现代交换原理概论PPT.ppt

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1、现代交换原理,1.1交换与通信网,第1章 概 论,1.2交换方式,1.3交换技术的发展,1.4 NGN与软交换,1.1 交换与通信网,问题： 什么是通信?,通信是指按约定规则进行的信息传送。 Communication, Com.或Comm.。 Telecommunication ，Telecom.,1.1交换与通信网,信息、消息与信号,信息是消息包含的有效内容。 信息是抽象的、本质的，消息是信息的物理形式，消息包含的信息多少可用信息量来度量。 消息是信息的载体，消息需调制成信号才能在信道中传输。 信号是信息的电磁形式，是消息的物理载体。,1.1.1 从点到点通信到通信网,（一）点到点通信,1

2、.1交换与通信网,点到点通信系统种类繁多，但还不能称为通信网。 如何实现多个用户之间的通信？ 最简单、最直接的方式就是两两互相连接。,（一）点到点通信,1.1交换与通信网,如果终端用户过多，则使得网络控制变得复杂,全互连方式存在什么问题？ （1）N2 问题； （2）经济性问题； （3）可操作性问题； （4）控制和管理问题。,在实际应用中，全互连方式仅用于终端数目少、地理位置集中、可靠性要求很高的场合。,（一）点到点通信,1.1交换与通信网,要实现多用户间的通信，需要一个合理的拓扑结构将多个用户有机地连接在一起，并定义标准的通信协议，以使它们能协同工作，这样就形成了一个通信网。,如何实现任意两个

3、用户之间的通信？,（一）点到点通信,1.1交换与通信网,（二）交换式通信网,N2问题变成了N条用户线，由交换机组成的交换式通信网容易组成大型网络。,开关设备,1.1交换与通信网,（二）交换式通信网,交换式通信网组网示意图,1.1交换与通信网,（二）交换式通信网,在交换式通信网中，交换机负责接入用户、建立连接、分配资源、中转信息，以及必要的网络管理与控制功能。 由于用户众多、位置分散，因此交换式通信网必须解决编号、寻址、控制、管理、接口标准、可扩充性、服务质量保证等一系列在点到点模型系统中原本不是问题的问题。,1.1交换与通信网,（二）交换式通信网,（1）交换节点的功能,监视功能：发现和判断用户

4、的呼叫请求 。 信令功能：接收和分析地址信号 ，按目的地址选路，并转发信号。 连接功能：按需实现任意端口之间的信息传送 。 控制功能：控制连接的建立与释放 。,（二）交换式通信网,交换式通信网首先用于电话通信，并采用电路交换方式构成电话通信网络。 20世纪60年代以后，个人计算机日益普及，迫切需要数据通信，来共享计算机的计算和存储资源，因此，计算机连网成为现实的需要，这就出现了交换技术的另一个重要分支 数据交换。,（2）电话交换与数据交换,（二）交换式通信网,电话通信和数据通信都是以传送信息为目的，两者之间有什么不同呢？,通信对象不同 通信过程中业务特征不同 通信的平均持续时间和实时性要求不同

5、 可靠性要求不同,1.1.2 通信网的定义与构成,（一）通信网的定义,通信网是由一定数量的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。 通信网是由各种软、硬件设施按照一定的规则互连在一起，完成信息传递任务的系统。,1.1交换与通信网,1.1.2 通信网的定义与构成,（二）通信网的构成要素,终端(Terminal) 交换节点(Switching Node) 传输系统(Transmission System) 业务节点(Service Node),1.1.2 通信网的定义与构成,电话、传真、计算机、视频终端等，它们是信息的产生者和使用者。主要

6、功能： 1）用户信息的处理 用户信息的发送和接收，并将信息转换成适合传输的信号以及相应的反变换。 2）信令信息的处理 产生和识别连接建立、业务管理等控制信息。,终端（ Terminal）,1.1.2 通信网的定义与构成,交换节点（ Switching Node ）,通信网的核心设备，负责集中、转发用户终端信息，但并不产生和使用这些信息。主要功能： (1) 接入功能。 (2) 连接功能。 (3) 信令功能。 (4) 其它控制功能。 路由信息更新与维护、计费、话统和维护管理等。,1.1.2 通信网的定义与构成,传输系统（ Transmission System ）,为信息传送提供通道，并实现网络节

