第1章交换技术概述

第一章交换技术概述§1.1交换的基本概念一、通信的概念1．通信的定义：消息的传递。通信是指不在同一地点的双方或多方之间进迅速、有效的信息传递。通信从本质上讲就是实现信息传递的一门科学技术。2．通信发展史远古时期：烽火狼烟、飞鸽传信、驿马邮递等。19世纪中叶，进入通信新时代。1844年5月24日，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。1876年3月10日英国苏格兰的亚历山大·格雷厄姆·贝尔，发明电话二、交换的引入电话：是用电信号来传送人类语言信息的一种通信设备。这种通信方式称为电话通信。称连接两个话机的这一对线为一条线路。讨论：形成网，有何问题需要解决，如何解决？如果所有用户都两两相连，互连线数会很大：N×（N-1）÷2例：N=10000连线数=50000000对1．什么是交换交换就是利用交换设备（交换机），将所有用户话机都用一对线接到交换设备上，由交换设备完成任意两个或多个用户话机连通。2．交换节点的连接方式a．全互联方式设置多个交换节点，每个交换节点之间用中继线两两相连。b．汇接方式多个交换节点之间不能做到个个相连，而是引入汇接交换节点，实现各交换节点之间的间接相连。三、交换节点的基本功能1．交换接续功能（1）本局接续：本交换机内部用户线之间接续（2）出局接续：用户线与出中继线之间的接续（3）入局接续：入中继线与用户线之间的接续（4）转接接续：入中继线与出中继线之间的接续2．交换机基本功能（1）接收和分析从用户线或中继线来的呼叫信号（2）接收和分析从用户线或中继线来的地址信号（3）按目的地址进行选路和中继线上转发信号（4）能控制连接的建立（5）能按照所收到的释放信号拆除连接汇接交换机汇接交换机§1.2交换技术分类按传输信号形式分：模拟交换与数字交换按接续控制方式分：布控交换与程控交换按信道占用方式分：电路交换与分组交换按带宽分配方式分：窄带交换与宽带交换§1.2.1模拟交换与数字交换一、模拟信号与数字信号►连续消息：消息的状态随时间是连续变化的,如强弱连续变化的语音等。（模拟消息）模拟信号：对应于模拟消息的电信号形式。是指代表消息的信号及其参数（幅度、频率或相位）随着时间连续变化的信号。►离散消息：消息的状态是可数的或离散的,如符号、文字和数据等。（数字消息）数字信号：对应于数字消息的电信号形式。是指信号幅度不随时间作连续的变化，只能取有限个离散值的信号。例如：“0”“1”表示进制数字信号五位“0”“1”用于电报通信七位“0”“1”用于计算机通信二、模拟通信与数字通信►模拟通信：以模拟信号来传送消息的通信方式。uutu01010011tu01010011主要缺点：抗干扰能力弱、保密性差、设备不易大规模集成。►数字通信：以数字信号来传送消息的通信方式。主要优点：抗干扰性强、保密性好、设备易于集成化、便于计算机处理三、模拟交换与数字交换►模拟交换：以模拟信号为对象的交换方式。传输和交换的信号是模拟信号的交换机称为模拟交换机。（模拟交叉接点）►数字交换：以数字信号为对象的交换方式。传输和交换的信号是数字信号的交换机称为数字交换机。（数字交换网络）§1.2.2布控交换与程控交换一、布控交换：是利用布线逻辑电路进行控制的一种交换方式。布控：即是布线逻辑控制的简称，是指将交换机各控制部件（例如继电器等机电或电子元件）按所起作用和一定要求设计好电路，做在一定的印制板上，通过机架布线将各部件连好焊好做成后，交换机的各种功能即能实现的一种控制方式。例：纵横制交换机特点：修改控制功能，需要修改电路，重新布线。实现复杂的控制功能，设备体积庞大。步进制、机动制和纵横制等机电制交换机都是布控交换机。二、程控交换：是利用计算机软件进行控制（即存储程序控制）的一种交换方式。是指将对交换机的各种控制功能、步骤、方法编成程序，放入存贮器，利用存贮器内所存贮的程序的控制，交换机即能完成各项工作的一种控制方式。特点：要改变交换统功能，只要通过修改程序或数据就能实现。程控交换包括模拟程控交换和数字程控交换。