现代通信网技术第一章绪论

,*,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,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,*,现代通信交换技术,张文勇,贵州大学 计算机学院,2012,年,9,月,2,1.1,通信网基本概念,1.2,交换技术分类,1.3,交换技术发展,概况,第一章 绪论,3,本章重点：交换技术分类和交换技术的发展。,本章难点：步进制和纵横制交换机工作原理。,学习本章达到的目的和要求：,1,了解通信网的组成与分类，理解引入交换的原因、通信网的结构和通信网的分类；了解交换节点应实现的基本功能和接续类型。,2,了解电信网络和计算机网络使用的交换技术。掌握电路交换、分组交换的基本概念。,3,了解交换技术发展概况。掌握步进制、纵横制、程控交换机的特点。,4,1.1,通信网的基本概念,1.1.1,通信网的组成与分类,、交换的引入,通信的目的是实现信息的传递。自从,1876,年发明电话以来，一个电信系统至少应由终端和传输媒介组成。,什么是信息、消息、信号？,信息,-,受信者预先不知道的新内容；,消息,-,携带信息的载体,，,它是信息的物质表示。即通过文字、声音、图像所表现出来的信息,。,信号,-,消息的表现形式，是运载消息的工具，比如电、光、声、电磁波等等。,5,6,点对点通信,7,2.,多用户全互连,8,3.,多用户通过交换节点相连,9,二、引人交换的通信网,一台交换机组成的通信网,10,2.,多台交换机组成的通信网,11,综上所述，在多用户通信时，为了,降低用户线路的投资,，在通信网中就要引入交换机进行交换。交换机在通信网中起着非常重要的作用。,由此可见，实现通信硬件构成必须要有三个要素，即,终端、传输和交换,。它们完成通信网的基本功能：,接入、交换和传输,。,软件设施则包括,信令、协议、控制、管理、计费,等，它们主要完成通信网的,控制、管理、运营和维护,，实现通信网的智能化,通信网通俗的定义：,通信网是由一定数量的,节点,(,包括终端节点、交换节点,),和连接这些节点的,传输系统,有机地组织在一起的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。,用户使用它可以克服空间、时间等障碍来进行有效的信息交换。,12,通信网,服务对象,和,传输的内容,在通信网上，信息的交换可以在两个,用户,间进行，在两个计算机,进程,间进行，还可以在一个,用户,和一个,设备,间进行。,交换的信息包括,用户信息,(,如话音、数据、图像等,),、,控制信息,(,如信令信息、路由信息等,),和,网络管理信息,三类,。,由于信息在网上通常以电或光信号的形式进行传输，因而现代通信网又称电信网。,13,通信系统设计基本任务,应该强调的一点是，网络不是目的，只是手段。网络只是实现大规模、远距离通信系统的一种手段。,与简单的点到点的通信系统相比，它的基本任务并未改变，,通信的,有效性,和,可靠性,仍然是网络设计时要解决的两个基本问题，只是由于用户规模、业务量、服务区域的扩大，因此使解决这两个基本问题的手段变得复杂了。例如，网络的体系结构、管理、监控、信令、路由、计费、服务质量保证等都是由此而派生出来的。,14,15,现代通信网的功能结构,1.,业务网,业务网负责向用户提供各种通信业务，如基本话音、数据、多媒体、租用线、,VPN,等，采用不同交换技术的交换节点设备通过传送网互连在一起就形成了不同类型的业务网。,16,主要业务网的类型,2.,传输网,传输网是随着光传输技术的发展，在传统传输系统的基础上引入管理和交换智能后形成的。,构成传送网的主要技术要素有：传输介质、复用体制、传送网节点技术等，其中传送网节点主要有,分插复用设备,(ADM),和,交叉连接设备,(DXC),两种类型，它们是构成传送网的核心要素。,目前主要的传送网有,SDH/SONET,和光传送网,(OTN),两种类型。,18,传输网与业务网区别,传送网节点与业务网的交换节点相似之处在于：传送网节点也具有交换功能。不同之处在于：交换粒度大小不同。,另一个不同之处在于：业务网交换节点的连接是在信令系统的控制下,建立,和,释放的,，而光传送网节点之间的连接则主要是通过管理层面来指配建立或释放的，每一个连接需要,长期化维持和相对固定。,19,3.,支撑网,支撑网负责提供业务网正常运行所必需的,信令、同步、网络管理、业务管理、运营管理,等功能，以提供用户满意的服务质量。