现代交换技术课件

现代交换技术第1章绪论

交换在网络演变中角色无线侧有线侧语音通信网数据通信网SGSN:servingGPRSsupportingnodeGGSN:GatewayGPRSsupportingnode呼叫会话控制功能CSCF（CallSessionControlFunction）类似于IETF结构中的SIP服务器，处理用来控制用户多媒体会话的信令消息，建立会话。这是MSC（移动交换中心）呼叫控制功能的一种发展。媒体网关控制功能MGCF(MediaGatewayControlFunction)SGSN:servingGPRSsupportingnodeGGSN:GatewayGPRSsupportingnodeHSS（归属用户服务器）原有的HLR（归属位置寄存器）演变为IMS中的HSS（归属用户服务器）。

主讲陆以勤86-90年华南理工大学无线电工程系本科90-93年华南理工大学无线电与自动控制研究所硕士研究生93-96年华南理工大学无线电与自动控制研究所（电子与信息学院） 博士研究生94-96年香港城市大学联合培养博士研究生96-97年香港城市大学博士后研究2001年副教授2006年教授2011年博士导师中国教育与科研计算机网华南地区网络中心主任中国高等教育学会教育信息化分会理事广东省高等教育学会信息网络专业委员会副理事长覃健诚1995年－1999年，北京邮电大学，计算机系，工学学士。2006年－2007年，北京邮电大学，软件学院，工程硕士。2008年－2011年，北京邮电大学，计算机学院，工学博士教材现代网络交换技术（21世纪高等院校信息与通信工程规划教材）罗国明，陈涓,施扬,张曙光

出版社:人民邮电出版社(2010年10月1日)卓越网7.5折交换与通信网1.1通信网分层模型1.2交换技术的分类1.3交换技术的发展1.41.1交换与通信网1.1.1交换机的引入Switch通信的几种方式：点对点广播组播话音数据无交换的多个终端要实现相互间通信，必须以全互连的方式两两相连。若终端数为n，则线对数为C2n=n(n-1)/2（当终端n=100时，线对数=100X(100-1)/2=4950）无交换的多个终端的通信(终端=5、线对数=10)

图1-2多用户全互连通信

图1-3引入交换节点交换设备1.1.2交换式通信网

由交换机组成的通信网称为交换式通信网。最简单的通信网可以仅由一台交换机组成，每个用户（电话机或终端）通过一条专用的用户环线（简称用户线）与交换机中的相应接口相连接。(图1-4)用户环线交换设备多个交换节点组成的通信网中继线

图1-5由多台交换机组成的通信网SS7与电话网的对应关系C1:大区（局号2位）C2:省级C3:地级C4:县级C5:端局长途网本地网交换节点接续类型本局接续出局接续入局接续转接接续1．通信网的定义2．网络工作方式

图1-6面向连接网络的工作原理Connection-oriented&connectionlesssystemVirtualCircuit虚电路

图1-7无连接网络的工作原理•面向连接和无连接的主要区别如下：（1）面向连接网络对每次通信总要经过建立连接、传送信息、释放连接三个阶段，而无连接网络并不为每次通信过程建立和拆除连接。（2）面向连接网络中的每一个节点必须为每一个呼叫选路，一旦路由确定连接即建立，路由中各节点需要为接下来进行的通信维持连接的状态；无连接网络中的每个节点必须为每个传送的分组独立选路，但节点中不需要维持连接的状态。（3）用户信息较长时，面向连接方式通信效率较高；反之，使用无连接方式要好一些。1.2通信网分层模型•在通信网中，信息传递过程涉及诸多操作，如比特流传送、同步、流量控制、差错控制、拥塞控制、路由选择、会话过程管理和数据加密等。Tasksinvolvedinsendingaletter通信人邮递员物流关注对象格式信件邮包运输车（汽车、火车、飞机）OSILayersApplicationPresentationSessionTransportNetworkDatalinkPhysicalApplicationinterface,ServiceProvision,Filetransfers,Email,DatabaseSyntaxofdata,Syntaxconversion(translate)Structureofdata,datacompressing,encryptionSessioncontrol(establish,manage,terminate)Networkservicedefinitions,ErrorrecoveryQualityofservice,End-to-endintegrityNetworkoperations,Switching&routingNetworkinterfacesLine(channel)integrity,ErrorcheckFlowcontrol,LinksequencingTiming,Connectors,EncodingElectrical&opticalspecs（规格）ApplicationTransportNetworkDatalink&PhysicalInternetLayersComputerScienceElectronicEngineeringLayeredProtocolsandProtocoldataunits(PDUs)

OSItermsAPDU PPDUSPDUTPDUNPDUDPDUPhPDUApplicationPresentationSessionTransportNetworkDatalinkPhysicalUserApplicationAPCommontermsMessage,record,file,envelope

nonenoneSegmentPacket,datagramFrame,cell,slotFrame,envelope,bitUUUUUUUU777777766666655555444433322122FlashInternetProtocolSuite协议族ICMP:Internetcontrolmessageprotocol互联网控制报文协议：用来通知发送者数据报所发生的问题IGMP:Internetgroupmessageprotocol:互联网组报文协议：用来帮助组播路由器标识LAN的组播成员主机Concept

of

LayerFlash

Figure2.18RelationshipoflayersandaddressesinTCP/IP2．接口与服务Entity1Entity2Entity3Entity4Entity5Entity6()()()SAPsN+1NSAPsareOSIaddressesandidentifies.TheOSIModelstatesthat:an(N+1)-entityrequests(N)-servicesviaan(N)-serviceaccesspoint(SAP)whichpermitsthe(N+1)-entitytointeractwithan(N)-entity.实体（Entity），是指任何可发送或接收信息的硬件或软件进程。

SAP:serviceaccesspoint,服务访问点1.3交换技术的分类语音、数据等不同的通信业务具有不同的特点，如有的对实时性要求很高，有的对差错敏感；有的传输速率恒定，有的具有突发性。

