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第4章现代数字交换技术4.1概述4.2电路交换4.3存储／转发交换4.4ATM交换4.5IP交换4.6软交换4.7光交换4.1概述4.1.1交换的概念1、交换的引入通信的目的是在信息的源和目的之间传送信息，这个源和目的对应的就是各种通信终端，比如两个人要想通话，最简单的就是各自拿两个话机，用一条通信线路连接起来就可实现通话，如图4-1（a）所示；同样，两个人要想传送文件，可各自使用一台计算机，通过串口线经RS232接口连接起来，实现信息的传送。当存在多个终端，而且希望它们中的任何两个都可以进行点对点的通信时，最直接的方法是把所有终端两两相连，这样的连接方式称为全互连式。但这样需要的连线数为条。我们以五部电话机的连接为例，五个用户要两两都能通话，则需要总电路数为10条。21/2NCNN（－）当终端数目较少，地理位置相对集中时还可以采用这种全互联式。如果用户数量增多，全互连式需要的电路数量会增多，用在线路方面的投资也随着增加。如10000个用户，则需要万条电路。除此之外，这种方式在每次通话时还要考虑对方终端的连接情况，是否与自己的连线相连。同时，若新增一个终端，则需要与前面已有的所有终端进行连线，工程浩大，在实际操作中没有可行性。2100005000C为了解决这一问题，我们很自然地想到在用户密集的中心安装一个设备，把每个用户的电话机或其他终端设备都用各自专用的线路连接在这个设备上。此设备相当于一个开关接点，平时处于断开状态，当任意两个用户之间交换信息时，该设备就把连接这两个用户的有关节点合上，这时两用户的通信线路连通。当两用户通信完毕，才把相应的节点断开，两用户之间的连线就断开。由于该设备的作用主要是控制用户之间连接的通断，类似于普通的开关，所以称其为交换设备（或交换节点）。在英文中就称其为“switch”，交换技术就称为“switchbtechnology”。2、交换的概念所谓交换，就是在通信网上，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。多个交换节点组成的电话交换网见图4-3所示。这里所说的通信网，是指由一定数量的节点（包括交换设备和终端设备）和连接节点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系。4.1.2交换方式的分类所谓交换方式是指对应于各种传输模式，交换机为完成其交换功能所采用的互通(Intercommunication)技术。交换方式主要分为两类。1、电路交换方式（或线路交换方式）网络节点内部完成对通信线路（在空间或时间上）的连通，为数据传输提供专用的（或物理的）传输通路（即物理连接）。物理连接是指用户通信过程中，无论用户有无信息传送，交换网络始终按照预先分配的物理带宽资源保持其专用的接续通路。2、存储／转发交换方式（或信息交换方式）网络节点运用程序方法先将途经的数据流按传输单元接收并存储下来；然后，选择一条合适的链路将它转发出去，在逻辑上为数据传输提供了传输通路（即逻辑连接）。逻辑连接是指只有在用户有信息传送时，才按需分配物理带宽资源，提供接续通路，因此逻辑连接也称为虚连接。存储／转发交换方式又分为报文交换和分组交换。4.2电路交换4.2.1电路交换的基本过程电路交换又称为线路交换，它是以接通电路为目的的交换方式，电话网中就是采用电路交换方式。我们以打一次电话来体验这种交换方式。打电话时，首先是摘起话机，交换机送来拨号音，听到拨号音后开始拨号。拨号完毕，交换机就知道了要和谁通话，并为双方建立一个连接，于是双方进行通话。等一方挂机后，交换机就把双方的线路断开，为双方各自开始一次新的通话做好准备。因此，我们可以体会到，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。整个电路交换的过程包括建立线路、占用线路并进行数据传输、释放线路三个阶段。