,20,21,三、通信网类型,最早的通信网主要是用于话音通信，称为,电话网,。后来随着计算机通信的发展，由于数据、图像和话音等多媒体通信的需求，通信网的范围不断扩大，目前的通信网已发展成现代信息网络。,凡是能够传递信息的网络都是信息网络。,下面从各个不同的角度对现代信息网进行分类。,22,从大的网络,业务,划分，有,电信网、计算机网、广播电视网,等；,从网络,层次,划分，有核心网、骨干网、本地网、局域网、内部网、企业网、校园网等；,从网络,构成方式,划分，有星型网、网状网、环形网、树型网和总线网等；,从网络,分布,划分，有长途网、本地网、中继网、接入网等；,23,从网络,功能,划分，有传输网、交换网、接入网（用户驻地网）、支撑网（包括同步网、信令网和管理网）、智能网、虚拟专用网,VPN,、广播电视网、卫星通信网、微波通信网等；,从网络,传输媒介,划分，分为有线网（固定网）和无线网（移动网）；,24,从网络传送的,业务,划分，有电话网,PSTN,、电报网、数据网、窄带综合业务数字网,N-ISDN,、宽带综合业务数字网,B-ISDN,、全光网络等；,从网络,交换技术,上划分，,有,电路交换网、分组交换网、异步转移模式,ATM,交换网、多协议标记交换,MPLS,、软交换网络和光交换网络等；,25,从,网络运营,角度划分，有公网和专网之分；,从网络的,发展,上分，有现代网络、下一代网络,NGN,、全光网络等；,计算机网又可划分为：局域网,LAN,、城域网,MAN,、广域网,WAN,，,LAN,有以太网、令牌环、 光纤分布式数据接口,FDDI,几种类型,；,26,数据网又有,X.25,、数字数据网,DDN,、帧中继,FR,、异步转移模式,ATM,网等；,X.25,网络是第一个面向连接的网络,也是第一个公共数据网络,.,其数据分组包含,3,字节头部和,128,字节数据部分,.,它运行,10,年后,20,世纪,80,年代被无错误控制,无流控制,面向连接的新的叫做帧中继的网络所取代,.90,年代以后,出现了面向连接的,ATM,网络,.,移动网又有全球通,GSM,、码分多址,CDMA,、小灵通,PHS,、大灵通,CDMA450,、集群系统等。,27,移动通信,移动通信,(Mobile communication),是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。,移动通信系统,由两部分组成：,(1),空间系统；,(2),地面系统：卫星移动无线电台和,天线,；关口站、,基站,。移动通信系统从,20,世纪,80,年代诞生以来，到,2020,年将大体经过,5,代的发展历程，而且到,2010,年，从第,3,代过渡到第,4,代,(4G),。到,4G,，未来几代移动通信系统最明显的趋势是要求,高数据速率、高机动性,和,无缝隙漫游。,四、通信网的拓扑结构,28,29,1.2,交换技术的分类与发展,不同的通信业务具有不同的特点，在通信网络发展的过程中，不同的网络使用不同的交换方式。,目前从电信网使用的交换技术和计算机网使用的交换技术归纳的分类如下图所示,。,30,31,电路交换,电路交换,CS,是最早出现的一种交换方式，包括早期的人工电话在内的电话交换都普遍采用电路交换方式。,在电路交换方式中，交换中心处理每一个呼叫都要经过连接的,建立、保持,和,拆除,三个阶段。,电路交换经历了模拟交换、程控交换、,N-ISDN,的发展历程。,32,二,.,分组交换,报文交换又称为,存储转发交换,，它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。,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。,33,分组交换,PS,的思想是从报文交换而来的，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，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。,分组交换经历了,X.25,、,FR,和,B-ISDN/ATM,的发展历程,。,分组交换在第,3,章介绍。,34,三,. ATM,交换,二十世纪九十年代后开始研究异步转移模式,ATM,， 要在以电话网为主体演变而来的宽带综合业务数字网和以计算机网为主体演变而来的,Internet,综合网的基础上建成高速信息网络或称信息高速公路，正规名称为国家信息基础设施。,ATM,工作原理在第,4,章介绍。