現(xiàn)代交換技術-01章-交換技術概述

第一章交換技術概述第一章交換技術概述本章內容：交換的基本概念交換技術分類交換技術的發(fā)展本章重點：電路交換與分組交換1.1交換的基本概念1.1.1交換的引入主叫用戶被叫用戶1.1.1交換的引入主叫用戶被叫用戶1.1交換的基本概念1.1.1交換的引入N對連接線?N1.1交換的基本概念1.1.1交換的引入

如果所有用戶都兩兩相連，互連線數(shù)會很大：N×（N-1）÷2例：N=10000連線數(shù)=50000000對1.1交換的基本概念1.1.1交換的引入實際上，每個用戶話機只有一對連接線。

電話交換機引入了一種交換設備。1.1交換的基本概念1.1.1交換的引入一、什么是交換

電話交換機

交換就是利用交換設備（交換機），將所有用戶話機都用一對線接到交換設備上，由交換設備完成任意兩個或多個用戶話機連通。實現(xiàn)通信必須要有三個要素：終端、傳輸和交換。二、交換節(jié)點的連接方式1、全互聯(lián)方式

設置多個交換節(jié)點，每個交換節(jié)點之間用中繼線兩兩相連。

1.1.1交換的引入二、交換節(jié)點的連接方式2、匯接方式

多個交換節(jié)點之間不能做到個個相連，而是引入?yún)R接交換節(jié)點，實現(xiàn)各交換節(jié)點之間的間接相連。

匯接交換機1.1.1交換的引入1.1.2交換節(jié)點的基本功能1、交換接續(xù)功能

（1）本局接續(xù)：本交換機內部用戶線之間接續(xù)（2）出局接續(xù)：用戶線與出中繼線之間的接續(xù)（3）入局接續(xù)：入中繼線與用戶線之間的接續(xù)（4）轉接接續(xù)：入中繼線與出中繼線之間的接續(xù)

2、交換機基本功能

（1）接收和分析從用戶線或中繼線來的呼叫信號（2）接收和分析從用戶線或中繼線來的地址信號（3）按目的地址進行選路和中繼線上轉發(fā)信號（4）能控制連接的建立（5）能按照所收到的釋放信號拆除連接1.1.2交換節(jié)點的基本功能1.2交換技術分類按傳輸信號形式分：模擬交換與數(shù)字交換按接續(xù)控制方式分：布控交換與程控交換按信道占用方式分：電路交換與分組交換按帶寬分配方式分：窄帶交換與寬帶交換

1.2.1模擬交換與數(shù)字交換一、模擬信號與數(shù)字信號?連續(xù)消息：消息的狀態(tài)隨時間是連續(xù)變化的,如強弱連續(xù)變化的語音等。（模擬消息）?離散消息：消息的狀態(tài)是可數(shù)的或離散的,如符號、文字和數(shù)據(jù)等。（數(shù)字消息）一、模擬信號與數(shù)字信號?模擬信號：對應于模擬消息的電信號形式。是指代表消息的信號及其參數(shù)（幅度、頻率或相位）隨著時間連續(xù)變化的信號。

tu也包含“模仿”的意思。1.2.1模擬交換與數(shù)字交換一、模擬信號與數(shù)字信號?數(shù)字信號：對應于數(shù)字消息的電信號形式。是指信號幅度不隨時間作連續(xù)的變化，只能取有限個離散值的信號。tu01010011例如：“0”“1”表示進制數(shù)字信號五位“0”“1”用于電報通信七位“0”“1”用于計算機通信1.2.1模擬交換與數(shù)字交換二、模擬通信與數(shù)字通信?模擬通信：以模擬信號來傳送消息的通信方式。基帶信號

已調信號基帶信號

已調信號模擬信道

主要缺點：抗干擾能力弱、保密性差、設備不易大規(guī)模集成

噪音源受信者解調器調制器傳輸媒質（發(fā)信機）（收信機）模擬通信系統(tǒng)模型圖信息源1.2.1模擬交換與數(shù)字交換二、模擬通信與數(shù)字通信?數(shù)字通信：以數(shù)字信號來傳送消息的通信方式。數(shù)字通信系統(tǒng)模型噪音源調制器受信者解調器傳輸媒質信源編碼器信源譯碼器信道譯碼器信道編碼器信息源模擬信號

