现代交换技术-01章-交换技术概述

第一章交换技术概述第一章交换技术概述本章内容：交换的基本概念交换技术分类交换技术的发展本章重点：电路交换与分组交换1.1交换的基本概念1.1.1交换的引入主叫用户被叫用户1.1.1交换的引入主叫用户被叫用户1.1交换的基本概念1.1.1交换的引入N对连接线?N1.1交换的基本概念1.1.1交换的引入

如果所有用户都两两相连，互连线数会很大：N×（N-1）÷2例：N=10000连线数=50000000对1.1交换的基本概念1.1.1交换的引入实际上，每个用户话机只有一对连接线。

电话交换机引入了一种交换设备。1.1交换的基本概念1.1.1交换的引入一、什么是交换

电话交换机

交换就是利用交换设备（交换机），将所有用户话机都用一对线接到交换设备上，由交换设备完成任意两个或多个用户话机连通。实现通信必须要有三个要素：终端、传输和交换。二、交换节点的连接方式1、全互联方式

设置多个交换节点，每个交换节点之间用中继线两两相连。

1.1.1交换的引入二、交换节点的连接方式2、汇接方式

多个交换节点之间不能做到个个相连，而是引入汇接交换节点，实现各交换节点之间的间接相连。

汇接交换机1.1.1交换的引入1.1.2交换节点的基本功能1、交换接续功能

（1）本局接续：本交换机内部用户线之间接续（2）出局接续：用户线与出中继线之间的接续（3）入局接续：入中继线与用户线之间的接续（4）转接接续：入中继线与出中继线之间的接续

2、交换机基本功能

（1）接收和分析从用户线或中继线来的呼叫信号（2）接收和分析从用户线或中继线来的地址信号（3）按目的地址进行选路和中继线上转发信号（4）能控制连接的建立（5）能按照所收到的释放信号拆除连接1.1.2交换节点的基本功能1.2交换技术分类按传输信号形式分：模拟交换与数字交换按接续控制方式分：布控交换与程控交换按信道占用方式分：电路交换与分组交换按带宽分配方式分：窄带交换与宽带交换

1.2.1模拟交换与数字交换一、模拟信号与数字信号►连续消息：消息的状态随时间是连续变化的,如强弱连续变化的语音等。（模拟消息）►离散消息：消息的状态是可数的或离散的,如符号、文字和数据等。（数字消息）一、模拟信号与数字信号►模拟信号：对应于模拟消息的电信号形式。是指代表消息的信号及其参数（幅度、频率或相位）随着时间连续变化的信号。

tu也包含“模仿”的意思。1.2.1模拟交换与数字交换一、模拟信号与数字信号►数字信号：对应于数字消息的电信号形式。是指信号幅度不随时间作连续的变化，只能取有限个离散值的信号。tu01010011例如：“0”“1”表示进制数字信号五位“0”“1”用于电报通信七位“0”“1”用于计算机通信1.2.1模拟交换与数字交换二、模拟通信与数字通信►模拟通信：以模拟信号来传送消息的通信方式。基带信号

已调信号基带信号

已调信号模拟信道

主要缺点：抗干扰能力弱、保密性差、设备不易大规模集成

噪音源受信者解调器调制器传输媒质（发信机）（收信机）模拟通信系统模型图信息源1.2.1模拟交换与数字交换二、模拟通信与数字通信►数字通信：以数字信号来传送消息的通信方式。数字通信系统模型噪音源调制器受信者解调器传输媒质信源编码器信源译码器信道译码器信道编码器信息源模拟信号

数字信号数字信道

已调信号主要优点：抗干扰性强、保密性好、设备易于集成化、便于计算机处理1.2.1模拟交换与数字交换三、模拟交换与数字交换►模拟交换：以模拟信号为对象的交换方式。传输和交换的信号是模拟信号的交换机称为模拟交换机。（模拟交叉接点）