无线侧有线侧语音通信网数据通信网SGSN:servingGPRSsupportingnodeGGSN:GatewayGPRSsupportingnode电路交换CircuitSwitching或CircuitExchanging通信的双方在进行数据传送之前先要建立一个实际的物理电路连接，连接的电路被通信的一对用户独占，只有通信结束电路释放后，才能被别人使用。电路交换的基本过程它要经过3步：建立连接（呼叫）,通话,

线路拆除（释放）。

交换节点A交换节点B交换节点C建立传送释放图1-13在通信过程中，交换机为通信双方提供物理电路连接。整个传输过程不失真、不时延。由于需要连接过程，建立连接需要时间，故适合传输大量数据而传输少量数据时效率不高；连接一旦建立，便可以固定的速率传输数据，除了传输延迟外，不再有别的延迟；一旦连接成功，就建立了一条临时专线，即使不通话，也被占用，他人不可使用。电路交换特点优点：数据传输可靠、迅速，适合高质量的大量数据传输；数据不会丢失且保持原来的序列。缺点：由于存在呼叫建立和连接释放过程，电路的接续时间较长信道容量易浪费，不同速率、不同电码之间不能交换。电路交换优缺点2.报文交换方式（MessageSwitching）

一种不要求建立专用物理信道的交换技术。采用存储---转发（Store-and-ForwardSwitching）：当发送方要发送信息时，应把目的地址先加到报文中，然后从发送节点起，一个节点、按地址把报文一个节点地转送到目的节点；在转送过程中，中间节点要先把报文暂时存储起来，然后在线路不忙时将报文转发出去。Disk报文交换的基本过程报文交换特点存储转发交换不像电路交换那样要独占一条固定的信道，线路利用率高,同时可以根据网络中的流量分布动态地选择报文的通过路径，系统效率高，因而得到了广泛的应用。

为了实现存储-转发，每个交换节点要为每一个端口分别设置一个输入缓冲区和一个输出缓冲区。

报文交换优缺点优点：在信息传送（报文交换）的过程（从用户A到用户B）中没有呼叫建立和接续过程来自不同用户的信息可以在同一条线路上以报文为单位进行多路复用，电路利用率较高用户不需要叫通对方就可以发送报文；如果需要，同一报文可以由交换机转发至多个不同的用户，实现多播通信。缺点：实时或交互性差，有转发延时。交换机要有能力存储各用户发送的报文，其中有的报文可能很长，要求交换机具有较高的处理能力和较大的存储容量。3.分组交换（PacketSwitching）分组交换,也称包交换。

在分组交换网中，要先把一个报文分割成规定长度的信息组--分组打包，然后在每个分组上贴上标签--报头，按编号一批一批地将“数据分组”发出去；传送到达目的地后，再重新装配成完整的报文。数据报(DG：Datagram)方式虚电路(VC：VirtualCircuit)方式分组交换的两种方式数据报非面向连接将数据分成一个个数据报。每个数据报都包含足够的序号和地址信息，且每个数据报都是独立的，且独立发送。RAMPacketSwitch----

VCApproach电路交换与虚拟电路的分组交换的区别：1.路径(电路交换)与路由(分组交换)2.专用物理链路(电路交换)与共享物理链路(分组交换)

PacketSwitch----

VCApproach面向连接电路交换与虚拟电路的分组交换的区别：1.路径(电路交换)与路由(分组交换)2.专用物理链路(电路交换)与共享物理链路(分组交换)

分组交换的特点•分组长度较短，且具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理。•分组进入交换机后只在主存储器中停留很短的时间（一般为毫秒级），进行排队处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端,能满足绝大多数数据通信对实时性的要求。•由于分组传输的路由是可变的，当网络中的设备或线路发生故障时，分组可以主动避开故障点，故分组交换可靠性高。•信息以分组为单位在交换机中存储和处理，不要求交换机具有很大的存储容量，降低了网络设备的费用；对线路的动态统计复用也大大降低了用户的通信费用。分组交换的优缺点：优点：

（1）节点暂时存储的是一个个分组，而不是整个数据文件（2）分组暂时保存在节点的内存中，保证了较高的交换速率（3）动态分配信道，极大的提高了通信线路的利用率缺点：

（1）分组在节点转发时因排队而造成一定的延时（2）分组必须携带一些控制信息而产生额外开销，管理控制比较困难

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

电路交换分组交换优点＊时延小，通信质量有保证

＊控制简单＊带宽可变，灵活

＊统计复用，资源利用率高

＊一个用户可以同时进行多个通信

＊（如发E-mail，通话，下载文件可同时进行）缺点＊呼叫建立需要时间

＊每个连接带宽固定（不能适应不同速率的业务）

＊不传信息时也占用资源（不适用于突发业务）

＊网络功能复杂

＊信息传输时延大，QoS难以保证

在对信息的损伤方面电路交换具有较好的时间透明性分组交换具有较好的语义透明性在支持多种业务方面分组交换有更大的灵活性，可实现多速率交换，并允许多种业务共享网络资源。在交换速率方面电路交换可达到高速率的交换；而分组交换的交换速率受到了限制。在设备的复杂性方面分组交换需要一套复杂的队列管理机制，而电路交换则需要复杂路由选择算法。

CTM与PTM的比较•传统的分组交换网络是基于X.25建议的。4.快速分组交换技术(FastPacketSwitching)•20世纪80年代以后，随着光纤通信技术的发展，光纤逐渐成为通信网传输介质的主体。光纤通信具有容量大、传输质量高的特点，数据传输误码率。在这样的环境下，分组交换显然就没有必要像X.25那样再做许多精巧而烦琐的工作了。快速分组交换（FPS，FastPacketSwitching）就是在这样的背景下提出的。快速分组交换可理解为尽量简化协议，甚至只保留核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换技术。•广义的FPS包括帧中继（FR，FrameRelay）与信元中继（CR，CellRelay）两种交换方式。ATM交换采用的是信元中继方式。•与X.25协议相比，帧中继采用一种简化的协议，它只有OSI-RM模型的下两层，没有第三层，甚至在数据链路层也只保留了核心功能，如帧的定界、同步及差错检测等。ATM(1)WhatDoesthe‘Asynchronous’Mean？(2)CellRelay(3)Connection-orientedSystem(4)High-speed,Low-delay,Multiplexing,GoodQoSPerformanceQuestion:whatdoesthe‘asynchronous’mean?AsynchrounousTimeDivisionMutilplexerflashSynchronousTDMAsynchronousTDMAsynchronousTDM(continue)TheFeaturesofATM(1)WhatDoesthe‘Asynchronous’Mean？(2)CellRelay