7、点的互连。包括线路接口、传输媒介、交叉连接设备等。 其主要目标是提高物理线路的利用率，采用复用技术，如频分、时分、码分、波分复用等。 为保证交换节点正确接收和识别传输的数据流，交换节点必须与传输系统协调一致，保持帧同步和位同步、遵守相同的体制(如SDH、WDM)等。,1.1.2 通信网的定义与构成,业务节点（ Service Node ）,业务控制点(SCP)、智能外设（IP）、语音信箱（VMS），以及因特网上各种服务器等。由连接在网络边缘的计算机、数据库系统组成。 (1) 实现独立于交换节点的控制逻辑。 (2) 实现对交换节点业务控制。 (3) 提供智能化、个性化、差异化服务。 基本业务的呼

8、叫建立、执行控制在交换节点实现，但很多新的电信业务则转移到业务节点中。,1.1.2 通信网的定义与构成,（三）通信网的类型,按信号方式划分：模拟通信网和数字通信网。 按服务区域划分：本地/长途或LAN/WAN。 按业务类型划分：电话通信网(PSTN、PLMN)、数据通信网(X.25 、FR 、Internet) 。 按服务对象划分：公用通信网和专用通信网。 按活动方式划分：固定通信网和移动通信网。,1.1.2 通信网的定义与构成,（四）通信网的结构,用户驻地网、接入网和核心网,（四）通信网的结构,用户驻地网CPN,Customer Premises Network CPN是用户自有网络，指用户

9、终端至业务集中点之间所包含的传输及线路等相关设施。小至终端，大至局域网。 实现用户和业务的集中，信息的变换与适配、复用与交换、寻址与选路等功能。,（四）通信网的结构,接入网AN （Access Network ）,有线接入 铜线接入技术：HDSL、ADSL、VDSL、LAN etc. 光纤接入技术：FTTC、FTTB、FTTH 混合光纤/同轴电缆接入HFC 无线接入 固定无线接入：LDMS、MMDS、 802.11 、802.16 移动无线接入：GSM、CDMA、UMTS、WIMAX 综合接入：FTTC+HFC、有线+无线,（四）通信网的结构,核心网CN （Core Network）,是通信网

10、的骨干，由现有和未来的宽带、高速骨干传输网和大型交换节点构成。 发展趋势：IP化、综合化、扁平化 所有业务全部由统一的IP核心网承载，差别仅在于接入网。 统一的IP核心网用统一的设备代替原来各网系专用设备，大大降低开发和运营成本。,1.2 交换方式,1.2.1交换技术概述,1.2.2主要交换技术,1.2.1 交换技术概述,根据信息传递时是否预先建立端到端的连接，通信网交换技术分为两大类： 面向连接型（CO,Connection Oriented） 无连接型（CL,Connectionless ）,面向连接适用于大批量、可靠数据传输业务，但网络控制较复杂； 无连接方式控制简单，适用于突发性强、数

11、据量少的业务。,（一） 面向连接和无连接,1.2.1 交换技术概述,通信网是以交换节点为核心构建的，为了实现信息传递，各交换节点必须拥有当前网络的拓扑结构信息（网络地图）。 节点包含路由表、转发表（可选）、交换模块（空分型、共享型等）和控制信令（路由交换信令、转发表建立信令、端到端连接信令）。,（二） 交换节点的功能结构,路由与转发有什么区别 ?,1.2.1 交换技术概述,问题：,1.2.1 交换技术概述,（二） 交换节点的功能结构,目前广域网上使用的交换技术主要包括：电路交换、分组交换、帧中继、ATM技术、IP交换。电路交换和分组交换是通信网最基本的交换技术，帧中继、ATM以及各种IP交换则

12、是基于这两种技术的综合或改进。 交换技术的发展趋势：信道利用率越来越高，支持可变速率和多媒体业务，并具有复杂的协议体系来保证服务质量。,1.2.2 主要交换技术,1.2.1 交换技术概述,对于无连接型网络，由于无需创建和维持连接状态，网络节点根据路由表转发信息；而对于面向连接型网络则同时需要路由表和转发表。路由表用于建立节点之间的连接，可静态设置（如PSTN、ATM网），也可动态创建。 转发表通过网管或信令创建，控制节点内部连接。网管指配的转发表，支持永久或半永久连接；而信令创建的转发表，支持动态连接。,（三） 路由与转发,1.2.2 主要交换技术,电路 交换,多速率 电路交换,快速 电路交换

