第7章 现代交换技术

第7章现代交换技术7.1概述7.2电话交换技术7.3分组交换技术7.4帧中继技术7.5ATM技术7.6多协议标记交换（MPLS）技术7.1概述交换技术是通信网的重要组成部分，如果没有交换技术，组成的通信网络将非常复杂、成本高，而且网络效率低下，可见交换技术在通信网中起着非常重要的作用。交换技术起源于电话接续过程。在很长的时间内，支持传统电路交换功能的设备都是纵横制交换机，其交换技术也是基于电路交换，交换动作的结果是建立（连接）一条物理的实电路，完成对话路的接续任务，当通信结束时，交换设备再拆除接续电路，准备下一次新的接续。随着数据业务的出现，数据业务成为了通信网络必须面对的新问题，而且，数据业务与电话业务有明显不同的属性，因此，出现了分组交换技术。计算机网络技术的飞速发展，分组交换技术带来了革命性的变化，使确定复用发展成为统计复用，面向连接发展成为无连接。产生了X.25交换机、路由器和ATM交换设备。这些设备采用统计复用，提高了设备的利用率，同时，也产生了拥塞、延时抖动和数据丢失等一系列新问题。为解决这些新问题，又不断创造出了新的技术。现代通信网络，即支持电话业务，也支持数据业务，传统的交换技术已不能适应现代通信网的要求。因此，要了解现代通信网络，也必须了解现代交换技术及其应用。如图，是交换技术发展的过程，从早期的电路交换到现在的分组交换，经历了相当长的一段时间，而推动交换技术发展的动力正是数据业务的产生。为了更好地了解不同交换技术及其应用，现介绍一些基本概念。图7-1交换技术的发展7.1.1电路交换电路交换(CS：CircuitSwitching)是最早出现的一种交换方式，包括最早的人工电话在内的电话交换普遍采用电路交换方式。电路交换的基本过程包括：呼叫建立阶段、信息传送(通话)阶段和连接释放阶段。电路交换是一种实时交换，当某一用户呼叫另一用户时，应立即在两个用户间建立电路连接，如果没有空闲的电路，呼叫就不能建立而遭受损失。因此，应配备足够的连接电路，使呼叫损失率不超过规定值。电路交换要在通信的用户间建立专用的物理连接通路，应具备以下特点：在通信之前先要有连接建立过程；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；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。对通信信息不作处理(信令除外)，而是原封不动地传送，用作低速数据传送时不进行速率、码型的变换。对传送的信息无差错控制措施。用基于呼叫损失的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加，但不影响己建立的呼叫。综上所述，电路交换是固定分配带宽，连接建立后，即使无信息传送也要虚占电路，电路利用率低；要预先建立连接，有一定的连接建立时延，通路建立后可实时传送信息，传输时延一般可以不计；无差错控制措施，对于数据交换的可靠性没有分组交换高。因此，电路交换适合于电话交换、文件传送、高速传真，不适合突发(burst)业务和对差错敏感的数据业务。7.1.2分组交换分组交换是一种存储转发的交换方式。它是将需要传送的信息划分为一定长度的包，也称为分组，以分组为单位进行存储转发的。而每个分组信息都包含源地址和目的地址的标识，在传送数据分组之前，必须首先建立虚电路，然后依序传送。在分组交换网中可以在一条实际的电路上，能够传输许多对用户终端间的数据。其基本原理是把一条电路分成若干条逻辑信道，对每一条逻辑信道有一个编号，称为逻辑信道号、将两个用户终端之间的若干段逻辑信道经交换机链接起来构成虚电路。分组交换在线路上采用动态复用的技术来传送各个分组，带宽可以动态复用。用户在接入分组交换网时，可以通过分组装拆设备(PAD)把各终端的字符数据流组成分组，在集合信道上以分组交织复用。使多个用户可以共享一个分组连接。分组交换提供两种方式，即：虚电路方式和数据报方式1．虚电路方式和数据报方式虚电路(VC：VirtualCircuit)方式与数据报(DG：Datagram)方式，各有其特点，可适应不同业务的要求。