(3)Connection-orientedSystem(4)High-speed,Low-delay,Multiplexing,GoodQoSPerformanceCellandPacketPacket,Frame&CellPacket:differentprotocolusespacketofvaryingsize morecomplexnetwork:moreextensiveheaderCell：fix-length53bytes(5bytesforheader)Question:why53bytes6msisthemaximumtolerablepacketizationdelayforvoicesignals.6*64kbps/8bits=48PacketNetwork&CellNetworkPacketnetwork:MixednetworktrafficX12CBAXAaudiovideopacketdatapacketLongdelay,unpredictabledelayCellnetwork:regularnetworktraffic12CBAaudiovideopacketdatapacketZYXCBAZYXAdvantagesTheFeaturesofATM(1)WhatDoesthe‘asynchronous’Mean？(2)CellRelay(3)Connection-orientedSystem

(4)High-speed,Low-delay,Multiplexing,GoodQoSPerformance面向连接的技术NumberingofVCsneedonlybeuniqueoneachlinkinsteadofendtoendTheFeaturesofATM(1)WhatDoesthe‘asynchronous’Mean？(2)CellRelay(3)Connection-orientedSystem(4)High-speed,Low-delay,Multiplexing,GoodQoSPerformanceNFC

FromtheDistanceofCommunicationATMFDDIFastEthernetISDNBRIMAN&SMDSFramerelayEthernet,TokenringBandwidth(Mbit/s)DistancesLANMANWANWPANBlueToothUWBWiFiZigBee

SDHQoS

TraditionalApplicationssuchas:

FTP Email Telnet WWW………Thesekindsofservicescannottoleratepacketloss,butarelesssensitivetodelayanddelayvariation.MultimediaApplicationssuchas:

Real-Audio(AudioBroadcast) Real-Video(VideoBroadcast) Internetphone VideoconferencingThesekindsofreal-timeapplicationscancompensateforareasonableamountofpacketloss.Beusuallyverycriticaltowardhigh-variabledelays.

BasicConceptsofQoSAQoSisasetofparametersthatdescribertheQualityofService

,forexample, bandwidth, lossrate, delayand delayvariation.DifferentQoSsmaymeandifferentnetworkresourcesallocation.Theresourcesmayincludes linkbandwidth, bufferusage, CPUusage, priority, etc.QoSServiceCatagoriesSDH/SONET(Physicallayer)、T3ATM

SARAAL:ATMadaptationlayer SAR:segmentationandreassemblyCS:convergencesublayer CSAAL1

SARCSAAL2

SARCSAAL3/4

SARCSAAL5ServicesClassAClassBClassCClassDTypesAAL1,AAL5AAL2,AAL5AAL3/4,AAL5AAL3/4,AAL5BitRateConstantVariableVariableVariableSynchronousNeedNeedn’tNeedn’tNeedn’tConnectionOrientedYesYesYesNotApplications64KbpsVoiceVideoConnection-OrienteddataConectionless-OrienteddataQoSServiceCatagoriesCBR ConstantBitRateVBR-RT VariableBitRate-RealTimeVBR-NRT VariableBitRate-Non-RealTimeABR AvailableBitRateUBR UnspecifiedBitRateGFR GuaranteedFrameRate(later)5.光交换全光通信技术也是一种光纤通信技术，该技术是针对普通光纤系统中存在着较多的电子转换设备而进行改进的技术，该技术确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，而其在各网络节点的交换则采用全光网络交换技术。电交换光电光电光电光电电光光电电光光信号光信号光交换光信号光信号光交换6.软交换和IMS软交换是一种功能实体，为下一代网络(NGN)提供具有实时性要求的业务的呼叫控制和连接控制功能，是下一代网络呼叫与控制的核心。

简单的看，软交换是实现传统程控交换机的“呼叫控制”功能的实体，但传统的“呼叫控制”功能是和业务结合在一起的，不同的业务所需要的呼叫控制功能不同，而软交换则是与业务无关的，这要求软交换提供的呼叫控制功能是各种业务的基本呼叫控制。未来的软交换应该是尽可能简单的。智能控制功能则尽可能地移至外部的业务和/或业务层。LayersofNGNbasedonSS接入层(Accesslayer)：将用户连接至网络，包括各种接入手段。媒体层(Medialayer)：将信息格式转换成为能够在网络上传递的信息格式。

例如：将话音信号分割成ATM信元或IP包。此外，媒体层可以将信息选路至目的地。传输层（Transportlayer）：集中用户业务将它们传递至目的地。控制层(Controllayer)：包含呼叫智能。此层决定用户收到的业务，并能控制低层网络元素对业务流的处理。网络服务层(NetworkServicelayer)：在呼叫建立的基础上提供额外的服务。IP电话网的结构NGN分层结构交换在网络演变中角色无线侧有线侧语音通信网数据通信网SGSN:servingGPRSsupportingnodeGGSN:GatewayGPRSsupportingnode呼叫会话控制功能CSCF（CallSessionControlFunction）类似于IETF结构中的SIP服务器，处理用来控制用户多媒体会话的信令消息，建立会话。这是MSC（移动交换中心）呼叫控制功能的一种发展。媒体网关控制功能MGCF(MediaGatewayControlFunction)SGSN:servingGPRSsupportingnodeGGSN:GatewayGPRSsupportingnodeHSS（归属用户服务器）原有的HLR（归属位置寄存器）演变为IMS中的HSS（归属用户服务器）。