§1.2.3电路交换与分组交换一、电路交换1、传统的电路交换是指固定分配带宽（传送通路），连接建立后，即使无信息传送也占用电路的一种交换方式。主要特点：►采用固定分配带宽，电路利用率低。►要预先建立连接，有一定的连接建立时延。►无差错控制措施。►用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加。不适于突发业务和对差错敏感的数据业务。基本工作过程分为三阶段：呼叫建立、信息传送、连接释放2、多速率电路交换其基本思路是：在传统电路交换基础上，对不同的业务提供不同的带宽（基本速率的整数倍）。主要特点（缺点）：►基本速率较难确定。►速率类型不能太多。►固定带宽分配，不适应突发业务的要求。►控制较复杂等。3、快速电路交换其基本思路是：只在信息要传送时才分配带宽和有关资源，并快速建立通道，用户没有信息传输时则释放传输通道。主要特点：►在呼叫建立时，寻找一条适合的通道。►将带宽、路由编号填入相关交换机中，不建立实际连接和分配资源，只是“虚电路”。►当用户发送信息时，通过呼叫标识激活虚电路，迅速建立物理连接。►会引起信息丢失或排队时延。二、分组交换采用报文交换的“存储-转发”方式，把用户所要传送的信息（报文）分割为若干个较短的、被规格化了的“分组”进行交换与传输。主要特点：►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）。►分组交换节点对各个分组分别处理。►根据选路信息选择去向，转发分组。1、相关概念（1）通信线路的资源共享多路复用方法：►预分配资源法（预分配复用或固定分配）►动态分配资源法（统计时分复用）组合多个低速数据终端共同使用一条高速的线路（即多路复用），以便经济有效地使用通信线路。2、虚电路和数据报（1）虚电路方式：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；最后通过的呼叫分组来拆除虚电路。特点：►虚电路是一种逻辑连接。►虚电路不独占线路，在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路。►是一种面向连接的方式。有两种虚电路：交换虚电路（SVC）永久虚电路（PVC）（二）分组交换2、虚电路和数据报（1）虚电路方式：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；最后通过的呼叫分组来拆除虚电路。（2）数据报方式：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的分组交换方式。是一种无连接的方式。3、路由选择是指从源点至终点之间信息传送路径的选择方法。通常有三种：扩散式路由法查表路由法虚电路路由表法三、帧交换►帧交换是以一种帧方式来承载业务，在数据链路层以上简化的方式来传送和交换数据单元。►第三层传送的数据单元称为分组，第二层传送的数据单元称为帧（frame）。帧方式是将用户信息流以帧为单位在网络内传送。特点：►帧交换是在第二层（链路层）进行复用和传送，而不是在分组层；►帧交换将用户面与控制面分离，而通常的分组交换则未分离。四、快速分组交换►进一步简化了协议，非但不涉及第三层，第二层也只保留了链路层的核心功能，如帧的定界、同步、透明性以及帧传输差错检测等。►广义上，快速分组交换（FPS）包括帧中继（FR）与信元中继（CR）两种交换方式。信元中继为ATM所采用，有时FPS是专指ATM交换。§1.3交换技术的发展1.3.1电话交换技术的发展1、机电式电话交换步进制直接控制：1892年开通的第一部自动交换机是由StrowgerA.B于1889年发明的。机动制间接控制：用户的拨号脉冲由交换机内的公用设备记发器接收和转发，以控制接线器的动作。纵横制交换机：（1）采用了比较先进的纵横接线器；（2）采用公共控制方式，将控制功能与话路设备分开。2、模拟程控交换1965年美国开通了世界上第一个程控交换系统。