现代交换技术概论

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,北邮计算机科学与技术学院 卞佳丽,*,1,现代交换原理与通信网技术,通信与信息技术研究所,郭星歌,办公室电话：,83884819,手机：,13952175170,邮箱：,guoxingge,2,什么是通信网？, 什么是交换技术？, 为什么要引入交换技术？, 如何引入交换技术（设备）？, 有多少种交换技术？, 每种交换技术的特点是什么？相互区别是什么？, 通信网与交换网结合带来了什么？,开始课程前的几个问题：,3,课程内容,1.,电信交换概论,使大家对交换的基本概念和交换方式的种类有所了解。,2.,交换网络,详细讲述典型交换单元及其交换网络的基本原理。,3.,程控数字电话交换与电话通信网,讨论电话交换的基本原理及电话通信网的组成技术。,4.,信令系统,介绍信令的基本概念、,No.1,信令方式、,No.7,信令方式和信令网技术。,4,5.,分组交换和分组交换网,重点介绍分组交换的基本原理。,6.ISDN,交换技术与综合业务数字网,介绍,ISDN,的基本概念，,ISDN,交换的特点等。,7ATM,交换技术与,B-ISDN,介绍,ATM,交换的基本原理，,ATM,交换系统构成的 基本原理。,8.IP,交换技术,介绍,IP,交换的种类和方式，简单介绍,IP,交换的基本原理。,5,参考,书目,现代电信交换基础,雷振明编著 人民邮电出版社,ATM,交换技术,陈锡生编著 人民邮电出版社,分组交换工程,杜治龙编著 人民邮电出版社,综合业务数字网,程时端编著 人民邮电出版社,6,一、交换概论,7,1,电信交换的基本概念,2,各种交换方式,3,电信交换系统的基本结构,本章主要内容,8,通信系统的基本任务：是将信息从它的发源地传送到目的地。,最简单的通信系统就是如下图所示的点对点通信系统。,主要包括：信道（或称电路）和通信终端。,功能描述：传输和信息转换。,提出问题：当通信系统中存在多个终端时，如何实现任意,两个终端之间的点对点通信？,本节从简单的点对点通信入手，引入“交换”，进而给出现代通信网络的组网结构。,8,1,、电信交换的基本概念,9,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就可实现通话，如图,1.1a,所示；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,RS232,口连接起来，实现信息的传送，如下图所示。,10,点对点通信举例,话音,数据,11,无交换的多个终端要实现相互间通信，必须以全互,连的方式两两相连。,若终端数为,n,，则线对数为,C,2,n,= n(n-1)/2,（当终端,n=100,时，线对数,=100X(100-1)/2=4950,）,无交换的多个终端的通信,(,终端,=5,、线对数,=10),12,全互连式连接存在下列一些缺点：,当存在,N,个终端时，需用,N(N-1)/2,条线对，线对数量以,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线路。,(3),每个终端都有,N-l,对线与其它终端相接，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。当,N,较大时，无法实用化。,(5),由于每个用户处的出线过多，因此维护工作量较大。,13,如果在用户分布密集的中心安装一个设备,交换机,(switch,，也叫交换节点,),，每个用户的终端设备经各自的专用线路连接到交换机上，如下图所示，就可以克服全互连式连接存在的问题。,14,用户间通过交换设备连接,用户环线,交换设备,引入交换的终端间的通信,15,为了扩大覆盖地域，可采用如下图所示的包含多个交换结点的网络结构。在这种网络中，除了用户终端、交换机和用户环路以外，还有一类网络元素，那就是位于交换结点之间的中继线（又称为干线）。与用户环路不同，它们不属于用户专用，而是归广大用户共享，按照用户的需求分配使用，因而信道利用率较高。,15,16,多个交换节点组成的通信网,引入交换的终端间的通信,中继线,17,多台交换机组成的通信网,18,其中，用户终端与交换机之间的连接线路叫做用户线，交换机与交换机之间的连接线路叫做中继线，通信网的传输设备主要由用户线、中继线和相关的传输系统设备组成。,通信网的三要素,交换设备，传输设备和用户终端。,什么是交换？