•移动通信正从电路交换、智能交换、软交换向基于IMS的下一代网络发展和演进。•目前通信网络处于不断演化之中，各种网络、各种交换技术同时存在。•随着通信网向数字化、智能化、综合化、宽带化和个人化方向的快速发展，各种交换技术将按下一代网络（NGN）框架在控制、业务等层面进行融合，传统固定网、移动网、宽带Internet甚至有线电视网等网络之间的界限将会逐步消失。1.4交换技术的发展•从1876年美国人贝尔发明电话以来，电话通信经历了一百多年的发展历史。•在前100年，电话通信网基本是以传送和交换模拟信号为主。•上世纪60年代以后，随着数字通信和计算机技术的发展，电话通信进入了数字传输和数字交换时代。•电路交换和电话网奠定了电信网运营和管理的基础，对其他网系和下一代网络的发展具有十分重要的借鉴意义。交换机的硬件结构2.1数字交换原理2.2交换机软件系统2.3呼叫处理程序2.4程序的执行管理2.5交换机相关技术指标2.6电话通信网2.72.1交换机的硬件结构图2-1交换机基本组成话路系统用户级选组级

图2-2数字程控交换机基本组成2.1.1话路系统1．用户级•用户级包括本地用户级和远端用户级。（1）本地用户级。（2）远端用户级。

远端用户级是指装在距离电话局较远的用户分布点上的话路设备，其基本功能与本地用户级相似，也包括用户电路和用户集线器，只是需要把用户级装到远离交换局的用户集中点上。它是将若干个用户线集中后以数字中继方式连接至交换局的。由于用户话音信号在经数字传输之前就已数字化，故传到交换局的话音信号不必再进行D/A转换，即可直接经数字中继接口进入数字交换网络进行交换。远端用户级也可称为远端模块。

图2-3用户模块结构•用户级又称用户模块，其基本结构如图2-3所示。用户线与交换机的接口电路。包括复用与串并变换，负责话务量的集中与分散。

负责把处理机的控制信息从信息流中提取出来（或插入进去）。与数字交换网络的连接。用于暂存从用户电路读取的信息。用于暂存向用户电路发出的命令信息。。

用户集线器负责将N条用户线分配到M条连通到数字交换网络的话路(N>M)，多采用时分接线器（T接线器）进行时分交换。N:M成为集线比。我国采用的集线比一般为4∶1。•归纳起来，数字程控交换机连接普通电话用户的模拟用户电路的功能有下列7项：B（BatteryFeed）——馈电；O（Over-voltageProtection）——过压保护；R（RingingControl）——振铃控制；S（Supervision）——监视；C（Codec&Filters）——编译码和滤波；H（HybridCircuit）——混合电路；T（Test）——测试。图2-4模拟用户电路功能方框图图2-5数字用户电路的基本功能方框图2．选组级

2.2数字交换原理详述(课本有错）3．中继接口2.DigitalHierarchyFigure6.24T1FrameFigure6.25TDMTelephoneSystemFigure6.24E-lbasicframestructureChannel1…….Channel30ControlbyteControlbyteFramenFrame8000Frame1Frame2…….…….E1=8000frame/s*256bit/frame=2,048,000bit/s1frame=32*8bit=256bitChannel14Channel15…….帧同步信号0011011和其它业务信令信号（如果没有电话信令，也可传数据）PDH400Mbit/s100Mbit/s32Mbit/s274Mbit/s45Mbit/s6.3Mbit/s1.5Mbit/s140Mbit/s34Mbit/s8.4Mbit/s2Mbit/sJapanNorthAmericaEurope,China×4×3×5×6×7×4×4×4×464Kbit/s×2464Kbit/s×300次群1次群2次群3次群4次群Table6.2ElineratesDSandTlinerates87*nSTSmultiplexing/demultiplexingByteinterleaving按字节交叉时间扩散术，可以把突发错转化为随机错图2-6模拟中继器功能方框图（1）模拟中继器。（2）数字中继器。

图2-7数字中继器功能方框图4．信号部件•信号部件的主要功能是接收和发送电话信令。•数字程控交换机中具有下列信令设备：（1）信号音发生器：用于产生各种类型的信号音，如拨号音、忙音、回铃音等。（2）双音多频（DTMF）接收器：用于接收用户话机发送的DTMF信号。（3）多频信号发送器和接收器：用于发送和接收局间的多频信号。（4）No.7信令终端：用于完成No.7信令的链路级（第二级）功能。2.1.2控制系统•电话交换设备一旦开通后就要一直不间断地工作，因此对其系统的可靠性要求很高，而其控制设备的故障可能会导致系统中断，从而影响到所有用户的通信，影响面大。•因此，在设计交换机的控制系统时要充分考虑其安全性和可靠性，同时也对其提出了各种要求。•一般来说，对控制系统有以下要求：（1）可靠性。（2）呼叫处理能力。（3）灵活性和适用性。•控制系统的主要设备是处理机。

•处理机的数量和分工有各种配置方式，但归结起来可以分为三种基本的配置方式：集中控制、分散控制和分布式控制。1．处理机控制结构(1)集中控制图2-8集中控制结构(2)分散控制图2-9三级控制结构（3）分布式控制。①在集中控制和分级控制的程控交换机中，当增加待定的新性能时，其软件的改动较大。•并且由于新业务的处理，将产生对控制部分的争夺，影响交换机的处理能力。•而在分布式控制方式中，增加新性能或新业务时可引入新的组件，新组件中带有相应的控制设备，从而对原设备影响不大。②能方便地引入新技术和新元件，且不必重新设计交换机的整体结构，也不用修改原来的硬件。③可靠性高，发生故障时影响面较小，如只影响某一群用户（或中继）或只影响某种性能。2．处理机备用方式•为了确保控制系统安全可靠，数字程控交换机的控制系统通常采用双机冗余配置，配置方式有微同步、负荷分担和主备用方式。（1）微同步方式（同步双工方式）。

图2-10微同步方式结构图（2）负荷分担（话务分担）方式。

图2-11负荷分担方式结构图（3）主备用方式。图2-12主备用方式结构图3．处理机之间通信•数字程控交换机普遍采用多处理机的分散控制方式。•为了完成呼叫处理、维护和管理任务，通常需要多台处理机协同工作。•多处理机间通信既可以通过数字交换网络实现，也可采用计算机网络通信方式（如总线结构、环形结构、以太网结构等）。（1）通过PCM信道进行通信。•利用交换机内部的PCM信道进行通信，有两种不同的实现方法：①利用时隙16进行通信。

