第5章 现代数字交换技术

第5章现代数字交换技术

5.1概述5.2程控交换技术5.3分组交换技术5.4ATM交换技术

5.1概述

交换技术的发展经历了四个阶段:

人工交换阶段;

机电交换阶段;

电子交换阶段;

信息包交换阶段。

●

人工交换阶段磁石人工电话交换机和共电人工电话交换机。

人工电话交换机由信号灯、塞孔、搬键、塞绳等设备组成，并由话务员控制。用户塞孔和绳路构成交换机的话路系统，话务员构成交换机的控制系统。

特点：结构简单，成本低；但是容量小，效率低，占用人力较多。

●

机电交换阶段步进制电话交换机和纵横制电话交换机。步进制电话交换机采用全分散控制方式，选择器的线弧接点和弧刷构成交换机的话路系统，选择器的控制电路构成交换机的控制系统。纵横制电话交换机采用集中控制方式，多级纵横接线器构成交换机的话路系统，记发器和标志器构成交换机的控制系统。

特点：电磁器件动作速度低，耗电量大。

●

电子交换阶段模拟程控电话交换机和数字程控电话交换机。模拟程控电话交换机交换的是模拟信号，话路系统采用空间分隔方式，控制系统采用了计算机技术。

数字程控电话交换机交换的是数字（PCM）信号，话路系统采用时分复用技术，控制系统采用了计算机技术。特点：提高了通信质量，为开通非电话业务提供了有利条件，为实现ISDN打下了基础。

●

信息包交换阶段

传统的电路交换采用固定分配资源的复用方式，而适合于非电话业务的信息包交换采用动态统计分配资源的复用方式。特点：提高了网络资源的利用率、信息传输效率和服务质量。5.2程控交换技术5.2.1数字程控交换原理

1数字交换的实质公用通信网中数字话音信号采用PCM帧结构方式传输，不同用户的话音信息分别占用不同时隙，因此数字交换的实质是对数字话音信号进行时隙交换。时隙交换由数字交换网络完成。图5.1为时隙交换示意图，PCM入端某个时隙信息需要交换到PCM出端的另一时隙，相当于通过数字交换网络将PCM入端TSi时隙中的话音信息A经过数字交换网络后出现在PCM出端的TSj时隙。图5.1时隙交换的概念

数字交换网络

A

B

B

A

1

2

3

4

TSj1

2

3

4

TSjTSi

TSi

图5.2多复用线时隙交换示意图一条复用线上只有32个时隙，通常通过增加数字交换网络的时分复用线来增加交换机的容量，多复用线数字交换网络可以把任一输入时分复用线上的任一时隙的信息交换到任一输出时分复用线上的任一时隙中。图5.2为多复用线时隙交换示意图。

第1条复用线上的TSi时隙与第4条复用线上TSj时隙建立了双向的交换连接：第1条复用线发端TSi时隙的用户话音A交换到第4条复用线收端的TSj

时隙；第4条复用线发端TSj时隙的用户话音B交换到第1条复用线收端的TSi时隙。数字交换网络只能单向传送信息，对于每个通话接续都应建立来话、去话两条通路。图5.3为双向通信示意图。图5.3双向通信示意图

数字交换网络

终端

终端

2数字交换网络数字交换网络基本功能：一条复用线上的时隙交换；复用线之间的相同时隙的空间交换。实现时隙交换功能的部件成为时间接线器，实现空间交换功能的部件称为空间接线器。（1）时间接线器（T接线器）

T接线器利用存储器在输入时隙写入，而在其他时隙读出来完成时隙交换。图5.4为T接线器原理示意图，主要由话音存储器（SM）和控制存储器（CM）组成。

话音存储器用来暂存话音信息，容量取决于复用线的复用度；控制存储器用于暂存话音时隙的地址，容量取决于复用线的复用度。话音存储器的存取方式：“顺序写入，控制读出”或者“控制写入,顺序读出”，分别对应于输出控制型和输入控制型T接线器；控制存储器的存取方式：“控制写入,顺序读出”。图5.4为T接线器原理示意图，图5.4(a）和(b）分别为输出控制型和输入控制型T接线器。

图5.4T接线器原理示意(a)输出控制型；(b)输入控制型假设要求将TS30时隙的话音信息A交换到TS2时隙

图5.4(a)：CPU根据要求在CM的2号单元写“30”，TS30

的话音信息在TS30

时隙写入到SM的30号单元。TS2时刻，读出CM的2号单元内容“30”作为SM的读出地址，控制SM读出30号单元内容A，完成了话音信息从TS30交换到TS2。图5.4(b)：CPU根据要求在CM的30号单元写“2”，TS30时刻，读出CM的30号单元内容“2”作为SM的写入地址，时隙TS30

的话音信息A写入到SM的2号单元，TS2时刻，读出SM的2号单元内容A，完成了话音信息从TS30交换到TS2。

（2）S接线器图5.5为S接线器原理示意图，主要由电子交叉点矩阵和控制存储器（CM）组成，控制存储器的存取方式仍为“控制写入，顺序读出”。

交叉点矩阵共有n个输入端和n个输出端，形成n×n矩阵，由n个CM控制。CM可控制同号输入端的所有交叉点实现“输入控制”，也可控制同号输出端的所有交叉点实现“输出控制”。矩阵的每条输入（输出）复用线上有N个时隙。图5.5S接线器结构示意

2

1

n

1

2

n

2

n

1

1

2

3

┇

┇n

控制存储器

CM1CM2

……

CMn

TS3

TS2

TS1

TS1

TS2

TS3

A1

B1

C1

A2,C2

B2

An,Bn

Cn

HW1

HW2

HWn

┇

HW1'

