换模块功能结构2.2.1 接口技术主要涉及硬件，部分功能可由软件或固件实现。完成信号变换、速率适配与控制等功能。电话交换机：模/数用户

10、接口，模/数中继接口；N-ISDN交换机：2B+D和30B+D接口；移动交换机：与基站系统的接口；分组交换机：各种端口和物理媒体接口。2.2.1 接口技术思科7200VXRC&C08 SM2.2.2 信令技术信令是为建立通信连接及实现控制与管理而传送的消息。用户与网络之间，网络节点之间，以至不同网络之间的互通，都需要通过信令来协调工作。信令系统是通信网的神经系统，不同网系具有不同的信令协议和信令方式。DSS1、No.1、No.7、H.323、SIP等2.2.3 控制技术有效的控制是网络节点实现信息传递的重要保障。交换节点具有集中和分散两种控制方式，区别在于处理机控制结构的配置方案不同。控制技术

11、关系到整个节点系统的容量、性能和服务质量，互连、接口及信令功能的实现都与控制技术密切相关。2.2.4 互连技术实现任意入线与出线之间的互连是交换的基本功能。按照交换方式要求，节点内互连网络可以提供实连接或虚连接。节点内互连网络又称为交换网络（交换机构）。互连技术涉及拓扑结构、选路策略、控制机理、多播方法、阻塞特性和可靠性保障等。 2.2.4 互连技术节点交换网络具有一定的拓扑结构。互连技术要解决的一个主要问题是，在满足交换方式、容量和服务质量要求的情况下，获得高性能、低成本、便于扩充与控制的拓扑结构。 （一） 拓扑结构 时分结构：共享媒体（总线或环）和存储器空分结构：单级或多级拓扑结构 2.2

12、.4 互连技术选路策略主要针对多级空分交换网络。节点内部通路选路方案：逐级选择与条件选择 自由选择与指定选择 面向连接选路和无连接选路 （二）选路策略 2.2.4 互连技术对于电路交换，完成选路后只要将所选通路的有关标识写入控制存储器，即可实现正常的交换控制。输入控制、输出控制。对于分组交换，虚连接建立后，信息传送阶段仍要对随机到来的分组进行选路控制。并解决分组竞争、队列管理、优先级控制等。 （三 ）控制机理 2.2.4 互连技术多播（Multicast）也称为组播，是将某一信息源的数据同时传送到多个目的端。在IP网络中，多播一般通过多播IP地址来实现。在ATM中，由于点对多点宽带通信业务的需

13、要，多播是一项重要而复杂的互连技术。不同的ATM交换机构可采用不同的多播方法。 （四）多播方法 2.2.4 互连技术阻塞是指在呼叫建立或用户信息传送时，由于网络拥塞而使呼叫不能建立或用户信息不能传送而遭受损失的现象。连接阻塞与传送阻塞（呼损率、丢失率） 按照阻塞特性：阻塞网络与无阻塞网络。 （五）阻塞特性 2.2.4 互连技术严格无阻塞：由Clos C提出（CLOS网）。网络在任何情况下都能无阻塞地建立连接。广义无阻塞：只有遵循特定的选路规则才能建立连接，实现网络的无阻塞要求。再配置无阻塞：是指通过对已建立连接的通路进行调整，以建立新的无阻塞连接。（五）阻塞特性 2.2.4 互连技术交换网络是

14、交换系统的重要部件，必须具备有效的可靠性保障。除了提高硬件的可靠性外，通常采用双机冗余配置结构，或多平面结构。冗余结构具有两种工作方式：热备用方式负荷分担方式 （六）可靠性保证 2.1 通信协议及网络分层2.3 交换单元与交换网络2.4 基本话务理论2.5 通信网服务质量第二章 交换技术基础2.2 通信网交换基本技术2.3.1 交换单元2.3.2 交换网络2.3.3 网络阻塞与CLOS网2.3.4 同步时分交换网2.3 交换单元与交换网络2.3.1 交换单元 交换单元是构成交换网络的基本部件。按照一定的拓扑结构和控制方式，由多个交换单元即可构成交换网络。对称交换单元（M=N）全连接交换单元 部

15、分连接交换单元 （一）基本概念 MN交换单元 入线出线控制端状态端12M12N2.3.1 交换单元交换单元如何建立信息传送通道（连接）。对于同步时分复用信号（实连接） 对于统计复用信号 （虚连接） （二）内部通道 入线出线12M12N（a）同步时分复用信号入线出线12M12N2NN1121122NN（b）统计复用信号2.3.1 交换单元集中型：MN，也称为集中器。扩散型：MN，也称为扩展器。分配型：M = N，也称为分配器。（三）交换单元的分类 12M1N入线出线(a)集中型1M1N入线出线(b)扩散型入线1M1N出线(c)分配型2.3.1 交换单元容量，所有入线同时传送的总信息量 。接口，同

