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1、第2章 交换技术,2.1 交换技术 2.1.1 概述 一个通信网至少应由终端、传输介质和交换设备组成。 最简单的通信网（Communication Network）可以由一台交换机构成。每一台通信终端通过一条专门的用户环线（或简称用户线）与交换机中的相应接口连接。交换机能在任意选定的两条用户线之间建立和释放一条通信链路。,当用户数量很多且分布的区域较广时，一台交换机不能覆盖所有用户，这时就需要设置多台交换机组成的通信网。网中直接连接电话机或终端的交换机称为本地交换机或市话交换机，相应的交换局称为端局或市话局；仅与各交换机连接的交换机称为汇接交换机。当通信距离很远，通信网覆盖多个省市乃至全国范围
2、时，汇接交换机常称为长途交换机。交换机之间的线路称为中继线。显然，长途交换设备仅涉及交换机之间的通信，而市内交换设备既涉及交换设备之间的通信又涉及交换设备与终端的通信。,2.1.2 业务特点 1信息相关程度不同,数字信号由二进制“0”和“1”的组合编码表示。对于语音码组，传输中如果一个比特数据发生错误，不会影响它的语义，如果出现多个错误，根据前后语义的相关性，也可以推断出其含义。但如果一个数据码组在传输中发生一个比特错误，则在接收端可能会被理解成为完全不同的含义。特别对于金融、军事、医学等关键事务处理，发生的毫厘之差都会造成巨大的损失。一般而言，数据通信的比特差错率必须控制在108以下，而语音
3、通信比特差错率可达到103。,2时延要求不同,有些业务要求比特流以很小的时延和时延抖动（抖动是指信息的不同部分到达目的地时具有不同的时延）到达对端，这类业务称为实时业务。其典型的例子是64kbit/s的语音和可视电话业务。对于电话业务，端到端时延不能大于25ms，否则需要加上回波抵消器。即使在有回波抵消器的情况下，时延也不能超过500ms，否则交互式的会话将变得十分困难。与语音业务相比，大多数数据业务对时延并不敏感。,3信息突发率不同,突发率是业务峰值比特率与平均比特率的比值。突发率越大，表明业务速率变化越大。不同的业务在平均比特率和突发率方面都有不同的特征。语音的突发性主要来自突发的讲话和寂
4、静。而如果计算机通信双方处于不同的工作状态时，数据传输速率是大不相同的，尤其是批量数据传送的突发性很高。 综上所述，语音、数据等不同的通信业务具有不同的特点，因而在网络发展过程中形成了不同的交换方式，主要分为电信网交换技术和计算机交换技术。,根据网络传递用户信息时是否预先建立源端到目的端的连接，可以将网络使用的交换技术分为两类，即面向连接型和无连接型。使用相应交换技术的网络也依次称为面向连接型网络和无连接型网络。 在面向连接型网络中，两个通信节点间典型的一次数据交换过程包含3个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。其中连接建立和连接释放阶段传递的是控制信息，用户信息则在数据传输阶段传输。,4面向
5、连接和无连接,在无连接型网络中，数据传输前，不需要在源端和目的端之间先建立通信连接就可以直接通信。不管是否来自同一数据源，交换节点将分组看成互不依赖的基本单元，独立地处理每一个分组，并为其寻找最佳转发路由，因而来自同一数据源的不同分组可以通过不同的路径到达目的地。 两种方式各有优缺点，面向连接方式适用于大批量、可靠的数据传输业务，但网络控制机制复杂；无连接方式控制机制简单，适用于突发性强、数据量少的数据传输业务。,2.1.3 通信网交换技术 1电路交换,交换机在通信期间提供一条专用电路而不做差错检验和纠正，这种工作方式称为电路交换（Circuit Switching，CS）。电路交换是一种实时
