现代通信技术基础第4章综述课件

第第4 4章章 现代数字交换技术现代数字交换技术4.1 4.1 概述概述4.2 4.2 电路交换电路交换4.3 4.3 存储存储/转发交换转发交换4.4 ATM4.4 ATM交换交换4.5 IP4.5 IP交换交换4.6 4.6 软交换软交换4.7 4.7 光交换光交换14.14.1概述概述4.1.1 交换的概念交换的概念1、交换的引入、交换的引入 通信的目的是在信息的源和目的之间传通信的目的是在信息的源和目的之间传送信息，这个源和目的对应的就是各种通信送信息，这个源和目的对应的就是各种通信终端，比如两个人要想通话，最简单的就是终端，比如两个人要想通话，最简单的就是各自拿两个话机，用一条通信线路连接起来各自拿两个话机，用一条通信线路连接起来就可实现通话就可实现通话.同样，两个人要想传送文件，同样，两个人要想传送文件，可各自使用一台计算机，通过串口线经可各自使用一台计算机，通过串口线经RS232接口连接起来，实现信息的传送。接口连接起来，实现信息的传送。2 当存在多个终端，而且希望它们中的任何两个都当存在多个终端，而且希望它们中的任何两个都可以进行点对点的通信时，最直接的方法是把所有可以进行点对点的通信时，最直接的方法是把所有终端两两相连，这样的连接方式称为全互连式。终端两两相连，这样的连接方式称为全互连式。我们以五部电话机的连接为例，五个用户要两两我们以五部电话机的连接为例，五个用户要两两都能通话，则需要总电路数为都能通话，则需要总电路数为10条。条。当终端数目较少，地理位置相对集中时还可以采当终端数目较少，地理位置相对集中时还可以采用这种全互联式。如果用户数量增多，全互连式需用这种全互联式。如果用户数量增多，全互连式需要的电路数量会增多，用在线路方面的投资也随着要的电路数量会增多，用在线路方面的投资也随着增加。如增加。如10000个用户，则需要个用户，则需要 万条万条电路。每新增一个终端，则需要与前面已有的所有电路。每新增一个终端，则需要与前面已有的所有终端进行连线，工程浩大。终端进行连线，工程浩大。3为了解决这一问题，我们很自然地想到在用户密为了解决这一问题，我们很自然地想到在用户密集的中心安装一个设备，把每个用户的电话机或其集的中心安装一个设备，把每个用户的电话机或其他终端设备都用各自专用的线路连接在这个设备上。他终端设备都用各自专用的线路连接在这个设备上。此设备相当于一个开关接点，平时处于断开状态，此设备相当于一个开关接点，平时处于断开状态，当任意两个用户之间交换信息时，该设备就把连接当任意两个用户之间交换信息时，该设备就把连接这两个用户的有关节点合上，这时两用户的通信线这两个用户的有关节点合上，这时两用户的通信线路连通。当两用户通信完毕，才把相应的节点断开，路连通。当两用户通信完毕，才把相应的节点断开，两用户之间的连线就断开。两用户之间的连线就断开。由于该设备的作用主要是控制用户之间连接的通由于该设备的作用主要是控制用户之间连接的通断，类似于普通的开关，所以称其为交换设备（或断，类似于普通的开关，所以称其为交换设备（或交换节点）。在英文中就称其为交换节点）。在英文中就称其为“switch”。4用户环线交换设备（b）用户间通过交换设备连接图（a）(终端=5、线对数=10)全互连图图图4-2 4-2 用户间连接图用户间连接图5 2、交换的概念、交换的概念 所谓交换，就是在通信网上，负责在通信所谓交换，就是在通信网上，负责在通信的源和目的终端之间建立通信信道传送通信信的源和目的终端之间建立通信信道传送通信信息的机制息的机制。多个交换节点组成的电话交换网见。多个交换节点组成的电话交换网见图图4-3所示。图所示。图4-3中，中继线是指交换机与中，中继线是指交换机与交换机之间的连线。交换机之间的连线。64.1.2 4.1.2 交换方式的分类交换方式的分类 所谓交换方式是指对应于各种传输模式，所谓交换方式是指对应于各种传输模式，交换机为完成其交换功能所采用的互通交换机为完成其交换功能所采用的互通(Intercommunication)技术。交换方式主要分技术。交换方式主要分为两类。为两类。1、电路交换电路交换方式（或线路交换方式）方式（或线路交换方式）网络节点内部完成对通信线路（在空间或时网络节点内部完成对通信线路（在空间或时间上）的连通，为数据传输提供专用的（或物间上）的连通，为数据传输提供专用的（或物理的）传输通路（即物理连接）。理的）传输通路（即物理连接）。物理连接是指用户通信过程中，无论用户有物理连接是指用户通信过程中，无论用户有无信息传送，交换网络始终按照预先分配的物无信息传送，交换网络始终按照预先分配的物理带宽资源保持其专用的接续通路。理带宽资源保持其专用的接续通路。72、存储转发交换存储转发交换方式方式(或信息交换方式或信息交换方式)网络节点运用程序方法先将途经的数据流按网络节点运用程序方法先将途经的数据流按传输单元接收并存储下来；然后，选择一条合传输单元接收并存储下来；然后，选择一条合适的链路将它转发出去，在逻辑上为数据传输适的链路将它转发出去，在逻辑上为数据传输提供了传输通路（即逻辑连接）。提供了传输通路（即逻辑连接）。逻辑连接是指只有在用户有信息传送时，才逻辑连接是指只有在用户有信息传送时，才按需分配物理带宽资源，提供接续通路，因此按需分配物理带宽资源，提供接续通路，因此逻辑连接也称为虚连接。逻辑连接也称为虚连接。存储转发交换方式又分为存储转发交换方式又分为报文交换和分组报文交换和分组交换交换。8图图4-4 4-4 交换方式分类交换方式分类94.2 4.2 电路交换电路交换4.2.1 电路交换的基本过程电路交换的基本过程电路交换又称为线路交换，电路交换又称为线路交换，它是以接通电路为目的它是以接通电路为目的的交换方式，电话网中就是采用电路交换方式的交换方式，电话网中就是采用电路交换方式。打电话时，首先是摘起话机，交换机送来拨号音，打电话时，首先是摘起话机，交换机送来拨号音，听到拨号音后开始拨号。