现代交换原理

1、1,现代交换原理,研发中心,2,课程目标,介绍现代交换技术的基本概念和原理，各种交换技术所应用的通信网络的组网结构、工作原理及交换所应用的通信协议等。 在信息技术日新月异，通信网技术，尤其是作为通信网的核心技术交换技术飞速发展的今天，能够了解并掌握现代通信网中所采用的各种交换技术，以及相应通信网的体系结构和工作原理及其应用，了解和掌握交换的基本原理，了解交换技术与通信领域的最新发展和最新动态，对掌握现代通信网技术，从事通信与计算机领域的工作会大有益处。,3,一、交换概论,4,电信交换的基本概念 各种交换方式 电信交换系统的基本结构,本章主要内容,5,通信的目的是在信息的源和目的之间传送信息，这

2、个源和目的对应的就是各种通信终端. 比如两个人要想通话，最简单的就是各自拿两个话机，用一条通信线路连接起来就可实现通话，如图1.1a所示；同样，两个人要想传送文件，可各自使用一台计算机，通过串口线经RS232口连接起来，实现信息的传送，如图1.1b所示。,引言:交换的引入,6,1.1a & 1.1b,这种最简单的通信方式叫做点到点的通信方式，也就是只有两个终端和连接两个终端的传输线路的通信方式。,7,终端,传输媒介,终端,电信号,电信号,信息,信息,点对点通信,在电信系统中，只有两个终端的通信称为点对点通信。,1、电信交换的基本概念,8,无交换的多个终端的通信,当有多个终端要实现相互之间的通信

3、，例如五个电话终端，同样采用上述方法，即两两之间通过传输线路分别连接起来，如图所示 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） 可见如果用这种终端之间只通过传输线路两两互连的方法实现多个用户的通信是不现实的，线路浪费很大。,9,引入交换的终端间的通信,如果我们引入交换的概念，如图所示的连接方式，各用户的通信终端不是两两互连，而是连到交换机上，由交换机完成用户终端之间的通信连接，而用户终端只需要一对线对与交换机相连。用户间通过交换设备连接方式使多个终端的通信成为可能。,10,多个交换节点组成的通信网,引入交换的终端间的

4、通信,中继线,11,所谓电信交换，就是在通信网上，负责在通信的源和目的终端之间建立通信信道传送通信信息的机制，也就是根据目的地，在源和目的终端之间传送通信信息。,电信交换的概念,12,多结点交换,多个交换节点组成的通信网见图所示。所以我们说通信网是由交换设备、传输设备和用户终端设备组成的。,13,交换节点可控制的接续类型： 本局接续、出局接续、入局接续、转接接续,交换节点的基本功能,能按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号,能控制连接的建立与拆除,交换节点必须具备的基本功能： 能正确接收和分析从用户线或中继线发来的呼叫信号、地址信号,14,交换节点接续类型图示,15,几个概念,交换,通

5、信网,交换设备,传输设备,终端设备,用户线,中继线,出局呼叫,入局呼叫,本局呼叫,转接呼叫,主叫,被叫,主叫局,被叫局,端局,汇接局,16,2、各种交换方式,电路交换 报文交换 分组交换 帧中继 ATM交换 IP交换 光交换,17,上图将各种交换方式按其传送模式的不同分为电路传送模式（CTM-Circuit Transfer Mode）、分组传送模式（PTM-Packet Transfer Mode）、异步转移模式（ATM-Asynchronous Transfer Mode）。,各种交换方式,PTM,CTM,18,交换节点A,交换节点B,交换节点C,建立,传送,释放,电路交换的基本过程,电路

6、交换 (Circuit Switching),19,以电路连接为目的的交换方式是电路交换方式。 电路交换具有严格的三个阶段：呼叫建立、传送信息、呼叫拆除。 电路交换是固定分配带宽，连接建立后，即使无信息传送也虚占电路，电路利用率低； 要预先建立连接，有一定的连接建立时延，通路建立后可实时传送信息，传输时延一般可以不计； 无差错控制措施，对于数据交换的可靠性没有分组交换高； 电路交换适合于电话交换、文件传送、高速传真，不适合突发(burst)业务和对差错敏感的数据业务。 因此，电路交换具有以下的特点：,电路交换,20,要在通信的用户间建立专用的物理连接通路。（固定分配带宽） 对传送的信息无差错控

