第一章交换技术

宽带通信网与交换技术兰州交通大学电信学院20072第一章交换技术概述

通信网是由用户终端设备、传输设备和交换设备组成。它由交换设备完成接续，使网内任一用户可与其他用户通信（故交换设备是整个网络的核心）。31.1交换的基本概念1.2

电话交换技术的发展概况

1.3交换技术的分类与发展4本章重点：交换技术分类和交换技术的发展。本章难点：步进制和纵横制交换机工作原理。本章课时：学时学习本章达到的目的和要求：1．了解通信网的组成与分类，理解引入交换的原因、通信网的结构和通信网的分类；了解交换节点应实现的基本功能和接续类型。2．了解电信网络和计算机网络使用的交换技术。3．了解交换技术发展概况。掌握步进制、纵横制、程控交换机的特点。51.1交换的基本概念

1.1.1通信网的组成与分类

、交换的引入

通信的目的是实现信息的传递。自从1876年Bell.A.G发明电话以来，一个电信系统至少应由终端和传输媒介组成，如图1.1所示。6点对点通信7点对点通信举例数据话音82.多用户全互连若终端数为n，则线对数为C=n(n-1)/2终端=5、线对数=5X4/2=10终端n=100，线对数=100X(100-1)/2=4950终端n=1000，线对数=1000X(1000-1)/2=499500(近50万对)103.多用户通过交换节点相连多用户通过交换节点相连11二、引入交换的通信网一台交换机组成的通信网122.多台交换机组成的通信网13

综上所述，在多用户通信时，为了降低用户线路的投资，在通信网中就要引入交换机进行交换。交换机在通信网中起着非常重要的作用。由此可见，实现通信必须要有三个要素，即终端、传输和交换。14三、通信网类型

最早的通信网主要是用于话音通信，称为电话网。后来随着计算机通信的发展，由于数据、图像和话音等多媒体通信的需求，通信网的范围不断扩大，目前的通信网已发展成现代信息网络。凡是能够传递信息的网络都是信息网络。下面从各个不同的角度对现代信息网进行分类。15从大的网络业务划分，有电信网、计算机网、广播电视网等；从网络层次划分，有核心网、骨干网、本地网、局域网、内部网、企业网、校园网等；从网络构成方式划分，有星型网、网状网、环形网、树型网和总线网等；从网络分布划分，有长途网、本地网、中继网、接入网等；16从网络功能划分，有传输网、交换网、接入网（用户驻地网）、支撑网（包括同步网、信令网和管理网）、智能网、虚拟专用网VPN(VirtualPrivateNetwork)、广播电视网、卫星通信网、微波通信网等；从网络传输媒介划分，分为有线网（固定网）和无线网（移动网）；17从网络传送的业务划分，有电话网PSTN((PublicSwitchedTelephoneNetwork)、电报网、数据网、窄带综合业务数字网N-ISDN(Narrowband-IntegratedServicesDigitalNetwork)、宽带综合业务数字网B-ISDN(Broadband--IntegratedServicesDigitalNetwork)、全光网络等；从网络交换技术上划分，有电路交换网、分组交换网、异步转移模式ATM(AsynchronousTransferMode)交换网、多协议标记交换MPLS(MultiProtocolLabelSwitching)、软交换网络和光交换网络等；18从网络运营角度划分，有公网和专网之分；从网络的发展上分，有现代网络、下一代网络NGN(NextGenerationNetwork)、全光网络等；计算机网又可划分为：局域网LAN(LocalAreaNetwork)、城域网MAN(MetropolitanAreaNetwork)、广域网WAN(WideAreaNetwork)，LAN有以太网、令牌环、光纤分布式数据接口FDDI(FiberDistributed-DataInterface)几种类型；19数据网又有X.25、数字数据网DDN(DigitalDataNetwork))、帧中继FR(FrameRelay)、异步转移模式ATM(AsynchronousTransferMode)网等；移动网又有全球通GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)、码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)、小灵通PHS(PersonalHandyphoneSystem)、大灵通CDMA450、集群系统等。201.2