6、的交换。 电路交换采用同步时分复用和同步时分交换技术，它的特点如下。 整个通信连接期间始终有一条电路被占用，即使在寂静期也是如此。信息传输时延小。 电路是“透明”的，即发送端用户送出的信息通过节点连接，毫无限制地传送到接收端。所谓“透明”是指交换节点未对用户信息进行任何修正或解释。, 对于一个固定的连接，其信息传输时延是固定的。 固定分配带宽资源，信息传送的速率恒定。 但采用电路交换方式传送数据也有以下缺点。 所分配的带宽是固定的，因此网络资源的利用率降低，不适合突发业务传送。 通信的传输通路是专用的，即使在没有信息传送时别人也不能利用，所以采用电路交换进行数据通信的效率较低。, 通信双方在信
7、息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等方面要完全兼容，这使不同速率和不同通信协议之间的用户无法接通。 存在呼损。由于通信线路的固定分配与占用方式会影响其他用户的再呼入，因此线路利用率低。 电路交换适合于电话交换、文件传送、高速传真业务使用，但它不适合突发业务和对差错敏感的数据业务使用。,电路交换方式建立的连接只有一种传送速率，常见的为64kbit/s。为了满足不同业务的带宽需要，出现了多速率电路交换（Multi-Rate Circuit Switching，MRCS）。 多速率电路交换仍然采用固定分配带宽资源的方法。与电路交换不同的是，这种交换资源的分配不是一个等级，而是多个等级。因此，实
8、现多速率交换的一个关键问题是确定基本速率（基本带宽资源）。另外多速率的类型也不能太多，否则控制复杂，难以实现。 多速率电路交换技术是窄带综合业务网（Narrowband Integrated Services Digital Network，N-ISDN）使用的交换技术。,2多速率电路交换,（1）报文交换 报文交换（Message Switching）是根据电报的特点提出来的。电报的交换传输基本上只要求单向连接，允许有一定的延迟，但报文的传送不需要提供通信双方的实时连接，但每个交换节点要有纠错、检错功能。 交换机把来自用户的报文先暂时存在交换节点内排队等候，待交换节点出口上线路空闲时，就转发至
9、下一节点，这种方式叫做存储转发（Store and Forward）交换，报文在下一节点再存储转发，直至到达目的节点。在该方式中，信息是以报文为单位传输的。为了保证报文的正确传送，网络节点必须具有信息处理、存储和路由选择功能。,3分组交换,报文交换的优点如下。 报文交换不需要事先建立连接，并且可采用多路复用，因此不独占信道，从而可大大提高线路的利用率。 用户不需要叫通对方就可发送报文，无呼损。 容易实现不同类型终端之间的通信，输入/输出电路速率及电码格式可以不同。 报文交换的主要缺点如下。 当长报文通过交换机存储并等待发送时，在交换机中产生较大时延，不利于实时通信。 要求交换机有高速处理能力及
10、大的存储容量，增加了设备费用。 报文交换适用于公共电报及电子信箱业务。,（2）分组交换 分组交换（Packet Switching，PS）把一份要发送的数据报文分成若干个较短的、按一定格式组成的分组（Packet），然后采用统计时分复用方式将这些分组传送到一个交换节点。交换节点仍然采用存储转发技术。分组具有统一格式并且长度比报文短得多，便于在交换机中存储及处理。分组通过一个交换机（节点）的平均时延比报文要小得多。 分组交换技术是在早期的低速、高出错率的物理传输线基础上发展起来的，为了确保数据可靠传送，交换节点要运行复杂的协议，以完成差错控制和流量控制等主要功能。,支持分组交换的协议有多种，根据
11、协议的不同，分组交换网络可以是面向连接的，也可以是无连接的。面向连接的分组网络提供虚电路（Virtual Circuit，VC）服务，无连接的分组网络提供数据报（Datagram，DG）服务。 分组交换存在如下优点。 由于采用“存储转发”技术，可以实现不同速率、不同代码及同步方式、不同通信规程的用户终端间的通信。 采用统计时分复用技术，多个用户共享一个信道，通信线路利用率高。 引入逐段差错控制和流量控制机制，使传输误码率大大降低，网络可靠性提高。,分组交换也存在以下缺点。 技术实现复杂。分组交换机要提供存储转发、路由选择、流量控制、速率及规程转换状态报告等，要求交换机具有较好的处理能力，所以软