时隙16用于传输数字交换局间信令，但在交换机内部是空闲的，可以用作处理机间的通信信道。②通过数字交换网络的PCM信道直接传送。（2）采用计算机网络通信结构。

①多总线结构。②环形结构。③以太网结构。交换机的硬件结构2.1数字交换原理2.2交换机软件系统2.3呼叫处理程序2.4程序的执行管理2.5交换机相关技术指标2.6电话通信网2.7空分和时分1.空分方式：是指交换机对各个通话接续分别提供实线通道的一种接续方式。任何一对用户通话时，都在话路网络的空间位置上，占用一条独立的通路，而与其它用户的通话回路无关。例：人工交换机纵横制交换机Space-divisionSwitchingCrossbarSwitch纵横交换机MultistageSwitch多级交换机15×15＝2258×（5×2）＝802.时分方式：多用户占用同一条通路，但按时间互相错开，多个话路轮流接通，即采用时分复用方式，各路通话只占同一条线路的其中一定时间。Time-divisionSwitchingTDMwithTime-slotInterrchange13243142控制单元12341234总线TDMBus话务量

话务量话务量反映了电话负荷的大小，与呼叫强度和呼叫保持时间有关。呼叫强度是单位时间内发生的呼叫次数，呼叫保持时间也就是占用时间。单位时间内的话务量等于使用相同时间单位的呼叫强度与呼叫保持时间之乘积，其单位为爱尔兰（Erlang）。例：呼叫强度=1800次/小时呼叫保持时间=（1/60）小时/次话务量=1800次/小时X（1/60）小时/次=30Erl

设：n

=时间T内，单个用户终端发出的平均呼叫数

h

=由用户终端发出的呼叫的平均占用时间N=用户数的总和

Y=单位时间内流过所有用户终端的话务量则：Y=N*(n/T)*h

话务量呼叫强度呼叫保持时间实际计算时应注意以下问题：话务量总是针对一段时间而言，如：一天或一小时。呼叫强度和呼叫保持时间都是平均值。要区分流入话务量与完成话务量。流入话务量=完成话务量+损失话务量损失话务量=流入话务量X呼叫损失率（呼损率）话务量2.2数字交换原理2.2.1时隙交换的概念图2-13同一复用线上进行各时隙之间的交换。时间接线器（T接线器）图2-14复用线之间进行同一时隙的交换功能。空间接线器（S接线器）图2-14复用线之间的时隙交换示意图•在具体实现时应具备以下两种基本功能：（1）在一条复用线上进行各时隙之间的交换功能。（2）在复用线之间进行同一时隙的交换功能。•这两种基本功能分别由不同的数字接线器实现，一种是时间接线器（T接线器），另一种是空间接线器（S接线器）。1．时间接线器•时间接线器（TimeSwitch）又称为时间交换单元，简称为T接线器，其功能是完成一条PCM复用线上各时隙之间信息的交换。•时间接线器主要由信息存储器（IM，InformationMemory）和控制存储器（CM，ControlMemory）组成，如图2-15所示。图2-15T接线器的组成和工作原理暂时存储要交换的脉码信息，故又称“缓冲存储器”寄存脉码信息的时隙地址，又称“地址存储器”。•T接线器中IM的存储单元数由PCM输入复用线每帧内的时隙数决定，IM中每个存储单元的位数则取决于每个时隙中所含的码位数。•例如，图2-15中PCM复用线每帧有32个时隙，则IM容量应为32个存储单元，其每一时隙有8位码，则IM每一存储单元至少要存8位码。2．空间接线器•空间接线器（SpaceSwitch）又称为空间交换单元，简称S接线器，其作用是完成不同PCM复用线之间同一时隙的信码交换。(完成不同PCM复用线间的信码交换，但信码所在的时隙位置不变)•图2-16表示2×2的交叉接点矩阵，它有2条输入复用线和2条输出复用线。•控制存储器的作用是对交叉接点矩阵进行控制，控制方式有以下两种。图2-16S接线器的组成和工作原理（1）输入控制方式，如图2-16（a）所示。•它按输入复用线来配置CM，即每一条输入复用线有一个CM，由这个CM来决定该输入PCM线上各时隙的信码，要交换到哪一条输出PCM复用线上去。（2）输出控制方式，如图2-16（b）所示。•它按输出PCM复用线来配置CM，即每一条输出复用线有一个CM，由这个CM来决定哪条输入PCM线上哪个时隙的信码，要交换到这条输出PCM复用线上来。2.2.2复用器与分路器信息以串行格式送入交换网络的入线并从出线送出。入线和出线上一帧的时隙数定义为复用度。在交换网络中，T接线器和S接线器进行存储和交换都是并行的数字信号（如数据线是8位）。为了提高交换速度，信息以并行方式交换，因此在交换网络接口处，要进行串/并和并/串变换。复用器和分路器的作用就是完成这种变换。2.2.2复用器与分路器1．复用器和串并变换•复用器又称并路器，它的作用是提高PCM复用线的复用度。•复用器的组成如图2-17所示。图2-17复用器组成示意图•从图2-17可知，在复用器中先把串行传送的PCM信号变为并行传送，即进行串并变换（S→P），然后再进行并路。•串并变换和复用的工作过程可用图2-18说明。图2-18串并变换和复用的波形示意图串并变换原理移位寄存器移位寄存器HW0HW7CP锁存器锁存器D0D7D0D7……D0D7D7D0……D0D78-1(D0)8-1(D7)HW0HW0HW7HW7(8)(8)(8)CPCP∧TD72．分路器和并串变换•分路器的作用是把数字交换网络输出的信息编码先进行分路，然后再进行并串变换（P→S），使它恢复原来的复用度和码率，所以分路器的组成方框图与图2-17复用器的组成方框图正好相反。•分路器的工作过程可自行分析。2.2.3数字交换网络•数字交换网络的功能是完成任意入线和任意出线之间的时隙交换。•对于不同规模的交换机，数字交换网络具有不同的组网结构。•最简单的只有一个单级T接线器，对于大型网络可以由T接线器组成多级网络，也可以与S接线器结合，构成T-S-T、T-S-S-T、T-S-S-S-T、S-T-S、S-S-T-S-S等结构，以适应大、中、小型数字交换机的网络容量需要。1．T-S-T数字交换网络•T-S-T数字交换网络为三级交换网络，两侧为时间接线器，中间为空间接线器。•这是一种较为典型的网络。（1）TST交换网的组成。（2）T-S-T的工作原理。图2-19TST网络结构示意图BB2TS23BB31TS2AA31ATS7BACMC0CMC1CMC2HW0HW1HW2输入控制！723ACMASMATS31B72TS731232HW0HW1HW2TS2CMBSMBTS31A233172输入控制输出控制TS23HW0TS2

HW2TS31TS31

?