电话交换技术的发展概况电话的发明1837年发明了电报，它是以数字信号的形式传递信息的。1856年创建西方联盟，主要注重电报技术。

1860年，菲利普·里斯（PhilipReis）发现可以把电加在电线上来传送声音。他在电线的一端绑了一个用香肠皮包裹着的软木塞（一个原始麦克风），然后把电线缠到编织针上，并在软木塞和编织针之间装上电池。当他把编织针放在小提琴的琴弦上时，每次敲打软木塞，琴弦就会振动。反之，如果拨动小提琴的弦，软木塞也会发出声音。21l876年，亚历山大·格雷厄姆·贝尔（AlexanderGrahamBell）为他的一项发明申请了专利，这个专利被他命名为“电报的改进”。这是一个小盒子，并没有多少功能，它主要通过麦克风传送声音。仅在几小时后，西方电子公司的共同创始人以利沙·戈瑞（ElishaGray）也为他发明的电话机申请专利，他甚至可以进行现场演示。不幸的是，贝尔已经申请到了专利，并被誉为电话发明家。贝尔的发明只有一个接收器，而没有麦克风。后来，在1877年，他又为一个把接收器和麦克风装在一起的设备申请了专利。他的第一个专利需要两个分离的设备。

22二

电话交换机的发明1人工交换机因为两个电话通信需要一对线，当一个用户要和多个用户打电话时，就需要和多个用户拉多条线，显然很不方便，因此就发明了人工交换机。人工交换机主要由用户线、用户塞孔、绳路（塞绳和插塞）和信号灯等设备及话务员组成。用户线、用户塞孔、绳路（塞绳和插塞）起连接线作用，即为话路系统；话务员起控制接续作用，即为控制系统。每个用户的话机通过用户线接到交换机的用户塞孔上，用户要打电话，先与话务员通信，告诉话务员要找谁，然后由话务员用绳路将两个通话的用户线连通。为适应多个用户之间电话交换的要求，1878年出现了第一部人工磁石电话交换机。

232步进制交换机

第一部自动电话交换机于1891年由一个名叫史端乔的殡仪业者发明。因为该镇的电话接线员不给史端乔的业务接线（电话员的堂兄也开了一家殡仪馆），史端乔很生气，发誓一定要摆脱公共接线员的永久控制。他在他的车库里制作了第一台步进制电话交换机。但直到1921年，他的发明才被安装在一家电话机房里。由于这个机器还有很多问题，所以被送往欧洲一家公司进一步改造。该设备改进后，在贝尔公司的电话机房中应用。步进制交换机工作很可靠，以至于至今还有许多地方在使用（但仅仅是一些偏远地区）。许多私有企业为专用交换安装了步进制交换机。洛杉矶的许多豪华旅馆都安装了自己的交换机。241896年，史端乔发明了旋转式拨号盘，它使用户可以直接通过拨号进行呼叫，而不需要接线员人工接线。但是，在长途通信中，人工接线仍在使用，直到1951年，才完全废除人工接线。用户通过电话机的拨号盘控制电话局中的电磁继电器与接线器的动作，可以完成电话的自动接续。从此，电话交换开始由人工时代迈入自动化的时代。史端乔自动交换机经改进后产生了德国西门子式自动交换机，虽然在接线器结构和电路性能等方面有所改进，仅共同的特点仍然是由用户话机所发出的号盘脉冲直接控制交换机的接线器动作，故统称为步进制，属于直接控制方式。

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步进制交换机主要由自动选择器代替话务员进行接续控制。自动选择器由线弧、弧刷和上升旋转机构组成。线弧、弧刷各为三组，分别连接出abc三组出入线。自动选择器有两种结构：旋转型和上升旋转型。

线圈通电，电磁铁产生吸力，带动弧刷转动，每动一步，连接一组出入线。用户的拨号脉冲控制选择器旋转、上升运动，使弧刷与线弧接点接触构成通路。

26步进制交换机接续示意图

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每个步进制交换机都有预选器、选组器和终接器组成。

预选器：采用旋转型选择器，用于选择一个空闲的出路。

选组器：采用上升旋转型选择器，用于扩大交换机的容量。

终接器：采用上升旋转型选择器，用于连接终端。步进制交换机特点：直接由用户拨号脉冲控制接续（直接控制）；各级都有控制，为全分散控制。缺点：接点为滑动式，可靠性差；动作慢、机构复杂、占地大，易损坏。

283纵横制交换机的发明

19l9年瑞典工程师比图兰德(Eetulander)和帕尔默格林(Palm)发明了一种“纵横接线器”的新型选择器并申请专利，这种接线器将过去滑动摩擦方式的接点改成了压触式，从而减少了磨损，提高了寿命。1926年世界上第一个大型的纵横制自动电话交换局首先在瑞典使用，l938年美国引进了1号纵横交换系统，接着法国、日本、美国等国也相继生产纵横制交换机。从此纵横制自动电话交换机开始广泛使用。50年代初，纵横制交换技术已达到比较完善和成熟的阶段。

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纵横制交换机把话路部分和控制部分分离，话路部分由纵横接线器和绳路组成；控制部分由记发器和标志器组成。