7、制措施。 对通信信息不作处理(信令除外)，而是原封不动地传送，用作低速数据传送时不进行速率、码型的变换。 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，但不影响已建立的呼叫。,电路交换的特点,21,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。,报文交换（Message Switching）,基本的报文交换动作是存储报文、分析报文中的收报人地址 和报文转发。 有多个报文送往同一地点时，要排队按顺序发送。 报文传送中有检错和纠错措施,报文交换（Message Switching ）又称为存储转发交换，与电路交换的原理不同，不需要提供通信双方的物理连接

8、，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。,22,报文交换的原理图,23,分组交换的思想是从报文交换而来的，采用存储转发（store and forward）方式的分组交换（PS：Packet Switching）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（PS：Packet Switching）,24,分组的形成,25,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,26,虚电路(VC：Virtual Circuit)方式 数据报(DG

9、：Datagram)方式,分组交换的两种方式,27,所谓虚电路方式，就是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，最后通过呼叫清除分组来拆除虚电路。 它之所以是“虚”的，是因为这条电路不是专用的。 在数据传送之前必须通过虚呼叫设置一条虚电路，但并不像电路交换那样有一条专用通路 。 它不同于电路交换中的物理连接，而是逻辑连接。 交换虚电路(SVC：Switched Virtual Circuit) 用户通过发送呼叫请求分组来建立虚电路的方式。 永久虚电路(PVC：Permanent Virtual Circuit

10、) 应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，而不需在呼叫时临时建立虚电路，可直接进入数据传送阶段的方式。,虚电路,28,数据报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。,数据报,虚电路是一种面向连接的方式（OC: Oriented Connection），即在呼叫前要事先建立虚连接；数据报是一种无连接方式（CL: Connection Less），在呼叫前不需要事先建立连接，而是边传送信息边寻路。,29,面向连接和无连接的目标不一样： 面向连接追求的是高可靠性（可靠性体现） 无连接追求的高效率（有效性体现）,面向连接和无连接比较,TCP（Transmi

11、ssion Control Protocol，传输控制协议）是面向连接的 UDP（User Datagram Protocol，用户数据包协议） 是面向无连接的,30,DG方式的每个分组头中要包含详细的目的地址 VC方式由于预先已建立逻辑连接，分组头中只要含有对应于所建立的VC的逻辑信道标识,虚电路与数据报的比较分组头,31,VC方式预先有建立过程，但一旦虚电路建立，在端到端之间所选定的路由上的各个交换节点都具有映象表，存放出入逻辑信道的对应关系，每个分组到来时只要查找映象表，而不需要进行复杂的选路。 DG方式则不需要有建立过程，但对每个分组都要独立地进行选路。,虚电路与数据报的比较选路,32

12、,VC方式中，属于同一呼叫的各个分组在同一条虚电路上传送，分组会按原有顺序到达终点，不会产生失序现象。 DG方式中，各个分组由于是独立选路，可以从不同的路由转送，会引起失序。,虚电路与数据报的比较分组顺序,33,VC方式对故障较为敏感，当传输链路或交换节点发生故障时可能引起虚电路的中断，需要重新建立。 （有些分组网具有再连接功能，出现故障时可自动建立新的虚电路，并做到不丢失用户数据） DG方式中各个分组可选择不同路由，对故障的防卫能力较强，从而可靠性较高。,虚电路与数据报的比较故障敏感性,34,VC方式适用于较连续的数据流传送，其持续时间应显著地大于呼叫建立的时间，如文件传送、传真业务等。 D