HW2

HWn┇

输入

输出

1入

2入

1出

2出

n出

n入

''

交叉接点的控制过程:①CPU根据交换机路由选择结果在CM写入如图5.5所示内容；

②CM按顺序读出，控制交叉接点矩阵动作。如TS1时隙读出个CM的1号单元内容，1号CM的1号单元内容为“2”，控制2号入端与1号出端接通；③TS2时隙按CM的2号单元读出内容控制交叉点的接通，交换TS2的话音信号。

（3）TST交换网络小容量的数字交换机可仅由构成单级T的T接线器数字交换网络，S接线器不具备时隙交换功能；要扩大容量须组合使用T接线器和S接线器：TST型和STS型数字交换网络，目前大容量数字交换机的数字交换网络通常采用TST交换网络。

TST是三级交换网络，两侧为T接线器（简称TA和TB），中间为S接线器，S级的出入线数由两侧T接线器的数量决定。图5.6为TST交换网络结构示意图，每条复用线有32个时隙，TA

、TB话音存储器各有32个单元，各级控制存储器各有32个单元。

图5.6TST网络

TA接线器为输出控制方式，TB接线器为输入控制方式，S接线器为输入控制方式。

HW1TS2时隙的话音A要和HW3TS31时隙的话音B进行交换信息。AB方向：设CPU找到一空闲内部时隙TS7，向HW1的CMA的7号单元写入“2”，HW3′的CMB的7号单元写入“31”，S级1号CMC的7号单元写入“3”。

TS2时刻，话音信息A存入HW1的SMA的2号单元，TS7时刻，读出CMA的7号单元内容“2”作为SMA的读出地址，控制SMA读出2号单元信息A；读出S级1号CMC的7号单元内容“3”控制1号入线和3号出线接通；读出HW3′的CMB的7号单元内容“31”作为SMB的写入地址，控制话音信息A写入SMB的31号单元。TS31时刻，读出

SMB的31号单元内容A。

BA方向的路由选择通常采用“反相法”（两个方向相差半帧），BA方向的话音传输与

AB方向相似，只是内部空闲时隙为TS23（32/2+7=23）。话终只要清除控制存储器的相应单元即可。

3呼叫处理基本过程呼叫处理的基本过程：

（1）主叫用户A摘机呼叫

·交换机检测到用户A摘机的状态;·交换机调查用户A的类别，以区分一般电话、投币电话等;·调查话机类别，按键话机还是号盘话机。

（2）送拨号音，准备收号

·交换机寻找一个空闲收号器以及它和主叫用户间的空闲路由;·寻找一个空闲的主叫用户和信号音源间的路由,向主叫用户送拨号音;·监视收号器的输入信号，准备收号。（3）收号

·由收号器接收主叫用户所拨号码;·收到第一位号后，停送拨号音;·对收到的号码按位存储;·对“应收位”和“已收位”进行计数;·将号首送分析程序。

（4）号码分析

·分析号首决定呼叫类别（本局、出局、长途、特服等）,并决定该收几位号;·检查这个呼叫是否允许接通;·检查被叫用户是否空闲。

（5）接至被叫用户B·向主叫用户送回铃音路由;·向被叫用户送铃流回路（可能直接控制用户电路振铃,而不用另找路由）;·预占主、被叫用户通话路由。（6）向被叫用户振铃

·向用户B送铃流;·向用户A送回铃音;·监视主、被叫用户状态。（7）被叫应答和通话

·被叫摘机应答，停振铃和停送回铃音;·建立A、B用户间的通话路由;·启动计费设备;·监视主、被叫用户状态。（8）话终

主叫先挂机:·交换机检测到主叫挂机，释放路由;·停止计费;·向被叫用户送忙音。被叫先挂机:·交换机检测到被叫挂机，经过一定时限切断通路，释放路由;·停止计费;·向主叫用户送忙音。

4程控交换系统的控制方式和结构

基本控制方式：集中控制和分散控制。

1）集中控制每一台处理机均能利用全部资源，能执行所有控制功能，如图5.7所示。

2）分散控制每台处理机只能利用部分资源，只能执行部分功能。

图5.7集中控制系统

3）多处理机结构绝大多数交换机都采用多处理机结构，多处理机系统中，各处理机的分工方式大致有以下几种：

●按功能分工不同处理机完成不同功能。

●按话务分工每一台处理机完成一部分话务处理功能。

●主/备用方式为提高控制部件的可靠性，对每台处理机配备有备用处理机。

5.2.2数字程控交换系统

1程控交换机的构成程控交换机由硬件和软件两大部分组成，硬件又分为话路系统和控制系统，图5.8为程控数字交换机的系统结构。程控交换机可分成选组级（由数字交换网络构成的控制系统）和用户级（用户模块和远端模块）两部分。图5.8数字交换机的系统结构

É

用户电路

数字交换网络

用户处理机

É

用户电路

数字中继

数字中继

信号音收/发

数字中继线

模拟中继线

用户处理机

远端模块

用户模块

中央处理机

选组级

模拟中继

数字中继

PCM

用户级

1）用户模块用户模块和远端模块除实现用户功能外，还进行话务量的集中（或分散）。

图5.9为用户模块结构，一级T接线器组成的用户级交换网络负责话务量的集中（或分散）；信号提取、插入电路负责从信息流中提取（或插入）信令信息；网络接口将信息码流变换成数字交换网络处理的码流；扫描存储器暂存用户电路来的扫描信息；分配存储器暂存给用户电路的信号分配信息。图5.9用户模块结构

