现代交换原理第2章-交换单元与交换网络

1二、交换单元与交换网络1.引言—三种时分复用信号2.交换单元交换单元的基本概念开关阵列与空间接线器共享存储器型交换单元——时间接线器总线型交换单元——数字交换单元（DSE）3.交换网络CLOS网络TST网络DSN网络BANYAN网络主要内容§2.1引言交换网络中的信号形式是数字时分复用信号。电路交换采用：同步时分复用信号分组交换采用：统计时分复用信号ATM交换采用：异步时分复用信号（1）同步时分复用信号电路交换采用；PCM30/32路系统中的信号；同步时分复用原理：将时间划分为等长的时间单位（帧），一帧划分为若干时隙，时隙按顺序编号；子信道：所有帧中编号相同的时隙构成一个子信道，一个子信道传输一个话路信号；子信道的速率恒定：64Kbps，即对每路用户固定分配带宽。210312103121031F0F1F2B用户语音A用户语音位置化信道：由子信道在时间轴上的位置识别每路用户；同步时分复用信号的交换：时隙的交换（信号在时间轴上的移动）；交换由硬件完成。分组交换采用；分组长度不固定：通常128字节，也可选32，64，256或1024字节；统计时分复用原理：将时间划分为不等长的时间片，用来传送不同长度的分组，对每路用户按需分配时间片。每个分组携带标志码；子信道：具有相同标志码的分组构成一个子信道；子信道速率不恒定：动态分配带宽。（2）统计时分复用信号（2）统计时分复用信号标志化信道：由分组头中的标志码识别每路用户；统计时分复用信号的交换：按照分组头中的路由信息分配到所需线路上；交换一般由软件完成。11112332ATM交换采用；信元长度固定：53字节；异步时分复用与统计时分复用区别：将时间划分为等长的时间片，用来传送固定长度的信元；交换：适于采用硬件完成。（3）异步时分复用信号2.2.1交换单元及其数学描述1、交换单元交换的基本功能是在任意的入线和出线之间建立连接。在交换系统中完成这一基本功能的部件就是交换网络，它是交换系统的核心。交换网络是由若干个交换单元构成的。交换单元是构成交换网络的最基本的部件。2.2交换单元入线出线控制端状态端…………MXN的交换单元0011M-1N-1交换单元按使用需要的不同可分为：入线0M-1出线0N-1入线0M-1出线0N-1出线0N-1入线0M-1集中型（MN）扩散型（MN）分配型（M=N）交换单元的分类（1）交换单元按信息流向分为：有向交换单元：当信息经过交换单元时只能从入线进入，由出线输出，具有唯一确定的方向。无向交换单元：交换单元的每条线即可输入也可输出，其入线数必等于出现数。出线0N-1入线0M-1MXN有向交换单元入线/出线0N-1N无向交换单元…..…..交换单元的分类（2）连接特性是交换单元的基本特性，它反映了交换单元入线到出线的连接能力，通常我们用连接集合和连接函数来描述交换单元的连接特性连接函数一个连接函数对应一种连接，连接函数表示相互连接的入线编号和出线编号之间的一一对应关系，即存在连接函数f，入线x与出线f(x)相连接，0≤x≤M-1，0≤f(x)≤N-1。连接函数实际上也反映了入线编号构成的数组和出线编号构成的数组之间的置换关系或排列关系，故连接函数也被称作置换函数或排列函数。2、连接与连接函数（自学）容量：交换单元所有入线可以同时送入的总的信息量接口：交换单元需要规定自己的信号接口标准，即信号形式、速率及信息流方向功能：点到点、同发、广播质量：完成交换动作的速度、任何情况下是否能完成指定连接、信息经过交换单元是否有损伤（时间、语义）交换单元的性能功能：实现多个输入、输出复用线之间的空间交换。1、空间接线器（SpaceSwitch）组成电子交叉矩阵控制存储器CM(1)结构不能完成时隙交换！简称：S接线器。复用线：传送同步时分复用信号的线路。