13、G方式则适用于面向事务的询向响应型数据业务。,虚电路与数据报的比较应用,35,人类的不同集团为了自身的利益要进行各种谈判。谈判之前，唇枪舌剑；谈判之中，剑拔弩张；谈判之后，握手言和。因为大家总要共同生存下去，所以最终的结果往往是各退一步，然后达成“协议”。 尽管“所有通信设备(电脑)生来都是平等的”，但是这些通信设备(电脑)却不是生来就能相连的。究其原因，如果不是最初的设计者疏忽的话，更可能的还是生产者被各自狭隘的商业利益给束缚住了。 要是想让硬件和软件都不一样的通信设备(电脑)联网，是不可能。为了让这些“生来平等”的通信设备(电脑)之间能够连网，进行通信，就得在这些系统的标准之上，建立一种共

14、同的大家都必须遵守的标准。这样才能让不同的电脑按照一定的规则进行谈判，并且在谈判之后能够“握手”言和。这个标准就是通信”协议”。,话说协议,36,从概念上看，一个分组数据通信系统由终端用户、分组交换网和通信协议组成。 终端用户可以是计算机或一般IO设备，它们具有一定的数据处理和发送、接收数据的能力，通常称为数据终端设备(DTE：Data Terminal Equipment)。 分组交换网又称为通信子网，由若干个分组交换机(常称为节点机)和连接这些节点的通信链路组成。 通信协议可分为接口协议和网内协议2种。所谓接口协议是指DTE和交换网之间的通信规程，相当电信网中的UNI协议；网内协议是指各节

15、点机之间的通信规程，即NNI协议。,分组交换协议,37,为了实现各种终端用户和不同的分组交换网之间的自由连接，接口规程必须标准化，这就是著名的CCITT X.25协议。 X.25是DTE和数据电路终接设备(DCE：Data Circuit-terminating Equipment)之间的接口协议，这里DCE指的是DTE-DTE远程通信传输线路的终接设备；在物理上，如果传输线路是模拟通道，DCE就是MODEM；如果是数字通道，DCE就是多路复用器或数字信道接口设备。它们提供信号变换、适配和编码功能，和DTE 同属于用户设施。但是在功能结构上，DCE属于网络部分，是分组交换机或集中器的延伸。因此

16、我们通常都说X25是DTE和公用分组交换网的接口协议，这和DTE-DCE接口协议的说法是完全一致的。,分组交换协议,分组交换网内部协议没有统一的国际标准，由各个厂商自行规定。CCITT定义了分组交换网国际互连时网间接口的X.75建议,38,分组交换基于X.25协议，该协议包含了3层，第一层物理层，第二层数据链路层，第三层分组层，对应于OSI模型的下三层。分组交换的低速率主要是由复杂的协议处理导致的，特别是需要在各段链路上进行差错控制和流量控制。 （伏笔）,分组交换协议,39,分组交换协议,X.75,X.25,40,分组交换应用,41,RM,AM,RM,RM,RM,AM,AM,AM,AM,分组交

17、换网的应用之 CHINAPAC网络模型,42,银行提款机,CHINAPAC,银行主机,ATM1,ATM2,POS1,ATMn,POS2,POSn,银行提款机与CHINAPAC的链接,43,CHINAPAC,局域网互连,使用CHINAPAC实现网络互连,44,接入Internet,CHINAPAC,Internet,使用CHINAPAC接入Internet,45,帧中继技术是在分组技术充分发展，数字与光纤传输线路逐渐替代已有的模拟线路，用户终端日益智能化的条件下诞生并发展起来的。帧中继仅完成OSI物理层和链路层核心层的功能，将流量控制、纠错等留给智能终端去完成，大大简化了节点机之间协议；同时，帧

