第一章现代交换原理概论

现代交换原理（第三版）金惠文等编著中山大学南方学院温慧妍公共邮箱telecomswitching@126.om密码：10tongxin参考资料：卞佳丽等编．现代交换原理与通信网技术．北京邮电大学出版社，2005课程说明总成绩=平时成绩（45%）十卷面考试（55%）平时成绩包含作业、小组论文和考勤，作业包括30～40道小题，占总成绩20%，小组论文占总成绩25%。考勤作为平时成绩参考因素，缺课超过1/3课时以上取消平时成绩。第1章概论1.1交换与通信网1.2电话交换1.3数据交换1.4宽带交换技术1.5光交换技术1.6软交换技术终端传输媒介终端电信号电信号信息信息点对点通信在电信系统中，只有两个终端的通信称为点对点通信。1.1交换与通信网点对点通信举例话音数据图1.1用户间互连构成通信网用户间通过交换设备构成通信网图1.2多个终端互连在图1.2中，任意两个终端需要通信（交换信息），可由交换设备控制相应的开关接点接通，为两者提供一条通信链路，当通信结束，则相应的开关接点断开，释放通信链路。互连式通信网可靠，不会出现通信阻塞，但成本高（需n×(n-1)/2根线）。通过交换设备构成的通信网有可能出现阻塞（不是一定会阻塞），成本低。通信网越大，后者的优点越明显。如N=100时，交换式通信网需100根线互连式通信网需100×99÷2=4950根线说明终端用户小交换机市话交换机汇接交换机中继线用户线大型通信网结论

交换设备是通信网的重要组成部分，交换设备的好坏决定了通信网的好坏。通信网三要素组成通信网的三个基本要素：

终端：

传输线路：

交换设备：将消息（话音、图像、数据）转换成媒介能够接受的电信号形式，同时将来自传输媒介的电信号还原成原始消息。如：电话机、传真机、计算机或称传输媒介，信息的传输通道。如：电缆、光缆、无线电波。负责在任意的两条用户之间建立和（而后）释放一条通信链路。如：交换机、路由器。12各种交换方式电路交换报文交换分组交换帧中继ATM交换IP交换光交换软交换13CTM-CircuitTransferModePTM-PacketTransferModeATM-AsynchronousTransferMode各种交换方式IP交换多速率电路交换快速电路交换ATM交换帧中继报文交换电路交换分组交换光交换PTMCTM

控制方式的发展：交换方式的发展：人工交换机电式电子式自动交换电路交换报文交换分组交换快速电路交换ATM交换帧中继多协议标记交换MPLS三种基本交换方式宽带交换方式软交换单一业务网宽带综合业务网下一代网络光交换1.2电话交换呼叫建立：主叫方通过拨号的方式通知网络被叫方的电话号码，网络根据被叫方的号码在主叫与被叫之间建立一条通路。主叫和被叫进行通信，通话过程中双方所占用的通道将不为其他用户使用。呼叫释放：完成通信后，主叫或被叫挂机，通知网络可以释放通信信道。本次通信过程所占用的信道释放后可以被其他通信过程使用，这种交换方式称为电路交换方式。电话交换机世界上第一代电话交换机采用的是空分电路交换方式，利用接点等开关元件构成电路交换网络。1.3数据交换

1.3.1数据通信和话音通信的区别通信对象不同传输可靠性不同通信的平均持续时间和通信建立请求响应不同通信过程中信息业务量特性不同1.3.2利用电话网络进行数据传输电话网络主要业务为电话、图文传真、低速数据、慢速图像。电话网络是用于传输0.3～3.4kHz模拟话音信号，如果要使用这样的信道传输数据信息，在发送端必须有相应的设备把数字数据信号转换成模拟信号（这个过程称为调制），在接收端必须将相应的模拟信号回复成数字数据信号（这个过程称为解调）。这个能完成调制和解调功能的这个设备称为调制解调器（Modem）。优缺点优点：简单。只要求用户拥有计算机、调制解调器和电话线就可以连接到Internet。缺点：传输速率低；信道利用率低。20交换节点A交换节点B交换节点C建立传送释放电路交换的基本过程1.3.3电路交换

