第1章 数字交换技术.ppt

1交换技术交换技术王学东哈尔滨工业大学通信技术研究所2教学内容教学内容n n概论概论 交换的产生、定义和形式交换的产生、定义和形式n n交换单元与交换网络交换单元与交换网络 交换交换的基本结构的基本结构n n电路交换技术电路交换技术 语音电话交换的技术语音电话交换的技术n n分组交换与帧中继技术分组交换与帧中继技术 数据交换的技术数据交换的技术n n信令系统信令系统 交换交换的控制系统的控制系统n nATMATM交换技术交换技术 宽带通信业务交换技术宽带通信业务交换技术n n路由器及路由器及IPIP交换技术交换技术 基于基于IPIP的宽带交换技术的宽带交换技术n n光交换技术光交换技术 光通信的交换光通信的交换n软交换技术 向向NGNNGN演进的交换演进的交换3教科书教科书n n现代交换原理（第三版）金惠文 陈建亚 纪红 电子工业出版社 2011.2参考书参考书n n程控数字交换与交换网（第二版）叶敏 北京邮电大学出版社 2003n nATM 交换技术 陈锡生 人民邮电出版社 2000.4 n n全光网络 张宝富等编著 人民邮电出版社 2001.12n n多协议标记交换技术 冯径等 人民邮电出版社 2002.145本课程的教学本课程的教学n n讲授交换技术的基本概念n n讲授现代交换技术的基本原理n n讲授现代交换技术的系统结构6第第1章章 概论概论n n交换技术是通信网技术的重要组成部分，交换技术的发展与通信网的发展是分不开的。n n通信网主要包括交换节点、传输线路与终端设备。n n即交换技术与终端业务、传输技术必须相适应。7n n1.1交换的概念与交换基本过程n n1.1.1交换的概念n n通信的目的是实现信息的传递。n n当存在多个终端，且希望它们中的任何两个都可以进行点对点通信时，最直接的方法是把所有终端两两相连，如图1所示。这样的一种连接方式称为全互连式。8n n全互连式存在下列一些缺点：(1)当存在N个终端时需用线对数为N(N1)2，即线对数量随终端数的平方增加。(2)当这些终端分别位于相距很远的两地时，两地间需要大量的长途线路。(3)每个终端都有N-1对线与其他终端相接，因而每个终端需要N-1个线路接口。(4)增加第N+1个终端时，必须增设N对线路。9图1全互连方式示意图图2交换方式示意图10n n这些问题将随着用户数量增加而增加，这是多终端通信的N2问题。n n为解决这个问题，可以设想，在用户分布密集曲中心安装一个设备。把每个用户的终端设备都用各自专用的线路连接在这个设备上，这就是交换设备，如图2所示。11n n交换设备可以在需要时，将这两个用户的通信线路连通。当两个用户通信完毕，将两个用户间的连线就断开。n n有了交换设备，对N个用户只需要N对线就可以满足要求。使线路的投资费用大大降低，尽管增加了交换设备的费用，但它的利用率很高，相比之下、总的投资费用将下降。12n n根据电子和电气工程师协会(IEEE)的定义：交换机应能在任意选定的两条用户线之间建立和(而后)释放条通信链路。换句话说，任一终端均可请求交换机在本用户线和所需用户线之间建立一条通信链路，并能随时令交换机释放该链路。13n n1.1.2交换的基本过程n n1837年发明了电报，它是以数字信号的形式传递信息。n n1876年贝尔发明了电话，它是将语音变成模拟的电信号进行传输，从而实现了双方在两地之间的对话。随着电话用户的增加，就发明了交换机。n n1878年出现了磁石式人工电话交换机。14n n人工电话交换机的交换过程体现了交换的基本过程。n n如图如图3 3所示。每个用户的话机通过用户线接到交换所示。每个用户的话机通过用户线接到交换机的用户塞孔上，每个用户塞孔上都装置一个信机的用户塞孔上，每个用户塞孔上都装置一个信号灯。在交换机上还配备了一定数量的塞绳和插号灯。在交换机上还配备了一定数量的塞绳和插塞，用来连接用户塞孔，这种塞绳和插塞称为绳塞，用来连接用户塞孔，这种塞绳和插塞称为绳路，在绳路上连有通话机键、话终信号机键和送路，在绳路上连有通话机键、话终信号机键和送铃流的机键。在人工电话交换机中，通话的接续铃流的机键。在人工电话交换机中，通话的接续由话务员完成。话务员通过耳、目、口来接受用由话务员完成。话务员通过耳、目、口来接受用户的呼叫信息，经过大脑的思维活动进行分析判户的呼叫信息，经过大脑的思维活动进行分析判断，再通过人的神经系统控制断，再通过人的神经系统控制“手手”去进行接续去进行接续操作。操作。15n n可以看出，为了完成交换功能，交换机必须具有可以看出，为了完成交换功能，交换机必须具有用户间通话的话路系统，这就是用户线、绳路、用户间通话的话路系统，这就是用户线、绳路、塞孔、信号灯等设备。除此之外，还必须有相当塞孔、信号灯等设备。