►数字交换：以数字信号为对象的交换方式。传输和交换的信号是数字信号的交换机称为数字交换机。（数字交换网络）1.2.1模拟交换与数字交换1.2.2布控交换与程控交换►布控交换：是利用布线逻辑电路进行控制的一种交换方式。步进制、机动制和纵横制等机电制交换机都是布控交换机。►程控交换：是利用计算机软件进行控制（即存储程序控制）的一种交换方式。程控交换包括模拟程控交换和数字程控交换。

1.2.3电路交换与分组交换传统的电路交换多速率电路交换快速电路交换电路交换分组交换传统的分组交换帧交换快速分组交换

（一）电路交换1、传统的电路交换是指固定分配带宽（传送通路），连接建立后，即使无信息传送也占用电路的一种交换方式。

主要特点：►采用固定分配带宽，电路利用率低。►要预先建立连接，有一定的连接建立时延。

►无差错控制措施。►用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加。不适于突发业务和对差错敏感的数据业务。基本工作过程分为三阶段：

呼叫建立、信息传送、连接释放。

交换节点A交换节点B交换节点C建立传送释放（一）电路交换2、多速率电路交换其基本思路是：在传统电路交换基础上，对不同的业务提供不同的带宽（基本速率的整数倍）。主要特点（缺点）：►基本速率较难确定。►速率类型不能太多。►固定带宽分配，不适应突发业务的要求。►控制较复杂等。（一）电路交换3、快速电路交换其基本思路是：只在信息要传送时才分配带宽和有关资源，并快速建立通道，用户没有信息传输时则释放传输通道。

主要特点：►在呼叫建立时，寻找一条适合的通道。►将带宽、路由编号填入相关交换机中，不建立实际连接和分配资源，只是“虚电路”。►当用户发送信息时，通过呼叫标识激活虚电路，迅速建立物理连接。►会引起信息丢失或排队时延。

（一）电路交换（二）分组交换

采用报文交换的“存储-转发”方式，把用户所要传送的信息（报文）分割为若干个较短的、被规格化了的“分组”进行交换与传输。主要特点：►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）。►分组交换节点对各个分组分别处理。►根据选路信息选择去向，转发分组。

1、相关概念

（1）通信线路的资源共享多路复用方法：►预分配资源法（预分配复用或固定分配）►动态分配资源法（统计时分复用）

组合多个低速数据终端共同使用一条高速的线路（即多路复用），以便经济有效地使用通信线路。（二）分组交换1、相关概念

（1）通信线路的资源共享（2）交织传输在预分配复用方式下，每个用户数据都在特定的子信道中流动，接收端很容易把它们区分开来。在统计时分复用方式下，在发端，先将各个用户数据打上与终端或子信道有关的“标记”，然后交织在一起发送到线路上。在收端，可利用“标记”，很容易识别不同终端的用户数据。主要有：比特交织、字节交织、分组交织。（二）分组交换1、相关概念

（1）通信线路的资源共享（2）交织传输（3）分组的形成►将数据按一定长度进行分割（分组）►每一个组都加上一个分组头（包含逻辑信道号和其他控制信息）（二）分组交换1、相关概念

（1）通信线路的资源共享（2）交织传输（3）分组的形成（4）分组的交换根据各组数据的分组头信息，各自独立传送，按要求正确到达相应的目的地。（二）分组交换交换节点

A交换节点

B交换节点

C传输时延存储时延处理与排队时延图1.10分组交换的时延分组1分组2分组3分组5分组4分组1分组2分组3分组5分组4交换节点

A交换节点

B交换节点

C图1.11报文交换的时延报文报文传输时延存储时延处理与排队时延（二）分组交换2、虚电路和数据报

（1）虚电路方式：在用户数据传送前，先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送；最后通过的呼叫分组来拆除虚电路。呼叫建立时，有关交换节点在相应路由上寻找一条适合的通道；此时并不建立连接和分配资源，而是将通信所需的带宽、所选的路由编号填入相关交换机中，从而“记忆”所分配的带宽和去向，实际上只是建立了“虚电路”。（二）分组交换2、虚电路和数据报