(CircuitSwitching)21通信之前先建立通路，通信时通路独占，通信结束，通路释放。实时性好，线路利用率差。电路交换的特点电路交换的缺点电话通信网中的话音业务，具有实时性强、可靠性要求不高的特点，而电路交换不管是其面向连接的特点，还是对信息无差错控制、透明传输以及基于呼叫损失的流量控制特点，都满足了话音业务的特性，因而电话通信网采用电路交换方式。电路交换由于无差错控制机制，因而对数据交换的可靠性没有分组交换高，不适合对差错敏感的数据业务；同时由于电路交换采用固定带宽分配方式，因而其电路利用率低、不适合突发（burst）业务。电路交换适合于实时性、恒定速率的业务。

将整个报文信息（报头+正文+报尾）在网络的每个节点处（交换局）都是先存储，等输出线路空闲再转发，直至送达目的地。特点：无需建立通路（无连接），实时性差，线路利用率好（可在非高峰时期传送）。适用于公众电报和电子信箱业务。1.3.4

报文交换（MessageSwitching）优缺点主要优点：以存储转发的方式实现不同终端之间的通信；比较高的线路利用率；没有呼叫损失。主要缺点：时延大；对交换机要求具有高速的处理能力和大的存储容量；不适用于即时交互式的数据通信。将报文分成若干个分组（packet)，每个分组要加上分组头，然后以分组为存储转发单位逐节点转发，到达目的地再按编号组装成原报文。

分组交换有两种工作模式：数据报、虚电路方式。分组交换的特点：实时性较好，线路利用率高。1.3.5分组交换（PacketSwitching）数据报数据报方式：以分组为基本单位逐节点转发，且不同分组可沿不同的路径传输，类似报文交换。首先网络在通信两端建立逻辑连接，然后用户数据以分组为单位沿该路径顺序传送到达终点（逐节点转发）。类似于电路交换，但通路不是一直占用。虚电路虚电路工作方式数据报工作方式数据报方式的每个分组头中要包含详细的目的地址虚电路方式由于预先已建立逻辑连接对应关系(保存在交换机)，分组头中只要含有对应于所建立的VC的逻辑信道标识虚电路与数据报的比较——分组头VC方式预先有建立过程，但一旦虚电路建立，在端到端之间所选定的路由上的各个交换节点都具有映象表，存放出入逻辑信道的对应关系，每个分组到来时只要查找映象表，而不需要进行复杂的选路。DG方式则不需要有建立过程，但对每个分组都要独立地进行选路。虚电路与数据报的比较——选路VC方式中，属于同一呼叫的各个分组在同一条虚电路上传送，分组会按原有顺序到达终点，不会产生失序现象。DG方式中，各个分组由于是独立选路，可以从不同的路由转送，会引起失序。虚电路与数据报的比较—分组顺序VC方式对故障较为敏感，当传输链路或交换节点发生故障时可能引起虚电路的中断，需要重新建立。有些分组网具有再连接功能，出现故障时可自动建立新的虚电路，并做到不丢失用户数据,例如:可以通过与故障点最近的交换机恢复DG方式中各个分组可选择不同路由，对故障的防卫能力较强，从而可靠性较高。虚电路与数据报的比较—故障敏感性VC方式适用于较连续的数据流传送，其持续时间应显著地大于呼叫建立的时间，如文件传送、传真业务等。DG方式则适用于面向事务的询向／响应型数据业务。虚电路与数据报的比较——应用优缺点优点：灵活；传输时延小；信道利用率高；可靠性高；经济性好。缺点：由网络附加的传输信息较多，传输长报文的效率比较低；技术实现复杂。

报文交换的时延分组交换的时延分组交换和报文交换比较整段完整信息传输切分为小块传输三种基本交换方式的比较电路交换报文交换分组交换通路建立时间长中短实时性好差中交互性好差中线路利用率低中高协议处理简单中复杂终端一致性要求不要求不要求1.4宽带交换技术

1.4.1电信业务和媒体传输特性随着技术的发展和人们需求的增加，信息传输的媒体方式由单一的话音传输向话音、数据、文本、图形、动画和图像、视频复合的多媒体信息转化。新一代的业务传输具有与传统话音或文本数据所不同的传输特性：传输要求具有不同的速率，具有不同的突发性。具有不同的误差要求和时延要求。1.4.2快速电路交换电路交换固定分配带宽，不能适应突发业务。快速电路交换：当呼叫建立时，在呼叫连接上的所有交换节点要在相应的路由上分配所需的带宽，与电路交换不同的是交换节点只记住所分配的带宽和相应路由连接关系，而不完成实际的物理连接。当用户真正要传送信息时，才根据事先分配的带宽和建立的连接关系，建立物理连接；当没有信息传送时，则拆除该物理连接。由此可知，快速电路交换是在要传送用户信息时才连接物理传输通道，即只在信息要传送时才使用所分配的带宽和相关资源，因而它提高了带宽的利用率。

