交换与路由技术基础

第四章交换与路由技术基础

交换与路由技术是网络的重要组成部分，采用不同交换路由技术的节点交换设备可组不同业务的通信网络。本章主要内容：典型网络分类组网技术基础各种节点交换技术节点交换技术与OSI模型的关系网络技术节点交换系统的基本功能。

第四章交换与路由技术基础4.1网络分类及交换基本功能4.1.1典型网络分类及组网基本技术要素1．典型网络分类典型网络指目前正在运营的主要网络，要区分不同的典型网络，关键在于该网络使用的交换技术。第四章交换与路由技术基础

第四章交换与路由技术基础2组网基本技术要素（1）网络结构网状网-效率高、管理复杂、成本高分级网-（我国采用）（2）编号计划-身份识别（3）计费方式

其他：路由选择、流量控制等。第四章交换与路由技术基础4.1.2交换在网络中的作用交换的引入在最初的仅涉及两个终端的单向或交互通信的点对点通信系统中，信息以电信号的形式传输。系统至少由终端和电线(电缆)组成，如图4.1所示。

第四章交换与路由技术基础

第四章交换与路由技术基础

引入交换设备后，交换设备就和连接在其上的用户终端设备以及它们之间的传输线路构成了最简单的通信网，并可由多个交换设备构成实用的大型通信网，如图4.4所示。1、利用汇接交换机互连多个端局交换机，疏导本交换区各交换机之间的互通业务。2、用户交换机，在信令方式上相当于用户电话机。

第四章交换与路由技术基础

第四章交换与路由技术基础交换的基本功能：能正确接收和分析来自UNI（用户侧）或（NNI网络侧接口）的呼叫信令；能正确接收和分析来自UNI或NNI的地址信令；能按照目的地址正确地进行路由选择，并通过NNI转发信号；能控制连接的建立；能按照要求拆除连接。

第四章交换与路由技术基础交换的基本概念：

第四章交换与路由技术基础交换的基本概念：

第四章交换与路由技术基础4.2交换基本原理4.2.1交换节点中传送的信号同步时分复用信号

所谓时分复用，就是采用时间分割的方法，把一条高速数字信道分成若干低速数字信道，构成同时传输多个低速信号的子信道。第四章交换与路由技术基础4.2交换基本原理4.2.1交换节点中传送的信号同步时分复用信号

第四章交换与路由技术基础2统计时分复用信号

把需要传送的信息分成很多小段，称为分组。每个分组前附加标志码，标志要去哪个输出端，即路由标记。各个分组在输入时使用不同时隙，虽然使用不同时隙，但标志码相同的分组属于一次接续。所以，把它们所占的信道容量看作一个子信道，这个子信道可以是任何时隙。这样把一个信道划分成了若干子信道，称为标志化信道。

第四章交换与路由技术基础

第四章交换与路由技术基础4.2.2电路交换与分组交换

1、电路交换电路交换的发展：电路交换（CS：CircuitSwitching）技术是最早出现的一种交换方式，起源于电话交换系统，现已有一百多年的历史，目前主要应用于电话网中，也可用于数据通信。第四章交换与路由技术基础电话通信的特点是交互式实时通信，对时延和时延抖动敏感，而对误码差错不敏感。在通信过程中，交换机不需要对信息进行差错检验和纠正，但要求交换机处理时延小。有时，将传输信道统称为电路。

第四章交换与路由技术基础

电路交换过程第四章交换与路由技术基础电路交换的特点：(1)信息传送的最小单位是时隙；(2)面向连接的工作方式（物理连接）；

(3)同步时分复用（固定分配带宽）如下图

第四章交换与路由技术基础我国电路交换基于PCM30/32路同步时分复用系统，每秒钟传送8000个帧，每帧32个时隙，每个时隙8比特，每路通信信道（TS）为64kbit/s恒定速率，即对每路通信所分配的带宽是固定的。在信息传送阶段不管有无信息传送，都占用这个TS子信道，直到通信结束。