电路交换的特点：①独占性：建立线路之后，释放线路之前，即使站点之间无任何数据可以传输，整个线路仍不允许其它站点共享，因此线路的利用率较低，并且容易引起接续时的拥塞。②实时性好：一旦线路建立，通信双方的所有资源（包括线路资源）均用于本次通信，除了少量的传输延迟之外，不再有其它延迟，具有较好的实时性。③线路交换设备简单，不提供任何缓存装置。④用户数据透明传输，要求收发双方自动进行速率匹配。电路交换最大的缺点就是电路利用率低，带宽固定不灵活。通信过程中始终独占一条信道，以电话通信中的电路交换为例，电路接通后，讲话的双方总是一个在听，一个在说，电路空闲时间大约是50％。如果考虑说话过程中的停顿，那么空闲时间还要更多。有统计数据表明，电路交换的电路利用率只有36%左右。因此，电路交换比较适用于信息量大、长报文、恒定速率的语音用户之间的通信。4.2.3数字程控交换原理1、数字交换的概念数字程控交换机直接交换数字化的话音信号，欲实现数字信号交换的目的，必须做到在不同话路时隙发送和接收信号。只有这两个方向的交换同时建立起来，才能完成数字话音信号交换。实现这个功能要依靠数字交换设备。数字交换实质上就是把PCM系统有关的时隙内容在时间位置上进行搬移，因此数字交换也叫做时隙交换。当进入数字交换设备只有一套PCM系统时，交换仅在这条总线的30个话路时隙之间进行。为了扩大数字信号的交换范围，要求数字交换设备还要具有在不同PCM总线之间进行交换的功能。概括起来说要实现时隙交换，数字交换设备应该具有以下交换功能：（1）在同一条PCM总线上不同时隙之间进行交换，采用时间（T）型接线器完成；（2）在不同PCM总线上同一时隙之间进行交换，采用空间（S）型接线器完成；（3）在不同PCM总线之间的不同时隙之间进行交换，采用TST或STS型交换网络完成；2、数字交换网络接线器是构成数字交换网络的基本部件，按其功能不同可分为两类：时间型接线器和空间型接线器。（1）时间型接线器①时间型接线器的组成时间型接线器又称T接线器，它的功能是完成同一条PCM总（复用）线上不同时隙内容的交换。T接线器由话音存储器SM（SpeechMemory）和控制存储器CM（ControlMemory）组成，如图4-10所示。它们都采用随机存储器（RAM）来实现。SM用来暂存编码的话音信息。每个时隙有8位编码，考虑到要进行奇偶校验等，所以SM的每个单元（即每个字）应具有8位以上字长。SM的容量，即所包含的字数应等于输入复用线（HW线）上的复用度。例如，有512个时隙，SM就要有512个单元。时分接线器的工作方式有两种。第一种是顺序写入，控制读出，简称输出控制，如图4-10（a）所示。第二种是控制写入，顺序读出，简称输入控制，如图4-10（b）所示。用这两种方式进行时隙交换的原理是相同的。顺序写入或读出是由时钟控制的，控制读出或写入则由CM完成。CM的作用是控制同步交换，其容量一般等于话音存储器的容量，它的每个单元所存的内容是由处理机控制写入的，用来控制SM读出或写入的地址。因此，CM中每个字的位数决定于SM的地址码的位数。如果SM有512个单元，需要用9位地址码选择，则CM的每个单元应有9位。②时间型接线器的交换原理现在来看看以顺序写入、控制读出方式进行时隙交换的原理。输入时隙的信息在时钟控制下，依次写入SM。显然，写时钟必须与输入时隙同步。如果读出也是顺序方式，则仅起缓冲作用，不能进行时隙交换。故在读出时，必须依照控制存储器中所存入的读出地址进行。（2）空间型接线器①空间型接线器组成空间型接线器又称为S接线器，它的功能是完成不同PCM总（复用）线之间同一时隙内容的交换。它由交叉点矩阵和控制存储器CM组成，如图4-12所示。的电子交叉点矩阵有N条输入复用线和N条输出复用线，每条复用线上有若干个时隙。NN每条输入复用线可以选择到N条输出复用线中的任一条，但这种选择是建立在一定的时隙基础上的。以第1条输入复用线为例，其第1个时隙可能选通第2条输出复用线的第1个时隙，其第2个时隙可能选通第3条输出复用线的第2个时隙，其第3个时隙可能选通第1条输出复用线的第3个时隙，等等。