數(shù)字交換技術應用綜述

1、數(shù)字交換技術應用綜述1第1章 概論交換技術是通信網(wǎng)技術的重要組成部分，交換技術的發(fā)展與通信網(wǎng)的發(fā)展是分不開的。通信網(wǎng)主要包括交換節(jié)點、傳輸線路與終端設備。即交換技術與終端業(yè)務、傳輸技術必須相適應。21.交換的概念與交換基本過程1.1 交換的概念通信的目的是實現(xiàn)信息的傳遞。當存在多個終端，且希望它們中的任何兩個都可以進行點對點通信時，最直接的方法是把所有終端兩兩相連，如圖1所示。這樣的一種連接方式稱為全互連式。3全互連式存在下列一些缺點：(1)當存在N個終端時需用線對數(shù)為N(N1)2，即線對數(shù)量隨終端數(shù)的平方增加。(2)當這些終端分別位于相距很遠的兩地時，兩地間需要大量的長途線路。(3)每個終端

2、都有N-1對線與其他終端相接，因而每個終端需要N-1個線路接口。(4)增加第N+1個終端時，必須增設N對線路。45圖1全互連方式示意圖圖2交換方式示意圖這些問題將隨著用戶數(shù)量增加而增加，這是多終端通信的N2問題。為解決這個問題，可以設想，在用戶分布密集曲中心安裝一個設備。把每個用戶的終端設備都用各自專用的線路連接在這個設備上，這就是交換設備，如圖2所示。6交換設備可以在需要時，將這兩個用戶的通信線路連通。當兩個用戶通信完畢，將兩個用戶間的連線就斷開。有了交換設備，對N個用戶只需要N對線就可以滿足要求。使線路的投資費用大大降低，盡管增加了交換設備的費用，但它的利用率很高，相比之下、總的投資費用將

3、下降。7根據(jù)電子和電氣工程師協(xié)會(IEEE)的定義：交換機應能在任意選定的兩條用戶線之間建立和(而后)釋放條通信鏈路。換句話說，任一終端均可請求交換機在本用戶線和所需用戶線之間建立一條通信鏈路，并能隨時令交換機釋放該鏈路。8交換的基本過程1837年發(fā)明了電報，它是以數(shù)字信號的形式傳遞信息。1876年貝爾發(fā)明了電話，它是將語音變成模擬的電信號進行傳輸，從而實現(xiàn)了雙方在兩地之間的對話。隨著電話用戶的增加，就發(fā)明了交換機。1878年出現(xiàn)了磁石式人工電話交換機。9人工電話交換機的交換過程體現(xiàn)了交換的基本過程。如圖3所示。每個用戶的話機通過用戶線接到交換機的用戶塞孔上，每個用戶塞孔上都裝置一個信號燈。在

4、交換機上還配備了一定數(shù)量的塞繩和插塞，用來連接用戶塞孔，這種塞繩和插塞稱為繩路，在繩路上連有通話機鍵、話終信號機鍵和送鈴流的機鍵。在人工電話交換機中，通話的接續(xù)由話務員完成。話務員通過耳、目、口來接受用戶的呼叫信息，經(jīng)過大腦的思維活動進行分析判斷，再通過人的神經(jīng)系統(tǒng)控制“手”去進行接續(xù)操作。1011圖3 人工交換機可以看出，為了完成交換功能，交換機必須具有用戶間通話的話路系統(tǒng)，這就是用戶線、繩路、塞孔、信號燈等設備。除此之外，還必須有相當于控制系統(tǒng)進行接續(xù)的話務員。交換機的發(fā)展過程最早的自動電話交換機是在1892年由美國人史端喬創(chuàng)造的步進制自動電話交換機。德國西門子發(fā)明了由用戶話機的撥號脈沖直

5、接控制交換機的接線器動作直接控制方式自動交換機。以后又出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)制和升降制的交換機。它們是以“記發(fā)器”為標志的間接控制方式的交換機。1919瑞典工程師比圖蘭得(Betulander)和帕爾默格林(Palmgren)發(fā)明了縱橫制自動電話交換機，這種接線器將過去的滑動摩擦方式的接點改成了壓接觸，從而減少了磨損，提高了壽命。121946年第一臺存儲程序控制的電子計算機的誕生，對現(xiàn)代科學技術起到了劃時代的作用，震撼著各個領域。這一新技術也使得人們有可能在電子交換技術中引入“存儲程序控制”這一概念。20世紀60年代初期以來，脈沖編碼調(diào)制(PCM)技術成功地應用在傳輸系統(tǒng)中，各國都開始了研制PCM信息的交

