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《现代交换原理与技术》授课:彭玲电子系电科教研室《现代交换原理与技术》课程简介•面向专业：电信（或电科）•学生类别：高年级本科生（大三或大四）•课程性质：专业选修•授课学时：48学时（含实验12学时）•课堂讲授：36•学习考核：期末笔试60%+平时20%+实验20%《现代交换原理与技术》课程简介•交换设备是通信网的重要组成部分，交换技术是通信网的核心技术。本课程主要介绍现代通信网的交换原理与技术。•本课程原名叫《程控数字交换机原理》。–程控数字交换机－是通信技术、计算机技术和大规模集成电路技术相互渗透和结合的产物，是现代公用电话网（PSTN）、综合业务数字网（ISDN）、智能网（IN）和移动通信网（PLMN）中的关键设备，在现代电信网中起着非常重要的作用。因此，掌握程控数字交换机原理，对从事电子信息工程和通信工程专业的技术人员来说是十分必要的。本课程主要教学内容•数字交换原理与交换网络（重点）•程控数字交换系统–包括：交换机硬件结构、呼叫处理原理（重点）、软件设计技术、电话网信令基础•移动交换技术–包括：移动交换系统的结构与关键技术•多层交换与宽带交换技术（新增）–包括：ATM交换、二层/三层/多层交换、ATM/IP结合方案、IP交换、标签交换/MPLS、光交换等•软交换技术（新增，重点）–包括：NGN体系结构、软交换关键技术与协议、等等4第一章现代交换技术概述内容: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以交换为核心的通信网1.1交换概念的引入•一个最简单的通信系统是只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。点到点通信方式•当用户终端数为6时，每个用户要使用5条通信线路，将自己与另5个相连。每个电话机还需配备5选1开关，根据通话需要选择与不同的话机相连。•共需要C65=15条通信线路和5个多选开关。•哪么100个用户呢？1亿用户呢？多用户间的互连(无交换)8缺点：1.不经济，线路投资大，线路利用率低2.使用不方便，要将电话机和很多对线连接起来3.安装维护困难，当N个终端时，需要C2n=n(n-1)/2个连线，当电信用户数量（n）扩大，用户之间传输信道数量按平方（n2）增加。传输信道最大可能利用率按平方倒数（1/n2）降低。选择开关选择开关选择开关9用户间通过交换设备连接用户环线交换设备引入交换节点的通信方式若终端数为n，则线对数为n，解决了n2的问题。10交换概念的引入采用多个交换节点用户终端与交换机之间的连接线－用户线。交换机与交换机之间的连接线－中继线。交换设备、传输设备和用户终端设备是通信网的基本组成部分，称为通信网的三要素。交换的含义•交换(Switching)：将一条线路（或信道）上的信息转发到另一条线路（或信道）上去，以便信息在通信网中任意两个用户终端之间可以相互传递。交换功能是由网络的结点（node）或交换机（switch）来完成的。•交换机（Switch）：在任意选定的两个终端（或两条线路）之间建立和拆除/释放一条通信链路，相当于一个多路开关。注：交换机(switch)相当于电路开关（switch），其交换动作(switching)相当于开关切换（switching）过程,可见，两者英文单词也相同。11交换机的作用•根据IEEE（电子电气工程师协会）的定义，交换机的作用是在任意选定的两条用户线之间建立和（而后）释放一条通信链路。•换句话说，交换机应能为连接到本机的任意两个用户之间建立一条通信链路，并能随时根据用户的要求释放该链路。•按需实现任意入线与任意出线之间的互连是交换机的基本任务。12图1-2电话通信过程示意图从人工交换到自动交换•研究发明自动电话的人是一个名叫阿尔蒙.B.史端乔的美国人，他是美国堪萨斯城一家殡仪馆的老板。他发觉，电话局的话务员不知是有意还是无意，常常把他的生意电话接到他的竞争者那里，使他的多笔生意因此丢掉。为此他大力恼火，发誓要发明一种不要话务员接线的自动接线设备。•从1889年到1891年，他潜心研究一种能自动接线的交换机，结果他成功了。1891年3月10日，他获得了发明“步进制自动电话接线器”的专利权。•从此，电话通信跨入了一个新时代。但是自动电话的大踏步发展是在20世纪。到20世纪20年代，世界上还只有15％的电话是自动电话。随着自动电话技术的发展和进步，到20世纪50年代，世界上已有77％的电话是自动电话了。拓展阅读：•交换机的发展史——百度多级交换16SSSST汇接交换机中继线SSS用户线交换机之间互连汇接交换机的引入由多个交换设备构成的通信网17交换式通信网组网示意图用户交换机市话交换机汇接交换机用户线中继线•用户电话交换机：是机关、企业、学校等单位内部电话接续所使用的一种专用电话交换机。这种交换机又称“专用小交换机”或“总机”，其所属用户的电话机通常称为“分机”。•市话交换机：直接与电话机或终端连接的交换机，相应的交换局称为端局或市话局。•汇接交换机：仅与个交换机连接的交换机。•用户线：用户终端和交换机之间的连接线路。•中继线：交换机之间的连接线路。191.2交换方式电路交换分组交换对应于各种传送模式的交换方式，是交换节点为了完成交换功能所采用的互通技术。现在已经出现了多种交换方式，如图：多种交换方式电路传送模式（CTM）或同步传送模式（STM）分组传送模式（PTM）两种截然不同的交换方式，是代表两大范畴的传送模式电路交换分组交换多速率电路交换快速电路交换都属于电路传送模式范畴快速分组交换帧交换都属于分组传送模式范畴多速率电路交换快速电路交换快速分组交换帧交换ATM交换表示异步传送模式（ATM）可以看成是分组交换与电路交换的结合，兼具两者之特点各种交换方式1.2交换方式•电路交换•报文交换•分组交换211.2.1电路交换连接释放阶段建立阶段信息传送（通话）1、电路交换的基本过程：是最早、最普遍的交换方式，主要用于电话通信网。