É

用户电路

串¯并变换

É

用户电路

用户级交换网络

并¯串变换

信号提取插入

网络接口

收号器

串¯并变换

┆

┆

扫描存储器

分配存储器

微处理器

HW

HW

至数字交换网络

2）用户电路功能可归纳为BORSCHT功能:B（馈电）：对用户话机馈电；

O（过压保护)：避免高压损坏交换机；

R（振铃控制)：防止振铃高压进入交换机；

S（监视）：监视用户线的状态；

C（编/译码和滤波)：模/数转换；

H（混合电路)：二/四线转换；

T（测试)：测试用户线。图5.10为用户电路功能框图。图5.10用户电路功能框图

3）模拟中继和数字中继

模拟中继器是数字交换机和模拟局间中继线的接口电路，图5.11为模拟中继器的基本功能框图，模拟中继器和用户电路相比少了馈电和振铃控制功能外，增加了忙/闲指示功能。数字中继器是数字交换机和数字局间中继线的接口电路，图5.12为数字中继器的功能框图，主要功能有：码型变换和反变换（HDB3码与单极性不归零码之间的变换）;时钟提取和帧同步;提取和插入随路信令信号。

图5.11模拟中继器功能框图图5.12数字中继器功能框图

4）信号音的发送与接收交换机需向用户发送各种信号音，向其他交换机发送和接收各种局间信令，这些信号都是音频模拟信号，必须数字化后才能通过数字交换网络。

各种信号音由用户话机接收，用户电路将数字音频信号变换成模拟信号供话机自动接收；多音频信号由接收器接收，常采用通过数字滤波器组后识别获得。图5.13为数字双音频信号接收器结构框图。图5.13数字双音频信号接收器结构

2数字程控交换软件系统

程控交换机的软件分为运行软件和支援软件。

1）运行软件系统运行软件分为系统软件和应用软件，图5.14为运行软件系统的组成。

系统软件：

(1)执行管理程序（操作系统）管理计算机资源和控制程序的执行

(2)系统监视和故障处理程序系统监视和故障识别、故障分析与处理、系统重新组织以及恢复与再启动处理

(3)故障诊断程序故障诊断

(4)输入输出和人——机通信程序人——机接口应用软件：

(1)呼叫处理程序交换状态、资源、业务管理以及负荷控制

(2)维护和运行程序统计和分析话务量维护；测试用户线和中继线;监察业务质量；业务变更等。

2）支援软件系统支援软件系统包括以下软件:(1)软件开发支援系统建立源文件和目标文件

(2)应用工程支援系统提供交换局所需硬件和软件的各项数据

(3)软件加工支援系统按交换局要求生成并装入各种特定程序和数据

(4)交换局管理支援系统管理交换局图5.14运行软件系统的组成交换机话路部分输入/输出设备执行管理程序系统监视和故障处理程序故障诊断程序输入/输出和人—机通信程序系统软件呼叫处理程序维护和运行程序应用软件

3）程序设计语言不同交换机采用不同语言编写程序，ITU—T建议应用于程控交换的专用高级语言有：CHILL语言、SDL语言和MML语言

CHILL语言：CCITT高级语言的缩写，主要用于软件设计、程序编制、软件检验等；

SDL语言：功能说明与描述语言，用于描述程控交换机的功能和逻辑过程。

MML语言：人—机对话语言，用于人—机对话的交互式人—机操作和命令维护。

3信令方式简介信令是通信网中各交换局在完成各种呼叫连接时所采用的一种通信语言，程控交换网中的主要信令有：

(1)用户信令和局间信令用户信令是用户话机和交换局之间的信令，包括用户状态信息和用户拨号产生的数字信号；局间信令是交换局之间中继线上传递的信令

(2)随路信令和公共信道信令随路信令是呼叫接续需要的信令通过所占中继电路来传送的信令；公共信道信令是利用交换局间一条专门的信令链路为多条话路集中传送信令。图5.15，图5.16分别为随路信令和公共信道信令方式示意图。

(3)模拟信令和数字信令模拟信令是按模拟方式传送信令；数字信令是按数字方式编码传送信令

(4)线路信令和记发器信令线路信令是出、入局线路设备间传送的信令；记发器信令是交换设备间传送的信令

(5)前向信令和后向信令前向信令是发端局至收端局的记发器或中继电路信令；后向信令是收端局至发端局的信令

(6)逐段转发和端到端传送方式逐段转发是逐段识别，校正后转发；端到端方式转接局只接通信令路由，然后透明传输图5.15随路信令方式示意图5.16公共信道信令方式示意5.3分组交换技术

5.3.1概述

基本思想：通话内容分成若干固定长度的数据块(分组)，以分组为单位传送，通话内容通过不同路径到达收端，终点站要对数据分组重新排序。分组交换优点：

(1)用户终端适应性强；

(2)信息传输时延小；

(3)线路利用率高；

(4)可实现分组多路通信；

(5)可靠性高；

(6)经济性好。分组交换缺点：

(1)信息传输效率较低；

(2)实现技术复杂。5.3.2分组交换的基本原理1复用传输方式多路复用指将多个低速数据流合起来共用1条高速线路，目前多路复用分为两类：固定分配资源和动态分配资源。