,19,19,采用交换机组网带来的主要好处有：（,1,）可覆盖更广大的地域，为更多的用户服务；（,2,）在端到端之间可提供多条路径，从而提高了通信的可靠性；（,3,）网络资源（交换机、中继线等）为众多的用户共享，因而提高了经济性。,将网络中的设备分为专用和共享带来的好处。,采用交换机组网，又称“交换式”通信网，其最大好处是易于构成大型网络（下节中举例说明）,。,20,交换节点可控制的接续类型,：,本局接续、出局接续、入局接续、转接接续,交换节点的基本功能,能按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号,能控制连接的建立与拆除,交换节点必须具备的基本功能：,能正确接收和分析从用户线或中继线发来的呼叫信号、地址信号,21,交换节点接续类型图示,22,几个概念,交换,通信网,交换设备,传输设备,终端设备,用户线,中继线,出局呼叫,入局呼叫,本局呼叫,转接呼叫,主叫,被叫,主叫局,被叫局,端局,汇接局,23,2,、各种交换方式,通信网中，交换功能是由交换节点来完成的。不同的通信网因为其所支持的业务特性不同，其交换设备所采用的交换方式也不同。,电路交换 多速率电路交换,快速电路交换 分组交换,帧交换 快速分组交换,ATM,交换,IP,交换,光交换,24,本节通过实际网络结构举例，说明交换机在通信网中的地位和作用，为了更具一般性，分别以电信网和互联网为例，同时引入电路交换与分组交换的概念。,公共交换电信网中的电路交换,传统的公共交换电信网,(PSTN),由用户终端、用户环路、交换机和中继线组成，包含本地网和长途网两大部分。它提供的主要业务是电话，所以又称公共电话网。,24,25,端局,端局,PBX,用户终端,中继线,其它城市,长途局,用户终端,PSTN,本地网,25,26,关于各种交换机的名称和作用,(,用户交换机,市话交换,机,长途交换机,),。,关于各种线路的名称和作用,(,用户线,中继线,长途线,),。,PSTN,电信网的特点：,（,1,）这是一个转接式网络，端到端一般要经过交换机多次,转接。,（,2,）采用的交换方式是电路交换，网络根据用户的请求提,供端到端的连接通路。,（,3,）通信全过程分为建立连接、用户信息传送、释放连接,三个阶段。,（,4,）连接控制依靠信令系统完成。,26,电信网络是支撑电话、移动电话和,Internet,技术发展的基础设施。所有电信网络实现的关键技术是交换技术。,27,1.2.1,电路交换,(Circuit Switching),电路交换是最早出现的一种交换方式，也是电话通信使用的交换方式。,电话通信要求为用户提供双向连接以便进行对话式通信，它对时延和时延抖动敏感，而对差错不敏感。因此当用户需要通信时，交换机就在收、发终端之间建立一条临时的电路连接，该连接在通信期间始终保持接通，直至通信结束才被释放。通信中交换机不需要对信息进行差错检验和纠正，但要求交换机处理时延要小。,交换机所要做的就是将入线和指定出线的开关闭合或断开。交换机在通信期间提供一条专用电路而不提供差错校验和纠正，这种工作方式就称为电路交换,。,电话通信的过程：三个过程（呼叫建立，通话，呼叫拆除）,详细见课本,28,交换节点,A,交换节点,B,交换节点,C,建立,传送,释放,电路交换的基本过程,电路交换具有严格的三个阶段：呼叫建立、传送信息、呼叫拆除。,29,30,31,电路交换的特点：,（,1,）信息传送的最小单位是时隙,电路交换基于,PCM,传输系统中的时隙，在,PCM30/32,路传输系统中，每路通信的信道为一个时隙（,TS,：,Time Slot,），每个时隙,8bit,，每路通信的速率为,64Kbps,。,TS,是电路交换，传输，复用的最小单位。,（,2,）面向连接的工作方式（物理连接）,传送消息前，先建立一条通信源与目的之间的物理链路，并且独占（暂时）。,（,3,）同步时分复用,(,帧的概念,),注意：不同帧中编号相同的时隙组成一个恒定速率的数字信道。,32,（,4,）信息传送无差错控制,话音通信的特点是实时性高，但对可靠性要求没有数据通信高，所以电路交换中，为了减少话音信息传送的时延，过程中没有,CRC,校验等差错控制。,（,5,）信息具有透明性,对所传送话音信息不做处理，原封不动的传送。,（,6,）基于呼叫损失制的流量控制,电路交换中，当过负荷时，再来到的呼叫不是排队等候，而是直接呼损掉。,33,但是采用电路交换方式传送数据也有以下缺点：,(1),所分配的带宽是固定的，造成网络资源的利用率降低，不适合突发业务传送。