TS2ITS＝7

TS2

TS7

TS3127+32/2=23

023

图2-20TST网络的组成和工作原理Space-divisionSwitchingCrossbarSwitch纵横交换机MultistageSwitch多级交换机15×15＝2258×（5×2）＝802．多级数字交换网络•当要求交换网络的规模更大时，可以采用以下4种典型的多级数字交换网络。（1）T-S-S-T网络。

图2-21T-S-S-T网络方框图（2）T-S-S-S-T网络。

图2-22T-S-S-S-T网络方框图（3）S-S-T-S-S网络。

图2-23S-S-T-S-S网络方框图（4）T-T-T三级数字交换网络。

图2-24T-T-T网络方框图2.3交换机软件系统

•数字程控交换机是由电子计算机控制的实时信息交换系统，它主要由硬件和软件系统两大部分组成。•随着微电子技术的发展，硬件成本不断下降，而软件系统的情况则完全不同。•一个大型数字程控交换机容量可达数十万门，其软件总量通常由数十万乃至百万条语句组成，软件开发工作量达数百人年。•随着新业务的引入，功能的不断完善，软件工作量也在不断增加。•可以预见，数字程控交换系统的成本、质量（如可靠性、话务处理能力、过负荷控制能力等）在很大程度上取决于软件系统。2.3.1交换软件组成•交换软件系统是指完成交换系统各项功能而运行于各处理机中的程序和数据的集合。•交换软件系统十分庞大而复杂，总体上可以分为运行软件系统和支援软件系统两大部分，如图2-25所示。

图2-25程控交换软件系统的组成1．运行软件系统•运行软件又称联机软件，是指交换系统工作时运行在各处理机中，对交换系统的各种业务进行处理的软件的总和。•其中大部分业务具有较强的实时性。•根据功能的不同，运行软件系统又可分为操作系统、数据库和应用软件三个子系统。（1）操作系统，用来对交换系统中的所有软、硬件资源进行管理和调度，为其他的应用软件提供支持，其主要功能是任务调度、存储器管理、时间管理、通信支援、故障处理（包括系统安全和恢复），以及外设处理、文件管理、装入引导等。（2）数据库系统，对软件系统中的大量数据进行集中管理，实现各部分软件对数据的共享访问功能，并提供数据保护等功能。（3）应用软件，通常包括呼叫处理程序和维护管理程序两大部分。

图2-26在线运行软件各部分2．支援软件系统•支援软件又称脱机软件，实际上是一个计算机辅助开发、生产及维护软件的系统，主要用于开发和生成交换局的软件和数据，以及开通时的测试等。•支援软件按其功能可划分为以下4个子系统：（1）设计子系统（2）测试子系统（3）生产子系统（4）维护子系统2.3.2交换软件特点•交换软件的基本特点是：规模大，实时性强，具有多重处理能力，可靠性和维护性要求高。（1）规模大。（2）实时性强。（3）多重性处理。（4）高可靠性。（5）维护要求高。2.4呼叫处理程序•数字程控交换机的主要任务是呼叫处理，为用户提供电话业务。•呼叫处理程序是最能体现交换机特色的软件，在呼叫处理过程中，交换软件的两个基本特点即实时性和并发性都有体现。•呼叫处理程序在整个交换机运行软件中所占比重并不多，但其运行十分频繁，占用处理机的时间最多。2.4.1接续过程与状态转移1．一次呼叫的接续过程•一个正常的电话呼叫过程是：主叫用户摘机听拨号音；拨被叫用户号码；被叫用户听振铃音，主叫用户听回铃音；被叫用户摘机应答，主、被叫用户开始通话；主、被叫用户任一方挂机，另一方听忙音后挂机。•对应于用户的这些操作，交换机应按顺序完成下列接续动作：（1）监视主叫摘机呼叫。（2）送拨号音，准备收号。（3）收号。（4）号码分析。（5）接至被叫用户。（6）向被叫用户振铃。（7）被叫应答通话。（8）话终（主叫先挂机）。（9）话终（被叫先挂机）。CACBCall_HKOFSendDialToneNumberRingingSetupCalled_HKOF通话用MSC图表示的一个呼叫处理过程StopDialToneNumberNumberSendAlertToneSetupAckCalled_HKOFCACBCalled_HKONReleaseCall_HKONReleaseAck通话用MSC图表示的一个呼叫处理过程SendBusyToneCalled_HKONReleaseCall_HKONReleaseAckSendBusyTone被叫先挂主叫先挂2．状态迁移和有限状态机