1)固定分配资源法（预分配法）网络根据申请在传输前预先固定分配传输资源。

2)动态分配资源法（统计时分复用法）

网络根据用户需要分配传输资源。

3)传输方法统计时分复用方式中，用户数据按一定单元长度随机交织传输，图5.17为统计时分复用原理框图。用户数据交织传输方法：

(1)比特交织；

(2)字节或字符交织；

(3)分组(或块、帧)交织。图5.18为三个终端的数据交织传输示意。图5.17统计时分复用原理图5.18交织传输示意

终端编号作为用户数据“标记”，STDM设备中的控制器执行统计时分复用功能，处理过程为：

①将各终端数据存入输入缓冲器以形成分组；

②给各分组加“标记”；

③带有标记的数据分组进发送队列排队并依次传输；

④各终端数据组在线路交织传输。

逻辑信道：实际不存在的完成子信道功能的信息流通路，线路逻辑信道号可独立于终端编号，当终端要求通信时由STDM设备分配。同一个终端，每次呼叫可分配不同逻辑信道号，但同一次呼叫连接中，某终端数据组的逻辑信道号应相同。用逻辑信道号给终端数据组作“标记”比用终端号更灵活方便，一个终端可同时通过网络建立多个数据通路，图5.19为用逻辑信道号“标记”进行交织传输的示意图。图5.19用逻辑信道号作“标记”进行交织传输示意2分组的形成和传输

1)

分组的形成数据按一定长度分组，用户数据前面是填写逻辑信道号和其他控制信息的分组头，这样的数据组称为分组，图5.20为分组形成示意图。

2)分组的传输分组装配成传输帧进行传输，X.25协议规定分组传输帧采用HDLC帧结构。图5.21为X.25分组传输帧格式，F、A、C分别为帧标志、传输地址和控制字段，FCS为帧校验字段，数据分组长度通常为128+3(分组头)字节。图5.20分组的形成图5.21X.25分组传输帧格式

3)

分组装配

分组由分组型终端或专门设备(分组拆装设备）产生。图5.22为分组的产生和传送示意图。

PAD为分组装配和拆卸设备，帮助非分组终端生成分组；PT为分组传输设备，将分组装配成帧的格式。图5.22分组的产生和传送3分组的交换分组交换网以CCITTX.25规程为基础，网络内大部分采用虚电路(VirtualCircuit)连接方式，少部分采用数据报(Datagram)方式。

1）虚电路方式虚电路是两个用户终端在发送、接收数据前通过网络建立的逻辑连接，用户发送的数据分组按顺序由该逻辑通路到达终点，图5.23为虚电路示意图。图5.23虚电路示意虚电路方式特点：

●

一次通信要经历呼叫建立、数据传输和呼叫清除三个阶段；

●

数据分组中不包含终点地址，提高大数据量通信的传输效率；

●数据分组按建立的路径顺序通过网络，网络终点不需对数据分组重新排序；

●网络线路中断或设备出现故障时，需要重新呼叫建立新连接；

●可向用户提供永久虚电路服务。

2）数据报方式每个数据分组当作一份独立报文，数据分组包含终点地址信息，分组交换机为每个数据分组独立寻找路径，网络终点需要对数据分组重新排序。数据报方式特点：

●一次通信不需经历呼叫建立和呼叫清除阶段;

●

数据分组传输时延大；

●网络故障适应力较强。

3)路由选择首先根据某种准则选择传输路由，然后随时监测传输过程中网络状况，并根据网络情况随时调整分组路由，以保证分组到达终点。不同分组交换网可采用不同路由选择方法。

(1)扩散式路由法分组从源点向其每个相邻节点发送；节点接收到分组后先检查是否已经收到过该分组，如果收到过则抛弃，如果未收到过则把该分组发往除传送过来那个节点之外的所有相邻节点。图5.24为扩散式路由示意图。图5.24扩散式路由示例

扩散式路由特点：

●路由选择与网络的拓扑结构无关，分组传输的可靠性很高；

●分组无效传输量大，网络的额外开销大；

●分组在网络中的传输流量增大，会加大节点的排队时延。

(2)查表路由法每个节点用路由表确定从该节点到网络任何终点应选择的路径，分组到达节点后按照路由表规定路径前进。路由表中一个节点到另一个节点的多个路由按一定准则排序成第1、2、3、…路由，分组首先选择第1路由，故障或阻塞时选择第2、3路由。常用的确定路由表的准则：最短路径算法、最小时延算法和最低成本（费用）算法。表5.1为按照最短路径准则对图5.24所得路由表。

表5.1最短路径路由表示例5.3.3分组交换的通信协议分组终端与网络接口协议(X.25协议)；非分组终端与网络接口协议(分组装/拆协议)；网间互连协议。

1CCITTX.25协议

X.25协议是分组型终端与数据电路连接设备连接入网的接口标准。

1）X.25协议及其结构

X.25协议分为三个层次结构：物理层、链路层和分组层，图5.25为X.25接口示意图。图5.25X.25接口示意M信源信宿通信处理器主机前端处理机智能能端主处理器网络M:调制解调器接口X.25DTEDCEM交换或入口节点机线路

X.25协议三层对应OSI模型的下三层，图5.26为DTE／DCE接口协议分层示意图，图5.27为各层间信息流关系示意图。

高层消息在X.25第三层分为128字节的数据块，前面加上三字节的分组头后送X.25第二层；第二层为分组加上HDLC标题、帧校验序列FCS以及帧标志序列构成传输帧；帧信号流送X.25第一层，最后送传输线路。图5.26DTE/DCE接口协议分层DTEDCE系统或用户级第三层第二层第一层第一层第二层第三层MMX.21X.21HDLC链路级X.25分组级端—端协议…图5.27X.25各层信息结构