6、換系統(tǒng)。1970年法國首先在拉尼翁開通了第一臺數(shù)字交換系統(tǒng)E10，開始了數(shù)字程控交換的新時期。20世紀80年代后期，逐步出現(xiàn)了新的電信業(yè)務，隨之出現(xiàn)了新的交換技術。132. 電路交換世界上第一代電話交換機采用的是空分電路交換方式，利用接點等開關元件構成電路交換網(wǎng)絡。隨著數(shù)字通信與PCM技術的迅速發(fā)展，采用PCM方式的數(shù)字交換網(wǎng)絡得到廣泛的應用。14電路交換的主要優(yōu)點：(1)信息的傳輸時延小，對一次接續(xù)而言，傳輸時延固定不變；(2)信息以數(shù)字信號形式在數(shù)據(jù)通路中“透明”傳輸，交換機對用戶的數(shù)據(jù)信息不存儲、分析和處理，交換機在處理方面的開銷比較小，對用戶的數(shù)據(jù)信息也不需要附加許多用于控制的信息，信

7、息的傳輸效率比較高。15(3)信息的編碼方法和信息格式由通信雙方協(xié)調(diào)，不受網(wǎng)絡的限制。電路交換的主要缺點是：(1)電路的接續(xù)時間較長。當傳輸較短信息時，通信通道建立的時間可能將大于通信時間，網(wǎng)絡利用率低。(2)電路資源被通信雙方獨占，電路利用率低。16(3)通信雙方在信息傳輸、編碼格式、同步方式、通信協(xié)議等方面要完全兼容。這就限制了各種不同速率、不同代碼格式、不同通信協(xié)議的用戶終端直接的互通。(4)有呼損，即可能出現(xiàn)由于對方用戶終端設備忙或交換網(wǎng)負載過重而呼叫不通。173. 數(shù)據(jù)交換1)數(shù)據(jù)通信和話音通信的區(qū)別(1)通信對象不同 數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)的是計算機和計算機之可以及人和計算機之間的通信，而電

8、話通信是實現(xiàn)人和人之間的通信。(2)傳輸可靠性要求不同 一般而言數(shù)據(jù)通信的比特差錯率必須控制在10-6以下，而話音通信比特差錯率可高到10-3。18(3)通信的平均持續(xù)時間和通信建立請求響應不同 根據(jù)美國國防部對27000個數(shù)據(jù)用戶進行統(tǒng)計，90的用戶數(shù)據(jù)通信時間在50s以下。而相應電話通信的持續(xù)平均時間在5min左右，由此決定數(shù)據(jù)通信的信道建立時間要求也要短，通常應該在15s左右。而相應的電話通信過程的建立一般在15s左右。19(4)通信過程中信息業(yè)務量特性不同 統(tǒng)計資料表明，電話通信雙方講話的時間平均各占一半，一般不會出現(xiàn)長時間信道中沒有信息傳輸。而計算機通信雙方處于不同的工作狀態(tài)傳輸數(shù)據(jù)

9、速率是非常不同的。系統(tǒng)進行遠程遙測和遙控，傳輸速率一般只在30bs以下；如果用戶希望獲取大量文件，則一般傳輸速率在100kbs1Mbs是讓人滿意的。204. 分組交換采用了“存儲轉(zhuǎn)發(fā)”方式，把報文裁成許多比較短的、被規(guī)格化了的“分組”(Packet)進行交換和傳輸。由于分組長度較短。具有統(tǒng)一的格式，便于在交換機中存儲和處理，“分組”進入交換機后只在主存儲器中停留很短的時間，進行排隊處理，一旦確定了新的路由，就很快輸出到下一個交換機或用戶終端，“分組”穿過交換機或網(wǎng)絡的時間很短(“分組”穿過一個交換機的時延為毫秒級)，能滿足絕大多數(shù)數(shù)據(jù)通信用戶對信息傳輸?shù)膶崟r性要求。21分組交換的主要優(yōu)點是：(