把一次接续划分为很多相对较长时间内稳定不变的状态，如空闲、收号、振铃、通话等。

交换机由一个稳定状态变化到另一个稳定状态（实际就是交换动作）叫做状态迁移。数字程控交换机的呼叫接续处理过程在逻辑上是一个多进程并发执行的过程。可以为每一个呼叫创建一个进程，通过建立有限状态机（FSM，FiniteStateMachine）模型来实现各种功能2.4.2呼叫处理程序组成•呼叫处理程序用于控制呼叫接续过程，主要包括用户扫描、信令扫描、数字分析、路由选择、通路选择、输出驱动等功能模块。1．用户扫描2．信令扫描3．数字分析4．路由选择5．通路选择6．输出驱动2.4.3呼叫处理程序结构•事件:引起状态迁移的原因•任务：处理状态迁移的工作。•监视处理：识别启动原因的处理，也叫做输入处理。•输入程序：输入处理的程序；•任务分析程序：分析事件以确定执行何种任务的程序；•任务执行程序：控制状态迁移的程序•输出程序:在任务执行中从任务执行中分离出来的与硬件动作有关的程序。图2-28状态迁移与呼叫处理程序的关系•另外，任务执行又分前后两部分，分别称为“始”和“终”。（1）输入处理（2）内部处理（3）输出处理图2-29用户摘、挂机识别原理2.4.4呼叫处理实现原理1．摘挂机识别SCNLM仅仅读取用户回路的当前状态，不用判断用户是否进行摘机动作，必须结合上次扫描时读取的状态来判别摘机识别：就是找到从“0”到“1”的变化点。挂机识别：就是找到从“1”到“0”的变化点。697Hz770Hz852Hz941Hz1209Hz1336Hz1477Hz1633Hz高频低频12457*80369ABCD#双音多频DTMF（DualToneMultiFrequency），贝尔实验室发明。由高频群和低频群组成，高低频群各包含4个频率。一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个数字。DTMF信号有16个编码。2．收号识别

图2-30双音频号码接收原理3．数字分析

根据被叫号码前几位判定接续方向（本局还是出局），得到路由数据

图2-31塔形数字分析表（1）塔形结构第1位查第1级表，第2位查第2级表，第3为查第3级表。

（2）线性结构

收到足够的位数(如前3位)才开始查表

图2-32线性数字分析表4．路由选择路由•当进行通信的两个用户不属于同一交换局时，在交换局之间要为其建立起一条传送信息的通道，这就是路由。•确切地说，路由是网络中任意两个交换局之间建立—个呼叫连接或传递信息的途径。•它可以由一个电路群组成，也可以由多个电路群经交换局串接而成。路由选择•路由选择也称选路，是指一个交换局呼叫另一个交换局时在多个可传递信息的途径中进行选择。•具体地，对于某一交换机而言，在进行路由选择时，要用到如下参数：（1）路由块——能够到达指定局向的所有路由的集合；（2）路由（索引）表——表示直接连接两个交换机的若干个中继群的组合。（3）中继线群——表示直接连接两个交换机之间具有相同特性的中继线的集合；（4）中继线——直接连接两个交换机之间的中继线路。图2-33路由选择查表示意图RTX：路由(索引)NRTX：下一个(迂回)路由(索引)TGN：中继线群号5．通路选择（1）T-S-T网络及其网络映像。

图2-34F150选组级T-S-T网络网络映象：网络各级链路的忙闲表PTS：初级T接线器STS：次级T接线器

图2-35内部时隙忙闲表3232=1024个PTS出线时隙3232=1024个STS入线时隙WTSi31q00P15

T9T8T7T6T5

W=0:忙W=1:闲TS（时隙号）T4T3T2T1T0

＝T9T8T7T6T5T4T3T2T1T0

I=32*p+q

TS511TS0忙闲表结构网络映象（2）T-S-T网络的通路选择。图2-36通路忙闲表运算示意图以TST三级交换网络为例。任何一对入、出线之间都存在32条内部链路，为了实现交换，这32条链路中至少应有一条空闲，即组成该链路的1-2级间链路和2-3级间链路必须同时空闲。控制系统在通路选择时，首先调出对应入线的第一级链路的忙闲状态，再调出对应出线的第二级链路的忙闲状态，通过运算找出可以使用的空闲内部链路。运算过程如下，其中“0”表示链路忙，“1”表示链路闲。

第一级链路的忙闲状态：11010011101001001101101111000010

第二级链路的忙闲状态：01010101000111100000011111001000

与运算结果：01010001000001000000001111000000运算结果表明有8条内部链路空闲，可以从中选择任意一条空闲的使用。6．任务执行和输出处理•在进行分析处理后，分析程序给出结果，并决定下一步要执行的任务。•任务的信息来源于输入处理，任务的执行就是要完成一个交换动作。（1）任务执行。•任务的执行一般分为三个步骤：①动作准备。②输入命令。

③终了处理。（2）输出处理。•执行任务和输出硬件控制命令属于输出处理。•输出处理包括：

—通话话路的驱动、复原（发送路由控制信息）；

—发送分配信号（例如振铃控制、测试控制等信号）；

—转发拨号脉冲，主要是对模拟局发送；

—发线路信号和记发器信号；—发公共信道信号；

—发计费脉冲；

—发处理机间通信信息；

—发送测试码；

—其他。①路由驱动。②发送分配信号。③转发数字。④线路信号的发送可由硬件实现，处理机只发有关控制信号。2.5程序的执行管理•从呼叫处理过程可以看出，一次普通电话呼叫的处理并不复杂，如摘机识别、收号、数字分析、路由选择、通路选择、挂机释放、计费等操作，即使考虑到呼叫过程中的各种异常情况，呼叫处理过程也不十分复杂。•但由于交换系统可能要面对数千乃至数万个呼叫，而这些呼叫的发生又是随机的，情况就变得复杂得多，这就必须对呼叫处理程序进行有效的管理，才能使交换机有条不紊地工作。2.5.1程序的分级与管理•程控交换程序的实时性要求不同，有些实时性强，交换机需立即执行；有些实时性差一些，可以稍加延迟。•因此，在进行程序的执行管理时，必须预先安排好各种程序的执行计划，在特定时刻选择执行最合适的处理任务。•如何按照计划依次执行各种程序以满足不同的实时性要求？一种有效的方法就是将各种程序划分成不同的优先级。（1）程序的分级。①故障级。②周期级。③基本级。图2-37时钟级与基本级的执行（2）任务调度程序。图2-38程序执行的顺序（3）程序执行总况。图2-39程序执行总框图•程序执行管理的基本原则如下：①基本级按级别依次执行。

