第一章現(xiàn)代交換原理概論

現(xiàn)代交換原理（第三版）金惠文等編著中山大學(xué)南方學(xué)院溫慧妍公共郵箱telecomswitching@126.om密碼：10tongxin參考資料：卞佳麗等編．現(xiàn)代交換原理與通信網(wǎng)技術(shù)．北京郵電大學(xué)出版社，2005課程說明總成績=平時(shí)成績（45%）十卷面考試（55%）平時(shí)成績包含作業(yè)、小組論文和考勤，作業(yè)包括30～40道小題，占總成績20%，小組論文占總成績25%?？记谧鳛槠綍r(shí)成績參考因素，缺課超過1/3課時(shí)以上取消平時(shí)成績。第1章概論1.1交換與通信網(wǎng)1.2電話交換1.3數(shù)據(jù)交換1.4寬帶交換技術(shù)1.5光交換技術(shù)1.6軟交換技術(shù)終端傳輸媒介終端電信號電信號信息信息點(diǎn)對點(diǎn)通信在電信系統(tǒng)中，只有兩個(gè)終端的通信稱為點(diǎn)對點(diǎn)通信。1.1交換與通信網(wǎng)點(diǎn)對點(diǎn)通信舉例話音數(shù)據(jù)圖1.1用戶間互連構(gòu)成通信網(wǎng)用戶間通過交換設(shè)備構(gòu)成通信網(wǎng)圖1.2多個(gè)終端互連在圖1.2中，任意兩個(gè)終端需要通信（交換信息），可由交換設(shè)備控制相應(yīng)的開關(guān)接點(diǎn)接通，為兩者提供一條通信鏈路，當(dāng)通信結(jié)束，則相應(yīng)的開關(guān)接點(diǎn)斷開，釋放通信鏈路?；ミB式通信網(wǎng)可靠，不會出現(xiàn)通信阻塞，但成本高（需n×(n-1)/2根線）。通過交換設(shè)備構(gòu)成的通信網(wǎng)有可能出現(xiàn)阻塞（不是一定會阻塞），成本低。通信網(wǎng)越大，后者的優(yōu)點(diǎn)越明顯。如N=100時(shí)，交換式通信網(wǎng)需100根線互連式通信網(wǎng)需100×99÷2=4950根線說明終端用戶小交換機(jī)市話交換機(jī)匯接交換機(jī)中繼線用戶線大型通信網(wǎng)結(jié)論

交換設(shè)備是通信網(wǎng)的重要組成部分，交換設(shè)備的好壞決定了通信網(wǎng)的好壞。通信網(wǎng)三要素組成通信網(wǎng)的三個(gè)基本要素：

終端：

傳輸線路：

交換設(shè)備：將消息（話音、圖像、數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)換成媒介能夠接受的電信號形式，同時(shí)將來自傳輸媒介的電信號還原成原始消息。如：電話機(jī)、傳真機(jī)、計(jì)算機(jī)或稱傳輸媒介，信息的傳輸通道。如：電纜、光纜、無線電波。負(fù)責(zé)在任意的兩條用戶之間建立和（而后）釋放一條通信鏈路。如：交換機(jī)、路由器。12各種交換方式電路交換報(bào)文交換分組交換幀中繼ATM交換IP交換光交換軟交換13CTM-CircuitTransferModePTM-PacketTransferModeATM-AsynchronousTransferMode各種交換方式IP交換多速率電路交換快速電路交換ATM交換幀中繼報(bào)文交換電路交換分組交換光交換PTMCTM

控制方式的發(fā)展：交換方式的發(fā)展：人工交換機(jī)電式電子式自動交換電路交換報(bào)文交換分組交換快速電路交換ATM交換幀中繼多協(xié)議標(biāo)記交換MPLS三種基本交換方式寬帶交換方式軟交換單一業(yè)務(wù)網(wǎng)寬帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)下一代網(wǎng)絡(luò)光交換1.2電話交換呼叫建立：主叫方通過撥號的方式通知網(wǎng)絡(luò)被叫方的電話號碼，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)被叫方的號碼在主叫與被叫之間建立一條通路。主叫和被叫進(jìn)行通信，通話過程中雙方所占用的通道將不為其他用戶使用。呼叫釋放：完成通信后，主叫或被叫掛機(jī)，通知網(wǎng)絡(luò)可以釋放通信信道。本次通信過程所占用的信道釋放后可以被其他通信過程使用，這種交換方式稱為電路交換方式。電話交換機(jī)世界上第一代電話交換機(jī)采用的是空分電路交換方式，利用接點(diǎn)等開關(guān)元件構(gòu)成電路交換網(wǎng)絡(luò)。1.3數(shù)據(jù)交換