2)X.25协议第一层

X.25第一层定义了DTE与DCE间的电气接口和建立物理信息传输通路的过程，X.25物理层中采用的接口标准有：X.21、X.21bis和V系列协议。

图5.28为X.21规定的DTE/DCE主要接口线：T、R(数据线)分别用于发送和接收数据；C(控制线)用于用户终端向网络表示摘、挂机状态；I(指示线)用于网络向用户终端指示数据传送阶段开始、结束；S(信号码元定时线)用于DCE向DTE提供码元定时。图5.28X.21主要接口线

X.21协议要点：

●

接口物理特性；

●

电气特性；

●

同步比特串行传输；

●

点对点全双工操作；

●

建立交换电路协议；

●

使用租用电路协议。

3）X.25协议第二层链路层也称帧层，用ISOHDSL中规定术语和可选部分的一个子集。

(1)主要功能

●

差错控制：采用循环冗余校验，反馈重传方式；

●

帧包封和解封；

●

帧同步；

●

检查已收帧排列顺序；

●

对正确收到数据块给予确认；

●

链路建立、拆除和复位控制；

●

流量控制。

(2)协议要点

●

帧结构：与HDLC帧结构兼容;

●

操作方式：对称型LAP、平衡型LAPB以及多链路型MLP。

LAP规程：链路每端看作两个分开的站—主站和次站，并有两个独立信道，信息只能以命令方式从主站流向次站，图5.29为LAP结构。

LAPB规程：链路每端看作主—次站的结合体，DTE可通过发命令起始双向传输链路，图5.30为LAP结构。

图5.29LAP结构图5.30LAPB结构

MLP规程：多条链路平行工作，将要传送分组分散通过多个LAPB单链路传输，在LAPB单链路帧上加多链路控制字段MLC。

图5.31为多链路帧结构，MLC字段中V、S比特用作控制排序；R、C比特用作链路复位联络；MNH（S）和MNL（S）作链路编号，MNH（S）表示高4位，MNL（S）表示低8位。图5.31多链路帧结构

4）X.25协议第三层第三层也称分组层，为虚呼叫和永久虚电路指定DTE和网内设备逻辑信道号，建立和拆除虚电路等。

(1)虚电路的建立

图5.20为虚电路建立示意图，DTE-A与DTE-B通信，DTE-A发呼叫请求分组；交换机A收到后根据被叫地址选择通往交换机B的路由，并向交换机B发呼叫请求分组；交换机B收到后向DTE-B发呼叫请求分组；DTE-B可接受呼叫时回发接受分组；交换机B收到后向交换机A发接受分组；交换机A收到后向DTE-A发呼叫连通分组，建立起DTE-A与DTE-B间的虚电路。

图5.32虚电路的建立表5.2呼叫请求分组格式表5.3呼叫接受分组格式

(2)数据通信阶段

DTE间电文被分割成数据分组传送，P(S)为发送数据分组的编号，P(R)为正准备接收下一个数据分组编号。

(3)虚电路的释放要求释放一方发释放请求分组，获得交换机发来的释放确认分组即完成虚电路的释放。图5.33为DTE-A发释放请求分组时的虚电路释放过程，表5.5、表5.6分别为释放请求分组格式和释放确认分组格式。表5.4数据分组格式图5.33虚电路释放过程释放确认释放请求释放确认释放确认释放指示DTE-A交换机A交换机BDTE-B表5.5释放请求(指示)分组格式

表5.6释放确认分组格式

(4)分组格式的基本结构

X.25协议定义了各种分组及其格式和功能，所有分组都有分组头，图5.34为分组头格式。

GFI：Q区分数据分组和控制分组(“0”为数据，“1”为控制信息)；D表示是否端到端确认(“0”为非端到端确认，“1”为端到端确认)；SS确定分组顺序编号模式(“01”表模8，“10”表模128）；

LCGN、LCN：区分DTE-DCE接口中逻辑子信道，12位可提供4095个逻辑信道号；

分组类型识别符：区分不同的分组(呼叫建立分组，数据传输分组，恢复分组和释放分组)。

图5.34分组头格式(a)分组头格式；(b)GFI格式

(5)重置和再启动

●出现与建立、释放虚电路有关错误时可用重置规程清除相应虚电路；

●数据传送阶段出现错误时可用重置规程来清除相应虚电路；

●出现某些严重错误时可用再启动规程清除所有虚电路。

(6)待续数据指示

数据分组格式中有1位待续数据分组指示位，“1”表后面还有数据分组，“0”表后面数据分组属于另一报文。

(7)逻辑信道与虚电路

逻辑信道是DTE/DCE链路上以分组为单位时隙形成的时分多路信道；虚电路由多个不同链路的逻辑信道联结形成的两个DTE间的通路。表5.7为逻辑信道与虚电路的区别示意。

表5.7逻辑信道与虚电路的区别2分组装/拆（PAD）协议

1）PAD基本功能

将非分组终端接入分组交换网，图5.35为PAD转换作用及分组网的协议关系。

CCITT制定了分组拆/装标准：X.3协议、X.28协议和X.29协议，X.3协议规定PAD工作特性及提供给终端的基本功能；X.28协议确定非分组终端进出分组交换网的规程，并规定终端控制PAD的命令；X.29协议规范了分组终端接入PAD的规程。

PAD基本功能：①将非分组终端的字符流装配成分组；②将分组交换网的数据分组拆卸成字符流；③虚电路的建立和释放；

④满足一定条件时转发分组或字符；⑤应答PAD命令及PAD电文；⑥处理非分组终端的中断信号。PD非分组终端X.3X.25分组终端X.28X.29A分组交换网(b)

参数1参数2参数18X.28X.3X.29数据字符数据分组分组终端PAD业务信号PAD电文非分组终端PAD命令信号按X.29变更参数(a)按X.28变更参数PAD…