,35,四,. IP,交换,计算机网络通信主要用到,IP,协议。,IP,是英文,Internet Protocol,（,网络之间互连的协议,）的缩写，中文简称为“网协”，也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守,IP,协议就可以与因特网互连互通。,IP,地址,具有唯一性，根据用户性质的不同，可以分为,5,类。另外，,IP,还有进入防护，知识产权，指针寄存器等含义。,有关,IP,交换技术在第,5,章介绍。,36,五,. MPLS,（多协议标记交换）,MPLS,是一种将,ATM,交换技术和,IP,路由技术综合在一起的,IP,骨干网技术，它将,IP,的网络层路由和,ATM,的链路层交换融合在了一起，以十分简洁的方式完成信息的传送。,它为网络数据流量提供了目标、路由、转发和交换等能力。更特殊的是，它具有管理各种不同形式通信流的机制。,MPLS,独立于第二和第三层协议，诸如,ATM,和,IP,。它提供了一种方式，将,IP,地址映射为简单的具有固定长度的标签，用于不同的包转发和包交换技术。,37,五,. MPLS,（多协议标记交换）,在,MPLS,中固定长度标签被插入每一个包或信元的开始处，并且可被硬件用来在两个链接间快速交换包，所以使数据的快速交换成为可能。,多协议标签交换,MPLS,最初是为了提高转发速度而提出的。与传统,IP,路由方式相比，它在数据转发时，只在网络边缘分析,IP,报文头，而不用在每一跳都分析,IP,报文头，从而节约了处理时间。,MPLS,主要设计来解决网路问题，如网路速度、可扩展性、服务质量（,QoS,）管理以及流量工程，同时也为下一代,IP,中枢网络解决宽带管理及服务请求等问题。,38,六,.,软交换,软交换的基本含义是把,呼叫控制功能,从媒体网关中分离出来，通过,服务器,或,网元上的软件,实现基本呼叫控制功能，包含呼叫选路、管理控制、连接控制、信令互通。,软交换是实现传统程控交换机的“呼叫控制”功能的实体，但传统的“呼叫控制”功能是和业务结合在一起的，不同的业务所需要的呼叫控制功能不同，而,软交换是与业务无关,的，这要求软交换提供的呼叫控制功能是各种业务的基本呼叫控制，它是,NGN,的核心。,软交换在第,7,章介绍。,39,七,.,移动交换,移动通信是指通信双方至少有一方是在移动中进行信息交换，也是固定通信的延伸。移动通信是现代信息网中用户增长最快的网络，是现代信息网的重要组成部分。移动通信已完成了模拟到数字的转变，目前正向个人通信发展，移动业务也由单一的语音通信向集数据、图像等为一体的综合业务发展。,随着软交换技术的发展，移动通信也正从基于电路交换的移动交换向基于软交换的移动交换发展。,40,八,.,光交换,光交换是指不经过任何,光,/,电,转换，在光域直接将输入光信号交换到不同输出端。在通信网普遍采用光纤进行传输时，进一步发展就是与光传输配合实现光交换。未来的通信网可以直接在光域实现信号的,复用、传输、交换、路由选择、监控,，网络信号不再承受光,/,电转换的障碍，实现全光网络。,下一代进一步发展是与光通信配合实现光交换。光交换技术正在研究之中。,光交换技术在第,9,章介绍。,41,1.3,电话交换技术的发展概况,1.3.1,电路交换技术发展概况,电话的发明,1837,年发明了电报，它是以数字信号的形式传递信息的。西方联盟,1856,年创建，主要注重电报技术。,1860,年，菲利普,里斯（,Philip Reis,）发现可以把电加在电线上来传送声音。他在电线的一端绑了一个用香肠皮包裹着的软木塞（一个原始麦克风），然后把电线缠到编织针上，并在软木塞和编织针之间装上电池。当他把编织针放在小提琴的琴弦上时，每次敲打软木塞，琴弦就会振动。反之，如果拨动小提琴的弦，软木塞也会发出声音。,42,l876,年，亚历山大,格雷厄姆,贝尔为他的一项发明申请了专利，这个专利被他命名为,“,电报的改进,”,。这是一个小盒子，并没有多少功能，它主要通过麦克风传送声音。仅在几小时后，西方电子公司的共同创始人以利沙,戈瑞也为他发明的电话机申请专利，他甚至可以进行现场演示。不幸的是，贝尔已经申请到了专利，并被誉为电话发明家。贝尔的发明只有一个接收器，而没有麦克风。后来，在,1877,年，他又为一个把接收器和麦克风装在一起的设备申请了专利。他的第一个专利需要两个分离的设备。,43,二,电话交换机的发明,1,人工交换机,人工交换机主要由用户线、用户塞孔、绳路（塞绳和插塞）和信号灯等设备及话务员组成。