第四章交换与路由技术基础电路交换应用：适合于通信量大，用户确定、连续占用信道的情况，如话音传送、中低速文件传送、传真业务等；固定电话网中的交换机；GSM网中的移动交换中心；窄带综合业务数字网（N-ISDN）；智能网（IN）中的业务交换点（SSP：ServiceSwitchingPoint）；

不适合于具有突发性（以太网数据传输）、断续占用信道、对差错敏感的数据业务。

第四章交换与路由技术基础电路交换的缺点：信道利用率低；接续时间长；有呼损；不同类型用户终端之间不能通信等；数据通信的特点；具有突发性，信息断续占用信道；不要求实时通信；要求误码率低，等等。

第四章交换与路由技术基础2.分组交换

普遍采用基于存储－转发方式的各种交换技术，从报文交换、分组交换到快速分组交换等。

分组交换的本质就是存储转发,它将所接收的分组暂时存储下来，在目的方向路由上排队，当它可以发送信息时，再将信息发送到相应的路由上，完成转发。其存储转发的过程就是分组交换的过程.第四章交换与路由技术基础报文交换：（1）报文交换的基本原理技术的提出：报文交换（MessageSwitching）是根据电报的特点提出来的。电报传送的特点：基本上只要求单向连接；一般允许有一定的延迟；如果传输中有差错，则必须纠正。报文交换：采用统计时分复用和存储—转发方式，交换的逻辑单位是报文。

第四章交换与路由技术基础分组交换综合了电路交换和报文交换的优点，保持了一定的信道利用率和较小时延。

分组：将一份较长的报文信息分成若干个较短的、按一定格式组成的等长度的数据段，再加上包含有目的地地址、分组编号、控制比特等的分组头，形成一个统一格式的交换单位，称为“报文分组”，简称“分组”（Packet）、数据包、信息包。第四章交换与路由技术基础分组交换：就是用分组装拆设备（PAD）将用户数据分成等长数据块（称分组或包），按照统计时分复用（动态分配）的方法，按需分配信道，采用数据报或虚电路方式，进行数据传输。

第四章交换与路由技术基础分组交换的主要优点：具有不同速率、不同格式、不同码型、不同的同步方式和不同的通信控制规程的不同类型数据终端之间可以进行通信；信道利用率高；信息的传输时延小，且变化范围不大，能够较好地满足交互式实时通信的要求；可靠性高。

第四章交换与路由技术基础分组交换的主要缺点：为了保证分组能够正确传输，需加地址和控制信息——分组头，故增大了开销，从而降低了传输效率。分组交换技术复杂，且要求交换机有较高的处理能力。传统的分组交换采用X.25协议，完成OSI模型的低三层，即物理层、数据链路层和网络（分组）层功能。X.25数据链路层采用完全的差错控制（包括帧定位、差错检验和纠正）；交换在第三层实现。

分组交换是数据通信与计算机相结合的产物，分组交换网节点就是一部专用计算机。

第四章交换与路由技术基础分组交换与报文交换比较（报文时延大）

第四章交换与路由技术基础

第四章交换与路由技术基础3.快速电路交换（FCS:FastCircuitSwitching)

在快速电路交换中，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。

第四章交换与路由技术基础

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。

快速电路交换的核心思想是在有信息传送时快速建立通道，如果用户没有数据传输则释放传输通道。

第四章交换与路由技术基础4.快速分组交换（FPS:FastPacketSwitching)其基本思想是尽量简化协议，只具有核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低延时的服务。----当节点为帧中继交换机时，可构成帧中继网（FR：FrameRelay）

第四章交换与路由技术基础5.异步转移模式（ATM:AsynchronousTransferMode)ATM交换技术主要有以下几个特点：信元（ATM的分组单元）长度固定（53字节）。帧长可变，信息插入位置是随机的，无周期性。传输速率可变，根据时隙中的标记来识别信号、进行交换，不需要同步信号进行时隙定位。继承了电路交换中速率固定的独立性；又具有分组交换对任意速率的适应性。

第四章交换与路由技术基础

ATM技术是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式高速化的优点发展而成的。采用异步时分复用方式，