數(shù)字信號數(shù)字信道

已調信號主要優(yōu)點：抗干擾性強、保密性好、設備易于集成化、便于計算機處理1.2.1模擬交換與數(shù)字交換三、模擬交換與數(shù)字交換?模擬交換：以模擬信號為對象的交換方式。傳輸和交換的信號是模擬信號的交換機稱為模擬交換機。（模擬交叉接點）

?數(shù)字交換：以數(shù)字信號為對象的交換方式。傳輸和交換的信號是數(shù)字信號的交換機稱為數(shù)字交換機。（數(shù)字交換網(wǎng)絡）1.2.1模擬交換與數(shù)字交換1.2.2布控交換與程控交換?布控交換：是利用布線邏輯電路進行控制的一種交換方式。步進制、機動制和縱橫制等機電制交換機都是布控交換機。?程控交換：是利用計算機軟件進行控制（即存儲程序控制）的一種交換方式。程控交換包括模擬程控交換和數(shù)字程控交換。

1.2.3電路交換與分組交換傳統(tǒng)的電路交換多速率電路交換快速電路交換電路交換分組交換傳統(tǒng)的分組交換幀交換快速分組交換

（一）電路交換1、傳統(tǒng)的電路交換是指固定分配帶寬（傳送通路），連接建立后，即使無信息傳送也占用電路的一種交換方式。

主要特點：?采用固定分配帶寬，電路利用率低。?要預先建立連接，有一定的連接建立時延。

?無差錯控制措施。?用基于呼叫損失制的方法來處理業(yè)務流量，過負荷時呼損率增加。不適于突發(fā)業(yè)務和對差錯敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務。基本工作過程分為三階段：

呼叫建立、信息傳送、連接釋放。

交換節(jié)點A交換節(jié)點B交換節(jié)點C建立傳送釋放（一）電路交換2、多速率電路交換其基本思路是：在傳統(tǒng)電路交換基礎上，對不同的業(yè)務提供不同的帶寬（基本速率的整數(shù)倍）。主要特點（缺點）：?基本速率較難確定。?速率類型不能太多。?固定帶寬分配，不適應突發(fā)業(yè)務的要求。?控制較復雜等。（一）電路交換3、快速電路交換其基本思路是：只在信息要傳送時才分配帶寬和有關資源，并快速建立通道，用戶沒有信息傳輸時則釋放傳輸通道。

主要特點：?在呼叫建立時，尋找一條適合的通道。?將帶寬、路由編號填入相關交換機中，不建立實際連接和分配資源，只是“虛電路”。?當用戶發(fā)送信息時，通過呼叫標識激活虛電路，迅速建立物理連接。?會引起信息丟失或排隊時延。

（一）電路交換（二）分組交換

采用報文交換的“存儲-轉發(fā)”方式，把用戶所要傳送的信息（報文）分割為若干個較短的、被規(guī)格化了的“分組”進行交換與傳輸。主要特點：?每個分組中有一個分組頭（含有可供選路的信息和其他控制信息）。?分組交換節(jié)點對各個分組分別處理。?根據(jù)選路信息選擇去向，轉發(fā)分組。

1、相關概念

（1）通信線路的資源共享多路復用方法：?預分配資源法（預分配復用或固定分配）?動態(tài)分配資源法（統(tǒng)計時分復用）

組合多個低速數(shù)據(jù)終端共同使用一條高速的線路（即多路復用），以便經(jīng)濟有效地使用通信線路。（二）分組交換1、相關概念

（1）通信線路的資源共享（2）交織傳輸在預分配復用方式下，每個用戶數(shù)據(jù)都在特定的子信道中流動，接收端很容易把它們區(qū)分開來。在統(tǒng)計時分復用方式下，在發(fā)端，先將各個用戶數(shù)據(jù)打上與終端或子信道有關的“標記”，然后交織在一起發(fā)送到線路上。在收端，可利用“標記”，很容易識別不同終端的用戶數(shù)據(jù)。主要有：比特交織、字節(jié)交織、分組交織。（二）分組交換1、相關概念