（1）虚电路方式：在用户数据传送前，先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送；最后通过的呼叫分组来拆除虚电路。特点：►虚电路是一种逻辑连接。►虚电路不独占线路，在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路。►是一种面向连接的方式。有两种虚电路：交换虚电路（SVC）永久虚电路（PVC）（二）分组交换2、虚电路和数据报（1）虚电路方式：在用户数据传送前，先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送；最后通过的呼叫分组来拆除虚电路。（2）数据报方式：不需要预先建立逻辑连接，而是按照每个分组头中的目的地址对各个分组独立进行选路的分组交换方式。是一种无连接的方式。（二）分组交换虚电路（VC）数据报（DG）分组头只含有VC逻辑信道标识包含详细目的地址选路预先建立，后续分组只查找映射表要独立进行选路分组顺序分组按顺序到达可能引起失序故障敏感性敏感防卫能力较强适用场合连续数据流传送突发数据传送虚电路与数据报的比较（二）分组交换3、路由选择是指从源点至终点之间信息传送路径的选择方法。通常有三种：扩散式路由法查表路由法虚电路路由表法

（二）分组交换（1）扩散式路由法►分组从原始节点发往它的每个相邻节点；►接收该分组的节点检查它是否已经收到；►该节点把分组再发往其所有相邻的节点；►最先到达终点的分组拷贝保留，后续到达的该分组拷贝被抛弃。AB（二）分组交换（1）扩散式路由法►分组从原始节点发往它的每个相邻节点；►接收该分组的节点检查它是否已经收到；►该节点把分组再发往其所有相邻的节点；►最先到达终点的分组拷贝保留，后续到达的该分组拷贝被抛弃。特点：►路由选择与网络的拓扑结构无关，可靠性高。►无效传输量很大，网络额外开销大，时延大。