1.3.1數(shù)據(jù)通信和話音通信的區(qū)別通信對象不同傳輸可靠性不同通信的平均持續(xù)時(shí)間和通信建立請求響應(yīng)不同通信過程中信息業(yè)務(wù)量特性不同1.3.2利用電話網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸電話網(wǎng)絡(luò)主要業(yè)務(wù)為電話、圖文傳真、低速數(shù)據(jù)、慢速圖像。電話網(wǎng)絡(luò)是用于傳輸0.3～3.4kHz模擬話音信號，如果要使用這樣的信道傳輸數(shù)據(jù)信息，在發(fā)送端必須有相應(yīng)的設(shè)備把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成模擬信號（這個(gè)過程稱為調(diào)制），在接收端必須將相應(yīng)的模擬信號回復(fù)成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號（這個(gè)過程稱為解調(diào)）。這個(gè)能完成調(diào)制和解調(diào)功能的這個(gè)設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器（Modem）。優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡單。只要求用戶擁有計(jì)算機(jī)、調(diào)制解調(diào)器和電話線就可以連接到Internet。缺點(diǎn)：傳輸速率低；信道利用率低。20交換節(jié)點(diǎn)A交換節(jié)點(diǎn)B交換節(jié)點(diǎn)C建立傳送釋放電路交換的基本過程1.3.3電路交換

(CircuitSwitching)21通信之前先建立通路，通信時(shí)通路獨(dú)占，通信結(jié)束，通路釋放。實(shí)時(shí)性好，線路利用率差。電路交換的特點(diǎn)電路交換的缺點(diǎn)電話通信網(wǎng)中的話音業(yè)務(wù)，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性要求不高的特點(diǎn)，而電路交換不管是其面向連接的特點(diǎn)，還是對信息無差錯控制、透明傳輸以及基于呼叫損失的流量控制特點(diǎn)，都滿足了話音業(yè)務(wù)的特性，因而電話通信網(wǎng)采用電路交換方式。電路交換由于無差錯控制機(jī)制，因而對數(shù)據(jù)交換的可靠性沒有分組交換高，不適合對差錯敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；同時(shí)由于電路交換采用固定帶寬分配方式，因而其電路利用率低、不適合突發(fā)（burst）業(yè)務(wù)。電路交換適合于實(shí)時(shí)性、恒定速率的業(yè)務(wù)。

將整個(gè)報(bào)文信息（報(bào)頭+正文+報(bào)尾）在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處（交換局）都是先存儲，等輸出線路空閑再轉(zhuǎn)發(fā)，直至送達(dá)目的地。特點(diǎn)：無需建立通路（無連接），實(shí)時(shí)性差，線路利用率好（可在非高峰時(shí)期傳送）。適用于公眾電報(bào)和電子信箱業(yè)務(wù)。1.3.4

報(bào)文交換（MessageSwitching）優(yōu)缺點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式實(shí)現(xiàn)不同終端之間的通信；比較高的線路利用率；沒有呼叫損失。主要缺點(diǎn)：時(shí)延大；對交換機(jī)要求具有高速的處理能力和大的存儲容量；不適用于即時(shí)交互式的數(shù)據(jù)通信。將報(bào)文分成若干個(gè)分組（packet)，每個(gè)分組要加上分組頭，然后以分組為存儲轉(zhuǎn)發(fā)單位逐節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)目的地再按編號組裝成原報(bào)文。