（1）通信線路的資源共享（2）交織傳輸（3）分組的形成?將數(shù)據(jù)按一定長度進行分割（分組）?每一個組都加上一個分組頭（包含邏輯信道號和其他控制信息）（二）分組交換1、相關概念

（1）通信線路的資源共享（2）交織傳輸（3）分組的形成（4）分組的交換根據(jù)各組數(shù)據(jù)的分組頭信息，各自獨立傳送，按要求正確到達相應的目的地。（二）分組交換交換節(jié)點

A交換節(jié)點

B交換節(jié)點

C傳輸時延存儲時延處理與排隊時延圖1.10分組交換的時延分組1分組2分組3分組5分組4分組1分組2分組3分組5分組4交換節(jié)點

A交換節(jié)點

B交換節(jié)點

C圖1.11報文交換的時延報文報文傳輸時延存儲時延處理與排隊時延（二）分組交換2、虛電路和數(shù)據(jù)報

（1）虛電路方式：在用戶數(shù)據(jù)傳送前，先要通過發(fā)送呼叫請求分組建立端到端之間的虛電路；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；最后通過的呼叫分組來拆除虛電路。呼叫建立時，有關交換節(jié)點在相應路由上尋找一條適合的通道；此時并不建立連接和分配資源，而是將通信所需的帶寬、所選的路由編號填入相關交換機中，從而“記憶”所分配的帶寬和去向，實際上只是建立了“虛電路”。（二）分組交換2、虛電路和數(shù)據(jù)報

（1）虛電路方式：在用戶數(shù)據(jù)傳送前，先要通過發(fā)送呼叫請求分組建立端到端之間的虛電路；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；最后通過的呼叫分組來拆除虛電路。特點：?虛電路是一種邏輯連接。?虛電路不獨占線路，在一條物理線路上可以同時建立多個虛電路。?是一種面向連接的方式。有兩種虛電路：交換虛電路（SVC）永久虛電路（PVC）（二）分組交換2、虛電路和數(shù)據(jù)報（1）虛電路方式：在用戶數(shù)據(jù)傳送前，先要通過發(fā)送呼叫請求分組建立端到端之間的虛電路；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；最后通過的呼叫分組來拆除虛電路。（2）數(shù)據(jù)報方式：不需要預先建立邏輯連接，而是按照每個分組頭中的目的地址對各個分組獨立進行選路的分組交換方式。是一種無連接的方式。（二）分組交換虛電路（VC）數(shù)據(jù)報（DG）分組頭只含有VC邏輯信道標識包含詳細目的地址選路預先建立，后續(xù)分組只查找映射表要獨立進行選路分組順序分組按順序到達可能引起失序故障敏感性敏感防衛(wèi)能力較強適用場合連續(xù)數(shù)據(jù)流傳送突發(fā)數(shù)據(jù)傳送虛電路與數(shù)據(jù)報的比較（二）分組交換3、路由選擇是指從源點至終點之間信息傳送路徑的選擇方法。通常有三種：擴散式路由法查表路由法虛電路路由表法

（二）分組交換（1）擴散式路由法?分組從原始節(jié)點發(fā)往它的每個相鄰節(jié)點；?接收該分組的節(jié)點檢查它是否已經(jīng)收到；?該節(jié)點把分組再發(fā)往其所有相鄰的節(jié)點；?最先到達終點的分組拷貝保留，后續(xù)到達的該分組拷貝被拋棄。AB（二）分組交換（1）擴散式路由法?分組從原始節(jié)點發(fā)往它的每個相鄰節(jié)點；?接收該分組的節(jié)點檢查它是否已經(jīng)收到；?該節(jié)點把分組再發(fā)往其所有相鄰的節(jié)點；?最先到達終點的分組拷貝保留，后續(xù)到達的該分組拷貝被拋棄。特點：?路由選擇與網(wǎng)絡的拓撲結構無關，可靠性高。?無效傳輸量很大，網(wǎng)絡額外開銷大，時延大。

