第三章交換技術(shù)基礎(chǔ)

第三章

交換技術(shù)基礎(chǔ)北京郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院2024年2月25日第三章交換技術(shù)基礎(chǔ)交換概念的引入電路交換報(bào)文交換分組交換幀中繼ATM交換其他交換技術(shù)電路交換技術(shù)的發(fā)展歷程電路交換的基本過(guò)程電路交換的作用電路交換的特點(diǎn)數(shù)字程控交換23.2.1電路交換技術(shù)的發(fā)展歷程

從人工到自動(dòng)從機(jī)電到電子交換從布控到程控3數(shù)字程控交換機(jī)是目前最常用的電路交換系統(tǒng)。3.2.2電路交換的基本過(guò)程電路交換的基本過(guò)程與電話通信的過(guò)程相同，包括呼叫建立、信息傳送和連接釋放三個(gè)階段。呼叫建立通過(guò)呼叫信令完成逐個(gè)節(jié)點(diǎn)的接續(xù)過(guò)程，建立起一條端到端的通信電路；通信階段在已經(jīng)建立的端到端的直通電路上透明地傳送信號(hào)；連接釋放完成一次連接信息傳送后，拆除該電路的連接，釋放節(jié)點(diǎn)和信道資源。43.2.3電路交換的作用5本局接續(xù)：完成同一個(gè)交換機(jī)上的兩個(gè)用戶線之間的接續(xù)；出局接續(xù)：完成在交換節(jié)點(diǎn)上用戶線與中繼線之間的接續(xù)；入局接續(xù)：完成在交換節(jié)點(diǎn)上中繼線與用戶線之間的接續(xù)；轉(zhuǎn)接接續(xù)：完成在交換節(jié)點(diǎn)上入中繼線與出中繼線之間的接續(xù)。電話交換節(jié)點(diǎn)