10、1)向用戶提供了不同速率、不同代碼、不同同步方式、不同通信控制協(xié)議的數(shù)據(jù)終端之間能夠相互通信的靈活的通信環(huán)境。(2)在網(wǎng)絡輕負載情況下，信息的傳輸時延較小，而且變化范圍不大，能夠較好地滿足計算機交互業(yè)務的要求。(3)實現(xiàn)線路動態(tài)統(tǒng)計復用，通信線路(包括中繼線路和用戶環(huán)路)的利用率很高，在一條物理線路上可以同時提供多條信息通路。 22(4)可靠性高。每個分組在網(wǎng)絡中傳輸時可以在中繼線和用戶線上分段進行差錯校驗，使信息在分組交換網(wǎng)絡中傳輸?shù)谋忍夭铄e率大大降低，一般可以達到10-10以下，由于“分組”在分組交換網(wǎng)中傳輸?shù)穆酚墒强勺兊?，當網(wǎng)中的線路或設備發(fā)生故障時，“分組”可以自動地避開故障點選擇一條

11、新的路由，而通信不會中斷。23(5)經(jīng)濟性好。信息以“分組”為單位在交換機中存儲和處理，不要求交換機具有很大的存儲容量，降低了網(wǎng)內(nèi)設備的費用。對線路的動態(tài)統(tǒng)計時分復用也大大降低了用戶的通信費用。分組交換網(wǎng)通過網(wǎng)絡控制和管理中心(NMC)對網(wǎng)內(nèi)設備實行比較集中的控制和維護管理，節(jié)省維護管理費用。24分組交換的主要缺點是：(1)由網(wǎng)絡附加的傳輸信息較多，對長報文通信的傳輸效率比較低。除此之外，我們還要設計許多不包含數(shù)據(jù)信息的控制分組，用它們來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的建立、保持和拆除，并進行差錯控制以及數(shù)據(jù)流星控制等，可見，在交換網(wǎng)內(nèi)除了有用戶數(shù)據(jù)傳輸外、還有許多輔助信息在網(wǎng)內(nèi)流動，對于較長的報文來說，分組交

12、換的傳輸效率就不如電路交換和報文交換的高。25(2)技術實現(xiàn)復雜。分組交換機要對各種類型的“分組”進行分析處理，為“分組”在網(wǎng)中的傳輸提供路由，并且在必要時自動進行路由調(diào)整，為用戶提供速率、代碼和規(guī)程的變換，為網(wǎng)絡的維護管理提供必要的報告信息等，要求交換機要有較高的處理能力。265.寬帶交換技術 電信業(yè)務和媒體傳輸特性 在20世紀80年代后期逐步出現(xiàn)了一些新的電信業(yè)務，具體有： 智能用戶電報(Teletex)、可視圖文(Videotext)，遙測(Tetemetry)、監(jiān)視(Surveillance)和告警(A1arm)、電子郵件(Electronic mail)、可視電話(Video Pho

13、ne)和電視會議(Video Conference)、圖文電視(Telex)、視頻點播(VODVideo on Demond)。27事實上隨著技術的發(fā)展和人們需求的增加還會出現(xiàn)更多的新業(yè)務。分析上面的業(yè)務可以看到，信息傳輸?shù)拿襟w方式從單一話音傳輸向話音、數(shù)據(jù)、文本、圖形、動畫和圖像、視頻復合的多媒體信息轉(zhuǎn)化。由于信息多媒體化導致新一代業(yè)務傳輸具有與傳統(tǒng)話音或文本數(shù)據(jù)所不同的傳輸特性。28(1)各種業(yè)務信息的傳輸要求具有不同的速率，具有不同的突發(fā)性。(2)各種業(yè)務傳輸具有不同的誤差要求和延時要求。為此人們提出許多改進方案，下面首先介紹電路交換和分組交換的改進方案。291)快速電路交換 為了使電路

14、交換的概念擴展到具有波動和突發(fā)性的業(yè)務傳輸?shù)膽脠龊?，人們提出了快速電路交換的核心思想是在有信息傳送時快速建立通道，如果用戶沒有數(shù)據(jù)傳輸則釋放傳輸通道。發(fā)送數(shù)據(jù)，同時必須在較短的時間內(nèi)完成端到瑞的鏈路的建立，要求網(wǎng)絡有高速的計算能力。302) 快速分組交換幀中繼(1)幀中繼中取消了X 25協(xié)議規(guī)定網(wǎng)絡節(jié)點之間、網(wǎng)絡節(jié)點和用戶設備之間每段傳輸鏈路上的數(shù)據(jù)差錯控制， (2)幀中級數(shù)據(jù)傳輸基本數(shù)據(jù)單元是幀，去掉了有關進行鏈路差錯控制的幀中的域。 (3)幀中繼數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)據(jù)鏈路連接標識符(DLCI)，作為網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)信道標志、類似于分組交換虛電路中的邏輯信道號的概念，因此說幀結構格式中包含路由選擇的