图5.35PAD转换作用及分组网的协议关系(a)PAD转换作用；(b)分组交换网与不同终端的协议

2）X.3协议非分组终端通过PAD与分组交换网互连时，PAD由一组内部参数来确定所执行功能。

X.3协议共有22个参数，分为5类：

①异步接口控制；②数据转送控制；③发送输出控制；④发送输入控制；⑤编辑功能。

3）X.28协议定义非分组终端与分组交换网之间的接口，规范四个过程：

(1)非分组型DTE与PAD间通路的建立过程；

(2)非分组型DTE与PAD间进行字符交换和业务起始过程；

(3)非分组型DTE与PAD间控制信息交换过程；

(4)非分组型DTE与PAD间用户数据交换过程。

4）X.29协议

规定PAD与分组终端间或PAD间接口规程，利用X.25分组能与分组终端以及PAD通信。

X.29协议中规定用X.25分组头中的Q比特区分用户数据和PAD报文（“0”表示用户数据，“1”表示PAD报文）。

X.29协议主要功能：①适应DCE和分组DTE间的X.25接口，与X.25规程配合使用；②用作PAD间的互通；

③规定交换PAD控制信息和用户数据规程；④规定传送用户数据方式；⑤利用PAD报文对PAD进行控制；⑥规定一次虚呼叫中传送数据字段格式。

分组终端与PAD间控制信息按PAD报文方式传送，X.29协议中规定了各类PAD报文的格式。表5.8为X.29协议PAD报文类型表5.8X.29协议PAD报文类型

3分组交换网的互连协议

网际互连需解决的主要问题:①要求相同通信协议；②有统一寻址方案、统一编号体制；③一致最大分组长度；④适配流量控制方法、流量控制参数；⑤考虑网间时延；⑥网间传输计费。图5.36为两个分组网通过X.75互连示意图

图5.36通过X.75的网间互连示意

X.75协议主要内容:①协议分物理层、链路层和分组层；

②协议两端是信号终端设备STE；③STE主要功能：分组信号过程和分组传输过程；④呼叫建立分组与释放分组由一个STE透明传送给下一个STE；⑤呼叫建立分组和释放分组格式与X.25主要差别：X.75比X.25多一个网间业务字段，传送网间有关计费和路由信息等。⑥X.75是DCE与DCE间接口，两端对称。表5.9为X.75网间呼叫请求分组格式

表5.9X.75网间呼叫请求分组格式5.3.4分组交换的实现技术分组交换网由分组交换机、网络管理中心、远程集中器与分组拆装设备、分组终端和传输线路组成。1分组交换机分组交换机分为中转交换机和本地交换机两类。

中转交换机：通信容量大，信息处理能力较强，所有线路端口用作中继端口，路由选择功能强；

本地交换机：通信容量小，信息处理能力较低，大部分线路端口用作用户端口，少数用作中继端口，基本上无路由选择功能或只有简单路由选择功能。

1)分组交换机主要功能①网络基本业务；

②路由选择；③流量控制；④X.25、X.75等多种接口规程协议功能；⑤局部维护、运行管理、故障报告与诊断、计费等功能。

2)硬件结构

以我国公用分组交换骨干网采用的DPN-100系列设备为例。

DPN-100系列交换机采用模块化结构，中、小型交换机由2种基本模块——资源模块RM和访问模块AM组成；大型交换机由5种基本模块——资源模块RM、访问模块AM、中继线模块TM、网络链路模块NLM和DMS总线组成。图5.37为DPN-100系列模块示意,图5.38为中、小型交换机结构举例。

图5.37DPN―100系列模块示意(a)中、小型交换机模块；(b)大型交换机模块图5.38中、小型交换机结构举例

RM模块提供路由选择和交换控制功能；AM模块提供用户线接口和数据交换功能，可独立完成模块内用户间数据交换。

RM、AM模块硬件结构相似，图5.39、5.40分别为RM模块、AM模块硬件结构示意图，每个RM、AM模块由处理机板PE、外围接口板PI、外围总线扩展板PBE、公共存储器CM、告警接口AI、电源变换器CONV和磁盘DISK等部件组成。图5.39RM模块硬件结构图5.40AM模块硬件结构

3)分组交换机主要性能①

端口数；②吞吐量（每秒处理分组数）；③每秒处理呼叫次数；④路由数（一般等于中继端口数）；⑤平均分组处理迟延(传送一个数据分组从输入端口至输出队列所需平均处理时间）；⑥提供可选补充业务能力；⑦支持X.25等协议版本时间；⑧提供非标准接口能力。表5.10DPN-100交换机型号和主要性能2网络管理中心

1）网络管理方式分组交换网管理方式：集中管理方式和集中与分散结合管理方式，前者全网只设一个网络管理中心，负责全网的管理工作，适用规模较小网络；后者适用于规模较大网络。图5.41为集中与分散结合的网络管理方式示意图，全网分成若干区，每区设置一个区域网络管理中心NMC-R，全网管理中心NMC-C可管理全网的骨干网及各区域的NMC-R。图5.41集中与分散相结合的网络管理方式PSXPSXPSXPSXPSXPSXPSXPSXPSXPSXPSXPSXNMC-CNMC-RNMC-R骨干网NMC-RNMC-R：网络管理中心PSX：分组交换机PAD：分组装/拆设备二级网PADPADPAD