的呼叫接續(xù)方式能正確接收和分析從用戶線和中繼線發(fā)來(lái)的呼叫信號(hào)和目的地址信號(hào)；能按目的地址正確選擇路由，并在通信雙方終端設(shè)備間建立連接，這一過(guò)程稱為呼叫建立；啟動(dòng)計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，監(jiān)視用戶狀態(tài)的變化，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)通信時(shí)長(zhǎng)；通信結(jié)束后根據(jù)收到的釋放信號(hào)及時(shí)拆除連接，即連接釋放。電話交換設(shè)備的功能3.2.3電路交換的作用接口功能：分為用戶接口和中繼接口，分別將用戶線和中繼線接到交換設(shè)備；連接功能：通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)任意入線和任意出線之間的連接；物理連接：在通信過(guò)程中，無(wú)論有無(wú)信息傳送，交換網(wǎng)絡(luò)始終按照預(yù)先分配的物理帶寬資源保持其專用的接續(xù)通路。邏輯連接：只有在用戶有信息傳送時(shí)，才按需分配物理帶寬資源，提供接續(xù)通路，又稱為虛連接。一般通信交換系統(tǒng)的功能控制功能：有效的控制功能是交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)交換的保障，如程控電話交換機(jī)的地址信號(hào)識(shí)別程序等。信令功能：通過(guò)信令可以使不同類型的終端設(shè)備、交換設(shè)備和傳輸設(shè)備協(xié)同運(yùn)行。63.2.4電路交換的特點(diǎn)電路交換具備如下特點(diǎn)：任何一次通信用戶兩端必須獨(dú)占一條電路；占用此電路直到通話結(jié)束，在此過(guò)程中其他通信無(wú)法再用該電路；電路接通之后，通信過(guò)程中雙方傳送信息的內(nèi)容與交換系統(tǒng)無(wú)關(guān)。綜上所述，電路交換是一種面向連接的技術(shù)。早期的電話網(wǎng)在通信過(guò)程中，為每個(gè)呼叫建立的每一個(gè)連接實(shí)際上就是一條物理線路。后來(lái)，隨著時(shí)分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，可以使一條物理線路劃分為多個(gè)時(shí)隙，每一個(gè)呼叫占用一個(gè)特定的時(shí)隙。這個(gè)由時(shí)隙建立起來(lái)的連接，實(shí)際上仍是一條臨時(shí)專線，同樣也只能由這一對(duì)用戶固定占用，而不能被其他用戶共享。電路交換的優(yōu)點(diǎn)：信息傳輸?shù)臅r(shí)延小，而且對(duì)于一次接續(xù)來(lái)說(shuō)，傳輸時(shí)延固定不變；信息傳輸效率比較高，信息以信號(hào)形式在通路上“透明”傳輸，交換系統(tǒng)對(duì)用戶的信息不存儲(chǔ)、不分析也不處理；如果利用電路交換網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)信號(hào)的編碼方法和信息格式不受限制。73.2.5數(shù)字程控交換數(shù)字程控交換機(jī)由話路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，以及產(chǎn)生各種信令，輔助建立接續(xù)通路的信令設(shè)備組成。8一般通信交換系統(tǒng)的功能3.2.5數(shù)字程控交換控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)對(duì)話路系統(tǒng)施加控制，以便完成通話接續(xù)。程控交換機(jī)的控制功能是通過(guò)運(yùn)行在中央處理器中的軟件完成的?？刂葡到y(tǒng)由三部分組成：一是中央處理器（CPU）；二是存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)交換系統(tǒng)的常用程序和正在執(zhí)行的程序以及執(zhí)行數(shù)據(jù)；三是輸入輸出系統(tǒng)，包括鍵盤、打印機(jī)、外存儲(chǔ)器等，可根據(jù)指令打印出系統(tǒng)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)非常用的程序等。93.2.5數(shù)字程控交換話路系統(tǒng)：用戶電路：實(shí)現(xiàn)將電話機(jī)發(fā)出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)電話機(jī)進(jìn)行饋電、振鈴和測(cè)試等；用戶集線器：將一群用戶的話務(wù)集中，通過(guò)較少的鏈路接到數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)，以提高鏈路利用率；中繼接口：是數(shù)字電話交換系統(tǒng)與其他交換系統(tǒng)連網(wǎng)的接口設(shè)備，分為模擬中繼接口和數(shù)字中繼接口。數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)：提供鏈接和數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的交換功能。103.2.5數(shù)字程控交換數(shù)字程控交換機(jī)應(yīng)具有如下功能：在同一條PCM復(fù)用總線的不同時(shí)隙之間進(jìn)行交換在不同PCM復(fù)用總線的同一時(shí)隙之間進(jìn)行交換在不同PCM復(fù)用總線的不同時(shí)隙之間進(jìn)行交換113.2.5數(shù)字程控交換數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)根據(jù)交換方式的不同，可以分為時(shí)分交換網(wǎng)絡(luò)和空分交換網(wǎng)絡(luò)。實(shí)用的大規(guī)模電話交換機(jī)通常采用混合的交換方式，即復(fù)合型交換網(wǎng)絡(luò)。時(shí)分交換時(shí)分交換對(duì)應(yīng)的是T接線器，它完成同一電路上不同時(shí)隙之間的交換。T接線器由話音存儲(chǔ)器（SM）和控制存儲(chǔ)器（CM）組成。其中，話音存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)輸入復(fù)用線上各路時(shí)隙的8bit編碼數(shù)字話音信號(hào)；控制存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)話音存儲(chǔ)器的讀出或?qū)懭氲刂?，作用是控制話音存?chǔ)器各單元內(nèi)容的讀出或?qū)懭腠樞颉?/p>