除此之外，还必须有相当于控制系统进行接续的话务员。于控制系统进行接续的话务员。16图3 人工交换机17n n1.1.3交换机的发展过程最早的自动电话交最早的自动电话交换机是在换机是在18921892年由美国人史端乔创造的步进制自年由美国人史端乔创造的步进制自动电话交换机。动电话交换机。n n德国西门子发明了由用户话机的拨号脉冲直接控德国西门子发明了由用户话机的拨号脉冲直接控制交换机的接线器动作直接控制方式自动交换机。制交换机的接线器动作直接控制方式自动交换机。n n以后又出现了旋转制和升降制的交换机。它们是以后又出现了旋转制和升降制的交换机。它们是以以“记发器记发器”为标志的间接控制方式的交换机。为标志的间接控制方式的交换机。n n19191919瑞典工程师比图兰得瑞典工程师比图兰得(Betulander)(Betulander)和帕尔默格林和帕尔默格林(Palmgren)(Palmgren)发明了纵横制自动电话交换机，这种接发明了纵横制自动电话交换机，这种接线器将过去的滑动摩擦方式的接点改成了压接触，线器将过去的滑动摩擦方式的接点改成了压接触，从而减少了磨损，提高了寿命。从而减少了磨损，提高了寿命。18n n19461946年第一台存储程序控制的电子计算机的诞生，年第一台存储程序控制的电子计算机的诞生，对现代科学技术起到了划时代的作用，震撼着各对现代科学技术起到了划时代的作用，震撼着各个领域。这一新技术也使得人们有可能在电子交个领域。这一新技术也使得人们有可能在电子交换技术中引入换技术中引入“存储程序控制存储程序控制”这一概念。这一概念。n n2020世纪世纪6060年代初期以来，脉冲编码调制年代初期以来，脉冲编码调制(PCMPCM)技术技术成功地应用在传输系统中，各国都开始了研制成功地应用在传输系统中，各国都开始了研制PCMPCM信息的交换系统。信息的交换系统。19701970年法国首先在拉尼翁年法国首先在拉尼翁开通了第一台数字交换系统开通了第一台数字交换系统E10E10，开始了数字程控，开始了数字程控交换的新时期。交换的新时期。n n2020世纪世纪8080年代后期，逐步出现了新的电信业务，年代后期，逐步出现了新的电信业务，随之出现了新的交换技术。随之出现了新的交换技术。19n n1.2 电路交换n n世界上第一代电话交换机采用的是空分电路交换方式，利用接点等开关元件构成电路交换网络。随着数字通信与PCM技术的迅速发展，采用PCM方式的数字交换网络得到广泛的应用。20n n电路交换的主要优点：(1)信息的传输时延小，对一次接续而言，传输时延固定不变；(2)信息以数字信号形式在数据通路中“透明”传输，交换机对用户的数据信息不存储、分析和处理，交换机在处理方面的开销比较小，对用户的数据信息也不需要附加许多用于控制的信息，信息的传输效率比较高。21(3)信息的编码方法和信息格式由通信双方协调，不受网络的限制。n n电路交换的主要缺点是：(1)电路的接续时间较长。当传输较短信息时，通信通道建立的时间可能将大于通信时间，网络利用率低。(2)电路资源被通信双方独占，电路利用率低。22(3)通信双方在信息传输、编码格式、同步方式、通信协议等方面要完全兼容。这就限制了各种不同速率、不同代码格式、不同通信协议的用户终端直接的互通。(4)有呼损，即可能出现由于对方用户终端设备忙或交换网负载过重而呼叫不通。23n n1.3 数据交换1)数据通信和话音通信的区别(1)通信对象不同 数据通信实现的是计算机和计算机之可以及人和计算机之间的通信，而电话通信是实现人和人之间的通信。(2)传输可靠性要求不同 一般而言数据通信的比特差错率必须控制在10-6以下，而话音通信比特差错率可高到10-3。24(3)通信的平均持续时间和通信建立请求响应不同 根据美国国防部对27000个数据用户进行统计，90的用户数据通信时间在50s以下。而相应电话通信的持续平均时间在5min左右，由此决定数据通信的信道建立时间要求也要短，通常应该在15s左右。而相应的电话通信过程的建立一般在15s左右。25n n(4)通信过程中信息业务量特性不同 统计资料表明，电话通信双方讲话的时间平均各占一半，一般不会出现长时间信道中没有信息传输。而计算机通信双方处于不同的工作状态传输数据速率是非常不同的。系统进行远程遥测和遥控，传输速率一般只在30bs以下；如果用户希望获取大量文件，则一般传输速率在100kbs1Mbs是让人满意的。26n n分组交换n n采用了采用了“存储存储转发转发”方式，把报文裁成许多比方式，把报文裁成许多比较短的、被规格化了的较短的、被规格化了的“分组分组”(Packet)(Packet)进行交换进行交换和传输。由于分组长度较短。具有统一的格式，和传输。由于分组长度较短。