②基本级程序在执行中可被各种中断插入，在保护现场后转去执行相应的中断处理程序。③中断级在执行中，只允许高级别中断进入。

④基本级被时钟中断插入后的恢复处理应体现基本级中的级别次序。2.5.2时钟级程序的调度•按照预定的计划，有条不紊地执行各种程序，可以满足各种程序不同执行周期的要求。•采用时间表是一种简便而有效的方法。1．时间表的结构•时间表的结构如图2-40所示。•它由四部分组成：时间计数器（HTMR）、有效指示器（HACT）、时间表（HTBL）和转移表（HJUMP）。图2-40时间表结构2．时间表的工作过程•首先，调度程序从时间计数器中取值，每次时钟中断到来时，时间计数器加1。•以时间计数器的值为指针，依次读取时间表的相应单元，将该单元的内容与HACT的内容相“与”，再进行寻“1”操作。•寻到1，则转向该位对应的程序的入口地址，执行该程序，执行完毕返回时间表，再执行其他为“1”的相应程序。•如不为“1”，则不执行。•当所有单元寻1完毕，则转向低一级的程序。•在最后一个单元的最后一位上，将时间计数器清0，以便在下一周期重新开始。•在调用过程中，后面程序的执行时刻取决于前面的程序是否被启动执行，因此，对运行间隔有严格要求的程序应排在比特表的最前边，而无严格要求的可相应排在后边（与是左寻1还是右寻1有关）。•时间间隔应小于所有程序的最小执行间隔要求，而总的行数等于各程序执行周期与最短程序周期之比的最小公倍数。•最后，为使CPU在各时隙期间的负荷均匀，应使每行中所含程序数大致相同。•由于各种程序的执行周期长短差异可能很大，而且对时间精确度的要求不同，故实际应用时可根据情况分设几种时间表。2.5.3基本级程序的调度•基本级中一部分程序具有周期性，可用时间表控制执行。•而基本级中大部分处理任务没有周期性，可采用队列处理。•同一级的处理要求可按到达的先后次序排成队列，采用先到来先处理的原则处理。•基本级中的队列就是各种事件登记表的队列。•事件登记表是在发现处理要求的程序中登记的。•例如用户扫描发现用户呼出，就登记呼出事件登记表，包括应启动的程序地址、要求处理的内容和处理中必需的一些数据等。•按照先进先处理的原则，依次取出每一张表进行处理。2.5.4故障级程序的调度•故障级程序的调度是由故障级中断控制的。•当交换系统出现故障时，中断源触发器发出故障级中断请求，处理机一经识别到故障中断请求，立即中断正在执行的周期级和基本级程序，优先执行故障级处理程序。•故障处理程序包括故障识别、主/备用设备切换以及恢复处理等。•故障处理的过程如下：（1）当交换系统发生故障时，启动中断源触发器产生故障中断。•故障中断中断正在执行的程序，将中断时的原有状态保存到存储器内，启动故障处理程序。（2）故障处理程序启动故障识别和分析程序，对故障进行识别和分析判断。•当判明有故障的设备后，就进行故障隔离，切除故障设备，重新组成可以正常工作的系统，这一过程称为系统再组成。•最简单的系统再组成是进行主/备用转换。（3）随即启动诊断测试程序，对切换下来的设备进行诊断测试，判明故障位置，将诊断结果打印输出。•维护人员根据诊断结果进行修复。2.6交换机相关技术指标2.6.1性能指标•性能指标是评价交换机呼叫处理能力和交换能力的指标，可以反映交换机所具备的技术水平。•性能指标主要包括交换机能够承受的话务量、呼叫处理能力和交换机能够接入的用户线和中继线的最大数量等。1．话务负荷能力2．呼叫处理能力（1）交换系统容量的影响。（2）控制系统结构的影响。（3）处理机性能的影响。（4）软件设计水平的影响。3．设备最大容量•交换机能够提供的用户线和中继线的最大数量，是电路交换机的一个重要指标。•局用交换机中，数字交换网络一般能够同时提供数万条话路，这些话路可以用来连接用户线和中继线。•由于用户线的平均话音业务量较小，一般只有0.2Erl左右，即同时进行呼叫和通话的用户只占全部用户的20%，因此交换机的用户模块都具有话务集中（扩散）的能力，这样就可以使交换机的话路系统连接更多的用户线。•很多局用交换机能够连接的用户线达十万线以上，而中继线也可以达到数万线。2.6.2QoS指标1．呼损指标•呼损率是交换设备未能完成的电话呼叫数量和用户发出的电话呼叫数量的比值，简称呼损。•这个比率越小，交换机为用户提供的服务质量就越高。•在实际考察呼损时，要考虑到在用户满意服务质量的前提下，使交换系统有较高的使用率，这是相互矛盾的两个因素。•因为若让用户满意，呼损就不能太大；而呼损小了，设备的利用率就要降低。•因此要进行权衡，从而将呼损确定在一个合理的范围内。•一般认为，在本地电话网中，总呼损在2%～5%范围内是比较合适的。2．接续时延•接续时延包括用户摘机后听到拨号音的时延和用户拨号完毕听到回铃音的时延。2.6.3可靠性指标•可靠性指标是衡量电路交换机维持良好服务质量的持久能力指标。•数字程控交换系统的可靠性通常用可用度和不可用度来衡量。•为了表示系统的可用度和不可用度，定义了两个时间参数：平均故障间隔时间（MTBF，MeanTimeBetweenFailure）和平均故障修复时间（MTTR，MeanTimeToRepair）。•前者是系统的正常运行时间，后者是系统因故障而停止运行的时间。•因此，可用度A可表示为：

A=MTBF/（MTBF+MTTR） •而不可用度U则表示为：

U=1−A=MTTR/（MTBF+MTTR） •对于有冗余的双处理机系统，其平均故障间隔时间MTBFD可近似表示为：

MTBFD=MTBF2/（2MTTR） •相应地，双机系统的可用度可近似表示为：

AD=MTBF2/（MTBF2+2MTTR2） •一般要求局用交换机的系统中断时间在40年中不超过2小时，相当于可用度A不小于99.9994%。•要提高可靠性，就要提高MTBF或降低MTTR，这样就对硬件系统的可靠性和软件的可维护性提出了很高的要求。2.7电话通信网2.7.1基本概念1．电话网构成要素（1）终端设备。（2）交换设备。（3）传输系统。2．电话网的特点（1）话音业务的特点。①速率恒定且单一。②对丢失不敏感。③对实时性要求较高。④话音具有连续性。（2）电话网的特点。①同步时分复用。②同步时分交换。③面向连接。④对用户数据的透明传输。2.7.2