,(2),通信的传输通路是专用的，即使在没有信息传送时别人也不能利用，所以采用电路交换进行数据通信的效率较低。,(3),通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等方面要完全兼容，这使不同速率和不同通信协议之间的用户无法接通。,(4),存在着呼损。由于通信线路的固定分配与占用方式会影响其它用户的再呼入，因此造成线路利用率低。,通过以上特点，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,。,34,1.2.2,多速率电路交换,电路交换方式建立的连接只有一种传送速率，常见的为,64 kb/s,。为了满足不同业务的带宽需要，出现了多速率电路交换,MRCS(Multi-Rate Circuit Switching),。,MRSC,本质还是电路交换，具有电路交换的特点，可以将其看作采用电路交换方式向用户提供多种速率的交换方式。,具体实现方法有两种：,35,（,1,）将几个基本信道绑在一起构成一个速率较高的信道，提供给某一次通信使用，实现多速率交换。（,N*64K,）软件实现，如,N,ISDN,（,HDTV,速率,140M,，话音,64K,）,（,2,）设置多种基本信道速率。这样一个帧就被分为了不同长度的时隙。（硬件实现，需要多种交换网络）,36,统一的多速率交换网络的例子,37,报文交换（,Message Switching,）又称为存储转发交换，是根据电报的特点提出来的。,与电路交换的原理不同，不需要提供通信双方的物理连接，而是将所接收的报文暂时存储。报文中除了用户要传送的信息以外，,还有目的地址和源地址,。每个交换节点要有纠错、检错功能。,下图是报文交换的原理图。,1.2.3,报文交换（,M,essage Switching,）,38,39,报文交换原理示意图,40,报文交换的优点是：,(1),报文交换不需要事先建立连接，并且可采用多路复用，因此不独占信道，从而可大大提高线路的利用率。,(2),用户不需要叫通对方就可发送报文，无呼损。,(3),容易实现不同类型终端之间的通信，输入,/,输出电路速率及电码格式可以不同。,41,公用电信网的电报自动交换是报文交换的典型应用，有的专用数据网也采用报文交换方式。,报文交换的主要缺点是：,(1),当长报文通过交换机存储并等待发送时，会在交换机中产生较大时延，不利于实时通信。,(2),要求交换机有高速处理能力及大的存储容量，增加了设备费用。,42,1.2.4,分组交换（,PS,：,Packet Switching,）,报文交换传输时延大，不能满足实时性的要求，为此人们进行了一些探索，提出了分组交换的概念。,（,1),分组交换原理,分组交换,PS (Packet Switching),把一份要发送的数据报文分成若干个较短的、按一定格式组成的分组（,packet),，将这些分组传送到一个交换节点。交换节点仍然采用存储,转发技术。分组具有统一格式并且长度比报文短得多，在交换机的主存储器中停留很短时间，一旦确定了新的路由，就很快被转发到下一个节点机。,43,采用存储转发方式的分组交换与报文交换的不同在于：分组交换将用户要传送的信息分割为若干个分组（,packet,），每个分组中有一个分组头，含有可供选路的信息和其他控制信息。,44,报文交换的时延 分组交换的时延,（,2,）分组交换和报文交换比较,45,（,3,）分组交换的两种方式,支持分组交换的协议有多种，根据协议的不同，分组交换网络可以是面向连接的，也可以是无连接的。,（,1,）面向连接的分组网络,提供虚电路,VC (Virtual Circuit),服务,（,2,）无连接的分组网络,提供数据报,DG (Datagram),服务,46,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。,它不同于电路交换中的物理连接，而是逻辑连接。,交换虚电路,(SVC,：,Switched Virtual Circuit),用户通过发送呼叫请求分组来建立虚电路的方式。,永久虚电路,(PVC,：,Permanent Virtual Circuit),应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，而不需在呼叫时临时建立虚电路，可直接进入数据传送阶段的方式。,虚电路,47,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。