交換原理與技術(shù)

第1章緒論本章教學(xué)大綱要求如下：1.基本要求（1）了解交換機(jī)在通信網(wǎng)中的地位和作用。（2）了解交換技術(shù)發(fā)展概況。（3）了解交換機(jī)的組成和各部分的功能。（4）了解交換機(jī)的主要性能指標(biāo)。2.重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：交換式通信網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，交換技術(shù)的分類與應(yīng)用，交換機(jī)的組成和性能指標(biāo)。難點(diǎn)：電路交換與分組交換的具體應(yīng)用，交換機(jī)的組成和各部分的功能。3.說明緒論部分的內(nèi)容以了解為主，應(yīng)為后續(xù)內(nèi)容做準(zhǔn)備。1通信系統(tǒng)的基本任務(wù)：將信息從它的發(fā)源地傳送到目的地。1.1點(diǎn)對點(diǎn)通信與網(wǎng)絡(luò)通信本節(jié)從簡單的點(diǎn)對點(diǎn)通信入手，引入“交換”的概念，進(jìn)而給出現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。2信道（或稱電路）和通信終端。傳輸和信息轉(zhuǎn)換。當(dāng)通信系統(tǒng)中存在多個(gè)終端時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)任意兩個(gè)終端之間的點(diǎn)對點(diǎn)通信？主要包括：功能描述：提出問題：?最簡單的通信系統(tǒng)是下圖所示的點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)。終端信道終端采用全互連方式，即按照構(gòu)成點(diǎn)對點(diǎn)通信系統(tǒng)的思路，一個(gè)多點(diǎn)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖所示。方法1采用全互連方式該方法的缺點(diǎn)：第一，如果端點(diǎn)數(shù)為N，則共需N(N－1)/2條信道；而且每個(gè)終端需要有(N－1)個(gè)接口。當(dāng)N很大時(shí)，這種結(jié)構(gòu)所需的信道數(shù)將按N的平方律增加，其復(fù)雜度是不能接受的。第二，全互連結(jié)構(gòu)的信道利用率較低。如何克服全互連方式存在的問題或缺點(diǎn)？3采用如下圖所示的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。每個(gè)終端通過一條信道連接到中心結(jié)點(diǎn)，在那里設(shè)有交換機(jī)。通過交換中心的轉(zhuǎn)接作用，將需要通信的終端連接起來。方法2采用交換機(jī)三類網(wǎng)絡(luò)元素：用戶終端、交換機(jī)和用戶環(huán)路與全互連相比較專用設(shè)備與共享設(shè)備4交換機(jī)用戶終端用戶終端用戶環(huán)路為了擴(kuò)大覆蓋地域，可采用如下圖所示的包含多個(gè)交換結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在這種網(wǎng)絡(luò)中，除了用戶終端、交換機(jī)和用戶環(huán)路以外，還有一類網(wǎng)絡(luò)元素，那就是位于交換結(jié)點(diǎn)之間的中繼線（又稱為干線）。與用戶環(huán)路不同，它們不屬于用戶專用，而是歸廣大用戶共享，按照用戶的需求分配使用，因而信道利用率較高。5多交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中繼線交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)交換機(jī)可擴(kuò)展性：可覆蓋更廣地域，為更多用戶服務(wù)可靠性：在端到端之間可提供多條路徑經(jīng)濟(jì)性：網(wǎng)絡(luò)資源為眾多用戶共享――將網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為專用和共享帶來的好處――采用交換機(jī)組網(wǎng)的最大好處是易于構(gòu)成大型網(wǎng)絡(luò)（下節(jié)中舉例說明）。6采用交換機(jī)組網(wǎng)帶來的好處本節(jié)通過實(shí)際網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)舉例，說明交換機(jī)在通信網(wǎng)中的地位和作用，為了更具一般性，分別以電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為例，引入電路交換與分組交換的概念。1.2交換機(jī)在通信網(wǎng)中的地位與作用1.2.1公共交換電信網(wǎng)中的電路交換傳統(tǒng)的公共交換電信網(wǎng)（PSTN）由用戶終端、用戶環(huán)路、交換機(jī)和中繼線組成，包含本地網(wǎng)和長途網(wǎng)兩大部分。它提供的主要業(yè)務(wù)是電話，所以又稱公共電話網(wǎng)。7端局端局PBX用戶終端中繼線其它城市長途局用戶終端PSTN本地網(wǎng)

