计算机通信网络之现代通信网及其交换技术

现代通信网及其交换技术重点掌握：电路交换与分组交换的基本原理；二种交换技术的各自特点及优缺点数据通信的基础知识

1.1

数据通信系统的模型1.2

有关信道的几个基本概念1.3

信道的极限容量1.4

信道的极限信息传输速率传输系统输入信息输入数据

发送的信号

接收的信号输出数据源点终点发送器接收器PC

机公用电话网数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字

数据通信的基础知识1.1

数据通信系统的模型

数据通信系统

调制解调器源系统调制解调器

目的系统传输系统输出信息PC

机几个术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。1.2

有关信号的几个基本概念单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。基带(baseband)信号和

带通(band

pass)信号基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。几种最基本的调制方法基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)

：载波的初始相位随基带数字信号而变化。对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅调频调相

(r,

ϕ)r可供选择的相位有

12

种，而对于每一种相位有

1

或2

种振幅可供选择。

ϕ

由于4

bit

编码共有16

种不同的

组合，因此这

16

个点中的每个

点可对应于一种

4

bit

的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。

正交振幅调制

QAM(Quadrature

Amplitude

Modulation)

举例1.3

信道的极限容量任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数字信号通过实际的信道有失真，但可识别

实际的信道

（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形失真大，无法识别

实际的信道

（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形(1)

信道能够通过的频率范围1924

年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。(2)

信噪比香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率

C

可表达为

C

=

W

log2(1+S/N)

b/sW

为信道的带宽（以

Hz

为单位）；S

为信道内所传信号的平均功率；N

为信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。请注意对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。电路交换---提供实时语音业务

分组交换---提供非实时数据业务随着宽带综合通信网的出现

提供语音、数据、图像相结合的综合服务成为可能通信网可能采用的交换方式电路交换多速率电路交换快速电路交换信元交换帧中继帧交换分组交换快速分组交换固定比特率可变比特率

现代通信网交换技术我们通常将网络节点以某种转接方式来实现数据通路接续的技术称为交换；3.1

电话网与电路交换3.1.1

电话网的分级结构采用本地接入、长途中继和国际出入的分级结构图3-2

我国电话网的分级结构国际网长途网本地网用户国际出入口局一级交换中心二级交换中心三级交换中心四级交换中心汇接局端局用户电话网组网要求要在分级网的每一层次上，在传输成本和交换成本之间折衷在本地网中，设置交换中心可以大大减少连接各个用户的线路考虑交换中心覆盖范围与交换中心总数间的折衷设置多级的长途交换中心，可以减少相距较远的交换中心之间的直接线路数，从而减少了中继线的成本，需要大容量的长途交换机电话网与电路交换

电路交换

电路交换的概念全连通网星型网定义：指交换系统为通信的双方寻找并建立一条

全程物理通路，以供双方传输信息，直到信

息交换结束3.1.2

电路交换基本原理交换节点ABCD寻找输出线路时间

呼叫处理时拨号及有关处理时间

呼叫建立时

延

间

传播时延

信息传输释放连接

电路交换示意图电路交换的特点优点时延小对用户透明吞吐量缺点必须有一个呼叫建立的过程（时延较大）专供通信的双方使用，占用固定的带宽，信道带

宽的利用率低，特别是不适合具有突发性的计算

机数据的传输。电路交换不能适应网络发展的需求。电路交换的分类空分交换(Space-Division

Switching)交换矩阵来实现可实现多级交换网络交换容量受限制时分交换(Time-Division

Switching)时隙交换TSI:Time-Slot

Interchange纵横制空分交换示意图n输出m输入点到多点连接实现结构之一——空分交换

所谓空分交换，是指输入链路按空间分布来

安排所需要的输出链路

。存在问题：当输入、输出链路数目增加时，交换网络的交叉点个数将按链路数的闭合交叉点平方关系增长，

控制结构复杂化。空分多级交换矩阵（可以减少交叉点数量）m=16用三级交换单元的互连构造交换网络m╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳lm╳l第一级第二级第三级第一级第二级第三级l=2个交换单元