纵横接线器：由纵棒和横棒组成，连接用户出入线；

绳路：完成出入线的连接；

记发器：接收存储被叫号码；

标志器：控制纵横接线器，使出入线的交叉点闭合，进行接续。

30纵横制交换机接续示意图

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纵横制交换机特点：间接控制（用户拨号先通过记发器接收存储，记发器再送给标志器，然后由标志器来控制接续）；集中控制（集中由标志器进行控制）；接点为压触式，可靠性比步进制高。缺点：体积大，数量多，工作复杂，维护困难。324电子交换机的发明随着电子技术，尤其是半导体技术的迅速发展，在交换机内引入电子技术，并首先应用于控制设备中，称作电子交换机。由于当时电子元件的落差系数（断路和通路电阻比）达不到通话回路中交叉点的要求，所以通话回路的接续仍使用机械接点。因而出现了“半电子交换机”、“准电子交换机”。只有在微电子技术和数字技术的进一步发展以后，才开始了全电子交换机的迅速发展。1946年第一台存储程序控制的电子计算机的诞生，对交换技术的发展起了巨大的影响。早期的程控交换机是“空分”的，它的话路部分往往采用机械接点，例如1965年美国投产的第一台程控交换机No．1系统就是一台空分交换机。

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半电子交换机——接续部分使用纵横接线器，控制部分使用电子元件；准电子交换机——接续部分使用比纵横集线器体积小、速度快的干簧接线器和剩簧接线器，控制部分使用电子元件；全电子交换机——接续部分和控制部分均使用电子元件。

5程控交换机程控交换机是存储程序控制SPC(StoredProgramControl)的简称。它将用户信息和交换机的控制、维护管理功能预先编成程序，存储到计算机内。当交换机工作时，控制部分自动监视用户的状态变化和所拨号码，并根据要求执行程序，从而完成各种功能。

1946年，第一台存储程序控制电子计算机的诞生，对交换技术发展起到了巨大的影响；1965年，美国贝尔系统生产了世界上第一台商用存储程序控制的电子交换机No.1ESS；1970年，法国开通了世界上第一个程控数字交换系统E10，标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。

355程控交换机（1)发展阶段：第一阶段：六十年代中至七十年代初，采用大型计算机进行集中控制的空分模拟式程控交换机，话路交换网是采用金属接点交换网。代表产品：美国贝尔系统1号No1ESS(ElectronicSwitchingSystem)，日本D10。特点：体积大、软件复杂、耗电大、故障影响面大。第二阶段：七十年代中期，采用小型机或微型机进行分散两级控制（用户级和选组级）的程控交换机,话路交换网是采用电子接点交换网。代表产品：加拿大SL-1，日本NEAX22。特点：体积小、耗电省、组网方便。36第三阶段：八十年代初，采用微机进行全分散式控制的时分数字交换机，话路交换网采用的是存储器式的数字交换网。代表产品：日本

F-150，比利时ITT1240（中国称为S-1240）。特点：模块化设备可靠性高，直接与脉冲编码调制PCM(PulseCodeModulation）设备配合可传输话音、电报、传真、图象信号。第四阶段：八十年代中期，在程控交换机的基础上发展窄带ISDN交换机。数字传输和数字交换构成综合数字网IDN(IntegratedDigitalNetwork),向综合业务数字网ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork)发展。特点：端到端数字连接，综合业务（话音与数据），标准接口。为用户提供2B+D数字接口(一个话音通道、一个数据或传真通道、一个信令通道)。此外还具备X.25分组交换接口(X.25为分组交换格式)，可进行话音和非话业务通信，开展宽带非话业务、传输活动图象和电视电话，可组成综合业务数字通信网(ISDN)。N－ISDN技术在第四章介绍。

37（2)

程控交换技术的发展过程话路交换网：金属接点→电子接点→大规模集成电路传输话音信息：模拟信号→时分数字信号控制方式：集中控制→分散控制控制设备：专用大型机→小型机→微机交换方式：单一电路交换→电路交换与分组交换组合38（3)我国程控交换机的发展概况我国从1982年开始在福州引进了日本富士通的F-150数字程控交换机，而后各省市、地县相继引入“七国八制”的数字程控交换机，极大的促进了我国电信网的数字化改造，铁路专线、军线等也逐步进行了程控数字化的改造。1985年，上海贝尔公司引进比利时的生产线，并组装第一批S-1240程控交换机。但不同国家的不同制式的设备给我国电信局网络管理带来了很多困难。到2000年，全国数字交换机容量达1.7亿万门，电话普及率达8～9%。国产程控交换机1997年价格为600～750元人民币/线，而进口程控交换机为150～250美元，计1200～2000元人民币/线，高出近一倍。国产程控交换机的研制起点高，在博采各家之长后设计，使用高性能的处理机，功能齐全，技术先进，容易安装开通，采用全中文屏幕，操作方便，售后服务令人放心。