8公共交換電信網(wǎng)舉例C1C2C3C4C5長途局端局用戶A用戶B最后路由中繼線直通中繼線高階星形＋直通電路匯接

PSTN長途網(wǎng)結(jié)構(gòu)

9公共交換電信網(wǎng)舉例關(guān)于各種交換機(jī)的名稱和作用(用戶交換機(jī),市話交換機(jī),長途交換機(jī))。關(guān)于各種線路的名稱和作用(用戶線,中繼線,長途線)。PSTN電信網(wǎng)的特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)接式網(wǎng)絡(luò)，端到端一般要經(jīng)過交換機(jī)多次轉(zhuǎn)接。（2）采用的交換方式是電路交換，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶的請求提供端到端的連接通路。（3）通信全過程分為建立連接、用戶信息傳送、釋放連接三個(gè)階段。（4）連接控制依靠信令系統(tǒng)完成。PSTN的發(fā)展方向：簡化網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，提供綜合業(yè)務(wù)電信網(wǎng)絡(luò)是支撐電話、移動(dòng)電話和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施之一。電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)是交換技術(shù)。10公共交換電信網(wǎng)說明

互聯(lián)網(wǎng)（INTERNET），是一種通過路由器將多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)互連起來的邏輯上統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。從通信業(yè)務(wù)的角度看，互聯(lián)網(wǎng)是一種數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，它可以支持E-mail，F(xiàn)TP，WWW等多種應(yīng)用。被互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，通常稱為互聯(lián)網(wǎng)的子網(wǎng)，它們既可以是同類的，也可以是異質(zhì)的。（結(jié)合原理圖講）1.2.2互聯(lián)網(wǎng)中的分組交換互聯(lián)網(wǎng)的原理結(jié)構(gòu)

1112互聯(lián)網(wǎng)中的路由器LANLAN互聯(lián)網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)

H:主機(jī)LAN:局域網(wǎng)AR:接入路由器ER:邊緣路由器CR:核心路由器CRCRCRCRCRCRCRCRERERERER其它網(wǎng)ARARHHARAR其它網(wǎng)

分組交換：互聯(lián)網(wǎng)采用基于異步時(shí)分復(fù)用的分組交換。其中所有信息均以分組（Packet）為單位進(jìn)行傳送，分組長度和分組間隔均可變。路由器實(shí)際上是一種分組交換機(jī)，它的主要功能是實(shí)現(xiàn)分組的“存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)”。每個(gè)路由器首先存儲(chǔ)輸入的分組，然后根據(jù)其頭部所含的地址信息選路，將分組轉(zhuǎn)發(fā)到適當(dāng)?shù)妮敵龆丝?，并通過相應(yīng)的輸出鏈路發(fā)送給下游的路由器。

路由器分為核心路由器、邊緣路由器和接入路由器。前兩者構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)（又稱骨干網(wǎng)）；后者是各種接入網(wǎng)（如局域網(wǎng)）與核心網(wǎng)的接口。鏈路：在核心網(wǎng)內(nèi)連接各路由器的中繼電路，稱為鏈路。這些鏈路可能是專用線，也可能是由物理承載網(wǎng)絡(luò)（如光網(wǎng)絡(luò)）提供的傳輸通道。核心網(wǎng)內(nèi)采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議工作，這就是著名的IP協(xié)議。各種接入網(wǎng)內(nèi)可能采用不同的通信協(xié)議，因此接入路由器可能要實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換?；ヂ?lián)網(wǎng)的主要特點(diǎn)13――多業(yè)務(wù)互聯(lián)網(wǎng)支持的業(yè)務(wù)是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，從前只需提供盡力而為(BestEffort)的服務(wù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，它不僅要支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且要支持分組話音、視頻及多媒體業(yè)務(wù)。于是人們對互聯(lián)網(wǎng)提出了更高的要求，要求它提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)的保證。此外，互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)量也在不斷的急劇增長。因此互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向是寬帶化(高速化)。――寬帶化光纖波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的成熟解決了寬帶傳輸?shù)膯栴}。于是路由器成為網(wǎng)絡(luò)寬帶化的瓶頸。近年來高速路由器成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的熱點(diǎn)，繼Gb/s級路由器之后，Tb/s級路由器也已問世。這些高速路由器的共同特點(diǎn)是采用了快速分組交換技術(shù)。所以，今天的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)是一個(gè)巨大的采用寬帶傳輸和高速分組交換的國際性網(wǎng)絡(luò)。14互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展本節(jié)首先從三個(gè)方面對交換技術(shù)的發(fā)展作簡單概述，然后介紹幾種交換技術(shù)及其應(yīng)用。1.3交換技術(shù)發(fā)展概述

――交換的信號(hào)：模擬到數(shù)字。

――控制技術(shù)：人工、布線邏輯控制到存儲(chǔ)程序控制（程控）

――交換機(jī)制：電路交換、分組交換1．交換技術(shù)的發(fā)展概況15?