l=3个交换单元k条(a)(b)当前无法显示此图像。m×nm×m当前无法显示此图像。实现结构之一——时分交换

所谓时分交换，是指输入链路按时间顺序来安排所

需要的输出链路。又称为时隙交换。5172输入帧0

13

4

时隙354045701326567012344162输出帧

5

0

3

4

时隙15762730

2

6

6

7顺序写入缓冲待映射的输出时隙号缓冲器m项的时隙映射表排序从缓冲读出虚线表示输入/输出连接

时分交换示意图

输入时隙1中的数字为5，表明需要在输出帧中的时

隙5内，从缓冲器的第1号存储区间中读出信息。3.2

数据网与分组交换3.2.1

电路交换不适合计算机通信

传输效率很低（计算机数据是突发性和间歇式

出现在传输线路上的）

建立电路的呼叫过程时延太长

难以适应计算机和各种终端传输速率不一致等

情况

难以实施差错控制措施

存在呼叫损失现象3.2.2

存储—转发机制存储-转发机制：不需要通过呼叫建立起物理的端到端的接续通路，而是以接力方式将用户数据在交换节点之间逐段地传送，直到到达目的地。适合计算机通信的特点：（1）提高链路带宽或节点中的缓冲器等网络资源的利用率（2）提高系统的可靠性（3）便于用户对高层信息资源的共享（4）便于计算机处理（5）减少信息的重传主要优点：提供可共享的网络资源

缺点：引入交换时延3.2.3

从报文交换到分组交换根据交换数据单元长度的不同，存储-转发交换主要有两种实现方式:报文交换（message

switching）分组交换（Packet

Switching）报文：包含了将要发送的完整的数据信息，其长度很不一致；（电子邮件/文本文件/应答信息等）分组：一段长的报文，可被分割、装配成多个较短的数据单元，每个单元称为分组（packet）1．报文交换（Message

Switching）报文报文ABCD存储—转发时延

传输时延传播时延端到端报文时延

报文

报文交换示意图交换节点报文信息报文的起始标志和报文长度有效数据的开始标志数据的源端地址控制信息报文编号端到端时延传输时延、传播时延和存储-转发时延存储-转发时延：排队等待时间、存入中间节点的处理时间和从存储器送到输出链路的处理时间报文交换

报文交换是以报文作为传送单元，由于报文长度差

异很大，长报文可能导致很大的时延，并且对每个

节点来说缓冲区的分配也比较困难，为了满足各种

长度报文的需要并且达到高效的目的，节点需要分

配不同大小的缓冲区，否则就有可能造成数据传送

的失败。

实际应用报文交换主要用于传输报文较短、实时性要求较低

的通信业务，如公用电报网。报文交换比分组交换

出现的要早一些，分组交换是在报文交换的基础上，

将报文分割成分组进行传输，在传输时延和传输效

率上进行了平衡，从而得到广泛的应用。

报文交换不适合于实时性要求高的业务2．分组交换（Packet

Switching）ABCD存储—转发时延传输时延传播时延传输整个报文的端到端总时延交换节点分组1

分组2分组3分组1分组2分组3分组1分组2分组3分组交换的好处是“管道化”

(Pipelining)分组交换示意图分组交换原理分组的概念是1967年由英国的国家物理实验室NPL提出的。分组的概念以及分组交换网络在现代通信网中占有非常重要的地位。分组=分组头+信息包用户数据被切分成多个信息包，每个包加上分组头，形成分组。分组交换的特点与报文交换的区别处理的数据单元的长度不同，一段长报文需要被分割、装配成多个较短的数据单元，这些单元就是分组。分组交换的优点“管道化”优势，提高传输效率时延大大低于报文交换差错控制更有效，提高通信效率减少拥塞，提高网络可靠性分配优先权分组的处理目的节点收到分组后作如下处理：卸掉分组头部和校验序列，得到分组数据，写入缓冲器根据分组编号检查构成一个完整报文的所有分组是否到齐若报文的所有分组到缓冲器，则进行报文重组；否则，等待其他分组到达报文组装完成后，通知用户接收此报文；同时向发送方返回一个确认信息。分组交换两种交换机制数据报（无连接方式）每个分组独立处理，独自选择在网络中传输的路由虚电路（面向连接方式）首先要建立链路，所有分组均在这个连接上进行传送，帧顺序和路径都是确定的。电路交换与分组交换3．快速分组交换（Fast