实现了动态分配带宽，可适应任意速率的业务；固定长度的信元和简化的信头，使快速交换和简化协议处理成为可能，从而极大地提高了网络的传输处理能力，使实时业务应用成为可能。第四章交换与路由技术基础比较：第四章交换与路由技术基础6.光交换技术是在20世纪80年代发展起来的一种新的宽带交换技术。光交换是以光的形式直接实现各用户之间的信息交换，信息通过光交换单元时，不需要经过光电、电光转换。实现光交换的主要设备是光交换机，应用光波技术进行交换，光交换网络有空分交换、时分交换和波分交换。优点：可提高通信质量和可靠性；可减少设备和降低网络成本；具有宽带特性，不受电磁干扰；大大提高了交换单元的吞吐量，交换速度和交换容量大。第四章交换与路由技术基础6.光交换技术光交换机第四章交换与路由技术基础6.光交换技术华为光端机OptiXOSN7500II智能光交换系统第四章交换与路由技术基础6.光交换技术光纤连接第四章交换与路由技术基础4.2.3开放系统互连参考模型与节点交换技术1.开放系统互连参考模型（OSI）在OSI中，将通信实体按其完成功能分为7层，分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。如图所示。第四章交换与路由技术基础第四章交换与路由技术基础信息传递过程第四章交换与路由技术基础3.OSI与节点交换技术

简单地说，OSI模型与各种交换技术及由它们形成的各种业务网之间的关系可概括为：电路交换和电话网、数字数据网DDN以及移动通信网相当于OSI模型的第1层，即物理层交换，无需使用协议；使用X.25协议的低速分组交换数据网，相当于OSI模型的低3层，即包括：物理层、数据链路层、网络(分组)层；第四章交换与路由技术基础3.OSI与节点交换技术

帧中继及帧中继网相当于OSI模型的低2层：物理层和数据链路层，并对数据链路层进行了简化；

ATM协议相当于OSI模型的低2层，但比帧中继还简化；以太网协议也使用OSI模型的低2层，但它的数据链路层比较复杂；IP网使用OSI模型的低4层协议。第四章交换与路由技术基础4.具有五层协议的体系结构TCP/IP是四层的体系结构：应用层、运输层、网际层和网络接口层。但最下面的网络接口层并没有具体内容。因此往往采取折中的办法，即综合

OSI和

TCP/IP

的优点，采用一种只有五层协议的体系结构。第四章交换与路由技术基础五层协议的体系结构数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用进程数据先传送到应用层加上应用层首部，成为应用层

PDU主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层PDU再传送到运输层加上运输层首部，成为运输层报文主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层报文再传送到网络层加上网络层首部，成为IP数据报（或分组）主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2IP数据报再传送到数据链路层加上链路层首部和尾部，成为数据链路层帧主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层帧再传送到物理层最下面的物理层把比特流传送到物理媒体主机

1

向主机

2

发送数据应用层(applicationlayer)5432154321物理传输媒体主机

1AP2AP1电信号（或光信号）在物理媒体中传播从发送端物理层传送到接收端物理层主机

2主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2物理层接收到比特流，上交给数据链路层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部取出数据部分，上交给网络层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去首部，取出数据部分上交给运输层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去首部，取出数据部分上交给应用层主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去首部，取出应用程序数据上交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用程序数据应用层首部H510100110100101比特流110101110101注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次应用程序数据H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据H4运输层首部H3网络层首部H2链路层首部T2链路层尾部主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

210100110100101比特流110101110101计算机2的物理层收到比特流后交给数据链路层H2T2H3H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2数据链路层剥去帧首部和帧尾部后把帧的数据部分交给网络层H2T2H3H4H5应用程序数据H4H5应用程序数据H3H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2网络层剥去分组首部后把分组的数据部分交给运输层H5应用程序数据H4H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2运输层剥去报文首部后把报文的数据部分交给应用层应用程序数据H5应用程序数据主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2应用层剥去应用层PDU首部后把应用程序数据交给应用进程主机