具有统一的格式，便于在交换机中存储和处理，便于在交换机中存储和处理，“分组分组”进入交换进入交换机后只在主存储器中停留很短的时间，进行排队机后只在主存储器中停留很短的时间，进行排队处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一处理，一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换机或用户终端，个交换机或用户终端，“分组分组”穿过交换机或网穿过交换机或网络的时间很短络的时间很短(“(“分组分组”穿过一个交换机的时延为穿过一个交换机的时延为毫秒级毫秒级)，能满足绝大多数数据通信用户对信息传，能满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性要求。输的实时性要求。27n n分组交换的主要优点是：(1)向用户提供了不同速率、不同代码、不同同步方式、不同通信控制协议的数据终端之间能够相互通信的灵活的通信环境。(2)在网络轻负载情况下，信息的传输时延较小，而且变化范围不大，能够较好地满足计算机交互业务的要求。(3)实现线路动态统计复用，通信线路(包括中继线路和用户环路)的利用率很高，在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路。28(4)可靠性高。每个分组在网络中传输时可以在中继线和用户线上分段进行差错校验，使信息在分组交换网络中传输的比特差错率大大降低，一般可以达到10-10以下，由于“分组”在分组交换网中传输的路由是可变的，当网中的线路或设备发生故障时，“分组”可以自动地避开故障点选择一条新的路由，而通信不会中断。29n n(5)经济性好。信息以“分组”为单位在交换机中存储和处理，不要求交换机具有很大的存储容量，降低了网内设备的费用。对线路的动态统计时分复用也大大降低了用户的通信费用。分组交换网通过网络控制和管理中心(NMC)对网内设备实行比较集中的控制和维护管理，节省维护管理费用。30n n分组交换的主要缺点是：n n(1)由网络附加的传输信息较多，对长报文通信的传输效率比较低。除此之外，我们还要设计许多不包含数据信息的控制分组，用它们来实现数据通路的建立、保持和拆除，并进行差错控制以及数据流星控制等，可见，在交换网内除了有用户数据传输外、还有许多辅助信息在网内流动，对于较长的报文来说，分组交换的传输效率就不如电路交换和报文交换的高。31n n(2)技术实现复杂。分组交换机要对各种类型的“分组”进行分析处理，为“分组”在网中的传输提供路由，并且在必要时自动进行路由调整，为用户提供速率、代码和规程的变换，为网络的维护管理提供必要的报告信息等，要求交换机要有较高的处理能力。32n n1.4 宽带交换技术 1.4.1电信业务和媒体传输特性 在20世纪80年代后期逐步出现了一些新的电信业务，具体有：智能用户电报(Teletex)、可视图文(Videotext)，遥测(Tetemetry)、监视(Surveillance)和告警(A1arm)、电子邮件(Electronic mail)、可视电话(Video Phone)和电视会议(Video Conference)、图文电视(Telex)、视频点播(VODVideo on Demond)。33n n事实上随着技术的发展和人们需求的增加还会出现更多的新业务。分析上面的业务可以看到，信息传输的媒体方式从单一话音传输向话音、数据、文本、图形、动画和图像、视频复合的多媒体信息转化。由于信息多媒体化导致新一代业务传输具有与传统话音或文本数据所不同的传输特性。34n n(1)各种业务信息的传输要求具有不同的速率，具有不同的突发性。n n(2)各种业务传输具有不同的误差要求和延时要求。n n为此人们提出许多改进方案，下面首先介绍电路交换和分组交换的改进方案。351.4.2 快速电路交换 为了使电路交换的概念扩展到具有波动和突发性的业务传输的应用场合，人们提出了快速电路交换的核心思想是在有信息传送时快速建立通道，如果用户没有数据传输则释放传输通道。发送数据，同时必须在较短的时间内完成端到瑞的链路的建立，要求网络有高速的计算能力。361.4.3 快速分组交换帧中继(1)帧中继中取消了X 25协议规定网络节点之间、网络节点和用户设备之间每段传输链路上的数据差错控制，(2)帧中级数据传输基本数据单元是帧，去掉了有关进行链路差错控制的帧中的域。37(3)帧中继数据传输采用数据链路连接标识符(DLCI)，作为网络传输数据信道标志、类似于分组交换虚电路中的逻辑信道号的概念，因此说帧结构格式中包含路由选择的信息。38n n1.4.4 ATMn n新一代可以适合各种不同业务的多媒体通信的交换和复用技术，显然必须综合电路交换和分组交换的优势，可以支持高速和低速的实时业务，具有高效的网络运营效率。