Packet

Switching）（1）大大缩短分组的长度。例如异步传输模式（ATM）（2）尽量简化或取消在低层次上对数据单元的差错控制、流量控制和路由选择等操作，提高数据传输与交换效率。而对数据可靠性的要求，则由端到端的较高层协议来保证。（3）为了保留电路交换的面向连接的特点，可利用虚电路及虚通道方式来实现端到端面向连接的数据传输。（4）充分利用超大规模集成电路以及并行处理和分布式控制等技术，以硬件结构来实现节点交换机的交换模块和协议控制模块。

帧中继

ATM复用技术在复用系统中，n个设备共享一条链路。复用器将这些流量组合成一个单独的传输流（多合一），多路分解器接受并分解成原来的几个独立传输流（一分多）导向所期望的设备。3.2.4

异步复用、标记交换与虚电路

复用技术分类

信号通过三种基本技术进行复用：频分复用、时分复用和

波分复用。时分复用又分为同步时分复用和异步时分复用。

多路复用频分复用

波分复用

时分复用

码分复用同步异步时分多路复用时分多路复用是一个数字化过程，当传输介质的数据速率容量大于发送和接收设备所需要的数据速率时就可以采用它。利用时间分片方式来实现传输信道的多路复用，将传输媒体分成不同的周期，每个周期再分成不同的时间片，将每个时间片分给固定的用户使用。异步复用、标记交换与虚电路

同步时分复用

分配给每个终端数据源的时隙是固定的，不管该终端

是否有数据发送，属于该终端的时隙都不能被其他终

端占用，从而造成信道容量的浪费。图3-13

单条通信链路上的时分复用K1

2

3

4K时间第1帧第M帧1

2

3

4

125μs图3-14

同步传输模式示意图1

2

3

4K1

2

3

4K125μs125μs交换网络输入输出同步时分复用-帧

帧由时间片的一个完整循环组成，包括分配给每个发送设

备的一个或者多个时间片。在具有n条输入线路的系统中，

每一帧至少有n个时间片，分配给某个设备的时间片在帧中的位置是固定的。同步时分复用-同步由交替过程可知，多路复用器和多路信号分离器之间的同步是一个主要问题；如果它们之间失去同步，则属于某一通道的位可能会被错误的通道所接收。由于这个原因，通常在每帧的开始增加一个或多个同步位，帧同步位按照某种模式变化，使分离器与输入流同步，以准确的分离时间片。异步时分复用在同步时分复用系统中，由于时间片是预分配的和固定的，每当一台设备不发送时，对应的时间片就是空的并且浪费了通路带宽。异步时分复用就是为避免这种浪费而设计的，这里异步的含义是可变的。在异步时分复用中所有输入线路的速率之和可能比链路容量大。异步复用图3-15

异步时分复用示意图1

2

3

4K1

2

3

4K交换网络第1帧第M帧输入

时间1

2

3

4K1

2

3

4K输出

时间第1帧第M帧注：表示某一个用户的数据

；表示另一个用户的数据

。异步时分复用过程在异步时分复用系统中，如果有n条输入线路，帧

内就至多需要m个时间片，其中m小于n；动态分配时间片的能力以及时间片数和输入线路数的较低比率降低了浪费。异步复用异步复用又称统计时分多路复用，允许动态地分配时隙，如果

某个终端不发送信息，则其他的终端可以占用该时隙。异步时分多路复用可以为更多的用户服务，即用户终端数可以比时隙数多，当所有时隙全部被占用而仍有新用户终端需要分配时隙时，就得采取排队或竞争的方法。