分組交換有兩種工作模式：數(shù)據(jù)報(bào)、虛電路方式。分組交換的特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性較好，線路利用率高。1.3.5分組交換（PacketSwitching）數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)方式：以分組為基本單位逐節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，且不同分組可沿不同的路徑傳輸，類似報(bào)文交換。首先網(wǎng)絡(luò)在通信兩端建立邏輯連接，然后用戶數(shù)據(jù)以分組為單位沿該路徑順序傳送到達(dá)終點(diǎn)（逐節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)）。類似于電路交換，但通路不是一直占用。虛電路虛電路工作方式數(shù)據(jù)報(bào)工作方式數(shù)據(jù)報(bào)方式的每個(gè)分組頭中要包含詳細(xì)的目的地址虛電路方式由于預(yù)先已建立邏輯連接對應(yīng)關(guān)系(保存在交換機(jī))，分組頭中只要含有對應(yīng)于所建立的VC的邏輯信道標(biāo)識虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的比較——分組頭VC方式預(yù)先有建立過程，但一旦虛電路建立，在端到端之間所選定的路由上的各個(gè)交換節(jié)點(diǎn)都具有映象表，存放出入邏輯信道的對應(yīng)關(guān)系，每個(gè)分組到來時(shí)只要查找映象表，而不需要進(jìn)行復(fù)雜的選路。DG方式則不需要有建立過程，但對每個(gè)分組都要獨(dú)立地進(jìn)行選路。虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的比較——選路VC方式中，屬于同一呼叫的各個(gè)分組在同一條虛電路上傳送，分組會按原有順序到達(dá)終點(diǎn)，不會產(chǎn)生失序現(xiàn)象。DG方式中，各個(gè)分組由于是獨(dú)立選路，可以從不同的路由轉(zhuǎn)送，會引起失序。虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的比較—分組順序VC方式對故障較為敏感，當(dāng)傳輸鏈路或交換節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)可能引起虛電路的中斷，需要重新建立。有些分組網(wǎng)具有再連接功能，出現(xiàn)故障時(shí)可自動建立新的虛電路，并做到不丟失用戶數(shù)據(jù),例如:可以通過與故障點(diǎn)最近的交換機(jī)恢復(fù)DG方式中各個(gè)分組可選擇不同路由，對故障的防衛(wèi)能力較強(qiáng)，從而可靠性較高。虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的比較—故障敏感性VC方式適用于較連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳送，其持續(xù)時(shí)間應(yīng)顯著地大于呼叫建立的時(shí)間，如文件傳送、傳真業(yè)務(wù)等。DG方式則適用于面向事務(wù)的詢向／響應(yīng)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。虛電路與數(shù)據(jù)報(bào)的比較——應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：靈活；傳輸時(shí)延??；信道利用率高；可靠性高；經(jīng)濟(jì)性好。缺點(diǎn)：由網(wǎng)絡(luò)附加的傳輸信息較多，傳輸長報(bào)文的效率比較低；技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

報(bào)文交換的時(shí)延分組交換的時(shí)延分組交換和報(bào)文交換比較整段完整信息傳輸切分為小塊傳輸三種基本交換方式的比較電路交換報(bào)文交換分組交換通路建立時(shí)間長中短實(shí)時(shí)性好差中交互性好差中線路利用率低中高協(xié)議處理簡單中復(fù)雜終端一致性要求不要求不要求1.4寬帶交換技術(shù)

1.4.1電信業(yè)務(wù)和媒體傳輸特性隨著技術(shù)的發(fā)展和人們需求的增加，信息傳輸?shù)拿襟w方式由單一的話音傳輸向話音、數(shù)據(jù)、文本、圖形、動畫和圖像、視頻復(fù)合的多媒體信息轉(zhuǎn)化。新一代的業(yè)務(wù)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：傳輸要求具有不同的速率，具有不同的突發(fā)性。具有不同的誤差要求和時(shí)延要求。1.4.2快速電路交換電路交換固定分配帶寬，不能適應(yīng)突發(fā)業(yè)務(wù)。快速電路交換：當(dāng)呼叫建立時(shí)，在呼叫連接上的所有交換節(jié)點(diǎn)要在相應(yīng)的路由上分配所需的帶寬，與電路交換不同的是交換節(jié)點(diǎn)只記住所分配的帶寬和相應(yīng)路由連接關(guān)系，而不完成實(shí)際的物理連接。當(dāng)用戶真正要傳送信息時(shí)，才根據(jù)事先分配的帶寬和建立的連接關(guān)系，建立物理連接；當(dāng)沒有信息傳送時(shí)，則拆除該物理連接。由此可知，快速電路交換是在要傳送用戶信息時(shí)才連接物理傳輸通道，即只在信息要傳送時(shí)才使用所分配的帶寬和相關(guān)資源，因而它提高了帶寬的利用率。

快速電路交換的特點(diǎn)

由于并不為每個(gè)呼叫專門分配和保留其所需的帶寬，因此提高了帶寬

的使用效率。物理連接的建立和拆除要有相當(dāng)高的速度。由于只有當(dāng)信息發(fā)送時(shí)才建立真正的連接，因此時(shí)延比通常的電路交換要大?？焖匐娐方粨Q雖然也提高了帶寬的利用率，但控制復(fù)雜，其靈活性比不上快速分組交換，故未得到廣泛應(yīng)用。1.4.3快速分組交換——幀中繼