电子交叉矩阵：开关阵列一般入线数=出线数，即为N×N开关阵列，此时S接线器就叫做N×N的S接线器012012入线编号出线编号01201271、空间接线器（SpaceSwitch）输入控制：输出控制：按控制方式分为CM号--入线编号CM号--出线编号(2)工作原理18012012TS7入线编号出线编号TS7：1入→2出0120127入线编号时隙号出线编号TS7输入控制210012719TS7TS7012入线编号012出线编号出线编号时隙号？？TS7：1入→2出相应的单元应该填入什么内容？输出控制入线编号控制存储器（CM-ControlMemory）：CM数量=入（出）线数CM的存储单元个数=入（出）线上复用时隙数CM的存储单元内容=出（入）线编号CM的存储单元长度=出（入）线编号的二进制位数例：32×32的S接线器，每条复用线上512个时隙。以上各量应为多少？作业a：0→1TS0b：1→2c：2→0d：0→2TS1e：1→0f：2→1空间接线器如例题所示，分别对于两种工作方式，在控制存储器的相应单元填入适当内容，满足以下交换要求：22功能：完成同一复用线上不同时隙间的交换。组成－－存储语音信息－－控制SM的读或写话音存储器SM控制存储器CM(1)结构不能完成空间交换！简称：T接线器。时隙交换：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。2、时间接线器(TimeSwitch)WTS0TSnTS0TSn0n-1n-10SMCMR/T接线器组成结构图单元地址时隙号大小（单元个数）=输入复用线上每帧的时隙数n。话音存储器SM字长（单元大小）=8比特例：T接线器输入复用线上一帧复用512个时隙，问SM的容量是多少？SM大小（单元个数）=512字长（单元大小）=8比特SM容量=512×8bit内容：PCM编码的语音信息大小（单元个数）=时隙数n=SM大小控制存储器CM单元地址时隙号字长（单元大小）=log2n例：T接线器输入复用线上一帧复用512个时隙，问CM的容量是多少？CM大小（单元个数）=SM大小=512字长（单元大小）=9比特(29=512)CM容量=512×9bit内容：SM在该时隙内写入/读出的地址26原理：先存储，后转发。工作方式：输出控制：（顺序写入，控制读出）输入控制：（控制写入，顺序读出）（掌握两种工作方式下的工作过程，会区分工作方式）●——重要知识点(2)工作原理27TS6TS17输出控制A控制读出顺序写入6SMTS6TS1717CM6176628输入控制TS6TS17ASMCM顺序读出控制写入17TS6TS176176171729请问：CM的工作方式是什么？控制写入，顺序读出输入控制和输出控制都是针对SM而言（3）容量和时延T接线器的容量=SM容量=n×n（n-时隙数）时延串/并转换存储时延SM、CM都是前半周期写，后半周期读注意：容量有限作业课后习题P58-2.73、数字交换单元（DSE）DSE：是一种总线型交换单元，又称空时结合交换单元，既可实现时隙之间交换，又可实现复用线之间的交换。只适用于同步时分复用信号的交换。（1）结构RXTX交换端口0RXTX交换端口7RXTX交换端口8RXTX交换端口15时钟双交换端口0双交换端口739条并行时分复用总线（TDM）数据总线(D)：16条，传输PCM链路上每路16bit信息。端口地址总线(P)：4条，传输端口地址（16个端口）信道地址总线(C)：5条，传输信道地址（32个信道）控制总线、时钟线、证实线、返回信道总线。发送侧TX接收侧RX双向端口PCM出PCM入双向PCM链路，一帧32个时隙16个双向端口：信道CH16bit串行码率：4096Kb/s!端口的接收侧（RX）输入同步信道RAM端口RAMPCM入端口RAM单元长度：4bit单元内容：该信道要接续的端口号32个单元对应32个信道信道RAM单元长度：5bit单元内容：该信道要接续的信道号32个单元对应32个信道输入同步电路：完成位同步和帧同步。端口的发送侧（TX）发送控制数据RAM端口比较器PCM出数据RAM（话音存储器）单元长度：16bit单元内容：该信道要输出的信息32个单元对应32个信道工作方式：控制写入、顺序读出端口比较器：将总线上端口号与本端口号相比较。