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二十世纪九十年代初中期时，国产局用交换机“五朵金花”：

HJD-04—巨龙通信公司，1991年推向市场，年生产能力600万线；

C—C08—深圳华为公司，1994年推向市场，年生产能力200万线；

ZXJ10—深圳中兴公司，1994年推向市场，年生产能力100万线；

SP30—西安大塘公司，1995年推向市场，年生产能力50万线；

EIM-601—北京华科公司，1995年推向市场，年生产能力200万线。由于北京华科公司没有打开市场，二十世纪九十年代后期就成了“巨大中华”(巨龙、大唐、中兴、华为，实际知名度基本是逆顺序)。另外，还有潍坊华光JSN-1，联想LEX-5000，深圳桑达HJD-1000也是二十世纪九十年代中后期发展起来的国产化程控交换机。

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合资公司生产的局用程控交换机有：S-1240—上海贝尔，铁道部北京通号公司，年生产能力500～600万线；北京国际交换系统，年生产能力250～300万线；天津日电公司，年生产能力200～300万线；AT&T—美国与青岛，年生产能力100万线；加拿大北方电讯与广东顺德，年生产能力100万线；F-150—日本富士通与苏州F-150，年生产能力50万线；AXE-10—瑞典爱立信与南京，年生产能力50万线；程控交换机的工作原理在第2章介绍。

411.3交换技术的分类与发展

不同的通信业务具有不同的特点，在通信网络发展的过程中，不同的网络使用不同的交换方式。目前从电信网使用的交换技术和计算机网使用的交换技术归纳的分类如下图所示。4243一.电路交换

电路交换CS（CircuitSwitching）是最早出现的一种交换方式，包括早期的人工电话在内的电话交换都普遍采用电路交换方式。在电路交换方式中，交换中心处理每一个呼叫都要经过连接的建立、保持和拆除三个阶段。

电路交换的要点是面向连接，在通信时需要先建立连接，在通信过程中独占一个信道，优点是实时性高，时延和时延抖动都较小；缺点是信道利用率低，且传输速率单一。电路交换主要适用于话音和视频这类实时性强的业务。

电路交换经历了模拟交换、程控交换、N-ISDN的发展历程。

电路交换基本工作原理在第2章介绍。

44二.分组交换

报文交换（MessageSwitching）又称为存储转发交换，它与电路交换的原理不同，不需要提供通信双方的物理连接，而是将所接收的报文暂时存储。报文中除了用户要传送的信息以外，还有目的地址和源地址。公用电信网的电报自动交换是报文交换的典型应用，有的专用数据网也采用报文交换方式。

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分组交换PS（PacketSwitching）的思想是从报文交换而来的，采用存储转发方式的分组交换与报文交换的不同在于：分组交换将用户要传送的信息分割为若干个分组（packet），每个分组中有一个分组头，含有可供选路的信息和其他控制信息。

分组交换的要点是信息分组，优点是传输灵活，信道利用率高；缺点是协议和设备非常复杂，由此产生的时延和时延抖动很大。分组交换主要用于数据传输。

分组交换经历了X.25、FR和B-ISDN/ATM的发展历程。

分组交换在第3章介绍。46三.ATM交换

二十世纪九十年代后开始研究异步转移模式ATM(AsynchronousTransferMode),要在以电话网为主体演变而来的宽带综合业务数字网和以计算机网为主体演变而来的Internet综合网的基础上建成高速信息网络或称信息高速公路，正规名称为国家信息基础设施NII(NationalInformationInfrastructure)。ATM是国际电信联盟ITU作为B-ISDN的传送交换模式标准。ATM是以信元为基础的快速分组交换，可以传送语音、数据、图片、视像等各种形式的信息。ATM信元可装入SDH的净荷中传输。ATM是NII中的关键部分。作为节点，ATM与SDH系统共同组成NII基干网。ATM工作原理在第4章介绍。

47四.IP交换IP交换也称为第三层交换技术、多层交换技术、高速路由技术等。IP交换机可看作是IP路由器和ATM交换机的组合，其中ATM交换机去除了ATM信令和协议，并受IP路由器控制。计算机网络通信主要用到IP协议。有关IP交换技术在第5章介绍。48五.MPLS（多协议标记交换）

MPLS是一种将ATM交换技术和IP路由技术综合在一起的IP骨干网技术，它将IP的网络层路由和ATM的链路层交换融合在了一起，以十分简洁的方式完成信息的传送。MPLS技术在第6章介绍。49六.