15、信息。313) ATM新一代可以適合各種不同業(yè)務的多媒體通信的交換和復用技術，顯然必須綜合電路交換和分組交換的優(yōu)勢，可以支持高速和低速的實時業(yè)務，具有高效的網(wǎng)絡運營效率。這就是ITUT給出的新一代的交換和復用技術-異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)。32ATM方式具有4項基本特點。(1)采用ATM信元復用方式 在ATM中采用固定長度的分組(53個字節(jié))，稱為信元(cell)。ATM是按信元進行統(tǒng)計復用的，在時間上沒有固定的復用位置。(2)ATM采用面向連接并預約傳輸資源的方式工作。(3)在ATM網(wǎng)絡內(nèi)部取消逐段鏈路的差錯控制和流量控制，而將這些工作推到了網(wǎng)絡的邊緣。(4)ATM信元頭部功能降低。334)I

16、P交換Internet網(wǎng)由多層路由器構成的傳統(tǒng)網(wǎng)絡趨向飽和，當它擴充到一定限度后，其經(jīng)濟性和效率卻隨規(guī)模的進一步增大而下降，將面臨下述問題：(1)Internet骨干網(wǎng)的傳送容量太小帶寬資源不足，現(xiàn)有路由器尋址速度低，吞吐量不夠，同時用戶接入速率太低。34(2)當用戶數(shù)量急劇增加時，路由器網(wǎng)絡性能將下降，這時路由器雖然可以保證優(yōu)先級較高的數(shù)據(jù)傳輸，但由于它采用大連接的IP協(xié)議，因而不能讓服務質(zhì)量(帶寬、優(yōu)先級等)與商業(yè)上的優(yōu)先級對應起來。35(3)路由器網(wǎng)絡規(guī)模的進一步增大要求路由器支持大數(shù)量的端口，然而目前一般的路由器只支持10個端口，即使是大型路由器也只能支持50個端口，即路由器的端口數(shù)受

17、到限制。因此大型的Internet節(jié)點需要配置多個路由器，它們之間通過以太網(wǎng)或光纖分布式數(shù)據(jù)接口(FDDI)相連。這種可堆疊式配置元論在成本上和性能上代價都很高。同時在純路出器網(wǎng)絡中，每一個端即使是內(nèi)部中間端口都需要占用IP地址。36(4)規(guī)模較大的路由器網(wǎng)絡大多采用分層結構，并在大的節(jié)點采用上述可堆疊式配置，以支持大量用戶接入。由于IP包在沿途每一個路出器上都需進行排隊和協(xié)議處理，因此分層路由器結構和可堆疊式配置使得IP包需要經(jīng)過更多的路由器數(shù)，這將導致傳輸延遲增加，性能下降。37ATM技術的出現(xiàn)為解決現(xiàn)有Internet所面臨的問題提供了解決方案。用ATM網(wǎng)絡從多方面來進行改進，即如何在A

18、TM網(wǎng)絡上支持Internet，實際上可歸結到如何在ATM 上支持TCPIP的問題。目前主要有兩類方法：類是所謂疊加模型，包括ATM上的傳統(tǒng)式IP規(guī)范(IPOA)及ATM多協(xié)議規(guī)范(MPOA)。另一類是所謂集成模型，包括IP交換和標記交換(LS)等， 386. 光交換技術光交換和ATM交換一樣，是寬帶交換的重要組成。在長途信息傳輸方面，光纖已經(jīng)占了絕對的優(yōu)勢。用戶環(huán)路光纖化也得到很大發(fā)展，尤其是寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)中的用戶線路必須要用光纖。這樣，處在ISDN中的寬帶交換系統(tǒng)上的輸入和輸出的信號，實際上就都是光信號。39光技術已經(jīng)在信息傳輸中得到廣泛的應用，如果采用光交換機，光電變換過程都可以省去。除了減少光電變換的損傷外，采用光交換可以提高信號交換的速度，因為電交換的速率受電子器件速度的限制。為此，光交換技術成為未來發(fā)展的方向。從目前已進行的研制和開發(fā)的情況來看，光交換的傳輸路徑采用空分、時分和波分交換方式，以及 碼分交換方式407. 軟交換技術 當前，基于Internet的各種應用正如火如茶地迅猛發(fā)展，帶動著IP網(wǎng)以令人難以置信的增長速度迅速發(fā)展。隨著Internet應用的大規(guī)模普及，“Everything Over IP已經(jīng)成為網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢，基于分