快速电路交换的特点

由于并不为每个呼叫专门分配和保留其所需的带宽，因此提高了带宽

的使用效率。物理连接的建立和拆除要有相当高的速度。由于只有当信息发送时才建立真正的连接，因此时延比通常的电路交换要大。快速电路交换虽然也提高了带宽的利用率，但控制复杂，其灵活性比不上快速分组交换，故未得到广泛应用。1.4.3快速分组交换——帧中继

数据传输协议X.25采用虚电路复用方式提高信道利用率，减少网络传输的费用。在网络相邻结点的传输通路上执行差错控制协议，保证相邻网络结点之间传输的数据正确性。采用流量控制，保证线路上传输的数据不超过信道容量。X.25协议规定了较丰富的控制功能，获得了很高的可靠性，但却导致了分组通过网络的传输时延比较大。帧中继技术帧中继采用的是永久虚电路方式。取消了X.25协议的数据差错控制，将由网络完成的差错控制由终端完成。网络只进行差错检查，如果发现错误就把分组丢弃。帧中继数据传输的基本数据单元是帧，帧是数据链路层的概念。帧的格式做了简化，去掉了有关进行链路差错控制的帧中的域。帧中继数据传输采用数据链路连接标志符（DLCI）。DLCI指明数据传输的通道，填入交换机的路由表中，指示信息传输的通道，并没有分配网络资源。永久虚电路(PVC)应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，而不需在呼叫时临时建立虚电路，可直接进入数据传送阶段的方式。分组交换与帧中继的比较

固定长度的信元信元(cell)只有53个字节(byte)，其中开头5个字节称为信头(cellheader)，其余48个字节为信息域，或称为净荷(payload)。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。信元的长度固定，则有利于简化交换控制和缓冲器管理。面向连接ATM采用面向连接的方式。即用户信息传送前，先要有连接建立过程，在信息传送结束后，要拆除连接。它不是物理连接，而是一种虚连接(VC：VirtualConnection)。ATM交换-异步传送模式取消差错控制和流量控制ATM运行在误码率很低的光纤传输网上，同时预约资源机制保证网络中传输的负载小于网络的传输能力，因此取消了传输链路上的差错控制和流量控制。如果出现差错，则由终端设备判断和处理。信头简化

ATM信元的信头功能有限，主要是虚连接的标识，还有优先级标志、信头的差错检验等。ATM交换同步时分（时间位置、物理信道）(STD：SynchronousTimeDivision)异步时分（标记、物理信道）(ATD：AsynchronousTimeDivision)时分交换ATD与STD的概念

ATM技术是以分组传送模式为基础，融合了电路传送模式高速化的优点发展而成的。ATM克服了STM不能适应任意速率业务，难以导入未知新业务的缺点；简化了分组通信中的协议，并由硬件对简化的协议进行处理，交换节点不再对信息进行流量控制和差错控制，从而极大地提高了网络的传输处理能力。ATM交换的优点IP:流行通信协议，为互连的异种物理网络提供了统一的IP地址，从而屏蔽了下层物理网络地址的差异性，统一了异种网络地址，保证了异种网络互通。IPoverATM有两种模式：叠加模型,集成模型Internet已取得了巨大成功，但随着用户量的急剧增加，由多层路由器构成的网络已趋于饱和，网络经常阻塞，用户的业务质量得不到保证，为此需用ATM技术对传统的Internet网络进行改进。IP交换和标记交换就是ATM技术与IP路由技术结合的两个产物，最后这两种产物技术统一成一个标准多协议标记交换MPLS。

IP交换和标记交换1.5光交换技术

光技术在信息的传输中已得到广泛应用，特别是在B-ISDN中几乎所有的传输都采用光纤传输，而目前的交换机都是电交换机，采用光交换已是迫切需要。光交换技术的传输路径采用空分、时分和波分的交换方式。光→电光→电电→光电→光电交换······光→电光→电电→光电→光电交换······光信号光信号光交换······光信号光交换的优点减少了光电转换的损伤。光信号的抗干扰能力远远高于电信号。提高了交换速度。电交换的速度受电子器件的速度限制。1.6软交换软交换技术是能够将现