拨号完毕，交换机就知道了听到拨号音后开始拨号。拨号完毕，交换机就知道了要和谁通话，并为双方建立一个连接，于是双方进行要和谁通话，并为双方建立一个连接，于是双方进行通话。等一方挂机后，交换机就把双方的线路断开，通话。等一方挂机后，交换机就把双方的线路断开，为双方各自开始一次新的通话做好准备为双方各自开始一次新的通话做好准备.电路交换的动作，就是在通信时建立电路交换的动作，就是在通信时建立(即连接即连接)电路，电路，通信完毕时拆除通信完毕时拆除(即断开即断开)电路。电路。10通信分三步通信分三步:电路建立电路建立、数据传递数据传递、电路释放电路释放 电路交换电路交换：当用户需要通信时，当用户需要通信时，交换机在收、发终端之交换机在收、发终端之间建立一条临时的电路间建立一条临时的电路连接，该连接在通信期连接，该连接在通信期间始终保持接通，直至间始终保持接通，直至通信结束才被释放通信结束才被释放.11建立线路：建立线路：发起方站点向某个终端站点（响应方站点）发送发起方站点向某个终端站点（响应方站点）发送一个请求，该请求通过中间节点传输至终点；如果中间节点有一个请求，该请求通过中间节点传输至终点；如果中间节点有空闲的物理线路可以使用，则接收请求，分配线路，并将请求空闲的物理线路可以使用，则接收请求，分配线路，并将请求传输给下一中间节点；整个过程持续进行，直至终点。如果中传输给下一中间节点；整个过程持续进行，直至终点。如果中间节点没有空闲的物理线路可以使用，整个线路的间节点没有空闲的物理线路可以使用，整个线路的“串接串接”将将无法实现。仅当通信的两个站点之间建立起物理线路之后，才无法实现。仅当通信的两个站点之间建立起物理线路之后，才允许进入数据传输阶段。线路一旦被分配，在未释放之前，其允许进入数据传输阶段。线路一旦被分配，在未释放之前，其它站点将无法使用，即使某一时刻，线路上并没有数据传输。它站点将无法使用，即使某一时刻，线路上并没有数据传输。数据传输：数据传输：在已经建立物理线路的基础上，站点之间进行数在已经建立物理线路的基础上，站点之间进行数据传输。数据既可以从发起方站点传往响应方站点，也允许相据传输。数据既可以从发起方站点传往响应方站点，也允许相反方向的数据传输。反方向的数据传输。释放线路：释放线路：当站点之间的数据传输完毕，执行释放线路的动当站点之间的数据传输完毕，执行释放线路的动作。该动作可以由任一站点发起，释放线路请求通过途经的中作。该动作可以由任一站点发起，释放线路请求通过途经的中间节点送往对方，释放线路资源。间节点送往对方，释放线路资源。12电路交换的特点：电路交换的特点：独占性独占性：建立线路之后，释放线路之前，：建立线路之后，释放线路之前，即使站点之间无任何数据可以传输，整个线路即使站点之间无任何数据可以传输，整个线路仍不允许其它站点共享，因此线路的利用率较仍不允许其它站点共享，因此线路的利用率较低，并且容易引起接续时的拥塞。低，并且容易引起接续时的拥塞。实时性好实时性好：一旦线路建立，通信双方的所：一旦线路建立，通信双方的所有资源（包括线路资源）均用于本次通信，除有资源（包括线路资源）均用于本次通信，除了少量的传输延迟之外，不再有其它延迟，具了少量的传输延迟之外，不再有其它延迟，具有较好的实时性。有较好的实时性。用户用户数据透明传输数据透明传输，要求收发双方自动进，要求收发双方自动进行速率匹配。行速率匹配。线路线路交换设备简单交换设备简单，不提供任何缓存装置。，不提供任何缓存装置。13 电路交换最大的缺点就是电路利用率低，电路交换最大的缺点就是电路利用率低，带宽固定不灵活。通信过程中始终独占一条带宽固定不灵活。通信过程中始终独占一条信道。信道。以电话通信中的电路交换为例，电路接以电话通信中的电路交换为例，电路接通后，讲话的双方总是一个在听，一个在说，通后，讲话的双方总是一个在听，一个在说，电路空闲时间大约是电路空闲时间大约是50。如果考虑说话过。如果考虑说话过程中的停顿，那么空闲时间还要更多。有统程中的停顿，那么空闲时间还要更多。有统计数据表明，电路交换的电路利用率只有计数据表明，电路交换的电路利用率只有36%左右。因此，电路交换比较适用于信左右。因此，电路交换比较适用于信息量大、长报文、恒定速率的语音用户之间息量大、长报文、恒定速率的语音用户之间的通信。的通信。144.2.2 4.2.2 电路交换技术的发展历程电路交换技术的发展历程 电路交换经历了电路交换经历了人工交换、机电式自动交换、程人工交换、机电式自动交换、程控交换控交换三个阶段。三个阶段。早在早在18781878年就出现了年就出现了人工交换机人工交换机，它借助话务员，它借助话务员进行电话接续，效率很低。进行电话接续，效率很低。1515年后年后步进制交换机步进制交换机问世，标志着交换技术从人问世，标志着交换技术从人工时代迈入机电自动交换时代。用户可通过话机拨号工时代迈入机电自动交换时代。用户可通过话机拨号脉冲自动地完成用户间的接续。但存在着速度慢、效脉冲自动地完成用户间的接续。但存在着速度慢、效率低、杂音大与机械磨损严重等缺点率低、杂音大与机械磨损严重等缺点。直到直到19381938年发明了年发明了纵横制交换机纵横制交换机才部分地解决了才部分地解决了上述问题上述问题,得到了广泛的应用得到了广泛的应用.15 随着电子技术，尤其是半导体技术的迅速发展，随着电子技术，尤其是半导体技术的迅速发展，在交换机内引入电子技术在交换机内引入电子技术。最初引入电子技术的是在。最初引入电子技术的是在交换机的控制部分，而话路部分则在较长一段时期内交换机的控制部分，而话路部分则在较长一段时期内未能达到人们的目的未能达到人们的目的引入电子技术。因此出现了引入电子技术。因此出现了“半电子交换机半电子交换机”、“准电子交换机准电子交换机”。它们都是用。它们都是用机械接点作为话路部分，而控制部分则采用电子器件。机械接点作为话路部分，而控制部分则采用电子器件。