根據(jù)對(duì)話音存儲(chǔ)器的讀寫控制方

式的不同，T接線器可以分為順序

寫入控制讀出和控制寫入順序讀出

兩種。12順序?qū)懭肟刂谱x出3.2.5數(shù)字程控交換空分交換空分交換對(duì)應(yīng)的是S接線器，它完成不同電路同一時(shí)隙之間的交換。S接線器由交叉節(jié)點(diǎn)矩陣和控制存儲(chǔ)器組成。交叉節(jié)點(diǎn)矩陣為每一個(gè)入線提供了和任意一個(gè)出現(xiàn)相交的可能，這些相交點(diǎn)的閉合時(shí)刻由控制存儲(chǔ)器控制?？辗纸粨Q器也分為輸出控制和輸入控制兩種。133.2.5數(shù)字程控交換復(fù)合型交換網(wǎng)絡(luò)對(duì)于大規(guī)模的交換網(wǎng)絡(luò)，需要既能實(shí)現(xiàn)同一復(fù)用總線上不同時(shí)隙之間的交換，又能實(shí)現(xiàn)不同總線上同一時(shí)隙之間的交換，還要實(shí)現(xiàn)不同總線上不同時(shí)隙之間的交換，因此需要將時(shí)分交換和空分交換相結(jié)合組成復(fù)合型交換網(wǎng)絡(luò)，如TST型交換網(wǎng)絡(luò)、STS型交換網(wǎng)絡(luò)、TSST型交換網(wǎng)絡(luò)等多級(jí)交換網(wǎng)路。14第三章交換技術(shù)基礎(chǔ)交換概念的引入電路交換報(bào)文交換分組交換幀中繼ATM交換其他交換技術(shù)報(bào)文交換的基本原理報(bào)文交換的信息格式報(bào)文交換的特點(diǎn)153.3.1報(bào)文交換的基本原理所謂報(bào)文就是用戶擬發(fā)送的完整數(shù)據(jù)。在報(bào)文交換（messageswitching）中，報(bào)文始終以一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)形式存在。報(bào)文交換與電路交換的工作原理不同，每個(gè)報(bào)文傳送時(shí)沒有建立/釋放連接的階段，其工作原理基于“存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”的思想。163.3.3報(bào)文交換的特點(diǎn)可以提高鏈路的利用率——沒有電路交換的接續(xù)過(guò)程，也不存在把一條電路固定分配給一對(duì)用戶使用可以有效匹配輸入輸出傳輸速率，易于實(shí)現(xiàn)不同類型終端之間的互通不需要收發(fā)兩端同時(shí)處于激活狀態(tài)，發(fā)送端可以將報(bào)文全部發(fā)送至交換節(jié)點(diǎn)，并由發(fā)送節(jié)點(diǎn)將其存儲(chǔ)起來(lái)，伺機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，因而不存在呼損現(xiàn)象便于對(duì)報(bào)文實(shí)現(xiàn)多種功能服務(wù)，如優(yōu)先級(jí)處理、差錯(cuò)控制與恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)173.3.3報(bào)文交換的特點(diǎn)報(bào)文交換的不足傳送信息通過(guò)交換網(wǎng)時(shí)延較長(zhǎng)，不適用于交互型實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)對(duì)設(shè)備要求較高，交換設(shè)備必須具有大容量存儲(chǔ)、高速處理和分析報(bào)文的能力18報(bào)文交換主要用于傳輸報(bào)文較短、實(shí)時(shí)性要求較低的通信業(yè)務(wù)，如公用電報(bào)網(wǎng)。第三章交換技術(shù)基礎(chǔ)交換概念的引入電路交換報(bào)文交換分組交換幀中繼ATM交換其他交換技術(shù)分組交換的基本原理