,数据报,48,DG,方式的每个分组头中要包含详细的目的地址,VC,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,虚电路与数据报的比较,分组头,49,VC,方式预先有建立过程，但一旦虚电路建立，在端到端之间所选定的路由上的各个交换节点都具有映象表，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。,DG,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。,虚电路与数据报的比较,选路,50,VC,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。,DG,方式中，各个分组由于是独立选路，可以从不同的路由转送，会引起失序。,虚电路与数据报的比较,分组顺序,51,VC,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）,DG,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。,虚电路与数据报的比较,故障敏感性,52,VC,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的时间，如文件传送、传真业务等。,DG,方式则适用于面向事务的询向响应型数据业务。,虚电路与数据报的比较,应用,53,面向连接工作方式和无连接工作方式的特点：,（,1,）面向连接工作方式的特点：,（,a,）,不管是面向物理连接还是逻辑连接，其通信过程都可分为三个阶段：连接建立，传送消息，连接拆除。,（,b,）一旦连接建立，该通信的所有信息均沿着这个连接路径传送，并且保证信息的有序性（发送顺序和接收顺序相同）,（,c,）信息传送时延比无连接方式小,（,d,）一旦建立的连接出现故障，信息传送就要中断，必须重新连接，对故障敏感。,54,（,2,）无连接工作方式的特点：,（,a,）没有建立连接的过程，一边选路，一边传送信息；,（,b,）属于同一个通信的信息沿不同路径到达目的地，该路径事先无法预知，无法保证信息的有序性；,（,c,）信息的传送时延比面向连接的工作方式大,（,d,）对网络的故障不敏感,55,分组交换的特点：,（,1,）信息传送的最小单位是分组；,分组由分组头和用户信息组成，分组头含有选路和控制信息；,（,2,）面向连接（逻辑）无连接两种工作方式,（,3,）统计时分复用（动态分配带宽）,基本原理是把时间划分为不等长的时间片，按照某次通信的分组多少来分配，分组多，占用的时间片的个数就多，反之；,56,（,4,）信息传送具有差错控制,分组交换是专门为数据通信网设计的，因此有差错控制；,（,5,）信息传送不具备透明性,对所传送的数据信息要进行处理，如：拆分，重组等；,（,6,）基于呼叫延迟的流量控制,分组交换的技术特点决定了它不适合对实时性要求较高的话音业务，而适合突发和对差错敏感的数据业务。,57,电路交换：即在要通话的用户间通过交换机建立一条专用的电路。是一种电路之间的实时交换，所谓实时，是指任一用户呼叫另一用户时，应立即在两用户间建立进行通话的电路连接；只要用户双方不挂机，这条电路就保持接通，即使不讲话，别的用户也不能使用。若没有空闲的电路，这次呼叫就不能脚力而遭到损失。（适合于电话业务）,分组交换：是一种存储转发交换，不建立通信双方固定的物理连接，而是将要交换的信息先暂时存储，等有空闲路由才发送出去。,总结：,58,互联网（,INTERNET,），是一种通过路由器将多个物理网络互连起来的逻辑上统一的计算机网络。从通信业务的角度看，互联网是一种数据通信网，它可以支持,E-mail,，,FTP,，,WWW,等多种应用。被互联的网络，通常称为互联网的子网，它们既可以是同类的，也可以是异质的。,互联网中的分组交换,互联网的原理结构,58,59,LAN,LAN,互联网的典型结构,59,60,互联网与电信网的主要区别之一是采用基于异步时分复用的分组交换。其中所有信息均以分组（,Packet,）为单位进行传送，分组长度和分组间隔均可变。,路由器实际上是一种分组交换机，,它的主要功能是实现分组的“存储转发”。每个路由器首先存储输入的分组，然后根据其头部所含的地址信息选路，将分组转发到适当的输出端口，并通过相应的输出链路发送给下游的路由器。