用户线、用户塞孔、绳路（塞绳和插塞）起连接线作用，即为,话路系统,；话务员起控制接续作用，即为,控制系统,。每个用户的话机通过用户线接到交换机的用户塞孔上，用户要打电话，先与话务员通信，告诉话务员要找谁，然后由话务员用绳路将两个通话的用户线连通。,为适应多个用户之间电话交换的要求，,1878,年出现了第一部人工磁石电话交换机。,44,2,步进制交换机,第一部,自动电话交换机,于,1891,年由一个名叫史端乔的殡仪业者发明。因为该镇的电话接线员不给斯卓哥的业务接线（电话员的堂兄也开了一家殡仪馆），斯卓哥很生气，发誓一定要摆脱公共接线员的永久控制。他在他的车库里制作了第一台步进制电话交换机。但直到,1921,年，他的发明才被安装在一家电话机房里。由于这个机器还有很多问题，所以被送往欧洲一家公司进一步改造。该设备改进后，在贝尔公司的电话机房中应用。步进制交换机工作很可靠，以至于至今还有许多地方在使用（但仅仅是一些偏远地区）。许多私有企业为专用交换安装了步进制交换机。洛杉矶的许多豪华旅馆都安装了自己的交换机。,45,1896,年，斯卓哥发明了旋转式拨号盘，它使用户可以直接通过拨号进行呼叫，而不需要接线员人工接线。但是，在长途通信中，人工接线仍在使用，直到,1951,年，才完全废除人工接线。用户通过电话机的拨号盘控制电话局中的电磁继电器与接线器的动作，可以完成电话的自动接续。从此，电话交换开始由人工时代迈入自动化的时代。史端乔自动交换机经改进后产生了德国西门子式自动交换机，虽然在接线器结构和电路性能等方面有所改进，仅共同的特点仍然是,由用户话机所发出的号盘脉冲直接控制交换机的接线器动作,，故统称为步进制，属于,直接控制,方式。,46,步进制交换机主要由自动选择器代替话务员进行接续控制。自动选择器由线弧、弧刷、和上升旋转机构组成。线弧、弧刷各为三组，分别连接出,abc,三组出入线。自动选择器有两种结构：,旋转型,和,上升旋转型,。,线圈通电，电磁铁产生吸力，带动弧刷转动，每动一步，连接一组出入线。用户的拨号脉冲控制选择器旋转、上升运动，使弧刷与线弧接点接触构成通路。,47,步进制交换机接续示意图,48,每个步进制交换机都有预选器、选组器和终接器组成。,预选器：,采用旋转型选择器，用于选择一个空闲的出路。,选组器,：采用上升旋转型选择器，用于扩大交换机的容量。,步进制交换机特点,：直接由用户拨号脉冲控制接续（直接控制）；各级都有控制，为全分散控制。,缺点,：接点为滑动式，可靠性差；动作慢、机构复杂、占地大，易损坏。,49,50,3,纵横制交换机的发明,19l 9,年瑞典工程师比图兰德和帕尔默格林发明了一种“纵横接线器”的新型选择器并申请专利，这种接线器将过去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。,1926,年世界上第一个大型的纵横制自动电话交换局首先在瑞典使用，,l 938,年美国引进了,1,号纵横交换系统，接着法国、日本、美国等国也相继生产纵横制交换机。从此纵横制自动电话交换机开始广泛使用。,50,年代初，纵横制交换技术已达到比较完善和成熟的阶段。,51,纵横制交换机把,话路部分,和,控制部分,分离，话路部分由纵横接线器和绳路组成；控制部分由记发器和标志器组成。,纵横接线器：由纵棒和横棒组成，连接用户出入线；,绳路：完成出入线的连接；,记发器：接收存储被叫号码；,标志器：控制纵横接线器，使出入线的交叉点闭合，进行接续。,52,纵横制交换机接续示意图,53,纵横制交换机特点：,间接控制,（用户拨号先通过记发器接收存储，记发器再送给标志器，然后由标志器来控制接续）；,集中控制,（集中由标志器进行控制）；接点为压触式，可靠性比步进制高。,缺点,：体积大，数量多，工作复杂，维护困难。,54,4,电子交换机的发明,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，并首先应用于控制设备中，称作,电子交换机,。由于当时电子元件的落差系数（断路和通路电阻比）达不到通话回路中交叉点的要求，所以通话回路的接续仍使用机械接点。因而出现了“半电子交换机”、“准电子交换机”。只有在微电子技术和数字技术的进一步发展以后，才开始了全电子交换机的迅速发展。,1946,年第一台,存储程序控制,的电子计算机的诞生，对交换技术的发展起了巨大的影响。早期的程控交换机是“空分”的，它的话路部分往往采用机械接点，例如,1965,年美国投产的第一台程控交换机,No,1,系统就是一台空分交换机。