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1、江 宁 swjtu_,西南交通大学 成人教育学院,程控交换与宽带交换,第一章 交换技术概述,通信网是由用户终端设备、传输设备和交换设备组成。它由交换设备完成接续，使网内任一用户可与其他用户通信。,1.1 交换的基本概念 1.2 交换技术分类 1.3 交换技术的发展 1.4 电话交换信令方式,1.1 交换的基本概念,1.1.1 交换的引入 通信的目的是实现信息的传递。自从1876年Bell.A.G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，如图1.1所示。,图1.1 点对点通信系统,当存在多个终端时，人们希望其中任意两个终端之间都可以进行点对点通信。 由此可见，实现通信必须要有三个要素

2、，即终端、传输和交换。,电话交换是电信交换中最基本的一种交换业务。它是指任何一个主叫用户的信息，可以通过通信网中的交换节点发送给所需的任何一个或多个被叫用户。 当电话用户分布的区域较广时，就需设置多个交换节点，交换节点之间用中继线相连，如图1.4所示。,图1.4 采用多个交换节点,1.1.2 交换节点的基本功能 交换节点可控制以下的接续类型。 （1）本局接续：本局用户线之间的接续。 （2）出局接续：在用户线与出中继线之间的接续。 （3）入局接续：在入中继线与用户之间的接续。,（4）转接接续：在入中继线与出中继线之间的接续。 为完成上述的交换接续，交换节点必须具备的最基本的功能如下。 （1）能正

3、确接收和分析从用户线或中继线发来的呼叫信号。,（2）能正确接收和分析从用户线或中继线发来的地址信号。 （3）能按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号。 （4）能控制连接的建立。 （5）能按照所收到的释放信号拆除连接。,1.2 交换技术分类,众所周知，通信所传输的消息有多种形式，如符号、文字、数据、语音、图形以及图像等。,1.2.1 模拟交换与数字交换 通信所传输的消息虽然有多种形式，但大致可归纳成两种类型：连续消息和离散消息。连续消息指消息的状态是随时间连续变化的，如强弱连续变化的语音等。离散消息指消息的状态是可数的或离散的，如符号、文字和数据等。通常，将连续消息和离散消息分别称为模拟

4、消息和数字消息。,一、模拟信号和数字信号 对应于两种不同类型的消息, 可以有两种信号形式。即对应于模拟消息的是模拟信号，对应于数字消息的是数字信号，如图1.6所示。,图1.6 模拟信号和数字信号,1模拟信号 模拟信号是指代表消息的信号及其参数（幅度、频率或相位）随着消息连续变化的信号，如图1.6（a）所示。 2数字信号 数字信号是指信号幅度并不随时间作连续的变化，而是取有限个离散值的信号。,二、模拟通信和数字通信 1模拟通信 以模拟信号为传输对象的传输方式称为模拟传输, 而以模拟信号来传送消息的通信方式称为模拟通信。,2数字通信 以数字信号为传输对象的传输方式称为数字传输，以数字信号来传送消息

5、的通信方式称为数字通信。 数字通信与模拟通信相比，具有抗干扰性强、保密性好、设备易于集成化以及便于使用计算机技术进行处理等优点；其主要缺点是所用的信道频带比模拟通信所用的信道频带宽得多，降低了信道的利用率。,三、模拟交换和数字交换 1模拟交换 以模拟信号为交换对象的交换称为模拟交换，传输和交换的信号是模拟信号的交换机称为模拟交换机。 2数字交换 以数字信号为交换对象的交换称为数字交换，传输和交换的信号是数字信号的交换机称为数字交换机。,1.2.2 布控交换与程控交换 布控就是布线逻辑控制（Wired Logic Control，WLC），布控交换是利用逻辑电路进行控制的一种交换方式。 程控就是

6、存储程序控制（Stored Program Control，SPC），程控交换是利用计算机软件进行控制（即存储程序控制）的一种交换方式。,1.2.3 电路交换与分组交换 一、电路交换 1传统的电路交换 电路交换（Circuit Switching，CS）是指固定分配带宽（传送通路），连接建立后，即使无信息传送也占用电路的一种交换方式。,2多速率电路交换 多速率电路交换（Multi-Rate Circuit Switching，MRCS）是基于传统电路交换的一种改进方式，它可以对不同的业务提供不同的带宽，包括基本速率（例如8kbit/s 或 64kbit/s ）及其整数倍；在节点内部的交换网络及