18、中继采用虚电路技术，能充分利用网络资源，因而帧中继具有吞吐量高、时延低、适合突发性业务等特点。帧中继对于基于信元的异步转移模式(ATM)网络，是一个重要的接入可选项。,帧中继（Frame Relay）,帧中继是近年来推出的快速分组交换技术，其特点是极大地简化协议，从而有效地提高数据传送速度。帧中继技术的前提条件是传输网光纤化和用户终端智能化，其典型应用是LAN互连和X.25网络互连。,46,帧中继（Frame Relay）,数据传送阶段协议大为简化 分组交换：X.25协议-OSI的1、2、3层 信息传送单位：分组 帧中继：协议-OSI的1、2（核心功能）层 信息传送单位：帧,（帧中继应用说明）

19、帧中继作为一种附加于分组方式的承载业务引入ISDN，其帧结构与ISDN的LAPD结构一致，可以进行逻辑复用，作为一种新的承载业务，帧中继具有很大的潜力，主要应用在广域网(WAN)中，支持多种数据型业务，如局域网(LAN)互连、计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)、文件传送、图像查询业务、图像监视等。,47,X.25和帧中继处理流程比较,48,CHINAFRN,PSPDN,PSPDN,帧中继的应用,49,面向连接的电路交换和无连接的分组交换的主要区别体现在以下几个方面： 在交换形式上 在通路建立和网络资源分配上 在差错控制上 在业务流量控制上 呼叫损失制、呼叫延迟制,CTM与PTM

20、的比较,50,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（一次通话比较） 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,51,ATM(异步传送模式)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。ATM克服了STM(同步传送模式)不能适应任意速率业务，难以导入未知新业务的缺点；简化了分组通信中的协

21、议，并由硬件对简化的协议进行处理，交换节点不再对信息进行流量控制和差错控制，从而极大地提高了网络的传输处理能力。,ATM交换,52,固定长度的信元 信元(cell)只有53个字节(byte)，其中开头5个字节称为信头(cell header)，其余48个字节为信息域，或称为净荷(pay load)。 采用很短的信元可以减少交换节点内部的缓冲器容量以及排队时延和时延抖动。 信元的长度固定，则有利于简化交换控制和缓冲器管理。,ATM交换-异步传送模式,ATM是一种传输模式，在这一模式中，信息被组织成信元，因包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，这种传输模式是异步的。,53,54,信头简化

22、ATM信元的信头功能有限，主要是虚连接的标识，还有优先级标志、信头的差错检验等。 面向连接 ATM采用面向连接的方式。即用户信息传送前，先要有连接建立过程，在信息传送结束后，要拆除连接。它不是物理连接，而是一种虚连接(VC：Virtual Connection)。,ATM交换,55,异步时分交换 同步时分（时间位置、物理信道） (STD：Synchronous Time Division) 异步时分（标记、物理信道） (ATD：Asynchronous Time Division),ATM交换,56,IP网络技术： 特点：技术简单，可扩展性好，灵活性高 存在问题：传输效率低，无法保证服务质量

23、ATM网络技术： 特点：可满足多业务需求，传输效率高，保证服务质量，有流量控制 存在问题：技术复杂，可扩展性不好,IP交换（ IP技术与ATM技术的融合）,IP交换的目的是在快速交换硬件上获得最有效的IP实现，将非连接的IP和面向连接的ATM 的优点互补。 IP交换是标准的ATM 交换加上连接于ATM 交换机端口上的智能的软件控制器，即IP交换控制器。,57,重叠模式 IP层运行在ATM层之上 2个地址空间（IP地址与ATM地址） 2种选路协议（IP选路协议与ATM选路协议） 需要地址解析功能 CIP、LANE、MPOA是重叠模式,IP 与ATM融合的两种模式（1）,58,CIPClassical IP over ATM,59,集成模式 单一的IP地址空间 单一的IP选路协议 需要控制协议（将3层的选路信息映射到2层直通交换机制） Ipsilon的IP交换、Tag交换、MPLS是集成模式,IP 与ATM融合的两种模式（2）,60,尽管现有的通信系统都采用电路交换，但随着通信网络逐渐向全光平台发展，未来的全光网络却需要由纯光交换机来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。由于光网络容量持续扩展，而电交换机不适应超过G比特速率的要求，开发高速高性能的光交换机就成为必然的趋势。 所谓光交换是