随着计算机技术的发展，自随着计算机技术的发展，自20世纪世纪60年代开始年代开始研制研制程控数字交换机，程控数字交换机，法国首先于法国首先于1970年在拉尼翁年在拉尼翁成功地开通了世界上第一个程控交换系统成功地开通了世界上第一个程控交换系统E10，它标，它标志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。志着交换技术从传统的模拟交换进入数字交换时代。我国在我国在80年代中期引进程控数字交换技术年代中期引进程控数字交换技术.164.2.3 4.2.3 数字程控交换原理数字程控交换原理1 1、数字交换的概念、数字交换的概念 数字程控交换机直接交换数字化的话音信号，欲数字程控交换机直接交换数字化的话音信号，欲实现数字信号交换的目的，必须做到在不同话路时隙实现数字信号交换的目的，必须做到在不同话路时隙发送和接收信号。只有这两个方向的交换同时建立起发送和接收信号。只有这两个方向的交换同时建立起来，才能完成数字话音信号交换。实现这个功能要依来，才能完成数字话音信号交换。实现这个功能要依靠数字交换设备。靠数字交换设备。数字交换实质上就是把数字交换实质上就是把PCMPCM系统有系统有关的时隙内容在时间位置上进行搬移，因此数字交换关的时隙内容在时间位置上进行搬移，因此数字交换也叫做时隙交换。也叫做时隙交换。当进入数字交换设备只有一套当进入数字交换设备只有一套PCMPCM系统时，交换仅系统时，交换仅在这条总线的在这条总线的3030个话路时隙之间进行。为了扩大数字个话路时隙之间进行。为了扩大数字信号的交换范围，要求数字交换设备还要具有在不同信号的交换范围，要求数字交换设备还要具有在不同PCMPCM总线之间进行交换的功能。总线之间进行交换的功能。17要实现时隙交换，要实现时隙交换，数字交换设备应该具有数字交换设备应该具有以下交换功能以下交换功能：（1 1）在同一条）在同一条PCMPCM总线上不同时隙之间进总线上不同时隙之间进行交换，采用时间（行交换，采用时间（T T）型接线器完成；）型接线器完成；（2 2）在不同）在不同PCMPCM总线上同一时隙之间进行总线上同一时隙之间进行交换，采用空间（交换，采用空间（S S）型接线器完成；）型接线器完成；（3 3）在不同）在不同PCMPCM总线之间的不同时隙之间总线之间的不同时隙之间进行交换，采用进行交换，采用TSTTST或或STSSTS型交换网络完成；型交换网络完成；182 2、数字交换网络、数字交换网络接线器是构成数字交换网络的基本部件，按其功接线器是构成数字交换网络的基本部件，按其功能不同可分为两类：能不同可分为两类：时间型接线器和空间型接线器时间型接线器和空间型接线器。（1）时间型接线器）时间型接线器时间型接线器的组成时间型接线器的组成时间型接线器又称时间型接线器又称T接线器，它的功能是完成同接线器，它的功能是完成同一条一条PCM总线（复用）上不同时隙内容的交换。总线（复用）上不同时隙内容的交换。T接线器由话音存储器接线器由话音存储器SM（Speech Memory）和控制存储器和控制存储器CM（Control Memory）组成）组成.19时隙交换时隙交换 时隙交换实现同一条复用线上两个用户之间话音信息的交换。TSi TSj（ij）20写入控制的T接线器 21 读出控制的T接线器 22 由于由于T接线器的读写速率限制，其容量有限。接线器的读写速率限制，其容量有限。当需要的时隙数过大，需要用多个当需要的时隙数过大，需要用多个T接线器来实现接线器来实现时隙交换。那么就要解决不同时隙交换。那么就要解决不同T接线器之间的交换接线器之间的交换问题。问题。空间型接线器又称为空间型接线器又称为S接线器，其功能是完成不接线器，其功能是完成不同同PCM总线之间同一时隙内容的交换。总线之间同一时隙内容的交换。功能：功能：S接线器完成接线器完成不同PCM复用总线间间同一TS之之间的交换间的交换;S接线器是通过控制存储器控制电子交叉矩阵接线器是通过控制存储器控制电子交叉矩阵接点的闭合来实现接点的闭合来实现TS在不同在不同PCM间的交换的。间的交换的。（2）空间型接线器）空间型接线器23空分接线器24不同不同PCM上同一时隙的交换上同一时隙的交换同一同一PCM上不同时隙的交换上不同时隙的交换T接线器接线器PCM入PCM出TS2TS2AAUHW0UHW1DHW0DHW1S接线器接线器S接线器接线器T接线器接线器PCM入PCM出AAUHW0DHW0TS2TS925q多端PCM交换交换网络交换网络PCM入PCM出AATS2TS16UHW0UHW1UHW2UHW3DHW0DHW1DHW2DHW3可可 用用T+S组合接线器来实现组合接线器来实现 交换网络的交换网络的T-S-T结构结构26图图4-15 TST4-15 TST网络网络 27图图4-16 4-16 数字程控交换机基本结构数字程控交换机基本结构3、数字程控交换机的组成、数字程控交换机的组成 数字程控交换机包括硬件和软件两大部分组成。数字程控交换机包括硬件和软件两大部分组成。硬件包括话路系统和控制系统两部分。软件部分主硬件包括话路系统和控制系统两部分。软件部分主要是指存放在存储器中的数据和程序要是指存放在存储器中的数据和程序28图图4-18 4-18 电话接续基本信令流程电话接续基本信令流程4、信令系统、信令系统 所谓信令是指完成通信网的信号控制与接续过程的指令。所谓信令是指完成通信网的信号控制与接续过程的指令。完成通信接续所需要的各种信号就构成了通信网的信令系统，完成通信接续所需要的各种信号就构成了通信网的信令系统，又称又称信令网信令网。