异步复用需要比较复杂的寻址和控制能力，需要有保存输入排队信息的缓冲器，一般用微处理机来解决，因此，设备费用较高。异步复用技术通常用于基带局域网，是计算机通信网分时系统的基础。数字信号服务分级体系标记交换与虚电路标记交换在源节点发送信息前，先发送一个请求与目的节点建立连接的信号，其中必定包含源地址和目的地址信息。源节点把这些信息转换成某个标记发送出去。该标记在一个交换网络中必须事先约定，才能被网络节点识别。这样中间交换节点在收到建立连接请求的信号后将检查其中的标记来识别目的节点。如MPLS虚电路将上面方式赋予每条链路上的标记级连起来，那么构

成的这样一条逻辑通路称为虚电路（VC），并且称各

条链路上的标记为逻辑信道（LC）。虚电路和逻辑信道的关系3.2.5

电路交换与分组交换的比较

比较特性传输通路性质通路的使用数据传输单元通路的初始建立通路的维持节点上的存储节点上的时延数据速率适应性对过载的反应链路利用率链路带宽分配额外开销计费方式

电路交换物理的专用的报文要求呼叫建立一次通信期间维持不要求几乎无时延单一速率呼损低固定传输期间无额外开销按时间

分组交换逻辑的共享的分组或报文不要求（虚电路除外）不维持（虚电路除外）存储一个分组或报文存储转发时延多速率存储（虚呼叫阻塞），时延增加高动态分组头的开销按分组数(

j

−1)Kmax

+

M+M(Kmax

−

nh)nhT

=E[

]

=E[M]nhKmax

≈

nh

+3.3

分组最佳长度设报文的总长度为M(bit)，令nh(bit)为附加到每个分组的开销，用Kmax表示包括附加开销在内的最大分组长度。以分组方式发送一个报文所必须传送的总比特数为

Nbits

=

M+

M(

Kmax

−

nh

)nh传送一个报文所需要的总时间T为第一个分组通过前面（j－1）条链路的时间加上整个报文通过最后一条链路的时间

R)

]T(j−1K

max

+

E[M

+

E[M(Kmax

−nh)]nh

R运用求极值的常规方法，将上式对Kmax求导，并令导数等于零，于是得到分组最佳长度为

opt

j

−

1最最

最最报报（字

字）最佳分组长度与报文平均长度的关系100100001000最佳分组长度随着报文长度或每个分组的附加开销的增加而增加；若全路径上经过的链路数增加，则最佳分组长度有所减小。

200

160

120

j=3

80

j=5

40

0

报报报报报

报

（字

字）最佳分组长度与报文长度之间的关系3.4

其它通信网简介3.4.1

数据通信网1．分组交换公用数据网（PSPDN）2．数字数据网（DDN）3．帧中继网（Frame

Relay

Network）3.4.2

综合业务数字网（ISDN）3.4.3

宽带综合业务数字网（B-ISDN）与ATM3.4.4

无线数据通信网公用交换电话网Modem模拟信号数字信号

数字

信号因特网服务提供

PSTN(Public

Switched

Telephone

Network)本地电话公司

•采用电路交换

•吞吐量<=56K

bps

•安全问题分组交换公用数据网(PSPDN)特点：可以在一条电路上同时开放多条虚电路，为多个用户同时使用，网络具有动态路由功能和先进的误码纠错功能。可以满足不同速率。两种基本业务永久型虚电路（PVC）永久型虚电路类似于固定专线,由用户申请时提出,电信部门固定做好,用户一开机即固定建立起电路，适合于点对点固定连接的用户使用。交换型虚电路（SVC）用户通信时，通过呼叫建立虚电路，通信结束后释放电路，每次均可以与不同的用户建立通信电路。综合业务数字网ISDN(Integrated

