现代交换原理与通信网技术-第1章交换概论

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1、现代交换原理与通信网技术,作者:卞佳丽等编著 北京邮电大学出版社 ,目 录,第1章 交换概论 第2章 交换网络 第3章 数字程控电话交换与电话交换网 第4章 信令系统 第5章 分组交换与分组交换网 第6章 ISDN交换与综合业务数字网 第7章 ATM交换与宽带综合业务数字网 第8章 IP交换技术 第9章 软交换与下一代网络 第10章 光交换,第1章 交换概论,本章将要讲述的内容: 什么是交换 为什么在通信网中一定要引入交换的功能 通信网中交换设备究竟完成哪些功能 在现有通信网中都有哪些交换方式 不同交换方式之间的区别是什么,1.1 交换的引入,图1.1 点到点通信方式,一个最简单的通信系统是只

2、有两个用户终端和连接这两个终端的传输线路所构成的通信系统，这种通信系统所实现的通信方式，我们称之为点到点通信方式，如图1.1所示。,1.2 各种交换方式,在通信网中，交换功能是由交换节点即交换设备来完成的。不同的通信网络由于所支持业务的特性不同，其交换设备所采用的交换方式也各不相同，目前在通信网中所采用的或曾出现的交换方式主要有以下几种： l 电路交换 l 帧中继 l 多速率电路交换 l ATM交换 l 快速电路交换 l IP交换 l 分组交换 l 光交换 l 帧交换 l 软交换,常用的分类方法 : 若按照信息传送模式的不同，可将交换方式分为电路传送模式（CTM-Circuit Transfe

3、r Mode）、分组传送模式（PTM-Packet Transfer Mode）和异步传送模式（ATM-Asynchronous Transfer Mode）三大类，如电路交换、多速率电路交换、快速电路交换属于电路传送模式，分组交换、帧交换、帧中继属于分组传送模式，而ATM交换则属于异步传送模式,图1.7各种交换方式,1.2.1 电路交换 （CS:Circuit Switching),图1.8电路交换的基本过程,电路交换具有以下6个特点：,(1)信息传送的最小单位是时隙 (2)面向连接的工作方式（物理连接） (3)同步时分复用（固定分配带宽）如图1.9,图1.9同步时分复用的基本原理,如图1.

4、10所示，电路交换基于PCM30/32路同步时分复用系统，每秒钟传送8000个帧，每帧32个时隙，每个时隙8比特，每路通信信道（TS）为64kbit/s恒定速率，即对每路通信所分配的带宽是固定的。在信息传送阶段不管有无信息传送，都占用这个TS子信道，直到通信结束。,图1.10PCM30/32路同步时分复用系统,(4)信息传送无差错控制,(5)信息具有透明性,(6)基于呼叫损失制的流量控制,综述: 通过上述对电路交换特点的分析，我们不难看到：通信网的业务特性决定了所采用的交换方式的特点，换句话说，通信网采用的交换方式一定要适应其业务特性。电话通信网中的话音业务，具有实时性强、可靠性要求不高的特点

5、，而电路交换不管是其面向连接的特点，还是对信息无差错控制、透明传输以及基于呼叫损失制的流量控制特点，都满足了话音业务的特性，因而电话通信网采用电路交换方式。 电路交换由于无差错控制机制，因而对数据交换的可靠性没有分组交换高，不适合对差错敏感的数据业务；同时由于电路交换采用固定带宽分配方式，因而其电路利用率低、不适合突发（burst）业务。电路交换适合于实时性、恒定速率的业务。,1.2.2 多速率电路交换 （MRCS:Multi-Rate Circuit Switching）,多速率电路交换其本质还是电路交换，具有电路交换的主要特点，我们可以将其看作是采用电路交换方式为用户提供多种速率的交换方式