13、,异步传送 模式（ATM）,快速 分组交换,分组 交换,电路域,分组域,1.2.2 主要交换技术,MRCS,（1）基本过程：连接建立、信息传送、释放。 （2）技术特点 带宽固定，电路利用率低。 实时性强。 无差错控制，不适于数据传输。 基于呼损制方式工作。 电路交换适合于电话通信、文件传送、高速传真，不适合突发和对差错敏感的数据业务。,（一） 电路交换,（一）电路交换,人工交换机 需要话务员 1878 : 磁石式交换机 1891 : 共电式交换机 自动交换机 1892 : 史端乔交换机 1919 : 纵横制交换机 1965 : 程控交换机,（一）电 路 交 换,人工交换机组成,（1）多速率电路

14、交换（MRCS Multi-rate Circuit Switching）是为适应多业务交换的需求而产生的，提供不同的带宽，包括基本速率（如64kbps）及其整数倍。 （2）实现方式 采用不同速率的交换网络：硬件多，控制简单； 采用统一的交换网络：硬件少，但控制复杂。,多速率电路交换,（一）电 路 交 换,基本思想：只在信息传送时才分配带宽和资源。 不为每个呼叫专门分配和保留其所需的带宽，提高了带宽的利用率。 连接建立和拆除要有相当高的速度，否则难以实现。 只有当信息发送时才建立真正的连接，时延比电路交换大。,快速电路交换,报文交换,数据以报文为单位传输，长度不限且可变。数据传送过程采用存储转

15、发的方式。发送方在发送一个报文时把目的地址附加在报文上，途径的节点根据报文上的地址信息，将报文转发到下一个节点，接力式的完成整个传送过程。每个节点在收到报文后，会将之暂存并检查有无错误，然后通过路由信息找出适当路线的下一个节点的地址，再把报文传送给下一个节点。 报文的传输只是占用两个节点之间的一段线路，而其他路段可传输其他用户的报文。 报文在经过节点时会产生延迟。这段延迟包括接收报文所有位（bit）所需的时间，等待时间和发送到下一个节点所需的排队延迟。,报文交换,优点： 线路效率高； 节点可暂存报文并对报文进行差错控制和码制转换 电路交换网络中，通信量很大时将不能接收某些信息，但在报文交换网络

16、中却仍然可以，只是延迟会大些 可以方便地把报文发送到多个目的节点 建立报文优先权，让优先级高的报文优先传送 缺点： 它不能满足实时交互式的通信要求，经过网络的延迟可能会有不小的变化 有时节点收到的报文太多以致不得不丢弃或阻止某些报文 对交换节点的存储量有较高要求。,基本原理 是为适应数据通信的要求而产生的交换方式，分组交换也叫包交换，它是以分组为信息单位，以存储/转发方式在网络中传送数据的交换方式。,（二）分 组 交 换,分组交换的过程,（二）分 组 交 换,技术特点： 1）采用存储/转发方式，支持异种终端间的可变速率通信要求 2）采用统计时分复用，线路利用率高 3）具有差错控制功能，传输可靠

17、性高 4）经济性好,（二）分 组 交 换,分组交换 缺点： 1）技术实现复杂（交换机要完成转发、路由、流控、速率和规程转换等）。 2）分组长度可变，存储管理复杂。 3）协议处理复杂，时延大。 4）网络附加信息多，长报文通信效率较低。,（二）分 组 交 换,分组交换提供的服务 （1）数据报(DG：Datagram) （2）虚电路(VC：Virtual Circuit) 交换式虚电路(SVC,Switched Virtual Circuit) 永久虚电路(PVC,Permanent Virtual Circuit),（二）分 组 交 换,第一代分组交换系统 ARPANet，几百包/秒 第二代分组交

18、换系统 DPS2500、EWSP等，几万包/秒 第三代分组交换系统 快速分组交换，吉比特路由器等,（二）分 组 交 换,分组交换系统,虚电路和数据报两种服务的比较,（二）分 组 交 换,电路交换以电路连接为目的。信息传送时与交换系统无关。 分组交换以信息分发为目的。交换机对分组逐个加工处理（差错控制、流量控制等），并根据分组头中的地址和控制域，将分组分发到出端口。 电路交换是一种“粗放”的交换方式，只管连接而不管传送的信息。分组交换比较“精细”，对传送的信息进行管理。,分组交换与电路交换的比较,（二）分 组 交 换,FR（Frame Switching）简化分组交换协议，以加快节点的处理速度。