这就是ITUT给出的新一代的交换和复用技术-异步转移模式(ATM)。39n nATM方式具有4项基本特点。(1)采用ATM信元复用方式 在ATM中采用固定长度的分组(53个字节)，称为信元(cell)。ATM是按信元进行统计复用的，在时间上没有固定的复用位置。(2)ATM采用面向连接并预约传输资源的方式工作。40(3)在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制和流量控制，而将这些工作推到了网络的边缘。(4)ATM信元头部功能降低。41n n1.4.5 IP交换n nInternet网由多层路由器构成的传统网络趋向饱和，当它扩充到一定限度后，其经济性和效率却随规模的进一步增大而下降，将面临下述问题：(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，同时用户接入速率太低。42(2)当用户数量急剧增加时，路由器网络性能将下降，这时路由器虽然可以保证优先级较高的数据传输，但由于它采用大连接的IP协议，因而不能让服务质量(带宽、优先级等)与商业上的优先级对应起来。43(3)路由器网络规模的进一步增大要求路由器支持大数量的端口，然而目前一般的路由器只支持10个端口，即使是大型路由器也只能支持50个端口，即路由器的端口数受到限制。因此大型的Internet节点需要配置多个路由器，它们之间通过以太网或光纤分布式数据接口(FDDI)相连。这种可堆叠式配置元论在成本上和性能上代价都很高。同时在纯路出器网络中，每一个端即使是内部中间端口都需要占用IP地址。44(4)规模较大的路由器网络大多采用分层结构，并在大的节点采用上述可堆叠式配置，以支持大量用户接入。由于IP包在沿途每一个路出器上都需进行排队和协议处理，因此分层路由器结构和可堆叠式配置使得IP包需要经过更多的路由器数，这将导致传输延迟增加，性能下降。45n nATM技术的出现为解决现有Internet所面临的问题提供了解决方案。用ATM网络从多方面来进行改进，即如何在ATM网络上支持Internet，实际上可归结到如何在ATM 上支持TCPIP的问题。目前主要有两类方法：类是所谓叠加模型，包括ATM上的传统式IP规范(IPOA)及ATM多协议规范(MPOA)。另一类是所谓集成模型，包括IP交换和标记交换(LS)等，46n n1.5 光交换技术n n光交换和ATM交换一样，是宽带交换的重要组成。在长途信息传输方面，光纤已经占了绝对的优势。用户环路光纤化也得到很大发展，尤其是宽带综合业务数字网(B-ISDN)中的用户线路必须要用光纤。这样，处在ISDN中的宽带交换系统上的输入和输出的信号，实际上就都是光信号。47n n光技术已经在信息传输中得到广泛的应用，如果采用光交换机，光电变换过程都可以省去。n n除了减少光电变换的损伤外，采用光交换可以提高信号交换的速度，因为电交换的速率受电子器件速度的限制。为此，光交换技术成为未来发展的方向。48n n从目前已进行的研制和开发的情况来看，光交换的传输路径采用空分、时分和波分交换方式，以及 码分交换方式。49n n1.6 软交换技术n n 当前，基于InternetInternet的各种应用正如火如茶地迅猛发展，带动着IP网以令人难以置信的增长速度迅速发展。随着Internet应用的大规模普及，“Everything Over IP已经成为网络的发展趋势，基于分组网络的话音业务也成为研究与开发的热点。以软交换为核心的下一代网络技术正是在这种要求下应运而生。50n n软交换技术是一个体系结构，并不是一个单独的软交换技术是一个体系结构，并不是一个单独的设备，而是一系列分布于设备，而是一系列分布于IPIP网络之上的设备的总网络之上的设备的总称。软交换位于软交换系统的中央，提供呼叫控称。软交换位于软交换系统的中央，提供呼叫控制、承载控制、地址翻译、路由、网关控制、计制、承载控制、地址翻译、路由、网关控制、计费数据收集等功能，是软交换系统的控制中心。费数据收集等功能，是软交换系统的控制中心。基于软交换的网络系统结构如图基于软交换的网络系统结构如图4 4所示，从图中可所示，从图中可看出，以软交换为核心的下一代网络最主要的特看出，以软交换为核心的下一代网络最主要的特点就是采用了分层的体系结构，分为以下四层。点就是采用了分层的体系结构，分为以下四层。51图4 软交换系统结构示意图 52n n(1)(1)业务应用层业务应用层n n(2)(2)控制层控制层n n(3)(3)传送层传送层n n(4)(4)边缘接入层边缘接入层n n信令网关信令网关(SG)(SG)n n媒体网关媒体网关(MG)(MG)n n综合接入设备综合接入设备(IAD)(IAD)53图5 交换方式比较54