(1)虚电路所谓虚电路方式，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。虚电路不同于电路交换中的物理连接，而是逻辑连接。虚电路并不独占线路，在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，也就是建立多个逻辑连接，以达到资源共享。但是从另一方面看，虽然只是逻辑连接，毕竟也需要建立连接，因此不论是物理连接还是逻辑连接，都是面向连接(CO：ConnectionOriented)的方式。虚电路有两种：交换虚电路(SVC：SwitchedVirtualCircuit)和永久虚电路(PVC：PermanentVirtualCircuit)。通过用户发送呼叫请求分组来建立虚电路的方式称为SVC。如果应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，就不需要在呼叫时临时建立虚电路，而可直接进入数据传送阶段，称之为PVC。(2)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。由于不需要建立连接，称为无连接(CL：ConnectionLess)方式。(3)虚电路与数据报的比较①分组头数据报方式的每个分组头要包含详细的目的地址，而虚电路方式由于预先已建立逻辑连接，分组头中只要含有对应于所建立的ＶＣ的逻辑信道标识即可。②选路虚电路方式预先有个建立过程，并且有一定的处理开销，但一旦虚电路建立，在端到端之间所选定的路由上，各个交换节点都要具有映象表，以存放出入逻辑信道的对应关系，每个分组到来时只要查找映象表，而不需要进行复杂的选路，就能完成数据分组的交换任务。当然，建立映象表也要有一定的存储器开销。而数据报方式则不需要有建立过程，但对每个分组都要独立地进行选路。③分组顺序虚电路方式中，属于同一呼叫的各个分组在同一条虚电路上传送，分组会按原有顺序到达终点，不会产生失序现象。数据报方式中，各个分组由于是独立选路，可以从不同的路由转送，因此，会引起失序。④故障敏感性虚电路方式对故障较为敏感，当传输链路或交换节点发生故障时可能引起虚电路的中断，需要重新建立。有些分组网具有再连接功能，出现故障时可自动建立新的虚电路，并做到不丢失用户数据，数据报方式中各个分组可选择不同路由，对故障的防卫能力较强，从而可靠性较高。⑤应用虚电路方式适用于较连续的数据流传送，其持续时间应显著地大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。数据报方式则适用于面向事务的询向／响应型数据业务。2．帧交换通常的分组交换是基于X.25协议。X.25包含了3层，第l层是物理层，第2层是数据链路层，第3层是分组层，对应于开放系统互连OSI模型的下3层，每一层都包含了—组功能。帧交换(FS：FrameSwitching)则只有下面两层，没有第3层，简化了协议，加快了处理速度。帧交换是一种帧方式的承载业务，在数据链路层上以简化的方式来传送和交换数据单元。通常，在第3层传送的数据单元称为分组，在第2层传送的数据单元称为帧(Frame)。所以，帧方式是将用户信息流以帧为单位在网络内传送。帧方式与传统的分组交换比较有两个主要特点：一个是帧方式是在第2层(链路层)进行复用和传送，而不是在分组层；另一个是帧方式将用户面与控制面分离，而通常的分组交换则未分离。用户面提供用户信息的传送，控制面则提供呼叫和连接的控制，主要是信令功能。7.1.3面向连接方式面向连接方式就是在用户信息传送前，先要有连接建立过程，在信息传送结束后，要拆除连接。7.1.4无连接方式对应于面向连接的概念，还有无连接通信方式。其主要特点是通信开始之前，不需要通过呼叫过程，以建立一条实的或虚的链路，当然，也没有拆除链路的过程。而是将数据分组直接发送到网络中，在IP网络中，路由器根据数据分组的目的地址查找路由表，并根据路由表转发数据分组，直到到达目的地。