相对于机电式自动交换而言，程控交换的优越性概括如下:（1）灵活性大，适应性强（2）能提供多种新服务性能（3）便于实现共路信令（4）操作维护管理功能的自动化（5）适应现代电信网的发展3、数字程控交换数字程控交换普遍采用7号共路信令方式。20世纪80年代中期以来，数字程控交换节点的功能在POTS的基础上不断增强，主要有以下3个方面：（1）增强为窄带综合业务数字网（Narrowband-ISDN，N-ISDN）中的交换节点。（2）增强为智能网（IntelligentNetwork，IN）中的业务交换点。（3）增强为移动网中的移动交换局1.3.2分组交换技术的发展1、早期的研究和试验1972年10月，在第1届计算机通信国际会议（InternationalComputerCommunicationConference，ICCC）上。2、分组交换公用数据网ARPANET和一些专用分组交换网的试验，促进了分组交换进入公用数据网，形成分组交换公用数据网（PacketSwitchedPublicDataNetwork，PSPDN）。3、分组交换系统的分代从技术发展来看，分组交换系统大致可以划分为三代：（1）第一代分组交换系统：用计算机来完成分组交换功能。（2）第二代分组交换系统：采用共享媒体将前端处理机互连，共享媒体采用时分复用方式，计算机主要用于虚电路的建立，不再成为系统中的瓶颈。（3）第三代分组交换系统：采用空分的交叉矩阵来取代共享媒体这个瓶颈。1.3.3ATM交换技术的发展1、早期的研究1983年出现的快速分组交换（FastPacketSwitching，FPS）和异步时分（AsynchronousTimeDivision，ATD）交换的结合，导致了ATM交换方式的产生。1983年，美国贝尔实验室提出了FPS的原理，研制了原型机，FPS源自分组交换，减少了链路层协议的复杂性，以硬件来实现协议的处理，从而大大提高了速度。2、公用ATM交换网（1）公用ATM宽带试验网1994年8月投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内采用ATM和SONET（SynchronousOpticalNETwork）的公用ATM宽带网，被看作未来国家基础信息设施的雏型，用于远程教学、远程医疗、商务、司法和行政管理等领域。（2）公用ATM交换系统公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为40～160Gbit/s，应能支持各种接口、业务和连接类型。3、研究热点与展望ATM交换结构ATM网的业务流控制话音通过ATM与智能网的结合光交换1.3.4IP交换技术的发展1、发展背景近年来，Internet在全球范围内快速增长，面临以下问题：（1）Internet骨干网的传送容量太小，带宽资源不足，现有路由器寻址速度低，吞吐量不够，用户接入速率太低。（2）用户数量急剧增加时，路由器网络性能将下降。（3）路由器的端口数受到限制。（4）规模较大的路由器网络大多采用分层结构，并且大的节点也采用上述可堆叠式配置，导致传输延迟增加。（5）IPv4协议对实时业务、灵活的路由机制、流量控制和安全性能的支持不够，地址资源也短缺。2、IP交换IP交换（IPSwitch）是Ipsilon公司提出的专门用于在ATM网上传送IP分组的技术，它克服了ClassicalIPOverATM的一些缺陷（如在子网之间必须使用传统路由器等），提高了在ATM上传送IP分组的效率，是目前一种典型的属于集成模型的技术。包括下述几方面的优势：（1）网络性能大幅度提高（2）设备费用降低（3）服务质量得到保证（4）可靠性大大增强（5）大大增加了可管理性（6）提高了可扩充性§1.4电话交换信令方式1.4.1信令的概述信令是在分布通信网控制系统中与信息有关的呼叫控制信号。1.4.2信令的类型一、带内信令►带内信令：在电话交换局间，在300~3400Hz话音频带之内传送的信令。►带外信令：在话音频带之外传送的信令。带内信令可以利用整个话音频带，因此信令可以使用多个频率（例如多频编码信号）。带内信令的特点：►能传送