（二）分组交换（2）查表路由法►每个节点中使用路由表，选择从该节点到网络中所需终点的路径；►路由选择按照第1、2、3……的顺序进行；►分组到达节点之后按照路由表规定的路径前进；►路由表是根据网络拓扑结构、链路容量、业务量等因素和某些准则来建立。AB④①②③（二）分组交换（2）查表路由法►每个节点中使用路由表，选择从该节点到网络中所需终点的路径；►路由选择按照第1、2、3……的顺序进行；►分组到达节点之后按照路由表规定的路径前进；►路由表是根据网络拓扑结构、链路容量、业务量等因素和某些准则来建立。特点：►查表路由法与网络结构参数有关。►最短距离法是分组经过的中继线数越少越好。►最小时延法根据网络中某些因素的变化而自动修改路由表。（二）分组交换（3）虚电路路由表法►在节点接收到呼叫请求分组之后建立虚电路；►一个端到端的虚电路路由表分散在各节点中；►指明了虚电路途径的各节点的端口号和逻辑信道号之间的链接关系；►虚电路路由表的内容随着呼叫的建立而产生、呼叫的清除而消失；►当因线路或设备故障而导致虚电路中断时，将进行虚电路的重连接。（二）分组交换如何进行虚电路的重连接？►一旦节点检测到故障，将向源节点和终节点发送清除指示分组（包含原因和诊断码）；►源节点收到后，就会发送新的呼叫请求分组；►选择新的替换路由与终点节点建立新的连接；►所有未被证实的分组将沿新的虚电路重新发送。（二）分组交换（三）帧交换►帧交换是以一种帧方式来承载业务，在数据链路层以上简化的方式来传送和交换数据单元。►第三层传送的数据单元称为分组，第二层传送的数据单元称为帧（frame）。帧方式是将用户信息流以帧为单位在网络内传送。特点：►帧交换是在第二层（链路层）进行复用和传送，而不是在分组层；►帧交换将用户面与控制面分离，而通常的分组交换则未分离。（四）快速分组交换►进一步简化了协议，非但不涉及第三层，第二层也只保留了链路层的核心功能，如帧的定界、同步、透明性以及帧传输差错检测等。►广义上，快速分组交换（FPS）包括帧中继（FR）与信元中继（CR）两种交换方式。信元中继为ATM所采用，有时FPS是专指ATM交换。1.2.4窄带交换与宽带交换►窄带交换：业务速率限定为64kbit/s或n×64kbit/s的交换方式，如程控交换等。►宽带交换：ATM、IP交换、IP/ATM集成交换、标记交换、帧中继交换及光交换等新的交换方式。1.3交换技术的发展1.3.1电话交换技术的发展1.3.2分组交换技术的发展1.3.3ATM交换技术的发展1.3.4IP交换技术的发展1.3.1电话交换技术的发展1．机电式电话交换人工磁石：自从1876年BellA.G.发明电话以后，为适应多个用户之间电话交换的要求，在1878年就出现了第一部人工磁石电话交换机。步进制：1892年开通的第一部自动交换机是由StrowgerA.B.于1889年发明的步进制史端乔式自动交换机。纵横制：最先在瑞典和美国获得较广泛的应用，有代表性的是瑞典开发的ARF，ARM及ABK等系列和美国先后于1938年、1943年和1948年开通的l号、4号和5号纵横制交换机。1.3.1电话交换技术的发展2．模拟程控交换标志：1965年，美国开通世界上第一个程控交换系统。从此，各国纷纷致力于程控交换系统的研制。世界上较具代表性的模拟程控交换系统有美国的1ESS，2ESS，3ESS和1EAX，日本D10，D20和D30，法国E11，德国EWS系列等。优越性：相对于机电式自动交换而言。（1）灵活性大，适应性强（2）能提供多种新服务性能（3）便于实现共路信令（4）操作维护管理功能的自动化（5）适应现代电信网的发展1.3.1电话交换技术的发展3．数字程控交换标志：20世纪70年代开始出现数字程控交换，到20世纪80年代初期，数字程控交换在技术上已日趋成熟，众多型号的数字程控交换系统纷纷推出。国外：1970年E10A和1976年4ESS是最早推出的市话和长话数字交换机；1980年推出DMS-100是最早的全数字市话交换机；1982年开通的S1240和5ESS是最早的分布式控制系统。国内：我国起步较晚，但起点较高，在20世纪80年代中后期到90年代初相继推出了HJD04、C&C08、ZXJ10及SP30等大型数字程控交换系统。1.3.1电话交换技术的发展4．POTS交换节点的发展趋势用于公用电话交换网（PSTN）的电话交换系统提供的是普通电话业务（POTS）。为了进一步适应电信网综合化、智能化、个人化的发展，自20世纪80年代中期以来，数字程控交换节点的功能在POTS的基础上不断增强。（1）增强为窄带综合业务数字网中的交换节点。（2）增强为智能网中的业务交换点。（3）增强为移动网中的移动交换局。1.3.2分组交换技术的发展1．早期的研究和试验1964年8月，BaranP．