因此，对应于一定出入线的交叉点是按一定时隙做高速启闭的。从这个角度看，空分接线器是以时分方式工作的。各个交叉点在哪些时隙应闭合，在哪些时隙应断开，是由CM控制的，CM起同步作用。S接线器按受控性不同，也有两种类型：输出控制型和输入控制型。输出控制型表示CM控制输出线上的全部交叉接点。有多少条输出线，就有多少个控制器存储器CM。各个CM中存储单元内容为输入线的号码。输入控制型表示CM控制输入线上的全部交叉接点。有多少条输入线，就有多少个控制器存储器CM。各个CM中存储单元内容为输出线的号码。HW入iHW出j②空分接线器的工作原理对应于每条入线都配有一个控制存储器。由于它要控制入线上每个时隙接通到哪一条出线上，所以控制存储器的容量等于每条复用线上的时隙数，而每个单元的位数则决定于选择输出线的地址码位数。例如，每条复用线上有512个时隙，交叉点矩阵是32×32，则要配有32个控制存储器，每个控制存储器有512个单元，每个单元有5位，可选择32条出线。控制存储器也可以按输出线设置，即每一条输出复用线用一个控制存储器控制该输出复用线上各个时隙依次与哪些输入复用线接通。（3）TST数字交换网络在大型程控交换机中，要求数字交换网络的容量较大，需将T接线器与S接线器按一定规律组合起来方能实现。目前应用较多的是TST网络，TST是三级交换网络，两侧为T接线器（简称TA和TB），中间一级为S接线器，S级的出入线数决定于两侧T接线器数量。除了三级网络结构外，还存在多级网络结构。例如，TSST结构的四级网络；TSSST和SSTSS等结构的五级网络以及具有TSSSST结构的六级网络等。3、数字程控交换机的组成数字程控交换机包括硬件和软件两大部分组成。其基本结构如图4-16所示。数字程控交换机的硬件包括话路系统和控制系统两部分，软件部分主要是指存放在存储器中的数据和程序。其话路系统有用户集线器、远端用户集线器、数字选组级和各种中继器，控制系统由各个微处理机和交换程序模块组成。除此之外还有产生各种信令，辅助建立接续通路的信令设备。图4-16数字程控交换机基本结构图中各部分的基本功能如下：（1）话路系统①用户电路数字交换机为每一个用户配备一个用户电路，其功能的英文第一个字母拼凑起来称为BORSCHT功能。各个字母所表示的功能为：B——向用户话机馈电。馈电电压在我国规定为-60V，国外设备多为-48V。O——过压保护。防止高压进入数字交换网络，使用户内线电压保持在规定数值。R——振铃控制。在用户电路配置振铃继电器，控制铃流回路的通断。S——监视。通过监视用户线回路的通／断状态检测用户摘挂机、拨号等状态。H——二线／四线转换：用户线为二线，收发共用。信号经过用户电路以后，发送方向为二线，接收方向也为二线，合起来为四线。二线／四线的转换功能由用户电路完成。T——测试用户线和用户电路。②用户集线器交换机的用户数量很大，但每个用户的话务量不高，通过用户集线器可以将一群用户集中起来，通过较少的线路接到数字交换网络，以提高内部通路的利用率。③数字交换网络提供话路系统的接续功能。④中继器中继器是数字交换机为适应周围环境而设置的接口设备，分为模拟中继器和数字中继器两种类型。模拟中继器在数字交换机与模拟中继线之间完成适配作用，它一端接到数字交换网络，另一端接到模拟中继线，因此模拟中继器的输入、输出信号形式完全不同（一端是数字信号，另一端是模拟信号）。数字中继器是数字交换机与数字中继线之间的接口设备，所以它的输入、输出都是数字信号。数字中继器连接其他数字交换机或远端用户集线器，用来解决信号传输、同步及信令配合等连接问题。（2）控制系统控制系统对话路系统施加控制，以便完成通话接续。控制软件一般采用分层模块化结构，从功能角度划分为操作系统、呼叫处理和维护管理3部分。由微处理机组成的控制结构一般采用多机分散控制（分级分散控制或分布式分散控制）。为了安全可靠，微处理机及程序模块都需要一定方式的备份，微处理机的数量及分工取决于备用的配置方式。（3）软件系统