（二）分組交換（2）查表路由法?每個節(jié)點中使用路由表，選擇從該節(jié)點到網(wǎng)絡中所需終點的路徑；?路由選擇按照第1、2、3……的順序進行；?分組到達節(jié)點之后按照路由表規(guī)定的路徑前進；?路由表是根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結構、鏈路容量、業(yè)務量等因素和某些準則來建立。AB④①②③（二）分組交換（2）查表路由法?每個節(jié)點中使用路由表，選擇從該節(jié)點到網(wǎng)絡中所需終點的路徑；?路由選擇按照第1、2、3……的順序進行；?分組到達節(jié)點之后按照路由表規(guī)定的路徑前進；?路由表是根據(jù)網(wǎng)絡拓撲結構、鏈路容量、業(yè)務量等因素和某些準則來建立。特點：?查表路由法與網(wǎng)絡結構參數(shù)有關。?最短距離法是分組經(jīng)過的中繼線數(shù)越少越好。?最小時延法根據(jù)網(wǎng)絡中某些因素的變化而自動修改路由表。（二）分組交換（3）虛電路路由表法?在節(jié)點接收到呼叫請求分組之后建立虛電路；?一個端到端的虛電路路由表分散在各節(jié)點中；?指明了虛電路途徑的各節(jié)點的端口號和邏輯信道號之間的鏈接關系；?虛電路路由表的內容隨著呼叫的建立而產(chǎn)生、呼叫的清除而消失；?當因線路或設備故障而導致虛電路中斷時，將進行虛電路的重連接。（二）分組交換如何進行虛電路的重連接？?一旦節(jié)點檢測到故障，將向源節(jié)點和終節(jié)點發(fā)送清除指示分組（包含原因和診斷碼）；?源節(jié)點收到后，就會發(fā)送新的呼叫請求分組；?選擇新的替換路由與終點節(jié)點建立新的連接；?所有未被證實的分組將沿新的虛電路重新發(fā)送。（二）分組交換（三）幀交換?幀交換是以一種幀方式來承載業(yè)務，在數(shù)據(jù)鏈路層以上簡化的方式來傳送和交換數(shù)據(jù)單元。?第三層傳送的數(shù)據(jù)單元稱為分組，第二層傳送的數(shù)據(jù)單元稱為幀（frame）。幀方式是將用戶信息流以幀為單位在網(wǎng)絡內傳送。特點：?幀交換是在第二層（鏈路層）進行復用和傳送，而不是在分組層；?幀交換將用戶面與控制面分離，而通常的分組交換則未分離。（四）快速分組交換?進一步簡化了協(xié)議，非但不涉及第三層，第二層也只保留了鏈路層的核心功能，如幀的定界、同步、透明性以及幀傳輸差錯檢測等。?廣義上，快速分組交換（FPS）包括幀中繼（FR）與信元中繼（CR）兩種交換方式。信元中繼為ATM所采用，有時FPS是專指ATM交換。1.2.4窄帶交換與寬帶交換?窄帶交換：業(yè)務速率限定為64kbit/s或n×64kbit/s的交換方式，如程控交換等。?寬帶交換：ATM、IP交換、IP/ATM集成交換、標記交換、幀中繼交換及光交換等新的交換方式。1.3交換技術的發(fā)展1.3.1電話交換技術的發(fā)展1.3.2分組交換技術的發(fā)展1.3.3ATM交換技術的發(fā)展1.3.4IP交換技術的發(fā)展1.3.1電話交換技術的發(fā)展1．機電式電話交換人工磁石：自從1876年BellA.G.發(fā)明電話以后，為適應多個用戶之間電話交換的要求，在1878年就出現(xiàn)了第一部人工磁石電話交換機。步進制：1892年開通的第一部自動交換機是由StrowgerA.B.于1889年發(fā)明的步進制史端喬式自動交換機。縱橫制：最先在瑞典和美國獲得較廣泛的應用，有代表性的是瑞典開發(fā)的ARF，ARM及ABK等系列和美國先后于1938年、1943年和1948年開通的l號、4號和5號縱橫制交換機。1.3.1電話交換技術的發(fā)展2．模擬程控交換標志：1965年，美國開通世界上第一個程控交換系統(tǒng)。