在以分布式通信为题的一组兰德（Band）公司的研究报告中，首先提出了分组交换的有关概念。1965年英国（NPL）的DaviesD．构想了存储转发分组交换系统的原理，并于1966年6月的建议中提出了“分组（Packet）”这一术语，1967年10月公开发表了NPL关于分组交换的建议。1967年6月美国发布了ARPAnet的计划，用专线将多个节点的小型计算机互连，每个计算机可用作分组交换和接口设备。1.3.2分组交换技术的发展2．分组交换公用数据网ARPAnet和一些专用分组交换网的试验，促进了分组交换进入公用数据网，形成分组交换公用数据网（PSPDN）。1976年3月制订了原CCITT的X.25协议，又陆续制订了其他有关协议，如X.28、X.29及X.75等。1975年8月第一个公用分组网（美国Telenet）运行。开始时只有7个互连的节点，到1978年4月增加到187个节点，使用了79部分组交换机，为美国156个城市服务，并与14个国家互连。X.25建议产生后，Telenet即采用X.25协议。1.3.2分组交换技术的发展3．分组交换系统的分代第一代分组交换系统实质上是用计算机来完成分组交换功能。它将存储器中某个输入队列中的分组转移到某个输出队列中，典型的代表如ARPAnet中所用的分组交换系统。第二代分组交换系统采用共享媒体将前端处理机互连，计算机主要用于虚电路的建立，不再成为系统中的瓶颈。第三代分组交换系统采用空分交叉矩阵来取代共享媒体这一瓶颈。实际上，第三代分组交换已进入快速分组交换的范畴。1.3.3ATM交换技术的发展1．早期的研究1983年出现的快速分组交换（FPS）和异步时分（ATD）交换的结合，导致了ATM交换方式产生。1985年以来，CCITT也开始了这种新交换方式的研究。在1987年的第18研究组会议上，决定采用信元来表示分组。1988年CCITT第18研究组的会议上决定采用固定长度的信元，定名为ATM。1990年制订了关于ATM的一系列协议，并在以后的研究中不断地深入和完善。1.3.3ATM交换技术的发展2．公用ATM交换网公用ATM宽带试验网：1994年8月投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内采用ATM和SONET的公用ATM宽带网，被看作未来国家基础信息设施的雏型。公用ATM交换系统：公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为40～160Gbit/s，应能支持各种接口、业务和连接类型。代表产品有富士通的FETEX-150、爱立信的AXD301和ESP等。我国的中兴、华为、上海贝尔等公司均推出了ATM交换系统。1.3.3ATM交换技术的发展3．研究的重点（1）ATM交换结构：是研究重点之一，包括拓扑结构、缓冲方式、控制机理、性能分析等。（2）ATM网的业务流控制：如何能有效而公平地分配带宽等资源，保证各种特性不同的业务和各种呼叫连接的服务质量，是业务流控制要解决的重要而复杂的问题。（3）话音通过ATM：ATM网的最终目标是实现包括话音在内的各种业务的综合交换。（4）与智能网的结合：智能网的能力集3的目标是将智能网（IN）与B-ISDN结合。1.3.3ATM交换技术的发展4．光交换光交换和ATM交换一样，是宽带交换重要组成。光波技术已经在信息传输中得到广泛的应用，其传输过程一般是先把光信号变成电信号才能送入到电交换机，从电交换机送出的电信号又要先变成光信号才能送上传输线路。因此，如果是用光交换机，这些光电变换过程都可以省去了，减少了光电变换的损伤，并可以提高信号交换的速度。光交换机也应由传输和控制两部分组成；把光波技术引入交换系统的主要课题，是如何实现传输和控制的光化。光交换的传输路径采用空分交换方式、时分交换方式和波分交换方式。1.3.4IP交换技术的发展1．发展背景Internet在全球范围内快速增长，从1989年开始，大约每隔56周，Internet上的主机数就翻一番，呈指数级增长。2000年以后，每隔23周Internet上的Web服务器数就翻一番。经过30多年的发展，根据中商情报网的“2021年全球互联网用户规模大数据分析”，2016-2021年全球互联网用户数量仍呈波动上升趋势，2021年40.47亿；截止2021年12月，中国网络用户达10.32亿，较2020年12月增加4296万，互联网普及率73.0%。1.3.4IP交换技术的发展2．IP与ATM的融合IP在技术上需要ATM，而ATM在商业应用方面又需要IP，能否将IP和ATM的优势相结合（融合），构筑新一代宽带网络正是人们所关心的问题。重叠模型就是将IP当成一个网络与ATM网络互连，