19、 （1）基本原理 帧交换是一种帧方式的承载业务，在数据链路层以简化的方式传送和交换数据单元。 （2）与分组交换的比较 帧方式在链路层进行复用和传送；将用户平面和控制平面分离。,帧交换FR,（二）分 组 交 换,FPS（Fast Packet Switching）进一步简化协议，只保留核心功能，以提供高速、高吞吐量、低时延的服务。 （1）快速分组交换分类 专指ATM交换，但广义的FPS包括帧中继（Frame Relay）信元中继（Cell Relay）。 （2）帧中继（Frame Relay） 与帧交换相比，进一步简化了协议。,快速分组交换FPS,（3）帧中继产生背景和应用 传输系统：数字化、光

20、纤化 终端系统：智能化 为简化或取消差错和流量控制创造了条件。 应用范围： FR采用可变长度帧，适于突发信息传送。 局域网（LAN）互连。,快速分组交换FPS,ATM（ Asynchronous Transfer Mode ）是ITU-T为B-ISDN确定的复用、传输和交换模式，其设计目标是在一个统一的网络平台上用分组交换技术来实现话音、数据、图像等业务的综合传送。 （1）固定长度的信元中继 （2）信头简化：以减少交换节点处理开销,（三） ATM 交 换,（3）面向连接（CO） 为便于控制和管理，ATM虚连接采用等级结构： 虚信道连接（VCC:Virtual Channel Connectio

21、n） 虚通路连接（VPC:Virtual Path Connection ）,（三） ATM 交 换,（4）异步时分（ATD）交换 STD：Synchronous Time Division 同步时分交换 ATD：Asynchronous Time Division 异步时分交换,TS0,TSi,TSn,TS0,TSi,TSn,(a) STD（连接和时隙位置一一对应）,(b) ATD（属于同一连接的各信元不占用固定的时隙位置）,（三） ATM 交 换,（5）引入了ATM适配层（AAL） AAL实现与特定业务类型相关的功能，以此来支持区分服务的能力，这对实现综合业务的传送目标来说至关重要，也是A

22、TM与其他面向单业务优化设计的网络间的重要区别。,（三） ATM 交 换,1988年，确定了ATM的固定信元格式。 90年代初期，小容量ATM交换机面世。 90年代中期，美欧洲等开始建立ATM实验网。 目前，其应用逐步从骨干网转移至接入，用于承载IP业务。,（三） ATM 交 换,IP交换是将第二层交换和网络流量管理能力与第三层路由功能的灵活性和可扩展性结合在一起的交换技术。 1996年Ipsilon公司了提出IP交换的概念。 1996年Cisco提出了标签交换的概念。 1997年IETF提出了MPLS技术标准。,（四）IP 交 换,随着光器件和波分复用技术的发展和不断成熟，光交换机技术成为实

23、现NGN的一个核心技术，当前有空分机制的光路交换(ODX)、时空结合的光突发交换(OBS), 只完成光层交换。,（五）光 交 换,NGN（下一代网络） 是一个能够提供语音、数据、视频和多媒体业务的基于分组传送的、业务开放的网络架构。 按照ITU-T的定义： NGN是一个基于分组交换的网络，能够提供包括电信业务在内的所有业务；能够利用多种宽带和QOS保障的传送技术；其业务相关功能与其传送技术相独立；NGN使用户可以自由接入到不同的业务提供商；NGN支持通用移动性，为用户提供始终如一、普遍存在的业务。,（六）NGN与软交换,基本特征： 基于分组传送技术 提供全业务 具有QOS保证 网络与业务分离

24、自由接入和通用移动性。 基本目的：简化结构，推进网络和/或业务融合。,（五）NGN与软交换,软交换（SoftSwitch） 是网络演进以及下一代分组网络的核心设备之一，它独立于传送网络，主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务，并向第三方提供可编程能力。,（五）NGN与软交换,IAD,AMG,宽窄带接入,UMG,PLMN/3G,SG,TMG,PSTN,UMG,业务平面,IP 核心网,控制平面,交换平面,接入平面,SoftSwitch,SoftSwitch,iOSS,Policy,Server,Application,Server,SCP,Location,Server,RADIUS,Server,MRS,（五） NGN与软交换,习题与思考题,1.1多用户全互连通信有何特点？为什么通信网不直接采用这种方式？ 1.2 在通信网中引入交换机的目的是什么？ 1.3 已经出现的交换技术有哪些？各有何特点？,