6、。 多速率电路交换和电路交换都采用同步时分复用方式，即只有一个固定的基本信道速率，如64kbit/s。多速率电路交换的一种实现方式是，可以将几个这样的基本信道捆绑起来构成一个速率更高的信道，供某个通信使用，从而实现多速率交换. 实现多速率电路交换的另一种方式是设置多种基本信道速率，这样，一个帧就被划分为不同长度的时隙。如图1.11和图1.12,图1.11 采用不同基本信道 速率的帧结构,图1.12采用多种基本信道速 率的多速率电路交换系统,从上述多速率电路交换实现的方法来看，该交换方式还是基于固定带宽分配的，虽然能提供多种速率，但这些速率是事先定制好的，而且速率类型不能太多，否则其控制和交换网

7、络会非常复杂，甚至于无法实际实现，因而这种交换方式不能真正灵活地适应突发业务。,1.2.3 快速电路交换 （FCS:Fast Circuit Switching）,在快速电路交换中，当呼叫建立时，在呼叫连接上的所有交换节点要在相应的路由上分配所需的带宽，与电路交换不同的是交换节点只记住所分配的带宽和相应路由连接关系，而不完成实际的物理连接。当用户真正要传送信息时，才根据事先分配的带宽和建立的连接关系，建立物理连接；当没有信息传送时，则拆除该物理连接。由此可知，快速电路交换是在要传送用户信息时才连接物理传输通道，即只在信息要传送时才使用所分配的带宽和相关资源，因而它提高了带宽的利用率。,1.2.

8、4 分组交换 （PS:Packet Switching),分组交换的本质就是存储转发,它将所接收的分组暂时存储下来，在目的方向路由上排队，当它可以发送信息时，再将信息发送到相应的路由上，完成转发。其存储转发的过程就是分组交换的过程.如图1.13说明了分组交换的基本过程。,图1.20分组交换的基本过程,分组交换有两种方式，一种是虚电路（VCVirtual Circuit）方式，另一种是数据报（DGDatagram）方式。 虚电路采用面向连接的工作方式（OCOriented Connection），其通信过程与电路交换相似，具有连接建立、数据传送和连接拆除三个阶段，即在用户数据传送前先建立端到端的

9、虚连接；一旦虚连接建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚连接传送；通信结束时拆除该虚连接。我们将虚连接也称为虚电路，即逻辑连接，它不同于电路交换中的实际的物理连接，而是通过通信连接上的所有交换节点保存选路结果和路由连接关系来实现连接的，因而是逻辑的连接。虚电路方式的特点如图1.14所示。,图1.14虚电路方式特点,数据报采用无连接工作方式（CLConnection Less），在呼叫前不需要事先建立连接，而是边传送信息边选路，并且各个分组依据分组头中的目的地址独立地进行选路。,图1.15数据报方式特点,面向连接工作方式和无连接工作方式的特点,（1）面向连接工作方式的特点： 不管是面向物理的

10、连接还是面向逻辑的连接，其通信过程可分为三个阶段：连接建立、传送信息、连接拆除。 一旦连接建立，该通信的所有信息均沿着这个连接路径传送，且保证信息的有序性（发送信息顺序与接收信息顺序一致） 信息传送的时延相比无连接工作方式要小。 一旦所建立的连接出现故障，信息传送就要中断，必须重新建立连接，因此对故障敏感。,（2）无连接工作方式的特点： l 没有连接建立过程，一边选路、一边传送信息。 l 属于同一个通信的信息沿不同路径到达目的地，该路径事先无法预知，无法保证信息的有序性（发送信息顺序与接收信息顺序不一致）。 l 信息传送的时延相比面向连接工作方式要大。 l 对网络故障不敏感。,分组交换具有以下

11、6个特点,信息传送的最小单位是分组（Packet） 分组由分组头和用户信息组成，分组头含有选路和控制信息。 面向连接（逻辑连接）和无连接两种工作方式 虚电路采用面向连接的工作方式，数据报是无连接工作方式。 统计时分复用（动态分配带宽）,图1.16统计时分复用的基本原理,统计时分复用的基本原理是把时间划分为不等长的时间片，长短不同的时间片就是传送不同长度分组所需的时间，对每路通信没有固定分配时间片，而是按需来使用。当某路通信需要传送的分组多时，所占用的时间片的个数就多；传送的分组少时，所占用的时间片的个数就少。这也就意味着使用这条复用线传送分组时间的长短，由此可见统计时分复用是动态分配带宽的。

