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交换理论与技术讲义1信息交换理论与技术同济大学信息与通信工程系薛小平教授交换理论与技术讲义2课程学习要求•课程内容–数字交换和数字交换网络，包括数字交换原理、T型时分接线器、S型时分接线器、多级时分交换网络、阻塞的概念与计算、程控交换机的软件及硬件及其信令–新一代交换原理及思想，包括智能网络、移动交换的概念、MPLS交换、软交换、IP交换、光交换–实验–具体内容以讲课为准交换理论与技术讲义3教学•本课程学时数为:34学时•参考书–清华大学出版社–电子工业出版社交换理论与技术讲义4电话交换史•架空明线交换理论与技术讲义5电话交换史•交换是通信系统的关键技术之一–从传统的步进制交换机，到纵横制交换机，直至程控数字交换机、异步传输模式(ATM)交换机以及现在的IP网络都离不开交换–交换就是在公共网络的各终端用户之间，按所需目的地来互相传递话音、数据、图像、视频的信息–对传统的电信行业，20世纪实际上是一个以交换为核心的世纪–21世纪研究人员仍然在研究新型的交换方式，如软交换、IP交换、光交换等交换理论与技术讲义6电话交换史•交换机发展历程•目前，IP交换-软交换技术得到了迅速发展交换理论与技术讲义7电话交换史•人工电话交换机–人工接通电路–体积大、容量小–动作速度慢–错误率高交换理论与技术讲义8电话交换史•步进制电话交换机–自动化交换–噪音大–体积大，容量小交换理论与技术讲义9电话交换史•纵横制电话交换机–自动交换–体积变小–噪声小–容量不大交换理论与技术讲义10电话交换史•程控交换机（计算机存储程序控制的交换机）–本质是计算机–程序控制–体积小、噪声小–容量大–面向的仍然是电话交换交换理论与技术讲义11电话交换史•IP交换–通常称为路由器–实质上是分组转发–Cisco等主要生产厂商–最初是数据交换，现在集数据、话音、视频于一体的交换交换理论与技术讲义12交换的概念•通信的目的是在信息的源和目的之间传送信息–源和目的：各种通信终端（用户）•两个用户要想通话，最简单的就是用一条通信线路连接起来就可实现通话交换理论与技术讲义13交换的概念•两个用户要想传送文件，通过串口线经RS232口连接起来，实现信息的传送•点到点的通信方式的系统构成交换理论与技术讲义14交换的概念•当有多个终端（用户）要实现相互之间的通信–例如5个电话终端，同样采用上述方法，即两两之间通过传输线路分别连接起来交换理论与技术讲义15交换的概念•每个用户就要用4条通信线路，将电话机分别与另外的4个终端相连•当n个终端要实现两两之间的通信，采用上述两两互连的方法，需要的线对数为n(n-1)/2•当终端数n=100时，则线对数=100*(100-1)/2=4950(条)•实现多个用户的通信是不现实的，线路浪费很大有没有办法来解决多个用户间的通信？交换理论与技术讲义16交换的概念•改变一下思路–原来是用户间直接相连，假如有一个服务员可以在中间做传递，效果如何呢？–各用户的通信终端不是两两互连，而是连到交换机上，由交换机完成用户终端之间的通信连接–用户终端只需要一对线对与交换机相连由于用户线不能太长，这种方式只能解决部地区性的问题交换是在通信网上负责在通信的源和目的终端之间建立通信信道传送通信信息的机制，即根据目的地，在源和目的终端之间传送通信信息交换理论与技术讲义17交换的概念•更大范围的交换问题–将多个交换节点组成的通信网–通信网是由交换设备、传输设备和用户终端设备组成交换理论与技术讲义18交换的概念•交换节点可控制的接续类型–本局接续–出局接续–入局接续–转接接续交换理论与技术讲义19交换的概念•传统交换节点的基本功能–正确接收和分析从用户线或中继线发来的呼叫信号、地址信号–按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号–控制连接的建立与拆除交换理论与技术讲义20交换的概念•近年来，交换概念的内涵扩展了，丰富了交换的概念•从传统的电路交换转变成分组交换•以IP技术为代表的分组交换技术得到了广泛的应用和发展•交换的内容发生了质的