29电话接续信令流程：电话接续信令流程：当用户摘机时，用户摘机信号送到发端交换机；当用户摘机时，用户摘机信号送到发端交换机；发端交换机收到用户摘机信号后，立即向主叫用户送出拨发端交换机收到用户摘机信号后，立即向主叫用户送出拨号音；号音；主叫用户拨号，将被叫用户号码送给发端交换机；主叫用户拨号，将被叫用户号码送给发端交换机；发端发端交换机根据被叫号码选择局向及中继线，发端交换机在选好的交换机根据被叫号码选择局向及中继线，发端交换机在选好的中继线上向终端交换机发送占用信号，并把被叫用户号码送给中继线上向终端交换机发送占用信号，并把被叫用户号码送给终端交换机；终端交换机；终端交换机根据被叫号码，将呼叫连接到被叫用户，向被终端交换机根据被叫号码，将呼叫连接到被叫用户，向被叫用户发送振铃信号，并向主叫用户送回铃音；叫用户发送振铃信号，并向主叫用户送回铃音；当被叫用户摘机应答时，终端交换机接到应答摘机信号，当被叫用户摘机应答时，终端交换机接到应答摘机信号，终端交换机将应答信号转发给发端交换机；终端交换机将应答信号转发给发端交换机；用户双方进入通话状态，这时，线路上传送话音信号；用户双方进入通话状态，这时，线路上传送话音信号；话终挂机复原，传送拆线信号；话终挂机复原，传送拆线信号；终端交换机拆线后，回送一个拆线证实信号，一切设备复终端交换机拆线后，回送一个拆线证实信号，一切设备复原。原。综上所述，电话网的信令系统应具有综上所述，电话网的信令系统应具有监视功能、选择功能和监视功能、选择功能和网路管理网路管理功能。功能。304.3 4.3 存储转发交换存储转发交换由于电路交换的资源利用率低，不同类型的用户由于电路交换的资源利用率低，不同类型的用户间不能直接互通，灵活性差，所以又发展了存储间不能直接互通，灵活性差，所以又发展了存储转发交换方式。转发交换方式。存储转发交换分为报文交换和分组交换存储转发交换分为报文交换和分组交换。4.3.1 4.3.1 报文交换报文交换报文交换的基本思想就是报文交换的基本思想就是“存储存储转发转发”。当当用户的报文到达交换机时，先将报文存储在交换机用户的报文到达交换机时，先将报文存储在交换机的存储器中（内存或外存），当所需要的输出电路的存储器中（内存或外存），当所需要的输出电路有空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。有空闲时，再将该报文发向接收交换机或用户终端。31为了准确地实现转发报文，一份报文应为了准确地实现转发报文，一份报文应包括以下三个部分：包括以下三个部分：（1 1）报头或标题。它包括发信站地址、）报头或标题。它包括发信站地址、终点收信地址和其他辅助控制信息等。终点收信地址和其他辅助控制信息等。（2 2）报文正文。传输用户信息。）报文正文。传输用户信息。（3 3）报尾。表示报文的结束标志，若报）报尾。表示报文的结束标志，若报文长度有规定，则可省去此标志。文长度有规定，则可省去此标志。32图图4-21 4-21 报文交换工作原理图报文交换工作原理图 332 2、报文交换的优缺点、报文交换的优缺点优点：优点：（1 1）可使不同类型的终端设备之间进行通信。因为）可使不同类型的终端设备之间进行通信。因为报文交换机具有存储和处理能力，可对输入输出电路报文交换机具有存储和处理能力，可对输入输出电路上的速率和编码格式进行变换。上的速率和编码格式进行变换。（2 2）在报文交换的过程中没有电路接续过程，来自）在报文交换的过程中没有电路接续过程，来自不同用户的报文可以在同一条线路上以报文为单位实不同用户的报文可以在同一条线路上以报文为单位实现时分多路复用，线路可以以它的最高传输能力工作，现时分多路复用，线路可以以它的最高传输能力工作，大大提高了线路利用率。大大提高了线路利用率。（3 3）用户不需要叫通对方就可以发送报文，所以无）用户不需要叫通对方就可以发送报文，所以无呼损，并可以节省通信终端操作人员的时间。同一报呼损，并可以节省通信终端操作人员的时间。同一报文可以由交换机转发到不同的收信地点。文可以由交换机转发到不同的收信地点。34报文交换的缺点报文交换的缺点:1 1）信息的传输时延大，而且时延的变化也大。）信息的传输时延大，而且时延的变化也大。2 2）要求报文交换机有高速处理能力，且缓冲）要求报文交换机有高速处理能力，且缓冲存储器容量大，因此交换机的设备费用高。存储器容量大，因此交换机的设备费用高。可见，报文交换不利于实时通信，它适用于可见，报文交换不利于实时通信，它适用于公众电报和电子信箱业务。公众电报和电子信箱业务。354.3.2 4.3.2 分组交换分组交换1 1、分组交换的产生背景、分组交换的产生背景分组交换技术的思想首先提出时并不是作为分组交换技术的思想首先提出时并不是作为数据交换的一种方式，而是作为电话通信中的数据交换的一种方式，而是作为电话通信中的保密方法提出的。保密方法提出的。当时的想法是为了对通话双方的对话内容保当时的想法是为了对通话双方的对话内容保密，将对话的内容分成一个一个很短的小块，密，将对话的内容分成一个一个很短的小块，即把它们分组，在每一个交换站将这一呼叫的即把它们分组，在每一个交换站将这一呼叫的分组与其他呼叫的分组混合起来，并以分组为分组与其他呼叫的分组混合起来，并以分组为单位发送，通话的内容通过不同的路径到达终单位发送，通话的内容通过不同的路径到达终端端.36终点站收集所有到达的分组，然后将它们终点站收集所有到达的分组，然后将它们按顺序重新组合成可懂的语言。按顺序重新组合成可懂的语言。如果传输线路在网中的某一位置被截收，如果传输线路在网中的某一位置被截收，收到的是由多个对话交错在一起的分组，它收到的是由多个对话交错在一起的分组，它们的含义是不连贯的，从而达到保密的目的。们的含义是不连贯的，从而达到保密的目的。当时由于技术条件限制，这一提法没有实当时由于技术条件限制，这一提法没有实现。但由于分组技术可以有效的利用通信线现。但由于分组技术可以有效的利用通信线路的资源和解决计算机之间的通信问题，实路的资源和解决计算机之间的通信问题，实现资源共享，所以在不断的研究下，时隔五现资源共享，所以在不断的研究下，时隔五年后完成了世界上第一年后完成了世界上第一个分组交换网的建设。个分组交换网的建设。