2)网络管理中心功能

(1)网络配置、用户管理；

(2)日常运行数据收集、统计；

(3)路由选择管理；

(4)控制软件管理；

(5)网络监测、故障告警与网络状态显示；

(6)计费管理。

3)网络管理中心构成网络管理中心又称为网络控制中心NCC，由网络管理机、网络终端设备和外围设备三部分组成。

3分组装/拆设备和远程集中器

1)分组装/拆设备分组装/拆设备主要功能：规程转换和数据集中。

规程转换指非分组终端简单接口规程与X.25协议的相互转换；数据集中把各终端字符数据流装配成分组，在PAD至交换机的中、高速线路上统计交织复用。

2)远程集中器远程集中器的功能是远程集中用户终端，图5.42为远程集中器工作示意图。分组终端根据远程集中器的X.25端口能力建立多条虚电路，非分组终端只能通过PAD建立1条虚电路。图5.42RCU工作示意图

4分组终端分组终端指具有分组装/拆功能的终端，可分为两类：具有分组装/拆功能，以X.25协议为接口规程与分组交换网直通的终端设备PT(X.25)；具有分组装/拆功能，不与分组交换网直通，通过公用电话网或者电路交换公用数据网以X.32协议为接口规程与分组交换网相连的终端设备。

5传输线路分组交换网传输线路：PCM数字信道，速率为64kb/s、128kb/s和2Mb/s；利用调制解调器加模拟信道构成的数字信道，速率主要有9.6kb/s、48kb/s和64kb/s。5.3.5帧中继技术

1帧中继概念

帧中继实现链路层的逻辑链路复用和连接，提供以下功能：

(1)公用、专用系统提供多通信结构连接；

(2)提供高速传输；

(3)提供按需带宽分配；

(4)处理多规程传输信息来保护用户现有投资。

2帧结构和传输方式帧中继传送网中，帧长度可变，最长可达1000字节以上，每帧含“数据链路连接标识符”DLCI，从源DTE到宿DTE间所有途经节点根据DLCI指明出口信道。图5.43为使用DLCI标识的帧格式示意图5.43帧中继帧格式用户信息：X.25分组或其他格式，在网中透明传输；

帧标志F、地址字段DLCI、帧校验序列FCS：帧中继节点校验，发现错误即丢弃分组，错误分组由终点和源点设备间负责检错重发。地址字段DLCI：包括流量控制和校验信息，图5.44为帧中继帧的地址字段。C/R为命令/响应指示位，EA为扩展地址位，FECN为前向显式拥塞通知位，BECN为后向显式拥塞通知位，DE为丢弃核准位。3FR与PAC、DDN的性能比较

表5.11为分组交换PAC、帧中继FR和数字数据通信网DDN三种传输方式的性能比较。

图5.44帧中继帧的地址字段表5.11PAC、FR与DDN性能比较5.4ATM交换技术

5.4.1ATM的基本概念和工作原理

ATM技术是宽带综合业务数字网B-ISDN的信息交换方式，采用分组交换原理，以固定长度的信元Cell来传送信息，可适应各种速率业务。1信息交换方式与ATM概念

1）电路交换方式数字通信中电路交换传输主要用同步转移模式STM实现，图5.45为同步转移模块示意图，信道通路是周期性出现的时隙。图5.45同步转移模块(STM)示意图

2）分组交换方式将用户信息划分成可变长度的分组，每个分组前加分组头指明分组的传送地址，交换机存储这些分组并在有空闲通路时根据分组地址标志转发至目的地。

3）ATM方式概念用户信息（话音、数据及图像数字信息）被分割成固定长度的信息块，信息块前装配相关的控制信息构成信元Cell。信元由5字节的信头Header和48字节的用户信息块组成，图5.46为异步转移模式ATM示意图。图5.46异步转移模式ATM示意图

异步转移模式ATM中各用户信元是异步时分复用，图5.47为ATM信元复用示意图。不同信息源的信元汇集在一个缓冲器排队，队列中信元逐个输出到传输线路，在传输线路上形成首尾相接的信元流。某时刻线路排空队列中所有信元，线路上就出现空信元；某时刻线路上找不到可传送信元的机会，而队列充满缓冲区时，后面来的信元就可能丢失，导致降低业务质量。图5.47ATM信元和复用2ATM交换原理

通信开始时先建立虚电路，以后将虚电路标志写入信头，网络根据虚电路标志交换传送。

1）ATM交换节点

ATM网络交换节点提供信元交换功能，完成虚电路的交换，同一虚电路上所有信元都选择同样路由，经过同样通路到达目的地。图5.48为一个ATM交换节点示意图，交换节点包含m条输入复用线和n条输出复用线，这些复用线上传输着复用信元流，信元流的空信元到达节点入口被舍弃。图5.48ATM交换节点设信元虚电路标志为A，从输入复用线Ei到达节点，选择路由为输出复用线Sj

，节点内空分矩阵在信元到达时将Ei与Sj连通，信元到达Sj后虚电路标志变为B，实现了虚电路的交换。

2）ATM信元交换图5.49为ATM信元交换原理，建立一个虚电路时，对应输入复用线的“接续路由表”记入选路比特RB；信元到达后查对信头标记“i”，将RB和交换机内部识别符x装入信头后把信元发往交换网；网内各交换模块根据RB将信元发往指定方向。

图5.49ATM交换原理3ATM的特点

①免除差错控制和流量控制，简化网络控制；②采用面向连接工作方式；③简化信头功能；④采用长度较小的固定长度信元。

ATM是B-ISDN的理想交换传送方式。5.4.2ATM协议结构

图5.50为ATM协议参考模型示意图，是一个立体分层模型。

纵向看三个功能面：用户面、控制面和管理面。

用户面：提供用户数据传输功能；控制面：提供呼叫和连接控制功能；

管理面：提供面管理、层管理功能，面管理实现与整个系统有关的管理功能；层管理实现网络资源和相关协议参数管理功能。横向看四个功能层：物理层、ATM层、ATM自适应层和高层。