從此，各國紛紛致力于程控交換系統(tǒng)的研制。世界上較具代表性的模擬程控交換系統(tǒng)有美國的1ESS，2ESS，3ESS和1EAX，日本D10，D20和D30，法國E11，德國EWS系列等。優(yōu)越性：相對于機電式自動交換而言。（1）靈活性大，適應性強（2）能提供多種新服務性能（3）便于實現(xiàn)共路信令（4）操作維護管理功能的自動化（5）適應現(xiàn)代電信網(wǎng)的發(fā)展1.3.1電話交換技術的發(fā)展3．數(shù)字程控交換標志：20世紀70年代開始出現(xiàn)數(shù)字程控交換，到20世紀80年代初期，數(shù)字程控交換在技術上已日趨成熟，眾多型號的數(shù)字程控交換系統(tǒng)紛紛推出。國外：1970年E10A和1976年4ESS是最早推出的市話和長話數(shù)字交換機；1980年推出DMS-100是最早的全數(shù)字市話交換機；1982年開通的S1240和5ESS是最早的分布式控制系統(tǒng)。國內：我國起步較晚，但起點較高，在20世紀80年代中后期到90年代初相繼推出了HJD04、C&C08、ZXJ10及SP30等大型數(shù)字程控交換系統(tǒng)。1.3.1電話交換技術的發(fā)展4．POTS交換節(jié)點的發(fā)展趨勢用于公用電話交換網(wǎng)（PSTN）的電話交換系統(tǒng)提供的是普通電話業(yè)務（POTS）。為了進一步適應電信網(wǎng)綜合化、智能化、個人化的發(fā)展，自20世紀80年代中期以來，數(shù)字程控交換節(jié)點的功能在POTS的基礎上不斷增強。（1）增強為窄帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)中的交換節(jié)點。（2）增強為智能網(wǎng)中的業(yè)務交換點。（3）增強為移動網(wǎng)中的移動交換局。1.3.2分組交換技術的發(fā)展1．早期的研究和試驗1964年8月，BaranP．在以分布式通信為題的一組蘭德（Band）公司的研究報告中，首先提出了分組交換的有關概念。1965年英國（NPL）的DaviesD．構想了存儲轉發(fā)分組交換系統(tǒng)的原理，并于1966年6月的建議中提出了“分組（Packet）”這一術語，1967年10月公開發(fā)表了NPL關于分組交換的建議。1967年6月美國發(fā)布了ARPAnet的計劃，用專線將多個節(jié)點的小型計算機互連，每個計算機可用作分組交換和接口設備。1.3.2分組交換技術的發(fā)展2．分組交換公用數(shù)據(jù)網(wǎng)ARPAnet和一些專用分組交換網(wǎng)的試驗，促進了分組交換進入公用數(shù)據(jù)網(wǎng)，形成分組交換公用數(shù)據(jù)網(wǎng)（PSPDN）。1976年3月制訂了原CCITT的X.25協(xié)議，又陸續(xù)制訂了其他有關協(xié)議，如X.28、X.29及X.75等。1975年8月第一個公用分組網(wǎng)（美國Telenet）運行。開始時只有7個互連的節(jié)點，到1978年4月增加到187個節(jié)點，使用了79部分組交換機，為美國156個城市服務，并與14個國家互連。X.25建議產(chǎn)生后，Telenet即采用X.25協(xié)議。1.3.2分組交換技術的發(fā)展3．分組交換系統(tǒng)的分代第一代分組交換系統(tǒng)實質上是用計算機來完成分組交換功能。它將存儲器中某個輸入隊列中的分組轉移到某個輸出隊列中，典型的代表如ARPAnet中所用的分組交換系統(tǒng)。第二代分組交換系統(tǒng)采用共享媒體將前端處理機互連，計算機主要用于虛電路的建立，不再成為系統(tǒng)中的瓶頸。