372 2、分组交换的概念、分组交换的概念分组交换也称包交换分组交换也称包交换，是以信息分发为目的，是以信息分发为目的，把从输入端进来的数据按一定长度分割成若干把从输入端进来的数据按一定长度分割成若干个数据段个数据段(分组分组,包）包）;并且在每个信息分组中并且在每个信息分组中增加信息头及信息尾，表示该段信息的开始及增加信息头及信息尾，表示该段信息的开始及结束。结束。此外还要加上地址域和控制域，用以此外还要加上地址域和控制域，用以表示这段信息的类型和送往何处，还要加上错表示这段信息的类型和送往何处，还要加上错误校验码以检验传送中发生的错误，然后由交误校验码以检验传送中发生的错误，然后由交换机根据每个分组的地址标志，在网中以换机根据每个分组的地址标志，在网中以“存存储一转发储一转发”的方式传到目的地。最后去掉控制的方式传到目的地。最后去掉控制信息，将分组还原成发端文件，交给收信端用信息，将分组还原成发端文件，交给收信端用户，这一过程称为分组交换。户，这一过程称为分组交换。38图图4-22 4-22 分组示意图分组示意图 分组交换与报文交换都采用存储转发机制。分组交换与报文交换都采用存储转发机制。不同之处：不同之处：分组交换发送和接收的是由报文分割为若干较小分组交换发送和接收的是由报文分割为若干较小的分组，而报文交换发送和接收的是整个报文的分组，而报文交换发送和接收的是整个报文。由于分组交。由于分组交换以较小的分组为单位进行传输和交换，所以分组交换比报换以较小的分组为单位进行传输和交换，所以分组交换比报文交换的速度快。文交换的速度快。39图图4-23 4-23 分组交换的工作原理分组交换的工作原理 3、分组交换的基本过程、分组交换的基本过程 404 4、分组交换工作方式、分组交换工作方式分组交换有分组交换有数据报和虚电路数据报和虚电路两种工作方式。两种工作方式。（1 1）数据报方式）数据报方式 数据报中每一个分组都带有完整的目的站地数据报中每一个分组都带有完整的目的站地址，独立地进行路由选择，同一终端送出的不址，独立地进行路由选择，同一终端送出的不同分组可以沿着不同的路径到达终点同分组可以沿着不同的路径到达终点。在网络。在网络终点，分组的顺序可能不同于发端，需要重新终点，分组的顺序可能不同于发端，需要重新排序。它的差错控制和流量控制由主机完成。排序。它的差错控制和流量控制由主机完成。41图图4-24 4-24 数据报方式原理图数据报方式原理图 42数据报方式有以下特点：数据报方式有以下特点：（1 1）数据报传送协议简单；）数据报传送协议简单；（2 2）数据报传送不需建立连接；）数据报传送不需建立连接；（3 3）数据报分组到达终点的顺序可能不）数据报分组到达终点的顺序可能不同于发端，需重新排序；同于发端，需重新排序；（4 4）数据报各分组的传输时延差别可能）数据报各分组的传输时延差别可能较大。较大。43（2 2）虚电路方式）虚电路方式 虚电路方式是两个用户终端设备在开始互虚电路方式是两个用户终端设备在开始互相传输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上相传输数据之前必须通过网络建立一条逻辑上的连接（称为虚电路），一旦这种连接建立以的连接（称为虚电路），一旦这种连接建立以后，用户发送的数据（以分组为单位）将通过后，用户发送的数据（以分组为单位）将通过该路径按顺序通过网络传送到终点该路径按顺序通过网络传送到终点。当通信完。当通信完成之后，用户发出拆链请求，网络拆除连接。成之后，用户发出拆链请求，网络拆除连接。虚电路虚电路：仅仅是确定了信息所走的端到端的路径，仅仅是确定了信息所走的端到端的路径，但并不一定要求预留带宽资源。但并不一定要求预留带宽资源。电路交换电路交换：实连接，不但确定了信息所走的路径，：实连接，不但确定了信息所走的路径，同时还为信息的传送预留了带宽资源；同时还为信息的传送预留了带宽资源；44图图4-25 4-25 虚电路方式原理图虚电路方式原理图 45虚电路的特点如下：虚电路的特点如下：（1 1）一次通信具有呼叫建立、数据传输）一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫清除和呼叫清除3 3个阶段，对于数据量较大的个阶段，对于数据量较大的通信，传输效率高；通信，传输效率高；（2 2）收发之间的路由在数据传送之前已）收发之间的路由在数据传送之前已被决定，不必为每个分组选择路由，分组被决定，不必为每个分组选择路由，分组只根据虚电路号就可在网中传输；只根据虚电路号就可在网中传输；（3 3）分组按次序到达接收端，终点不需）分组按次序到达接收端，终点不需对分组重新排序；对分组重新排序；（4 4）差错控制与流量控制由网络负责。）差错控制与流量控制由网络负责。465 5、分组交换的优缺点、分组交换的优缺点分组交换的主要优点有：分组交换的主要优点有：（1 1）线路利用率高。）线路利用率高。（2 2）不同种类的终端可以相互通信。）不同种类的终端可以相互通信。（3 3）信息传输可靠性高。网络节点交换机之间）信息传输可靠性高。网络节点交换机之间可采用差错校验与重发技术。有故障时，自动重可采用差错校验与重发技术。有故障时，自动重新选路。新选路。（4 4）分组型终端可以同时与多个用户终端进行）分组型终端可以同时与多个用户终端进行通信，可把同一信息发送到不同用户。通信，可把同一信息发送到不同用户。（5 5）计费与传输距离无关。网络计费按时长、）计费与传输距离无关。网络计费按时长、信息量计费，与传输距离无关，特别适合那些非信息量计费，与传输距离无关，特别适合那些非实时性而通信量不大的用户。实时性而通信量不大的用户。47分组交换的主要缺点有：分组交换的主要缺点有：（1 1）信息传输效率较低信息传输效率较低。由于网络附加的。由于网络附加的传输控制信息较多，特别是对较长的报文来说，传输控制信息较多，特别是对较长的报文来说，分组交换的信息传输效率不如电路交换高。分组交换的信息传输效率不如电路交换高。（2 2）实现技术复杂实现技术复杂。分组交换机要对各种。