1

向主机

2

发送数据5432154321主机

1AP2AP1主机

2我收到了

AP1

发来的应用程序数据！第四章交换与路由技术基础4.2.4无连接与面向连接网络技术分为无连接和面向连接两大类，面向连接方式可分为面向物理连接和面向逻辑连接。另外，按照连接建立和拆除的控制方式又分为半永久连接和交换式连接。第四章交换与路由技术基础4.3交换系统的基本结构与功能描述

交换系统的基本功能可概括为连接（Interconnection）功能、接口（Interface）功能、信令（Signaling）功能、控制（Contorol）功能，如图所示，这也反映了交换节点高度抽象的系统结构。第四章交换与路由技术基础4.3.1连接功能的数学描述1.用连接集合描述交互网络的连接特性2.用连接函数描述交换网络的连接特性每一个交换网络都可用一组连接函数来表示，一个连接函数对应一种连接。连接函数表示相互连接的入线编号和出线编号之间的一一对应关系，即存在连接函数f，在它的作用下，入线x与出线f(x)相连接，0≤x≤M－1,0≤f(x)≤N－1。第四章交换与路由技术基础举例：某一连接函数表示为δ(x2x1x0)＝x1x0x2(4-3)则有：δ(000)＝000，δ(001)＝010，δ(010)＝100，…，δ(111)＝111；即入线0与出线0相连接，入线1与出线2相连接，入线2与出线4相连接，等等。第四章交换与路由技术基础4.3.2连接功能的基本技术拓朴结构交换网络的拓朴结构大致可以分为时分结构和空分结构，既可适用于同步时分复用信号，也可适用于统计时分复用信号。第四章交换与路由技术基础2.控制方式常用的选路策略有：条件选择和逐级选择；自由选择和指定选择。3.阻塞特性阻塞特性的概念：虽然连接在交换网络上的出入线空闲，但由于交换网络的内部阻塞，即交换网络内无法提供空闲通道，造成无法建立呼叫或传送用户信息，这种现象称为阻塞特性。第四章交换与路由技术基础4.故障防卫

交换网络是交换系统的核心部件，一旦发生故障会影响众多的呼叫连接，甚至导致全系统中断。因此，必须具备有效的故障防卫性能。除了提高硬件的可靠性以外，通常配置双套冗余结构，或采用多平面结构。第四章交换与路由技术基础4.3.3接口功能

各种交换系统都接有用户线、中继线。用户线和中继线终接在交换系统的UNI接口和NNI接口，进而接至交换网络。不同类型的交换系统具有不同的接口功能。

第四章交换与路由技术基础4.3.3接口功能

例如，数字程控电话交换要有适配模拟用户线、模拟中继线和数字中继线的接口电路；N-ISDN交换系统要有适配2B＋D的基本速率接口和30B＋D和基群速率接口；移动交换系统要具有通往基站的无线接口；ATM交换系统则要有适配不同码率、不同业务的各种物理媒体接口。第四章交换与路由技术基础4.3.4信令功能信令的基本概念信令是指通信系统中的控制指令，它可以在指定的终端之间建立领事的通信通道，并维护网络本身的正常运行。下图为两个用户通过两个端局进行电话接续的基本信令流程：第四章交换与路由技术基础第四章交换与路由技术基础信令方式

信令的传送要遵守一定的规约和规定，这就是信令协议和信令方式。信令的分类随路信令和共路信令随路信令：信令全部或部分地在话音信道中传送；共路信令：信令传输通道与话路完全分开，将若干条话路的信令集中起来，在一条公共的高速数据链路上传送。2.线路信令、路由信令和管理信令线路信令路由信令管理信令3.用户线信令和局间信令用户线信令局间信令第四章交换与路由技术基础.3.5控制功能

交换系统要自动完成大量的交换接续，并保证良好的服务质量，必须具有有效的合乎逻辑的控制功能。连接功能、接口功能及信令功能都与控制功能密切相关。控制功能主要由软件实现，但有些也可用硬件实现。

第四章交换与路由技术基础.3.5