变化–交换的概念不仅涉及对延时敏感的话音，且包含数据交换和视频交换–交换概念不再是电路交换，也不完全是分组交换，而是信息交换交换理论与技术讲义21交换的概念•随着计算机技术与通信技术的发展，国际标准化组织(ISO)提出了开放系统互联参考模型(OSI-RM)•OSI的下四层(物理层、数据链路层、网络层和传输层)为通信层•通信层可根据层间通信协议进行子网间的连接交换理论与技术讲义22交换的概念•以前交换的概念几乎是面向连接的服务的•现代交换的概念已经扩展至协议堆的各层，且是从统计的角度来定义的–新交换的概念可以应用在局域网和广域网•最早在局域网中的交换概念是第二层交换，为解决以太网共享带宽瓶颈问题而提出的，采用了MAC地址作为识别交换端口的标识–值得注意的是，在广域网中早就采用了第二层交换，如帧中继和ATM交换交换理论与技术讲义23交换的概念•任何数据的转发都可以叫做交换–传统的、狭义的第二层交换技术，仅包括数据链路层的转发–第三层交换(也称多层交换技术，或IP交换技术)是相对于传统交换概念而提出的–三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发交换理论与技术讲义24交换技术及其演进•将各种交换方式按其传送模式的不同分为电路传送模式(CTM-CircuitTransferMode)、分组传送模式(PTM-PacketTransferMode)、异步转移模式(ATM-AsynchronousTransferMode)交换理论与技术讲义25交换技术及其演进•以电路连接为目的的交换方式是电路交换方式–电话网中就是采用电路交换方式–电路交换的动作，就是在通信时建立(即连接)电路，通信完毕时拆除(即断开)电路–至于在通信过程中双方传送信息的内容，与交换系统无关交换理论与技术讲义26交换技术及其演进•公共交换电话网(PSTN网)和移动网(包括GSM网和CDMA网)采用的都是电路交换技术，基本特点是采用面向连接的方式•优点–在通信过程中可以保证为用户提供足够的带宽，并且实时性强，时延小，交换设备成本较低•缺点–网络的带宽利用率不高，一旦电路被建立不管通信双方是否处于通话状态，分配的电路都一直被占用交换理论与技术讲义27交换技术及其演进•多速率电路交换(MRCS：Multi-RateCircuitSwitching)就是采用电路交换方式为用户提供多种速率的通信信道•实现方法有两种–采用一个统一的多速率交换网络–采用多个不同速率的交换网络交换理论与技术讲义28交换技术及其演进•多速率电路交换的特点–基本速率较难确定•基本速率定得低，难以实现较高带宽的业务•基本速率定得高，对低带宽业务会造成浪费–速率类型不能太多–不适应突发业务–控制较复杂交换理论与技术讲义29交换技术及其演进•快速电路交换只在信息要传送时才分配带宽和有关资源•在呼叫建立时，有关交换节点要在相应路由上分配所需的带宽，且要记忆所分配的带宽和去向•实际上只是建立了虚电路，即逻辑连接，而不是物理连接•当用户发送信息时，通过呼叫标识查到该呼叫所需的带宽和去向，才激活虚电路，建立物理连接交换理论与技术讲义30交换技术及其演进•快速电路交换的特点–由于并不为每个呼叫专门分配和保留其所需的带宽，提高了带宽的使用效率–物理连接的建立和拆除要有相当高的速度–由于只有当信息发送时才建立真正的连接，因此时延比通常的电路交换要短–快速电路交换虽然也提高了带宽的利用率，但控制复杂，其灵活性比不上快速分组交换，故未得到广泛应用交换理论与技术讲义31交换技术及其演进•报文交换(MessageSwitching)又称为存储转发交换–与电路交换的原理不同，不需要提供通信双方的物理连接，而是将所接收的报文暂时存储。