分组交换机要对各种类型的类型的“分组分组”进行分析处理，所需实现设备进行分析处理，所需实现设备比较复杂。比较复杂。（3 3）信息传输时延大信息传输时延大。由于分组信息在传。由于分组信息在传输过程中需要排队等待，其时延是随机的，因输过程中需要排队等待，其时延是随机的，因而分组交换的时延比电路交换的时延大很多。而分组交换的时延比电路交换的时延大很多。484.3.3 4.3.3 快速分组交换快速分组交换帧中继帧中继早期的分组交换早期的分组交换X.25X.25均采用逐段链路的差均采用逐段链路的差错控制和流量控制，数据帧传送出现差错时错控制和流量控制，数据帧传送出现差错时可以重发，传送质量有保证，可靠性高。但可以重发，传送质量有保证，可靠性高。但由于协议和控制复杂，信息传送时延长，只由于协议和控制复杂，信息传送时延长，只能用于非实时的数据业务。能用于非实时的数据业务。一种快速分组交换一种快速分组交换-帧中继帧中继(Frame(Frame Relay)Relay)尽量简化协议，网络不再提供差错校尽量简化协议，网络不再提供差错校正功而将此功能交由终端去完成，以实现高正功而将此功能交由终端去完成，以实现高速、高吞吐量、低时延的交换传送，缩短了速、高吞吐量、低时延的交换传送，缩短了传输时延，提高了传输效率传输时延，提高了传输效率。49帧中继进行数据通信有两个最基本的条件，帧中继进行数据通信有两个最基本的条件，一是要保证数字传输系统的优良性能，一是要保证数字传输系统的优良性能，二是保证终端系统的差错恢复能力。二是保证终端系统的差错恢复能力。这两个条件目前早已不成为障碍。现代光纤这两个条件目前早已不成为障碍。现代光纤数字传输系统的比特差错率实质上可达到数字传输系统的比特差错率实质上可达到1010-9-9以下。因此，现代通信网的纠错能力不再是评以下。因此，现代通信网的纠错能力不再是评价网络性能的主要指标。价网络性能的主要指标。504.4 ATM4.4 ATM交换交换 4.4.1 ATM4.4.1 ATM的基本概念的基本概念1 1、ATMATM交换的产生背景交换的产生背景 2020世纪世纪8080年代以来，世界各国都对以电话年代以来，世界各国都对以电话网为基础的窄带综合业务数字网网为基础的窄带综合业务数字网N-ISDNN-ISDN的研究的研究和实现付出了很大的努力。和实现付出了很大的努力。N-ISDNN-ISDN采用数字传输和数字交换技术，利采用数字传输和数字交换技术，利用现有的电话网将电话、传真、数据、图像等用现有的电话网将电话、传真、数据、图像等多种业务综合在一起进行传输和处理，实现了多种业务综合在一起进行传输和处理，实现了端到端的数字连接。端到端的数字连接。51但但N-ISDNN-ISDN存在很多问题：存在很多问题：传送速率低传送速率低：N-ISDNN-ISDN只有处理只有处理1.51.52Mb/s2Mb/s以内速率的业务，难以进行图像通信以内速率的业务，难以进行图像通信业务综合能力差业务综合能力差：N-ISDNN-ISDN虽然也综合了分虽然也综合了分组交换，但这种综合仅在用户入网接口上实现，组交换，但这种综合仅在用户入网接口上实现，在网络内部仍由分开的电路交换和分组交换实在网络内部仍由分开的电路交换和分组交换实体来提供不同的业务服务，未能达到真正的业体来提供不同的业务服务，未能达到真正的业务综合。务综合。对未来导入新业务的适应性差对未来导入新业务的适应性差：N-ISDNN-ISDN对对于高于于高于64kb/s64kb/s的传输速率只支持电路交换模式，的传输速率只支持电路交换模式，这种模式在收发端之间提供传输速率固定的信这种模式在收发端之间提供传输速率固定的信道，并且它的速率只能取有限几个特定的数值，道，并且它的速率只能取有限几个特定的数值，这就给各种不同速率新业务的导入增加了困难。这就给各种不同速率新业务的导入增加了困难。52 为克服为克服N-ISDNN-ISDN的局限，从的局限，从2020世纪世纪8080年代初就年代初就开始寻找一种更新的网络，要求这种网络：开始寻找一种更新的网络，要求这种网络：1.1.能够提供高于能够提供高于2Mb/s2Mb/s速率的传输通道；速率的传输通道；2.2.能够适应全部现有的和将来可能的业务。能够适应全部现有的和将来可能的业务。以以ATMATM为核心技术的宽带网就是这样的一种网为核心技术的宽带网就是这样的一种网络。络。2020世纪世纪8080年代中后期，人们对这种网络做了年代中后期，人们对这种网络做了大量实验，建立了很多交换模型。大量实验，建立了很多交换模型。19881988年年ITU-TITU-T正式将这种技术定名为正式将这种技术定名为异步转异步转移模式移模式(ATM,Asynchronous Transfer Mode)(ATM,Asynchronous Transfer Mode)，并确定并确定ATMATM为宽带综合业务数字网（为宽带综合业务数字网（B-ISDNB-ISDN）的）的信息交换传送方式。信息交换传送方式。53 ATM是是建立在电路交换和分组交换基础上建立在电路交换和分组交换基础上的一种面向连接的的一种面向连接的快速分组交换技术，采用定快速分组交换技术，采用定长分组作为传输和交换的单位。长分组作为传输和交换的单位。ATM交换的数据单元长度是固定的，称为交换的数据单元长度是固定的，称为信元信元(cell)。ATMATM信元的长度固定为信元的长度固定为5353个字节个字节，其中，其中开头开头5 5个字节称为信头个字节称为信头(header)(header)，放置信元本身的控，放置信元本身的控制信息。制信息。其余其余4848个字节为净荷个字节为净荷(payload)(payload)，即即用户需传送的具体信息。信息类型可以是语音、用户需传送的具体信息。信息类型可以是语音、视频、数据、文本等任意形式，也就是说，信视频、数据、文本等任意形式，也就是说，信元是所有媒体信息的统一载体。元是所有媒体信息的统一载体。短信短信元，固定长度。元，固定长度。