分組交換的工作方式分組交換的特點(diǎn)193.4.1分組交換的基本原理分組交換采用“存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”的處理方式。分組交換將報(bào)文分解為若干個(gè)小的數(shù)據(jù)單元進(jìn)行傳送。為了保證每個(gè)數(shù)據(jù)單元能夠準(zhǔn)確地傳送到目的節(jié)點(diǎn)，需要在每個(gè)數(shù)據(jù)單元前面添加上首部，提供交換時(shí)所需的呼叫控制信息以及差錯(cuò)控制信息，從而形成一個(gè)規(guī)定格式的交換單元。這個(gè)規(guī)定格式的交換單元通常稱為分組（packet）或數(shù)據(jù)包。203.4.2分組交換的工作方式——數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)是指自帶尋址信息的獨(dú)立數(shù)據(jù)分組。數(shù)據(jù)報(bào)采用無(wú)連接的工作方式，每個(gè)分組作為一個(gè)獨(dú)立的信息實(shí)體，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的工作狀態(tài)由交換節(jié)點(diǎn)分配傳送路徑，因此不同的分組可能經(jīng)由不同的路徑到達(dá)目的地。213.4.2分組交換的工作方式——數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)方式具有傳送速度快、服務(wù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是，由于每個(gè)分組經(jīng)過(guò)的路徑不同，在接收端可能存在接收分組失序、數(shù)據(jù)包丟失等問(wèn)題。223.4.2分組交換的工作方式——虛電路虛電路方式采用面向連接的工作方式，具有連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放三個(gè)階段。233.4.2分組交換的工作方式——虛電路虛電路方式采用面向連接的工作方式，具有連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放三個(gè)階段。虛電路分為兩種：交換虛電路(PVC)、永久虛電路(SVC)。是由用戶向電信管理部門申請(qǐng)，管理人員通過(guò)操作平臺(tái)設(shè)置，在數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間無(wú)需呼叫建立和釋放，可直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸，其效果如同網(wǎng)絡(luò)向用戶提供了一條專線。在每次呼叫時(shí)，用戶通過(guò)發(fā)送呼叫請(qǐng)求分組臨時(shí)建立的虛電路，一旦虛電路建立后屬于同一呼叫的數(shù)據(jù)分組均沿著這一虛電路傳送。當(dāng)通信結(jié)束后，將虛電路釋放。永久虛電路交換虛電路243.4.2分組交換的工作方式——虛電路虛電路方式采用面向連接的工作方式，具有連接建立、數(shù)據(jù)傳送和連接釋放三個(gè)階段。虛電路方式采用虛連接，即邏輯電路，它不同于電路交換中實(shí)際的物理連接，而是通過(guò)通信過(guò)程中所有的交換節(jié)點(diǎn)保存選路結(jié)果和路由連接關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的。與電路交換的區(qū)別25面向連接和無(wú)連接面向連接無(wú)論是面向物理連接亦或是面向邏輯連接，其通信過(guò)程都包括連接建立、傳送信息和連接釋放三個(gè)階段。一旦連接建立，發(fā)送端的所有信息均沿著該連接路徑傳送，且可以保證信息的有序性；信息傳送的時(shí)延比無(wú)連接工作方式的時(shí)延?。坏菍?duì)網(wǎng)絡(luò)故障敏感，一旦建立連接出現(xiàn)故障，信息傳送就會(huì)中斷，必須重新建立連接。無(wú)連接在無(wú)連接方式中，采用“存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)”模式，沒有連接建立的過(guò)程，屬于同一發(fā)送端的信息可能通過(guò)不同的路徑到達(dá)目的地，無(wú)法保證信息的有序性，并且傳輸時(shí)延比面向連接方式大，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的敏感度低。26兩種傳輸方式的區(qū)別27