报文中除了用户要传送的信息以外，还有目的地址和源地址–公用电信网的电报自动交换是报文交换的典型应用，有的专用数据网也采用报文交换方式交换理论与技术讲义32交换技术及其演进•分组交换技术是伴随着计算机网络的发展而发展的，将用户传送的数据划分成一定的长度，每个部分叫做一个分组–在每个分组的前面加上一个分组头，用以指明该分组发往何地，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将它们转发至目的地，这一过程称为分组交换–进行分组交换的通信网称为分组交换网–分组交换的思想是从报文交换而来的，采用存储转发(Storeandforward)方式的分组交换(PS：PacketSwitching)与报文交换的不同在于：–分组交换将用户要传送的信息分割为若干个分组(packet)，每个分组中有一个分组头，含有可供选路的信息和其他控制信息交换理论与技术讲义33交换技术及其演进交换理论与技术讲义34交换技术及其演进-分组交换方式•特点–分组交换能够实现不同类型的数据终端设备(含有不同的传输速率、不同的代码、不同的通信控制规程等)之间的通信，具有分组多路通信功能，数据传输质量高、可靠性高–分组交换比电路交换的电路利用率高，比报文交换的传输时延小，交互性好交换理论与技术讲义35交换技术及其演进-分组交换方式报文交换与分组交换的区别交换理论与技术讲义36交换技术及其演进-分组交换方式•分组交换可提供两种连接方式–虚电路(VC:VirtualCircuit)方式–数据报(DG:Datagram)方式•虚电路方式–就是在用户数据传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的虚电路–一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送，最后通过呼叫清除分组来拆除虚电路–不同于电路交换中的物理连接，而是逻辑连接交换理论与技术讲义37交换技术及其演进-分组交换方式•虚电路的两种方式–交换虚电路(SVC：SwitchedVirtualCircuit)-用户通过发送呼叫请求分组来建立虚电路的方式–永久虚电路(PVC：PermanentVirtualCircuit)-应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，而不需在呼叫时临时建立虚电路，可直接进入数据传送阶段的方式交换理论与技术讲义38交换技术及其演进-分组交换方式•数据报–数据报不需要预先建立逻辑连接，而是按照每个分组头中的目的地址对各个分组独立进行选路–虚电路是一种面向连接的方式(OC:OrientedConnection)，即在呼叫前要事先建立虚连接；数据报是一种无连接方式(CL:ConnectionLess)，在呼叫前不需要事先建立连接，而是边传送信息边寻路交换理论与技术讲义39交换技术及其演进-帧中继•帧中继协议是在X.25分组交换技术的基础上发展起来的一种快速分组交换技术，是改进了的X.25协议•采用动态分配传输带宽和可变长的帧的技术，适用于处理突发性信息和可变长度帧的信息，是局域网互联的最佳选择•帧中继是进入带宽范围从56kbit到1.544Mbit的广域分组交换网的用户接口•帧中继是从综合业务数字网中发展起来的，并在1984年推荐为国际电话电报咨询委员会(CCITT)的一项标准，•由美国国家标准协会授权的美国TIS标准委员会也对帧中继做了一些初步工作交换理论与技术讲义40交换技术及其演进-帧中继•帧中继采用带宽控制技术，这是帧中继技术的特点和优点之一•在传统的数据通信业务中，特别像DDN，用户预定了一条64k的电路，那么它只能以64kbit/s的速率来传送数据•在帧中继技术中，用户向帧中继业务供应商预定的是约定信息速率(简称CIR)，而实际使用过程中用户可以以高于CIR的速率发送数据，这是帧中继吸引用户的主要原因之一交换理论与技术讲义41交换技术及其演进-ATM•ATM(AsynchronousTransferMode)：异步传输模式，是国际电信联盟ITU-T制定的标准，并推荐其为宽带综合业务数据网(B-ISDN)的信息传输模式•ATM是一种传输模式，信息被组织成信元，因包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，这种传输模式是异步的交换理论与技术讲义42交换技术及其演进-ATM•ATM信元是固定长度的分组(53个字节)，分为两个部分:–5个字节为信头，主要完成寻址的功能；–4