12、件较为复杂。 网络附加的传输控制信息较多。由于需要把报文划分成若干个分组，每个分组头又要加地址及控制信息，因此降低了网络的有效性。 信息从一端传送到另一端，穿越网络越长，分组时延越大。 因此，传统的分组交换主要应用于数据通信，很难应用于实时多媒体业务。,4帧中继,帧中继（Frame Relay，FR）是以分组交换技术为基础的高速分组交换技术，它对目前分组交换中广泛使用的X.25通信协议进行了简化和改进，在网络内取消了差错控制和流量控制，将逐段的差错控制和流量控制处理移到网外端系统中实现，从而缩短了交换节点的处理时间。这是因为光纤通信具有低误码率的特性，所以不需要在链路上进行差错控制，而采用端对
13、端的检错、重发控制方式。,这种高速分组交换技术具有很多优点，可灵活设置信号的传输速率，充分利用网络资源，提高传输效率；可对分组呼叫进行带宽的动态分配，因此可获得低延时、高吞吐率的网络特性；速率可为64kbit/s45Mbit/s。 帧中继适用于处理突发性信息和可变长度帧的信息，特别适用于计算机网络互连。,5ATM交换,ATM是ITU-T确定的用于宽带综合业务数字网（Broadband Integrated Services Digital Network，B-ISDN）的复用、传输和交换模式。信元是ATM特有的分组单元，各种不同类型的数字信息均可被分割成一定长度的信元。信元的长度为53Byte
14、，分成两部分：5Byte的信元头含有用于表征信元去向的逻辑地址、优先级等控制信息；48Byte的信息段用来装载不同用户的业务信息。任何业务信息在发送前都必须经过分割，封装成统一格式的信元，在接收端完成相反操作以恢复业务数据原来的形式。通信过程中业务信息信元的再现，取决于业务信息要求的比特率或信息瞬间的比特率。,ATM具有以下技术特点。 ATM是一种统计时分复用技术。 ATM利用硬件实现固定长度分组的快速交换，具有时延小、实时性好的特点。 ATM是支持多种业务的传递平台，并提供服务质量（Quality of Service，QoS）保证。 ATM是面向连接的传输技术，在传输用户数据之前必须建立端
15、到端的虚连接。 信元头比分组头更简单，处理时延更小。 ATM支持语音、数据、图像等各种低速和高速业务，是一种不同于其他交换方式、与业务无关的全新交换方式。,2.1.4 计算机网络使用的交换技术,计算机网络以共享资源和交换信息为目的。从服务范围看，计算机网络分为局域网（Local Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。 局域网交换技术是在多端口网桥的基础上发展起来的。多端口网桥是一种改进了的局域网桥。与传统的网桥相比，局域网交换机能提供更多的端口，端口之间通过空分交换网络直连
16、或采用存储转发交换技术。局域网交换机的引入，简化了大型LAN的拓扑结构，减少了冲突和带宽窄的问题。,局域网交换机仍然采用广播式分组通信方式，这会导致广播风暴，因此又引入了路由器。路由器将不同的LAN互连，可以隔离广播风暴。路由器具有路由选择功能，可以为跨越不同LAN的流量选择最适宜的路径，可以绕过失效的网段进行连接，还可以进行不同类型网络协议的转换，实现异种网络互连。 路由器将很多个分布在各地的计算机局域网互连起来构成广域网，可以实现更大范围的资源共享。如今最大的广域网是Internet，它使用的协议是TCP/IP。,路由器使用无连接的分组交换技术。传统的路由器对每个要转发的分组进行大量的处理，随着网络中通信量的增加，软件处理的速度越来越慢，拥挤成为突出问题。为了解决传统路由器的瓶颈问题，引入了高速路由器。高速路由器采用多层交换技术，通过以下两种独立的方法解决瓶颈问题。 基于硬件的转发，加速转发处理过程。 基于流或标签的转发，根据通信