544.4.2 ATM4.4.2 ATM的异步交换原理的异步交换原理 在讨论在讨论ATMATM交换技术时，首先回顾异步时交换技术时，首先回顾异步时分复用的原理，再介绍分复用的原理，再介绍ATMATM的异步交换原理。的异步交换原理。1 1、异步时分复用异步时分复用传统的以电路交换为基础的传递模式中，传统的以电路交换为基础的传递模式中，常采用时分复用（常采用时分复用（TDMTDM）技术。其基本方法是）技术。其基本方法是将时间按一定的周期分成若干个时隙。每个将时间按一定的周期分成若干个时隙。每个时隙携带用户数据。在连接建立后，用户会时隙携带用户数据。在连接建立后，用户会固定地占用每帧中固定的一个或若干个时隙，固定地占用每帧中固定的一个或若干个时隙，直到相应的连接被拆除为止。而在接收端，直到相应的连接被拆除为止。而在接收端，则从固定的时隙中提取出用户数据。则从固定的时隙中提取出用户数据。55 同步时分复用原理同步时分复用原理 收发双方的同步是通过固定时隙来实现的。收发双方的同步是通过固定时隙来实现的。因此，称这种时分复用技术为同步时分复因此，称这种时分复用技术为同步时分复用（用（STDM）。）。56在异步时分复用中，同样是将线路时间周期在异步时分复用中，同样是将线路时间周期划分成为帧的形式，而一帧中又再划分时隙来划分成为帧的形式，而一帧中又再划分时隙来承载用户数据。承载用户数据。在异步时分复用中，用户的数据不再固定占在异步时分复用中，用户的数据不再固定占用各帧中某一个或若干个时隙，而是根据用户用各帧中某一个或若干个时隙，而是根据用户的请求和网络资源的情况，由网络来进行动态的请求和网络资源的情况，由网络来进行动态分配。分配。在接收端，也不再是按固定的时隙关系来提在接收端，也不再是按固定的时隙关系来提取相应用户数据，而是根据所传输的数据中本取相应用户数据，而是根据所传输的数据中本身所携带的目的地信息来接收数据。在异步时身所携带的目的地信息来接收数据。在异步时分复用中，由于用户数据并不固定地占用某一分复用中，由于用户数据并不固定地占用某一时隙，而是具有一定的随机性。时隙，而是具有一定的随机性。57数据在第数据在第1 1帧中占第帧中占第2 2时隙，而在第时隙，而在第K K帧中则帧中则占第占第3 3时隙和第时隙和第n-1n-1时隙。带宽资源的占用是时隙。带宽资源的占用是动态的。动态的。异步时分复用十分适用于突发性数据业务，异步时分复用十分适用于突发性数据业务，但其同步操作和实现较为复杂。但其同步操作和实现较为复杂。异步时分复用异步时分复用582 2、异步交换、异步交换先回顾先回顾TDM中所使用的固定时隙交换中所使用的固定时隙交换(电路交换电路交换)。某用户数据在交换前输入帧中的位置与其在交换后某用户数据在交换前输入帧中的位置与其在交换后的输出帧中的位置一般是不同的。但是的输出帧中的位置一般是不同的。但是在交换后的输在交换后的输出帧中，用户数据所占用的时隙位置是固定的出帧中，用户数据所占用的时隙位置是固定的。图图4-294-29固定时隙交换固定时隙交换 59 在在ATMATM中，交换不是固定时隙的中，交换不是固定时隙的。当输入帧进。当输入帧进入入ATMATM交换机后，要在缓存器中进行缓存，并根据交换机后，要在缓存器中进行缓存，并根据输出帧中时隙的空闲情况，随机地占用某一个或几输出帧中时隙的空闲情况，随机地占用某一个或几个时隙，而且所占用的若干时隙并不要求相邻。个时隙，而且所占用的若干时隙并不要求相邻。图图4-30 4-30 异步时隙交换异步时隙交换 604.4.3 ATM4.4.3 ATM交换的特点交换的特点1、ATM交换以信元为单位进行交换，且采用交换以信元为单位进行交换，且采用硬件进行，提高了交换机的处理能力。能支持高硬件进行，提高了交换机的处理能力。能支持高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换速、高吞吐量和高服务质量的信息交换,能提供能提供灵活的带宽分配，适应从很低速率到很高速率的灵活的带宽分配，适应从很低速率到很高速率的综合业务交换的要求。综合业务交换的要求。2 2、ATMATM交换简化了分组交换中许多通信规程，交换简化了分组交换中许多通信规程，去掉了差错控制和流量控制等功能，节约了开销，去掉了差错控制和流量控制等功能，节约了开销，增加了网络的吞吐量。增加了网络的吞吐量。3 3、ATMATM交换采用类似于电路交换的呼叫连接控交换采用类似于电路交换的呼叫连接控制方式。在呼叫建立时，交换机为用户在发送端制方式。在呼叫建立时，交换机为用户在发送端和接收端之间建立起虚电路，减少了信元传输处和接收端之间建立起虚电路，减少了信元传输处理时延，保证了交换的实时性。理时延，保证了交换的实时性。4 4、ATMATM交换的交换的缺点是其技术过于复杂缺点是其技术过于复杂，其推广，其推广受到极大的限制。受到极大的限制。614.5 IP4.5 IP交换交换 早期计算机通信网还未出现之前，计算机之间早期计算机通信网还未出现之前，计算机之间的通信多采用点到点的通信的通信多采用点到点的通信方式，只能实现两台计方式，只能实现两台计算机之间的通信和资源共享。算机之间的通信和资源共享。其实现方式有两种，一种是采用其实现方式有两种，一种是采用RS-232RS-232接口，接口，两台计算机直接对连。另一种是采用调制解调器两台计算机直接对连。另一种是采用调制解调器(modem)(modem)通过电话线把两个远程计算机互连。通过电话线把两个远程计算机互连。62 上述两种方式无法满足多个计算机终端的上述两种方式无法满足多个计算机终端的互连，于是共享介质的互连，于是共享介质的局域网（局域网（LAN）出现）出现了，它是一种经济、方便的技术，了，它是一种经济、方便的技术，可以解决可以解决短距离计算机间互连通信短距离计算机间互连通信的问题。的问题。