數(shù)據(jù)報(bào)虛電路端到端的連接不需要，無(wú)連接必須有，面向連接傳輸路徑各分組傳輸路徑不盡相同各分組沿相同路徑傳送目的地地址每個(gè)分組均有目的地的全地址僅在連接建立階段使用分組的順序到達(dá)目的地時(shí)可能不按發(fā)送順序總是按發(fā)送順序到達(dá)目的地復(fù)用方式統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用3.4.2分組交換的特點(diǎn)分組交換的時(shí)延大于電路交換，但小于報(bào)文交換，可以支持中低速率的數(shù)據(jù)通信，但無(wú)法支持高速的數(shù)據(jù)通信易于實(shí)現(xiàn)鏈路的統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用，提高了鏈路的利用率作為獨(dú)立的傳輸實(shí)體，便于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制，從而提高了系統(tǒng)的可靠性節(jié)省存儲(chǔ)容量，提高利用率，進(jìn)而降低通信的費(fèi)用由于附加的信息較多，從而影響了分組交換的傳輸速率，提高了對(duì)交換設(shè)備的要求，實(shí)現(xiàn)技術(shù)較為復(fù)雜便于在傳輸速率、信息格式等方面都不同的數(shù)據(jù)終端之間實(shí)現(xiàn)互通不足優(yōu)勢(shì)28第三章交換技術(shù)基礎(chǔ)交換概念的引入電路交換報(bào)文交換分組交換幀中繼ATM交換其他交換技術(shù)293.5幀中繼幀中繼以分組交換為基礎(chǔ)，又稱快速分組交換，使用的前提是光纖技術(shù)的普遍應(yīng)用和終端系統(tǒng)的日益智能化，從而流量控制、糾錯(cuò)功能可以改由終端去完成，這大大簡(jiǎn)化了節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)議，提高了線路帶寬的利用率。與分組交換不同的是，幀中繼的信息最小單位為幀。30比較項(xiàng)目分組交換幀中繼差錯(cuò)和流量控制在通信子網(wǎng)的源端和目標(biāo)端和途徑的相鄰結(jié)點(diǎn)間均進(jìn)行只在通信子網(wǎng)的源和目標(biāo)兩端進(jìn)行虛電路支持永久虛電路和交換虛電路只支持永久虛電路傳輸速率64Kbps2.048Mbps第三章交換技術(shù)基礎(chǔ)交換概念的引入電路交換報(bào)文交換分組交換幀中繼ATM交換其他交換技術(shù)313.6.1ATM交換的基本原理32與電路交換類似與分組交換類似ATM通信網(wǎng)中傳送信息的基本載體是ATM信元：信元具有固定長(zhǎng)度，且長(zhǎng)度較短，規(guī)定為53個(gè)字節(jié)，其中前5個(gè)字節(jié)是信頭,其余48個(gè)字節(jié)是信息段；信頭的功能較為簡(jiǎn)單，主要包括信元去向的邏輯地址、優(yōu)先級(jí)、信頭差錯(cuò)控制、流量控制等信息。ATM與電路交換類似，采用面向連接的方式；但卻是在電路傳送方式的每個(gè)時(shí)隙中放入ATM信元，并且依據(jù)信元的信頭值區(qū)分不同用戶，各用戶數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間位置不受約束。因此，線路上的數(shù)據(jù)速率可在各個(gè)用戶中間自由分配，不再受固定速率的限制。ATM使用信元為信息傳送的基本單位，這類似于分組交換中的數(shù)據(jù)包；但ATM可以借助空閑信道填充信道的方式，使得信道被分成等長(zhǎng)的時(shí)間段。這為提供固定比特率、固定時(shí)延的電信業(yè)務(wù)，如語(yǔ)音業(yè)務(wù)創(chuàng)造了條件。3.6.2ATM交換的特點(diǎn)33固定長(zhǎng)度的信元和簡(jiǎn)化的信頭不進(jìn)行逐段差錯(cuò)控制和流量控制采用異步時(shí)分復(fù)用方式采用面向連接的工作方式采用透明的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式ATM技術(shù)過(guò)于復(fù)雜。技術(shù)的復(fù)雜性造成了ATM系統(tǒng)研制、管理、故障定位等難度的加大，從而使其推廣受到極大的限制。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)3.6.3常用交換技術(shù)的比較34電路交換報(bào)文交換分組交換幀中繼ATM交換數(shù)據(jù)報(bào)虛電路連接方式面向連接物理連接邏輯連接無(wú)連接時(shí)分復(fù)用同步時(shí)分復(fù)用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用異步時(shí)分復(fù)用傳輸基本單元長(zhǎng)度固定長(zhǎng)度可變整體較長(zhǎng)拆分較短差錯(cuò)和流量控制不進(jìn)行逐段控制進(jìn)行逐段控制√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√√第三章交換技術(shù)基礎(chǔ)交換概念的引入電路交換報(bào)文交換分組交換幀中繼ATM交換其他交換技術(shù)35

IP交換光交換

軟交換3.7.1IP交換36隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，IP交換(IPSwitch)已成為寬帶網(wǎng)絡(luò)通信中重要的交換技術(shù)。連接方式不同IP交換采用無(wú)連接方式；ATM交換則采用面向連接的方式。尋址方式不同IP的每個(gè)分組都有收發(fā)地址；ATM交換僅在建立連接的階段，靠ATM地址和路由表選擇路由。支持用戶的通信方式不同ATM支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)單向通信；IP可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及廣播方式的通信。業(yè)務(wù)質(zhì)量不同ATM具有業(yè)務(wù)類型劃分和相應(yīng)的QoS保證機(jī)制。IP只支持非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，且對(duì)用戶業(yè)務(wù)僅能“besteffort——盡力而為”。IP交換技術(shù)與ATM交換技術(shù)之間的差別