第三代分組交換系統(tǒng)采用空分交叉矩陣來取代共享媒體這一瓶頸。實際上，第三代分組交換已進入快速分組交換的范疇。1.3.3ATM交換技術的發(fā)展1．早期的研究1983年出現(xiàn)的快速分組交換（FPS）和異步時分（ATD）交換的結合，導致了ATM交換方式產(chǎn)生。1985年以來，CCITT也開始了這種新交換方式的研究。在1987年的第18研究組會議上，決定采用信元來表示分組。1988年CCITT第18研究組的會議上決定采用固定長度的信元，定名為ATM。1990年制訂了關于ATM的一系列協(xié)議，并在以后的研究中不斷地深入和完善。1.3.3ATM交換技術的發(fā)展2．公用ATM交換網(wǎng)公用ATM寬帶試驗網(wǎng)：1994年8月投入運營的美國北卡羅來納信息高速公路，是美國第一個在州的范圍內采用ATM和SONET的公用ATM寬帶網(wǎng)，被看作未來國家基礎信息設施的雛型。公用ATM交換系統(tǒng)：公用網(wǎng)ATM骨干交換系統(tǒng)必須具有高吞吐量和可擴展性，吞吐量通常為40～160Gbit/s，應能支持各種接口、業(yè)務和連接類型。代表產(chǎn)品有富士通的FETEX-150、愛立信的AXD301和ESP等。我國的中興、華為、上海貝爾等公司均推出了ATM交換系統(tǒng)。1.3.3ATM交換技術的發(fā)展3．研究的重點（1）ATM交換結構：是研究重點之一，包括拓撲結構、緩沖方式、控制機理、性能分析等。（2）ATM網(wǎng)的業(yè)務流控制：如何能有效而公平地分配帶寬等資源，保證各種特性不同的業(yè)務和各種呼叫連接的服務質量，是業(yè)務流控制要解決的重要而復雜的問題。（3）話音通過ATM：ATM網(wǎng)的最終目標是實現(xiàn)包括話音在內的各種業(yè)務的綜合交換。（4）與智能網(wǎng)的結合：智能網(wǎng)的能力集3的目標是將智能網(wǎng)（IN）與B-ISDN結合。1.3.3ATM交換技術的發(fā)展4．光交換光交換和ATM交換一樣，是寬帶交換重要組成。光波技術已經(jīng)在信息傳輸中得到廣泛的應用，其傳輸過程一般是先把光信號變成電信號才能送入到電交換機，從電交換機送出的電信號又要先變成光信號才能送上傳輸線路。因此，如果是用光交換機，這些光電變換過程都可以省去了，減少了光電變換的損傷，并可以提高信號交換的速度。光交換機也應由傳輸和控制兩部分組成；把光波技術引入交換系統(tǒng)的主要課題，是如何實現(xiàn)傳輸和控制的光化。光交換的傳輸路徑采用空分交換方式、時分交換方式和波分交換方式。1.3.4IP交換技術的發(fā)展1．發(fā)展背景Internet在全球范圍內快速增長，從1989年開始，大約每隔56周，Internet上的主機數(shù)就翻一番，呈指數(shù)級增長。2000年以后，每隔23周Internet上的Web服務器數(shù)就翻一番。經(jīng)過30多年的發(fā)展，根據(jù)中商情報網(wǎng)的“2021年全球互聯(lián)網(wǎng)用戶規(guī)模大數(shù)據(jù)分析”，2016-2021年全球互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量仍呈波動上升趨勢，2021年40.47億；截止2021年12月，中國網(wǎng)絡用戶達10.32億，較2020年12月增加4296萬，互聯(lián)網(wǎng)普及率73.0%。1.3.4IP交換技術的發(fā)展2．IP與ATM的融合IP在技術上需要ATM，而ATM在商業(yè)應用方面又需要IP，能否將IP和ATM的優(yōu)勢相結合（融合），構筑新一代寬帶網(wǎng)絡正是人們所關心的問題。重疊模型就是將IP當成一個網(wǎng)絡與ATM網(wǎng)絡互連，