发送控制器：协调发送侧的内部操作，如数据RAM的读/写。信道字（16bit）换码：10处理机信息选择：01端口号码、信道号码置闲：00信道置闲数据：11语音(8bit)，数据（14bit）（2）工作原理信道字最高两位DSE中，任一端口RX的任一CH都可以通过TDM总线连接到任一端口TX的任一CH。这就形成了DSE内部的一个通路。这一通路是根据外部送来的选择信道字而建立的。DSE具有建立、保持、拆除其内部通路的功能，并通过已经建立的通路进行信息交换。DPC端口RAM信道RAM003131RX3数据RAM031TX9TS20TS10101020920RX3CH10→TX9CH2020S9920S交换网络:是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络。交换网络的三个基本要素是：交换单元、不同交换单元间的拓扑连接和控制方式。2.3交换网络交换网络的一般结构……控制单元出线入线……交换单元交换单元交换单元交换单元交换网络01...M-101...N-1M×N交换网络单级交换网络多级交换网络单级交换网络：由一个或若干个位于同一级的交换单元构成的交换网络。需交换的信息在单级交换网络中一次通过，即一次入线到出线的连接，只经过一个交换单元。交换网络按拓扑连接方式可分为：1.单级交换网络和多级交换网络如果一个交换网络中的交换单元可以分为K级，顺序命名为第1,2,…,K级，并且满足：所有入线都只与第1级交换单元连接；所有第1级交换单元都只与入线和第2级交换单元连接；所有第2级交换单元都只与第1级和第3级交换单元连接；依此类推，所有第K级交换单元都只与第K-1级和出线连接；则称这样的交换网络为多级交换网络，或K级交换网络。多级交换网络多级交换网络02310231第1级第3级第2级3级交换网络每个交换单元：2×2连接关系由图形表示多级交换网络的拓扑结构可用三个参量来说明：每个交换单元的容量交换单元的级数交换单元间的连接通路（链路）多级交换网络02310231OO11问题引入：0→2连接已经建立，要建立1→3连接1级2级单级交换网络（交换单元）4×42级交换网络存在！不存在！内部阻塞：入、出线空闲，但因交换网络级间链路被占用而无法接通的现象。2.多级交换网络的内部阻塞02310231OO112级交换网络单级交换网络（交换单元）交叉点数量2×2×4=16个4×4交叉点数量4×4=16个=多级交换网络的交叉点数量交叉点数量3×3×6=54个交叉点数量9×9=81个2级交换网络单级交换网络（交换单元）9×9……多级交换网络的交叉点数量nmxnm2级交换网络…………O1n-1O1n-1…O1n-1O1m-1O1m-1O1m-1………………………OO11m-1n-1交叉点数量：m×n2+m2×n交叉点数量n2×m2单级交换网络（交换单元）nmxnm……若m=n=864×64网络=1024个=4096个多级交换网络的交叉点数量严格无阻塞网络：不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。可重排无阻塞网络：不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中直接或对已有的连接重选路由来建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。广义无阻塞网络：指一个给定的网络存在着固有的阻塞可能，但又可能存在着一种精巧的选路方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新安排网络中已建立起来的连接。无阻塞交换网络N×N的CLOS网络：对于较大的N，满足减少交叉点总数的同时具有严格的无阻塞特性。1n1n1n1n1…1m1r11rmmmm11111111rrrr3级CLOS网络……N条入线N条出线①每一个交换单元与下一级各个交换单元有且仅有一条连接②由入线到出线，内部通路不只一条N=r×n!C（m,