16、步、信号变换与速率适配等。 质量，连接建立情况（成功率、速率），信息传输损伤（时延、衰减、噪声）。 （四）交换单元的性能 MN交换单元 入线出线控制端状态端12M12N2.3.1 交换单元空分交换单元（开关矩阵 ）（五）几种典型的交换单元 工作原理：控制开关的闭合就能建立任意入线和任意出线之间的连接。性能：取决于开关类型信号：模拟/数字/光波入线出线2.3.1 交换单元空分交换单元的特点（五）几种典型的交换单元 （1）控制简单，时延均匀。（2）交叉点数是入线数和出线数的乘积。适合构成较小的交换单元。（3）容易实现多播和广播。入线出线总线型交换单元（五）几种典型的交换单元 总线入线控制入线控制入

17、线控制总线控制逻辑12N线入出线控制出线控制出线控制12N线出工作原理 输入缓冲，总线控制，输出检测，输出缓冲。信息吞吐量 取决于总线带宽，入线与出线的控制速率。适用范围：电路交换、分组交换。共享存储器型交换单元 1213N存储器2N输入信号输出信号213N（五）几种典型的交换单元 工作方式：输入缓冲、输出缓冲。 适用范围：电路交换、分组交换。2.3.1 交换单元2.3.2 交换网络2.3.3 网络阻塞与CLOS网2.3.4 同步时分交换网2.3 交换单元与交换网络2.3.2 交换网络 构成要素：交换单元、拓扑连接和控制方式 。交换单元交换单元交换单元交换单元控制单元入线出线2.3.2 交换网

18、络由一个交换单元或若干个位于同一级的交换单元构成。（一）单级交换网络 交换单元线入线出(a)一个交换单元交换单元交换单元交换单元线入线出(b)同级多个交换单元2.3.2 交换网络（一）单级交换网络 交换单元入线出线单级网络交叉接点数：1616 = 256。两级网络交叉接点数：448=128。16161142143144141142143144141414141414141414入线出线16162.3.2 交换网络多级交换网络拓扑结构可以用三个参数表示：交换单元容量，级数，连接通路数（链路数）。 （二）多级交换网络 1142143144141142143144141414141414141414

19、线入线出2.3.2 交换网络交叉接点数减少复杂度降低级间选路和控制复杂带来了内部阻塞（二）多级交换网络 多级交换网络特点：1142143144141142143144141414141414141414入线出线2.3.1 交换单元2.3.2 交换网络2.3.3 网络阻塞与CLOS网2.3.4 同步时分交换网2.3 交换单元与交换网络2.3.3 网络阻塞与CLOS网由于内部链路忙而导致呼叫损失掉的情况称为节点内部阻塞。按照数据通信的观点，内部阻塞也可称为冲突。 （一）内部阻塞 11n21nm1n11m21mn1m1n1n1n1n1n1n入线出线12.3.3 网络阻塞与CLOS网单级无阻塞网（二）

20、无阻塞网络 交换单元入线出线NNN增大，交叉点数（N 2 ）增加很快，应用受限。 2.3.3 网络阻塞与CLOS网CLOS网络 无阻塞的条件为： 中间接线器数m(n-1)2+1=2n1 或m n入 + n出1 （二）无阻塞网络 11n1mr1n1m1rr111r1r11m1m1n1m1n1r容量记为：C（m, n, r） 2.3.3 网络阻塞与CLOS网（二）无阻塞网络 11n1mr1n1m1rr111r1r11m1m1n1m1n1r多级CLOS网络 采用子网嵌套法，可由三级构造多级CLOS网络，如5、7、9级等。 2.3.1 交换单元2.3.2 交换网络2.3.3 网络阻塞与CLOS网2.3

21、.4 同步时分交换网2.3 交换单元与交换网络2.3.4 同步时分交换网络对TDM信号，用户信息固定在某个时隙传送，一个时隙对应一条话路。对用户信息的交换就是对时隙内容的交换，即时隙交换。在电路交换中，对TDM信号进行时隙交换的网络称为同步时分交换网络。同步时分交换网络由时间交换单元、空间交换单元组成。 （一）时间交换单元 话音存储器（SM）:暂存话音编码信息。SM单元数由输入复用线上每帧的时隙数决定。控制存储器（CM）：存储输入或输出话音信息的时隙地址。CM单元数与SM单元数相同，每个存储单元存放SM的地址码。完成同一条时分复用线上时隙之间的信息交换。基本组成：（一）时间交换单元（1）顺序写