,55,半电子交换机,接续部分使用纵横接线器，控制部分使用电子元件；,准电子交换机,接续部分使用比纵横集线器体积小、速度快的干簧接线器和剩簧接线器，控制部分使用电子元件；,全电子交换机,接续部分和控制部分均使用电子元件。,56,5,程控交换机,（,1),发展阶段：,第一阶段：六十年代中至七十年代初，采用大型计算机进行集中控制的空分模拟式程控交换机，话路交换网是采用金属接点交换网。代表产品：美国贝尔系统,1,号,No1ESS,，日本,D10,。特点：,体积大、软件复杂、耗电大、故障影响面大。,第二阶段：七十年代中期，采用小型机或微型机进行分散两级控制（用户级和选组级）的程控交换机,话路交换网是采用电子接点交换网。代表产品：加拿大,SL-1,，日本,NEAX22,。特点：,体积小、耗电省、组网方便,。,57,第三阶段,：八十年代初，采用微机进行全分散式控制的时分数字交换机，话路交换网采用的是,存储器式的数字交换网,。代表产品：日本,F-150,，比利时,ITT1240,（中国称为,S-1240,）。特点：模块化设备可靠性高，直接与脉冲编码调制,PCM,，设备配合可传输话音、电报、传真、图象信号。,第四阶段,：,八十年代中期，在程控交换机的基础上发展窄带,ISDN,交换机。数字传输和数字交换构成综合数字网,IDN,， 向综合业务数字网,ISDN,发展。,特点,：端到端数字连接，综合业务，标准接口。为用户提供,2B+D,数字接口。此外还具备,X.25,分组交换接口，可进行话音和非话业务通信，开展宽带非话业务、传输活动图象和电视电话，可组成,ISDN,。,58,（,2),程控交换技术的发展过程,话路交换网,：金属接点,电子接点,大规模集成电路,传输话音信息,：模拟信号,时分数字信号,控制方式,：集中控制,分散控制,控制设备,：专用大型机,小型机,微机,交换方式,：,单一电路交换,电路交换与分组交换组合,59,（,3),我国程控交换机的发展概况,我国从,1982,年开始在福州引进了日本富士通的,F-150,数字程控交换机，而后各省市、地县相继引入“七国八制”的数字程控交换机，极大的促进了我国电信网的数字化改造，铁路专线、军线等也逐步进行了程控数字化的改造。,1985,年，上海贝尔公司引进比利时的生产线，并组装第一批,S-1240,程控交换机。但不同国家的不同制式的设备给我国电信局网络管理带来了很多困难。国产程控交换机的研制起点高，在博采各家之长后设计，使用高性能的处理机，功能齐全，技术先进，容易安装开通，采用全中文屏幕，操作方便。,“七国八制”,指设备分别是来自于,7,个国家和,8,种制式的机型,60,二十世纪九十年代初中期时，国产局用交换机,“,五朵金花,”,：,HJD-04,巨龙通信公司，,1991,年推向市场；,C,C08,深圳华为公司，,1994,年推向市场；,ZXJ10,深圳中兴公司，,1994,年推向市场；,SP30,西安大唐公司，,1995,年推向市场；,EIM-601,北京华科公司，,1995,年推向市场。,由于北京华科公司没有打开市场，二十世纪九十年代后期就成了,“,巨大中华,”,巨龙、大唐、中兴、华为,（实际知名度基本是逆顺序,),。,程控交换机的优越性,技术上：能提供许多新的服务性能,维护管理方便、可靠性高,灵活性大、便于采用新技术和增加新业务,经济上：在交换设备上,在线路设备上,在维护和生产方面,62,领先的通信设备提供商,2011,年度：,爱立信销售额,2269,亿瑞典克朗（约合,2137,亿元人民币）,全球老大,华为,2039,亿，按收入规模计算，华为仍然保持全球第二大电信设备商的地位。,阿尔卡特朗讯，营业额达到,156.96,亿欧元（约合,1250,亿元人民币）,诺西,140,亿欧元，,1114,亿人民币,.,中兴通信销售收入,862,亿元人民币。,思科,432,美元，,2730,亿元人民币。,国内领先的通信设备提供商,华为的产品和解决方案已经应用于,140,多个国家，服务全球运营商,50,强中的,40,余家企业及全球三分之一的人口。,2011,年，华为销售额达,2039,亿元，海外销售收入为,1384,亿元。,中兴通讯进入了全球五大通信设备供应商的阵营。,目前，在全球各通信厂商所持有的,LTE(4G),专利中，华为占比约,10%,，中兴通讯占比达,7%,。,”,63,64,1,通信网的组成与分类，通信网的结构和通信网的分类；,2,电信网络和计算机网络使用的交换技术。掌握电路交换、分组交换的基本概念。,3,交换技术发展概况。步进制、纵横制、程控交换机的特点。,本章结束,