但是局域网（但是局域网（LAN）有其本身的局限性，）有其本身的局限性，由于它是采用共享信道资源，所以每台计算由于它是采用共享信道资源，所以每台计算机所能使用的传输信道容量受到限制，而且机所能使用的传输信道容量受到限制，而且各种各种LAN技术之间是互不兼容的，无法实现技术之间是互不兼容的，无法实现不同不同LAN之间的互连之间的互连，从而达到更多计算机，从而达到更多计算机之间、更远距离的通信和资源共享。之间、更远距离的通信和资源共享。632020世纪世纪6060年代末，美国国防部进行了年代末，美国国防部进行了ARPAnetARPAnet的试的试验。验。ARPAnetARPAnet的指导思想是要研制一个能经得起故障的指导思想是要研制一个能经得起故障考验（战争破坏）而能维持正常工作的计算机网络。考验（战争破坏）而能维持正常工作的计算机网络。经过经过4 4年的研究，年的研究，19721972年年ARPAnetARPAnet正式亮相，该网正式亮相，该网络建立在络建立在TCP/IPTCP/IP协议之上，它能够将不同的异构网协议之上，它能够将不同的异构网络互联。络互联。19831983年以后，人们把年以后，人们把ARPAnetARPAnet称为称为InternetInternet。19861986年美国国家科学基金会年美国国家科学基金会NSFNSF把建立在把建立在TCP/IPTCP/IP协议集上的协议集上的NSFnetNSFnet向全社会开放，向全社会开放，19901990年年NSFnetNSFnet取取代代ARPAnetARPAnet称为称为InternetInternet。9090年代以来，年代以来，WWWWWW技术的发展使技术的发展使InternetInternet被国际被国际企业界普遍接受，从而成为一个全球性计算机网络企业界普遍接受，从而成为一个全球性计算机网络的互联网络。的互联网络。64IP(Internet Protocol,Internet协议协议)IP协议采用无连接方式进行分组转发，不保证传输的可靠性和服务质量。变长分组：报头2060字节，最大总长度：216-1字节（1字节32bit）IP数据报格式数据报格式65直接交付方式:主机发送主机发送IP数据报前，先检查目数据报前，先检查目的主机网络地址，如果同属一个子网则通过物理网络的主机网络地址，如果同属一个子网则通过物理网络送交给目的主机，否则由路由器转发。送交给目的主机，否则由路由器转发。路由器间接交付:源和目的主机不在同一子网，主机将IP数据报交给本子网路由器，路由器收到数路由器收到数据报后进行路由查找，若找到则将数据报传给下一站据报后进行路由查找，若找到则将数据报传给下一站路由器，若未找到则丢弃数据报，并回送一个路由器，若未找到则丢弃数据报，并回送一个ICMP报文。报文。IP数据报被路由器逐站转发，某一路由器发现，某一路由器发现目的主机在自己所连接的某个子网内，便利用该子网目的主机在自己所连接的某个子网内，便利用该子网对应的物理网络将其传送给目的主机。对应的物理网络将其传送给目的主机。IP数据报的转发数据报的转发66 基于基于IP协议的协议的Internet提供的是一种尽力而提供的是一种尽力而为的服务，这种服务能够满足大部分数据业务，为的服务，这种服务能够满足大部分数据业务，但是不能满足某些需要提供具有服务质量但是不能满足某些需要提供具有服务质量QoS的业务，比如多媒体通信、的业务，比如多媒体通信、IP电话等。电话等。此外，对于此外，对于IP网络，当网上信息流量的持网络，当网上信息流量的持续增加时，由多层路由续增加时，由多层路由器构成的传统网络正趋器构成的传统网络正趋向饱和，当现有向饱和，当现有InternetInternet规模扩充到一定限度规模扩充到一定限度后，将在许多方面后，将在许多方面(带宽、路由、网络扩展性、带宽、路由、网络扩展性、QoSQoS)面临挑战。面临挑战。67684.6 4.6 软交换软交换1、软交换的产生背景、软交换的产生背景 人类的通信包括话音、数据、视频与音频人类的通信包括话音、数据、视频与音频组合的多媒体三大内容。组合的多媒体三大内容。一直以来，上述三类通信业务均是分别一直以来，上述三类通信业务均是分别由不同的通信网来承载和疏通。电话网承载由不同的通信网来承载和疏通。电话网承载和疏通语音业务和疏通语音业务,数据网承载和疏通数据业务，数据网承载和疏通数据业务，多媒体网承载和疏通多媒体业务。多媒体网承载和疏通多媒体业务。人们需要的是能够随时、随地、灵活地人们需要的是能够随时、随地、灵活地获取所需要的信息。因此要求电信运营商能获取所需要的信息。因此要求电信运营商能够灵活地为用户提供丰富的电信业务。够灵活地为用户提供丰富的电信业务。69 而基于由不同通信网络提供不同业务的而基于由不同通信网络提供不同业务的运营模式难以运营模式难以满足用户满足用户“灵活地获取所需要灵活地获取所需要的信息的信息”的需求，的需求，只有构建一个只有构建一个“全业务网全业务网络络即能够同时承载和疏通语音、数据、即能够同时承载和疏通语音、数据、多媒体业务的网络多媒体业务的网络”才能满足用户日益增长才能满足用户日益增长的对通信业务的需求。的对通信业务的需求。为了能够实现在同一个网络上同时提供为了能够实现在同一个网络上同时提供语音、数据以及多媒体业务，实现通信业务语音、数据以及多媒体业务，实现通信业务的融合，人们提出了的融合，人们提出了软交换软交换(Soft Switch)概念。概念。702、软交换的定义及概念、软交换的定义及概念 软交换是基于分组网利用程控软件提供呼软交换是基于分组网利用程控软件提供呼叫控制功能和媒体处理相分离的设备和系统叫控制功能和媒体处理相分离的设备和系统。因此，因此，软交换的基本含义就是将呼叫控制软交换的基本含义就是将呼叫控制功能从媒体网关（传输层）中分离出来，通过功能从媒体网关（传输层）中分离出来，通过软件实现基本呼叫控制功能软件实现基本呼叫控制功能，从而实现呼叫传，从而实现呼叫传输与呼叫控制的分离，为控制、交换和软件可输与呼叫控制的分离，为控制、交换和软件可编程功能建立分离的平面。编程功能建立分离的平面。71 软交换技术采用了电