物理层：完成信息传输功能；

ATM层：完成信元交换、信元复用/分解和选路；

ATM自适应层：适配ATM层和高层，以适应高层需要；

高层：根据不同业务特点完成高层功能。图5.50ATM协议参考模型物理层ATM层ATM自适应层高层高层控制面用户面管理面层管理面管理

1)物理层PL

物理层又划分为两个子层：物理媒介子层PM和传输会聚子层TC，图5.51为物理层划分情况示意图。

物理媒介子层：在物理介质上有效、可靠地传送和接收信息；

传输会聚子层：传输帧的生成与恢复；传输帧的自适应；信元定界；信头差错控制和信元速率解耦。图5.51PL子层划分

2)ATM层

ATM层为ATM信元流建立传送通路。

（1）虚信道VC和虚路径VP

虚信道：是一个逻辑信道，由信头中的虚信道标志VCI识别，虚信道上传送的ATM信元具有相同的虚信道标志；

虚路径：由具有相同通道的虚信道组成，由信头中的虚路径标志VPI识别。每个VP可用复用方法容纳多达65536个VC，同一个VP的不同VC有相同的VPI，图5.52为传输通道、VP和VC的关系示意图。

图5.52传输通道、VP和VC的关系（2）信头格式

ATM信头格式：用户——网络接口UNI和网络——网络接口NNI，图5.53为这两种信头的结构示意图。

GFC：一般流量控制，4比特；

VPI、VCI：信元选择的虚路径和虚信道信息，VCI占16比特，UNI的VPI占8比特，NNI的VPI占12比特；

PT：标明信元信息属性，2比特；

RES：备用比特，1比特；

CLP：表示信元优先度，“0”表示高优先度，“1”表低优先度，1比特；

HEC：CRC校验，提高信头传输可靠度，8比特。图5.53信头结构(a)UNI信头；(b)NNI信头

（3）VP交换和VC交换

ATM交换可分为两类：VP交换和VC交换。

VP交换：交换节点根据VP连接的目的地，将输入信元的VPI值改为可将信元导向接收端的新VPI值赋予信头并输出。图5.54为VP交换原理示意，VP交换可单独进行，是传输通道中某等级数字复用线的交叉连接（VP交换过程中VCI值不变）。图5.54VP交换

VC交换：VC交换需与VP交换同时进行，交换时交换节点终止VC连接和VP连接，信元中VCI和VPI同时被修改为新值。图5.55为VC交换的原理示意图，一个VC连接终止时，相应的VP连接也终止，该VP连接上的VC连接，可加入到不同方向的新的VP连接。

图5.55VC交换（4）ATM层主要功能

●信元复用、分路；

●信元交换；

●

信头产生、提取；

●

一般流量控制。

3)ATM自适应层AALAAL介于ATM层和高层之间，使ATM层能适应不同类型业务需要，支持用户面、控制面和管理面高层功能。

1）业务分类

ITU-T定义了4类AAL业务，如表5.12所示。

2）AAL子层

AAL层分为两个子层：会聚子层CS和装拆子层SAR。

CS子层：消息识别、时钟恢复；

SAR子层：发端将CS子层处理后高层信息单元切割成ATM信元，收端将ATM信元重组成高层信息单元。表5.12AAL业务分类

3）AAL规范要点

AAL协议规范的主要功能：

●

向高层传送固定或可变比特率的业务数据单元；

●

对AAL1和AAL2业务，在源和目的地之间传送定时信息；

●

在源和目的地间传送数据结构信息，在接收端恢复源数据结构；

●

需要时可指出AAL无法恢复的丢失信息或差错。5.4.3ATM交换实现技术1ATM交换机及其分类

ATM交换机按网络中位置及完成功能分为五类：接入交换机、节点交换机、交叉连接设备、专用网节点交换机和ATM局域网交换机，图5.56为ATM交换机类型示意图。

公用网中有接入交换机、节点交换机和交叉连接设备。接入交换机将各种业务终端连入ATM网；节点交换机完成VP/VC变换；交叉连接设备在主干网完成VP交换。

ATM网中有专用网节点交换机和ATM局域网交换机。专用网节点交换机完成P-UNI和P-NNI的信令处理；ATM局域网交换机完成局域网业务的接入。图5.56ATM交换机类型

接入交换机专用网节点交换机UNIUNINNINNIP-UNILANATM局域网交换机路由器NNIBICIBICIATM公用网ATM专用帧中继

POTSN-ISDN

LAN

DXI

FUNIP-UNIP-NNI专用网节点交换机节点交换机节点交换机节点交换机2ATM交换机的功能模块图5.57为ATM交换机的功能模块示意图，可为三大模块：接口模块、交换模块和控制模块。接口模块：为交换机提供对外接口，又分为ATM接口模块和业务接口模块；交换模块：提供信元交换通路；控制模块：完成ATM信令处理，资源管理和流量控制中的连接控制，以及设备管理、网络管理等功能。图5.57ATM交换机的功能模块3ATM交换机的性能参数

ATM交换机的性能参数分为两类：描述控制模块的性能参数和描述交换模块的性能参数。

描述控制模块的性能参数：能同时处理的最大呼叫个数、被接纳的概率、每分钟能处理的呼叫个数、连接建立所需的时间和连接拆除所需的时间；描述交换模块的性能参数：分为描述交换模块语义透明性的性能参数和描述交换模块时间透明性的性能参数。前者包括信元丢失率、信元误插率，后者包括时延抖动。5.4.