软交换软交换的基本含义是把呼叫控制功能从媒体网关中分离出来，通过服务器或网元上的软件实现基本呼叫控制功能，包含呼叫选路、管理控制、连接控制、信令互通。软交换是一种功能实体，为下一代网络NGN（NextGenerationNetwork）提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是NGN呼叫与控制的核心。

软交换在第7章介绍。

50七.移动交换

移动通信是指通信双方至少有一方是在移动中进行信息交换，也是固定通信的延伸。移动通信是现代信息网中用户增长最快的网络，是现代信息网的重要组成部分。移动通信已完成了模拟到数字的转变，目前正向个人通信发展，移动业务也由单一的语音通信向集数据、图像等为一体的综合业务发展。

随着软交换技术的发展，移动通信也正从基于电路交换的移动交换向基于软交换的移动交换发展。

移动交换技术在第8章介绍。51八.光交换

光交换是指不经过任何光/电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同输出端。在通信网普遍采用光纤进行传输时，进一步发展就是与光传输配合实现光交换。未来的通信网可以直接在光域实现信号的复用、传输、交换、路由选择、监控，网络信号不再承受光/电转换的障碍，实现全光网络。

下一代进一步发展是与光通信配合实现光交换。光交换技术正在研究之中。光交换技术在第9章介绍。52521.3.2分组交换技术发展概况一、计算机网络发展

1961年，美国麻省理工学院的克兰罗克博士发表了分组交换技术的论文；1964年，欧洲的帕尔巴冉提出了语音“分组”传输与交换的思想；1966年，英国国家物理实验室的达卫斯提出“分组(packet)”这一术语；1969年，美国国防部开发计划“ARPANET”；53531971年，美国的汤姆林森开发出了电子邮件；1975年，美国的Telenet分组交换网投入运营，这是第一个公用的分组交换网。此后相继出现加拿大、法国、英国、中国等分组交换网；1976年，ITU-T推出X.25建议，使分组交换网的接口标准化；1983年，ARPANET宣布将过去的通信协议“网络控制协议”向新协议TCP/IP过渡；1991年，欧洲的伯纳斯李开发了万维网(WorldWideWeb)；1993年，美国安德里森等人开发出了浏览器NetscapeNavigator。此后Internet开始以爆炸性普及。

5454

计算机网络发展：第一阶段：20世纪50年代，面向终端的计算机网络，将计算机技术与通信技术结合起来；第二阶段：20世纪60年代，形成分组交换网络；第三阶段：20世纪70年代，形成计算机网络的体系结构，产生著名的TCP/IP协议；第四阶段：20世纪80年代，建立了Internet的基础NSFNET；第五阶段：20世纪90年代，Internet开始商业化。5555二、LAN的发展

1972年发明同轴电缆，这是以太网最初的基础；1979年提出DIX版（指DEC、Intel和施乐Xerox三家公司公布的以太网标准）；1983年，IEEE802.3标准提出传统以太网用网桥来分割主机，用路由器连接网段；1993年，出现LAN交换设备；1994年，国内掀起LAN交换技术的热潮。5656三、X.25分组交换发展

1976年，ITU-T首次通过X.25协议，并于1980年、1984年、1988年、1992年和1996年多次作了修改。X.25建议是在通信网以模拟通信为主的时代背景下提出的，当时可提供数据传输的信道大多数是频分制电话信道，信道带宽为300～3400Hz，这种信道的数据传输速率一般不超过9600bit/s，误码率为10-4～10-5。这样的信道无法满足数据通信的要求。通过X.25建议的控制，实现了信道的多路复用，而且把误码率提高到小于10-11，可以满足当时大多数数据通信的要求，因此X.25建议在20世纪80年代发挥了巨大的作用。

5757四、帧中继发展

1986年，美国AT&T首先在其关于ISDN的技术规范中提出帧中继业务；1988年，ITU-T公布第一个有关帧中继业务框架的标准I.122；1989年，美国ANSI开始帧中继技术标准的研究工作。1990年，帧中继产品生产厂家联合创建帧中继委员会；1991年，帧中继委员会改名为帧中继论坛，并开始标准制定工作，以保证不同厂家产品的相互兼容；1992年，ITU-T和ANSI有关帧中继的标准相继出台，并公布有关帧中继UNI和NNI协议；1993年FR论坛公布了相应的帧中继标准系列；1994-1995年帧中继技术更加成熟。58581.3.3宽带交换技术发展概况一、ATM的发展