这个过程很像邮寄一封平信的过程，在收信者地址不详或通信路由不通的情况下，一般到不了目的地。7.2电话交换技术电话交换技术已经走过了上百年的历程。电话交换技术经历了早期步进制、纵横制交换技术，发展到了现在的程控交换技术和软交换技术。目前，程控交换技术是支持电话交换的最主要技术，下面简要介绍一下数字程控交换技术。7.2.1数字程控交换技术数字程控交换普遍采用7号共路信令方式。这就是说，一方面从随路信令走向共路信令，另一方面又从适用于模拟网的6号共路信令走向适合于数字网的7号共路信令。随着微处理机技术的迅速发展，数字程控交换普遍采用多机分散控制方式，灵活性高，处理能力增强，系统扩充方便而经济。在软件方面，尤其在用户界面的软件设计，普遍采用高级语言，包括C语言、CHILL语言和其他电信交换的专用语言。对软件的主要要求不再是节省空间开销，而是可靠性、可维护性、可移植性和可再用性，使用了结构化分析与设计、模块化设计等软件设计技术，并建立和不断完善了用于程控交换软件开发、测试、生产、维护的支撑系统。公用电话交换网(PSTN：PublicSwitchedTelephoneNetwork)的电话交换系统提供的是普通电话业务，数字程控交换适应了电信网数字化的发展。7.2.2程控交换技术的基本组成1．时间交换单元时间交换单元也叫时间接线器，简称为T单元或T接线器，用来实现时隙交换功能。所谓时隙交换，是指入线上各个时隙的内容要按照交换连接的需要，分别在出线上的不同时隙位置输出。（关于时隙的概念，详见PCM章节的介绍）T单元主要由话音存储器和控制存储器构成。话音存储器用来暂存话音的数字编码信息，每个话路时隙有8位二进制编码，因此话音存储器的每个单元至少具有8比特。话音存储器的容量，也就是所含的存储单元数应等于输入复用线上每帧的时隙数，例如可为128，256，512等。控制存储器的容量通常等于话音存储器的容量，每个单元所存储的内容是由处理机控制写入的，以实现所需的时隙交换。控制存储器每个单元的比特数决定于话音存储器的单元数，也就是决定于复用线上的时隙数。时间交换的过程如图7-2所示，以PCM30/32体制为例：第三路Ts1Ts2Ts3…Ts30Ts31Ts1Ts2Ts3…Ts30Ts31话音存储器话音存储器第一路图7-2时间交换原理2．空间交换单元空间交换单元也叫空间接线器，简称为S单元或S接线器，用来实现多个输入复用线与多个输出复用线之间的空间交换，而不改变其时隙位置。空间交换单元即S单元是由交叉矩阵组成的。如图7-3所示：接续的过程是在矩阵交叉节点实现连接，从而完成空间交换。图7-3空间交换原理3．时/空结合的交换单元时/空结合的交换单元简称T/S单元，常做成超大规模集成电路（VLSI）的专用芯片，来完成大容量系统的交换任务。完成多路交换就是靠T-S-T电路的组合来实现。下面是T-S-T网络实现512个时隙交换的原理。其中的S单元是24×6和6×24的基本模块。图7-4多路交换原理4．S-T-S网络数字交换网络的另一种基本结构是S-T-S型，但其应用不如T-S-T型广泛。关于这方面的问题，请见相关参考书7.2.3程控交换机数字程控电话交换系统的硬件功能结构可划分为话路子系统和控制子系统两部分，如图7-5所示。功能结构仅表示硬件的基本组成，各种数字交换系统可以有不同的具体实现方式。图7-5程控交换机的硬件组成1．话路子系统话路子系统包括用户电路、用户集中级、数字终端、模拟终端、信令设备、交换网络等部件。2．控制子系统控制子系统包括处理机和存储器、外部设备和远端接口等部件。其中，处理机和存储器可分为程序存储器、数据存储器等区域；外部设备可有磁盘、磁带机、维护终端等部件。远端接口包括至集中维护操作中心、网管中心、计费中心等的数据传送接口。3．软件功能程控交换系统在线软件十分庞大复杂，软件的设计目标主要是可靠性、可维护性、可再用性和可移植性。程控交换软件通常采用分层的模块化结构，常用的软件设计技术有结构化分析与设计、模块化设计、结构化编程，并趋向于采用面向对象设计。从功能结构来划分，程