數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議X.25采用虛電路復(fù)用方式提高信道利用率，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)馁M(fèi)用。在網(wǎng)絡(luò)相鄰結(jié)點(diǎn)的傳輸通路上執(zhí)行差錯控制協(xié)議，保證相鄰網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)正確性。采用流量控制，保證線路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不超過信道容量。X.25協(xié)議規(guī)定了較豐富的控制功能，獲得了很高的可靠性，但卻導(dǎo)致了分組通過網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延比較大。幀中繼技術(shù)幀中繼采用的是永久虛電路方式。取消了X.25協(xié)議的數(shù)據(jù)差錯控制，將由網(wǎng)絡(luò)完成的差錯控制由終端完成。網(wǎng)絡(luò)只進(jìn)行差錯檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯誤就把分組丟棄。幀中繼數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緮?shù)據(jù)單元是幀，幀是數(shù)據(jù)鏈路層的概念。幀的格式做了簡化，去掉了有關(guān)進(jìn)行鏈路差錯控制的幀中的域。幀中繼數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)據(jù)鏈路連接標(biāo)志符（DLCI）。DLCI指明數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，填入交換機(jī)的路由表中，指示信息傳輸?shù)耐ǖ?，并沒有分配網(wǎng)絡(luò)資源。永久虛電路(PVC)應(yīng)用戶預(yù)約，由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者為之建立固定的虛電路，而不需在呼叫時(shí)臨時(shí)建立虛電路，可直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送階段的方式。分組交換與幀中繼的比較

固定長度的信元信元(cell)只有53個(gè)字節(jié)(byte)，其中開頭5個(gè)字節(jié)稱為信頭(cellheader)，其余48個(gè)字節(jié)為信息域，或稱為凈荷(payload)。采用很短的信元可以減少交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的緩沖器容量以及排隊(duì)時(shí)延和時(shí)延抖動。信元的長度固定，則有利于簡化交換控制和緩沖器管理。面向連接ATM采用面向連接的方式。即用戶信息傳送前，先要有連接建立過程，在信息傳送結(jié)束后，要拆除連接。它不是物理連接，而是一種虛連接(VC：VirtualConnection)。ATM交換-異步傳送模式取消差錯控制和流量控制ATM運(yùn)行在誤碼率很低的光纖傳輸網(wǎng)上，同時(shí)預(yù)約資源機(jī)制保證網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)呢?fù)載小于網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，因此取消了傳輸鏈路上的差錯控制和流量控制。如果出現(xiàn)差錯，則由終端設(shè)備判斷和處理。信頭簡化

ATM信元的信頭功能有限，主要是虛連接的標(biāo)識，還有優(yōu)先級標(biāo)志、信頭的差錯檢驗(yàn)等。ATM交換同步時(shí)分（時(shí)間位置、物理信道）(STD：SynchronousTimeDivision)異步時(shí)分（標(biāo)記、物理信道）(ATD：AsynchronousTimeDivision)時(shí)分交換ATD與STD的概念

ATM技術(shù)是以分組傳送模式為基礎(chǔ)，融合了電路傳送模式高速化的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展而成的。ATM克服了STM不能適應(yīng)任意速率業(yè)務(wù)，難以導(dǎo)入未知新業(yè)務(wù)的缺點(diǎn)；簡化了分組通信中的協(xié)議，并由硬件對簡化的協(xié)議進(jìn)行處理，交換節(jié)點(diǎn)不再對信息進(jìn)行流量控制和差錯控制，從而極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸處理能力。ATM交換的優(yōu)點(diǎn)IP:流行通信協(xié)議，為互連的異種物理網(wǎng)絡(luò)提供了統(tǒng)一的IP地址，從而屏蔽了下層物理網(wǎng)絡(luò)地址的差異性，統(tǒng)一了異種網(wǎng)絡(luò)地址，保證了異種網(wǎng)絡(luò)互通。IPoverATM有兩種模式：疊加模型,集成模型Internet已取得了巨大成功，但隨著用戶量的急劇增加，由多層路由器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)已趨于飽和，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常阻塞，用戶的業(yè)務(wù)質(zhì)量得不到保證，為此需用ATM技術(shù)對傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)。IP交換和標(biāo)記交換就是ATM技術(shù)與IP路由技術(shù)結(jié)合的兩個(gè)產(chǎn)物，最后這兩種產(chǎn)物技術(shù)統(tǒng)一成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)多協(xié)議標(biāo)記交換MPLS。

IP交換和標(biāo)記交換1.5光交換技術(shù)

光技術(shù)在信息的傳輸中已得到廣泛應(yīng)用，特別是在B-ISDN中幾乎所有的傳輸都采用光纖傳輸，而目前的交換機(jī)都是電交換機(jī)，采用光交換已是迫切需要。光交換技術(shù)的傳輸路徑采用空分、時(shí)分和波分的交換方式。光→電光→電電→光電→光電交換······光→電光→電電→光電→光電交換······光信號光信號光交換······光信號光交換的優(yōu)點(diǎn)減少了光電轉(zhuǎn)換的損傷。光信號的抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電信號。提高了交換速度。電交換的速度受電子器件的速度限制。1.6軟交換軟交換技術(shù)是能夠?qū)F(xiàn)