被叫摘机挂机摘机听到拨号音拨号寻找被叫向被叫送振铃向主叫送回铃通话22电路交换交换节点A交换节点B交换节点C建立传送释放电路交换的基本过程232、电路交换的特点•仅当呼叫建立与释放时间相对于通信的持续时间很小时才呈现高效率1)信息传送的最小单位是时隙•在通信前要有连接建立过程•只要用户不发出释放信号即使通信暂时停顿，物理连接仍然保持；•物理连接的任何部分发生故障都会引起通信的中断；2)要在通信的用户间建立专门的物理连接通路，从而又引起以下的特点：243)信息具有透明性:对通信信息不做处理（信令除外），而是原封不动地传送，用低速数据传送时不进行速率、码型的变换。4)同步时分复用（固定分配带宽）如图:同步时分复用的基本原理255）对传送的信息无差错控制措施6）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，但不影响已建立的呼叫26通过上述对电路交换特点的分析得出3个结论：1.通信网的业务特性决定了所采用的交换方式的特点: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，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。2.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；3.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。分组交换（PS）源于报文交换采用存储转发方式为此，先介绍报文交换281.2.2报文交换报文交换（又称存储转发交换）：传送内容:用户信息+目的地址+源地址交换节点:分析目的地址和选择路由应用：公用电信网的电报自动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，而是将所有接收的报文暂时存储；可进行速率、码型变换，具有差错控制措施,发送多目的地址的报文29交换节点A交换节点B交换节点C传输时延存储时延处理与排队时延报文交换的时延报文报文报文交换30分组交换：也采用存储转发方式；分组内容:分组头（路由信息+控制信息）分组交换节点:对各个分组分别处理，按其中的选路信息选择去向应用：非实时的数据业务与报文交换不同在于：将用户信息分割为若干分组，分组是将报文截成许多短的、规格化了的‘分组’，便于交换机处理。1.2.3分组交换31分组交换交换节点A交换节点B交换节点C传输时延分组交换的时延存储时延处理与排队时延分组2分组3分组4分组5分组1分组2分组3分组4分组5分组132分组交换可以提供两种服务方式：虚电路方式数据报方式1.2.3分组交换33虚电路方式:特点：逻辑连接(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)不独占线路，同一物理线路可同时建立多个虚电路；建立：拆除：在用户数据传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端到段之间的虚电路，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送。通过呼叫清除分组来拆除虚电路34虚电路方式特点传送分组前先建立逻辑连接发送分组顺序与接收分组顺序相同分组沿相同路径传送35种类：交换虚电路（SVC）：应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，不需要在呼叫时临时建立虚电路可以直接进入数据传送阶段。永久虚电路（PVC）：通过用户发送呼叫请求分组来建立虚电路。36数据报:不需要预先建立连接，而是按照每个分组头的目的地址对各个分组独立进行选路,称为无连接方式；37数据报方式特点发送分组顺序与接收分组顺序不相同分组沿不同路径传送无需建立源到目的之间的连接直接发送分组38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。39（2）无连接工作方式的特点：没有连接建立过程，一边选路、一边传送信息。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）。信息传送的时延相比面向连接工作方式要大。对网络故障不敏感。40虚电路与数据报的比较：面向事务的询问/响应型数据业务较连续的数据流应用故障防卫能力较强较为敏感故障敏感性会引起失序按顺序到达，无失序分组顺序无建立过程，独立选路预先建立，映像表选路详细的目的地址逻辑信道标识分组头数据报虚电路类别项目41分组交换具有以下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）统计时分复用的基本原理42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。•信息传送有差错控制•信息传送不具有透明性•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。43分组交换与电路交换的比较•电路交换以电路连接为目的。–信息传送时与交换系统无关。–是一种“粗放”的交换方式，只管连接而不管传送的信息。•分组交换以信息分发/传递为目的。–交换机对分组逐个加工处理（差错控