12、l信息传送有差错控制 l信息传送不具有透明性 l基于呼叫延迟制的流量控制 分组交换的技术特点决定了它不适合对实时性要求较高 的话音业务，而适合突发（burst）和对差错敏感的数据业务。,1.2.5 帧交换 （FS:Frame Switching）,帧交换是一种帧方式的承载业务，为克服分组交换协议处理复杂的缺点，它简化了协议，其协议栈只有物理层和数据链路层，去掉了三层协议功能，从而加快了处理速度。由于在二层上传送的数据单元为帧，因此称其为帧交换。,图1.17分组交换、帧交换、帧中继协议处理的不同,1.2.6 帧中继 （FR:Frame Relay）,帧中继与帧交换方式相比，其协议进一步简化，它不

13、仅没有三层协议功能，而且对二层协议也进行了简化。它只保留了二层数据链路层的核心功能,没有了流量控制、重发等功能，以达到为用户提供高吞吐量、低时延特性，并适合突发性的数据业务的目的。,表1.1分组交换、帧交换、帧中继技术特点比较,1.2.7 ATM交换,CTM技术特点是固定分配带宽、面向物理连接、同步时分复用，适应实时话音业务，具有较好的时间透明性； PTM技术特点是动态分配带宽、面向无连接或逻辑连接、统计时分复用，适应可靠性要求较高、有突发特性的数据通信业务，具有较好的语义透明性。 ATM交换技术是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式的优点发展而来的，兼具分组传送模式和电路传送模式的优点。

14、,ATM交换技术主要有以下几个特点：,l固定长度的信元和简化的信头 l采用了异步时分复用方式 l采用了面向连接的工作方式 综述: ATM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。采用异步时分复用方式，实现了动态分配带宽，可适应任意速率的业务；固定长度的信元和简化的信头，使快速交换和简化协议处理成为可能，从而极大地提高了网络的传输处理能力，使实时业务应用成为可能。,图1.18异步时分复用的基本原理,1.2.8 IP交换,在这里我们所说的IP交换是指一类IP与ATM融合的技术它主要有两大类：叠加模型、集成模型。 属于叠加模型的IP交换技术主要有CIP 、 IPOA和MP

15、OA。在叠加模式中，IP层运行于ATM层之上，实现信息传送需要两套地址ATM地址和IP地址、两种选路协议ATM选路协议和IP选路协议，还需要地址解析功能，完成IP地址到ATM地址的映射。 属于集成模型的IP交换技术主要有IP交换、Tag交换和MPLS。在集成模式中，只需要种地址IP地址，一种选路协议IP选路协议，无需地址解析功能，不涉及ATM信令，但需要专用的控制协议来完成3层选路到2层直通交换机构的映射。,1.2.9 光交换,网络中大量传送的是光信号，而在交换节点信息还以电信号的形式进行交换，那么当光信号进入交换机时，就必须将光信号转变成电信号，才能在交换机中交换，而经过交换后的电信号从交换

16、机出来后，需要转变成光信号才能在光的传输网上传输，如图1.19所示。这样的转换过程不仅效率低下，而且由于涉及到电信号的处理，要受到电子器件速率“瓶颈”的制约。,图1.19光信号的电交换,光交换是基于光信号的交换，如图1.20所示。在整个光交换过程中，信号始终以光的形式存在，在进出交换机时不需要进行光/电转换或者电/光转换，从而大大提高了网络信息传送和处理能力。,图1.20光交换,1.2.10 软交换,NGN（Next Generation Network）即下一代网络，实现了传统的以电路交换为主的PSTN网络向以分组交换为主的IP电信网络的转变，从而使在IP网络上发展语音、视频、数据等多媒体综合业务成为可能。 软交换是下一代网络的控制功能实体，它独立于传送网络，主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务，并向第三方提供可编程能力，它是下一代网络呼叫与控制的核心。,软交换最核心的思想就是业务/控制与传送/接