電路交換

――電路交換的功能：按照要求將指定的輸入端口與輸出端口接通。

――演進(jìn)過程：人工交換機(jī)→步進(jìn)制交換機(jī)→縱橫制交換機(jī)→程控交換機(jī)。2．交換技術(shù)的演進(jìn)?

分組交換

――分組交換的功能：分組選路與存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)－－面向連接型的分組交換（虛電路，X.25）－－非連接型的分組交換（數(shù)據(jù)報(bào)，IP）――演進(jìn)過程：傳統(tǒng)分組交換→快速分組交換16?

快速分組交換快速分組交換(FPS)仍然是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式交換，但采取以下措施減小分組的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延：（1）簡化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，盡量通過硬件實(shí)現(xiàn)分組的轉(zhuǎn)發(fā)處理；（2）大大提高端口及相應(yīng)鏈路的傳輸速率；（3）采用固定長度的小分組（信元）。典型例子是ATM－－基于信元的異步時(shí)分復(fù)用＋面向連接的快速分組交換。?

標(biāo)記交換標(biāo)記交換是ATM與IP技術(shù)融合的產(chǎn)物，其基本思想是：在數(shù)據(jù)分組頭的前面附加一個(gè)短的固定長度的標(biāo)記，在骨干網(wǎng)內(nèi)不是依據(jù)分組頭部的地址信息，而是依據(jù)這個(gè)標(biāo)記來進(jìn)行分組的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。17電路型交換：基本速率（64k）電路交換寬帶（高速）電路交換分組型交換：報(bào)文交換（MessageSwitching）分組交換（PacketSwitching）快速分組交換（FPS）：

幀中繼，ＡＴＭ，新一代ＩＰ，ＭＰＬＳ局域網(wǎng)交換交換新技術(shù)：軟交換技術(shù)光交換技術(shù)

主要交換方式18

?

一般組成交換機(jī)一般包含三大部分：接口、交換網(wǎng)絡(luò)和控制器。1.4交換機(jī)的一般組成與各部分的功能19交換網(wǎng)絡(luò)接口控制系統(tǒng)交換網(wǎng)絡(luò)(SwitchingFabrics)執(zhí)行交換機(jī)的傳送面功能。實(shí)際的交換網(wǎng)絡(luò)可能是單個(gè)N×N的Crossbar交換單元，也可能是由許多交換單元組成的多級交換網(wǎng)絡(luò)。對于分組型的交換網(wǎng)絡(luò)，在交換單元中設(shè)有緩沖器?？刂破?Controller)執(zhí)行交換機(jī)的控制面功能?？刂破鞯幕救蝿?wù)是控制上述交換網(wǎng)絡(luò)各開關(guān)的狀態(tài)。對于面向連接的交換方式，它必須具有信令功能，即接收、處理、和發(fā)送信令，以實(shí)現(xiàn)呼叫連接控制的全過程，包括連接的建立、維持和釋放。對于非連接的交換方式，它的基本功能是實(shí)現(xiàn)路由控制，包括路由表的建立和更新、路由表的查找、路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)等；接口(Interfaces)是交換機(jī)與各種傳輸鏈路（用戶線、中繼線）的界面，是交換機(jī)對外服務(wù)的窗口。

交換機(jī)各部分的功能201什么是程控交換機(jī)？優(yōu)越性？程控交換機(jī)可否是模擬交換機(jī)？為什么？問題討論21本節(jié)首先給出交換機(jī)的主要性能指標(biāo)，然后簡要說明各指標(biāo)的含義。最后對電路交換機(jī)的指標(biāo)體系做進(jìn)一步說明。1.5交換機(jī)的主要性能指標(biāo)交換容量（吞吐量，信息轉(zhuǎn)發(fā)能力，話路數(shù)）阻塞率（呼損，分組的丟失