,分组交换与路由器（交换机）,60,61,3,、电信交换系统的基本结构,交换网络,控制系统,接口,接口,接口,接口,用户线,中继线,62,一台交换机通常由三部分组成：交换网络，接口，控制系统,接口的作用是将来自不同终端（如电话，计算机等）或其它交换机的各种传输信号转换成统一的交换机内部工作信号，并且按照信号的性质分别将信令传送给控制系统，将消息传送给交换网络。,交换网络的任务是实现各个入、出线上信号的传递或接续。,控制系统则负责处理信令，按照信令的要求控制交换网络完成接续，通过接口（发送必要的信令，协调整机工作和管理整个通信网。）,63,交换网络又称为接续网络，它由一个或者多个交换器组成。交换器的工作原理见下图示,64,例如：,3,号用户线与中继线连通，只需将网络交点的,x,接通。,1,号线用户欲与,2,号线用户通话时，只需将交点,y,、,z,短接，即可使两者通过绳路连通。,w,点接通时，,1,号入线与记发器连接，记下,1,号用户拨出,的电话号码。,交换器的作用是根据需要使某一入线与其某一出线连通,。,注：绳路：又叫本局中继器，本局接续的主叫与被叫的话路是经过绳路建立接续的；是通话电路中的主要设备。绳路的数量是按话务量的大小经计算后确定的，国产交换机一般每,1000,门配备,100,150,条绳路，所以配备的绳路全部占用时，若再有用户通话，就不可能接通。,65,补充：交换技术的发展,1,交换技术的出现人工电话交换。,1876,年贝尔发明了电话；,1878,年开始采用电话交换机,1878,年美国设计和制造了一台磁石电话交换机又称自给电池交换机（自供电方式），然后由话务员口述。,磁石式交换机：通话所用的直流电源分散在各个用户电话机中，且话机中备有手摇发电机向电话局发出信号，表示呼叫或要求拆线。缺点：容量不易扩大，用户使用也不方便。,1891,年开始采用共电式交换机。,66,共电式交换机：各个电话机的电源集中由电话局供给。,随之而来的是迄今仍在使用的转盘拨号话机,人工交换机：整个控制都由人工完成。,优点：设备简单、安装方便、成本低；,缺点：话务员接线速度慢、易出错，占用劳动力多。,2,交换技术自动化步进制交换,1891,年，美国人史端桥发明了第一台无需话务员接线的步进式自动交换机，交换机是利用电磁元件，通过机械动作，自动完成电话的接续任务。,67,程控交换的出现，标志着交换系统中应用计算机。由软件控制交换处理的崭新阶段的到来。程控交换机是存储程序控制方式,(Stored program Control,SPC),。相对于软件控制而言，所以以硬件控制的各种交换机，统称为布线逻辑控制方式。,SPC,技术的引入使交换机的控制功能发生了根本的变化。它能明显改善呼叫处理的速度、质量、效率，且便于自动、集中控制网络。,3 .,程控交换技术引入计算机的软件控制。,4,数字交换技术话路数字化并采用,LSI,68,互连技术,交换网络的拓扑结构、选路策略、控制机理、多播方式、阻塞特性、故障防卫,接口技术,模拟用户接口、数字用户接口、模拟中继接口、数字中继接口,信令技术,用户信令、局间信令,控制技术,控制系统的结构方式、处理机间的通信方式、多处理机结构,电信交换的基本技术,69,交换设备,终端设备,传输设备,4,、现代通信网技术综述,通信网的组成,70,通信网的分层结构,骨干传送网,接入网,传送网,应用层,SN1,业务网,1,SNn,业务网,n,业务网,CPE/CPN,支撑网,71,72,业务网的种类（,2,）,电信网,通信业务,主要特点,数字移动通信网,（,GSM,、,CDMA,）,（,GPRS,）,（,3G,）,电话、低速数据,（,816kbit/s,）,电话、中速数据,100kbit/s,多媒体,2Mbit/s,应用广泛,移动通信,VSAT,卫星网,电话、中低速数据,（ ,128kbit/s,）,建网快,成本高,宽带综合业务数字网,（,B-ISDN,）,多媒体,155.52Mbit/s,宽带综合业务,下一代网络,（,NGN,）,多媒体、高速数据,（,Gbit/s,）,发展方向、高效灵活、综合、开放、多业务,73,电信网的支撑网,No.7,信令网,数字同步网,电信管理网（,TMN,）,74,通信网的质量要求：,保证网内任意用户之间的互相通信,保证满意的通信质量,具有较高的可靠性,投资和维护费用合理,能不断适应通信新业务和通信新技术的发展,75,小结,电信交换概论,1,、在通信网中为什么要引入交换的概念？,2,、目前交换技术主要有那几种，分别属于那种传送模式？,3,、,B-ISDN,为什么采用,ATM,技术作为其传输、复用和交换,的核心技术？,4,、电信交换系统的基本结构是怎样的？其主要技术有哪些？,5,、基本概念：面向连接方式、无连接方式,同步时分交换、异步时分交换,