22、入，控制读出（2）控制写入，顺序读出工作方式“顺序写入” 、“顺序读出”的“顺序”是指按照话音存储器的地址顺序，由脉冲控制。“控制读出”、 “控制写入”的“控制”是指按控制存贮器各单元定义的内容控制话音存储器的读出或写入。（一）时间交换单元032731TS27TS3TS27TS3273032731RWWR时钟控制电路时钟控制存储器话音存储器 A B用户A，TS3用户B，TS27顺序写入，控制读出输出时隙流输入时隙流（一）时间交换单元（1）顺序写入，控制读出在整个交换过程中，控制存储器CM控制信息交换的转发表。转发表由处理机构建。处理机为输入时隙选定一个输出时隙后，控制字就写入控制存储器。于是，

23、每一帧都重复以上读写过程，输入第3时隙的话音信息，在每一帧中都被交换到输出的第27时隙中去。（一）时间交换单元0331TS27TS3TS27TS3273032731RWWR时钟控制电路时钟控制存储器话音存储器2727 A B用户A，TS3用户B，TS27控制写入，顺序读出输出时隙流输入时隙流（一）时间交换单元（2）控制写入，顺序读出 控制写入、顺序读出的原理与顺序写入、控制读出相似。 不同的是：控制存储器写入的是话音存储器的写入地址，以此来控制话音存储器的写入。由于是顺序读出，故在输出时第27时隙读出话音存储器第3单元内容，同样完成了第3个输入时隙与第27个输出时隙的交换。（一）时间交换单元表

24、示符号Tkk对于时间交换单元，不论采用哪种工作方式，每个输入时隙的信息都将占用一个存储单元，每个存储单元都占有一定的空间位置，从这点看，时间交换单元虽是时隙交换，但却是以“空间”位置的分配来实现交换的，所以，时间交换单元实质上是按“空分”方式工作的。时间交换单元会带来交换时延吗？如有，最大时延是多少？问题：2.3.4 同步时分交换网络（二）空间交换单元 交叉矩阵：由按时隙通断的开关组成。控制存储器：对交叉接点矩阵开关进行控制。完成不同时分复用线之间同一时隙的信息交换。基本组成输入线1输入线2输入线3输入线n输出线1输出线nNN 交叉点矩阵（二）空间交换单元（1）输入控制方式（2）输出控制方式工

25、作方式空间交换单元的交叉接点按时隙高速接通与断开。如一帧中有不同时隙的信码要交换到同一条输出线上，则在CM控制下的交叉接点在一帧内就要开、关若干次。即:空间交换单元的交叉接点是以时分方式工作的。所以又叫“时分复用的空间接线器”。输入控制方式工作原理TS1012141531TS14PCM 1PCM 2TS14TS1PCM 1PCM 201100011CM 0CM 121输入线输出线输入控制方式（二）空间交换单元（1）输入控制方式 对应于每条入线配置一个控制存储器。由于它要控制入线上每个时隙接通到哪一条出线上，所以控制存储器的容量等于每条复用线的复用度，而每个单元的位数则决定于选择输出线的地址码位

26、数。 在每一帧期间，处理机依次读出控制存储器各单元的内容，控制矩阵中相应交叉点的开关。这里的控制存储器就是控制接续的转发表。输出控制方式工作原理TS1012141531TS14PCM 1PCM 2TS14TS1PCM 1PCM 210010011CM 1CM 012输入线输出线输出控制方式（二）空间交换单元（2）输出控制方式每条出线配一个控制存储器。由它控制出线上每个时隙接通到哪一条入线，所以控制存储器的容量等于每条复用线复用度，而每个单元的位数则决定于选择输入线的地址码位数。在每一帧期间，处理机依次读出控制存储器各单元的内容，控制矩阵中对应交叉点的开关。这里的控制存储器就是控制接续的转发表。

27、（二）空间交换单元mmS接线器12m12mkkkkkk表示符号2.3.4 同步时分交换网络（三）数字交换网络 单TTS，STTST，STSTSSTTSSST,SSTSSTTT 2.3.4 同步时分交换网络C&C08交换机交换网络采用单T结构2.3.4 同步时分交换网络（三）数字交换网络 随着微电子技术的发展，单片数字交换芯片的容量已越来越大（如ZL50075完成3276832768个时隙的交换）。大容量数字交换芯片的出现从根本上改变了数字交换网络的结构。一个超大容量的T接线器芯片就足够大型数字交换网络的组网需要。 （三）数字交换网络 TST交换网的组成1210. 10交叉矩阵1210.TTS如T=512 TS，TST网络可实现5120时隙之间的交换。 T-S-T交换网工作原理工作方式：两侧时间接线器工作方式必须相反。中间时隙的确定：反相法。 如选定一个方向的时隙为X， 则另一个方向中间时隙为 x + n/2。双向通路的建立 主