Services

DigitalNetwork)NT1TA本地电话公司BRI=2B+DDBBB信道：传输数字化的语音、视频、音频等，64KbpsD信道：传输建立、接收和控制通话的信令信息或

分组交换的数字信息，16/64Kbps基本速率BRI=2B+D

(D=16kbps)

144kbps主速率PRI=23B+D

(D=64Kbps)

T1

=30B+D

E1X.25ITU在20世纪70年代为远距离传输而设计建立在模拟信道上的包交换技术，由于其信道质量比较差，所以协议在克服差错方面考虑周全，处理比较复杂，网络迟延较大。速率<=64Kbps提供永久虚电路（PVC）业务非专用，与其他用户共享带宽数字数据网DDN（Digital

Data

Network）利用光纤、数字微波或卫星等数字传输通道，提供永久或半永久性连接电路，以传输数据信号为主的数字传输网络。DDN由数字电路、节点网络控制和用户环路组成，可以为用户提供多种速率的、高质量的、点到点和点到多点的数字专用电路，满足用户多媒体通信和组建中高速计算机通信网的需要。DDN数字电路传输质量高，平均时延小（一般小于450μs）。DDN运用同步传输模式（STM）的数字时分复用技术，用户数据信息在固定的时隙内以预先设定的带宽和速率顺序传输。DDN线路提供的数据速率为2.4—19.2Kb/s及N×64Kb/s（N=1,2,…32）。DDN采用路由故障自动迂回和检错纠错的智能化管理技术，网络可靠性强、利用率高。一线可以多用，即可以通话、传真、传递数据，还可以组建会议电视系统，开发帧中继业务，制作多媒体服务，或组建用户自己的虚拟专网(VPN)等。对用户来说，DDN信道是无规程的透明通道，用户只需要注意物理接口是否符合要求，信道产生的少量差错由用户设计解决。帧中继Frame

Relay一种更新的数字式X.25

用户对低时延、高通信量的突发式数据传输

业务的需求愈来愈高。

光纤数字系统在通信网中大量使用，信道质

量显著改善，从而不必对信道传输差错作过多

的处理，因此可以简化X.25协议，以便减少协

议开销与传送时延，并且提高信道的传送效率。Cut

Through

Switching,减少存储处理时间

速率64kbps～2Mbps网源端宿端123478X.25分组交换

5

6源端宿端18273645

(a)帧中继网(b)

X.25分组交换网与帧中继网的确认方式对比每经过一个节点都有网络层的处理和数据链路层的确认xDSL数字用户线路(DSL,Digital

SubscriberLines)先进数据调制技术，采用普通电话线就可以达到非常高的吞吐量专用服务，不需拨号连接就能接入ISP上行传输线路（用户交换局）下行传输线路（交换局用户)对称/非对称xDSL的比较xDSL类型距离限制（英尺）

吞吐量下行速率上行速率非对称DSL1.5~8Mbps1.544Mbps12000~18000（ADSL）1.544Mbps

1.544Mbps

1500010000高比特率DSL（HDSL）单线DSL（SDSL）1000~4500超高比特率DSL

13~52Mbps

1.5~2.3Mbps（VDSL）CABLE

Modem基于电视信号所使用的电缆，共享下行3～10Mbps,上行2Mbps

混合光纤－同轴电缆（ＨＦＣ）

同轴线

光纤Ｔ介质专用线路AT&T公司研制，对长途电话线进行数字化，可以传输比较远的距离。时分多路复用技术，把单个信道分成传输语音、数据、视频等信号的多个信道。常用Ｔ介质介质T1T1CT2T3T4T1数量

1

2

4

28

168信道数量

24

48

96

672

4032

吞吐量（Mbps）

1.544

3.152

6.312

44.736274.176T1的典型示例T1CSU/DSU路由器

CSU/DS多路复用器

U多路复用器信道服务单元（CSU）：提供数字信号终端，并通过纠错和线路监视来保护连接的完整性。数据服务单元（DSU）：把多路复用器所用的数字信号转换成能通过先缆发送出去的数字信号多路复用