7、其控制上可以采用两种方法来实现多速率交换的要求，即采用多个不同速率的交换网络和采用一个统一的多速率交换网络。,3快速电路交换 快速电路交换（Fast Circuit Switching，FCS）是电路交换的又一种形式，是为了克服传统电路交换中固定分配带宽的缺点和提高灵活性而提出的。 二、分组交换 为了克服电路交换中各种不同类型和特性的用户终端之间不能互通、通信电路利用率低以及有呼损等方面的缺点，提出了报文交换的思想。,1分组交换中的相关概念 （1）通信线路的资源共享 分组交换的最基本思想就是实现通信资源的共享。 （2）交织传输 在预分配复用方式下，每个用户传输的数据都在特定的子信道中流动，接收

8、端很容易把它们区分开来。,（3）分组的形成 从上述分析可知，把一条实在的线路分成许多逻辑上的子信道，将线路上传输的数据组附加上逻辑信道号，就可以让来自不同数据源的数据组在一条线路上交织传输，接收端很容易将它们按逻辑信道号区分开来，实现了线路资源的动态分配。,（4）分组的交换 分组交换是将报文分成多个分组来独立传送，收到一个分组即可以发送，减少了存储的时间，因而分组交换的时延小于报文交换，如图1.10和图1.11所示。,图1.10 分组交换的时延,图1.11 报文交换的时延,分组交换的主要优点是：第一，为用户提供了在不同速率、不同代码、不同同步方式、不同通信控制协议的终端之间能够相互通信的灵活的

9、通信环境；第二，采用逐段链路的差错控制和流量控制，出现差错可以重发，提高了传送质量和可靠性；第三，利用线路动态分配，使得在一条物理线路可以同时提供多条信息通路。,2虚电路和数据报 分组交换可提供虚电路（Virtual Circuit，VC）和数据报（Datagram，DG）两种服务方式。 （1）分组头 数据报（DG）方式的每个分组头要包含详细的目的地址，而虚电路（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虚电路的逻辑信道标识即可。,（2）选路 VC方式预先有建立过程，有一定的处理开销，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像表，存放出入逻辑信道

10、的对应关系，每个分组到来时只需查找映像表，而不用进行复杂的选路。 （3）分组顺序 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。,（4）故障敏感性 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。 （5）应用 VC方式适用于较连续的数据流传送，其持续时间显著地大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。,3路由选择 路由选择是指选择从源点到达终点的信息传送路径。 （1）扩散式路由法 扩散式路由法是指分组从原始节点发往与它相邻的每个节点，接收该分组的节点检查它是否已经收到过该分组，如果已经收到过，则将它

11、抛弃；如果未收到过，则该节点便把分组再发往其所有相邻的节点（除了该分组来源的那个节点之外）。,（2）查表路由法 此法是在每个节点中使用路由表，它指明从该节点到网络中的任何终点应当选择的路径。,（3）虚电路路由表法 虚电路方式是对一次呼叫确定路由，路由选择是在节点接收到呼叫请求分组之后执行的，在此之后到达的数据分组将沿着由呼叫请求分组建立的路径通过网络。 虚电路的重连接（Reconnect）是由以虚电路交换方式工作的网络提供的一种功能。,三、帧交换 通常的分组交换是基于X.25协议。X.25包含了三层：第一层是物理层，第二层是数据链路层，第三层是分组层，它们分别对应于开放系统互连（Open Sy

12、stem Interconnection，OSI）参考模型的下三层，每一层都包含了一组功能。,四、快速分组交换 快速分组交换（Fast Packet Switching，FPS）可理解为尽量简化协议，只具有核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式。,1.2.4 窄带交换与宽带交换 传统的电话交换和数据交换分别适合于话音和2Mbit/s以下的数据交换，提供的业务速率限定为64kbit/s 或n64kbit/s（n=230）的业务交换，这种方式称为窄带交换。,1.3 交换技术的发展,1.3.1 电话交换技术的发展 一、机电式电话交换 自从1876年Bell A.G发明电话以后，为

13、适应多个用户之间电话交换的要求，在1878年就出现了第一部人工磁石电话交换机。,在1892年开通的第一部自动交换机是由Strowger A.B于1889年发明的步进制史端乔式自动交换机。 稍后，开始引入间接控制的原理，用户的拨号脉冲由交换机内的公用设备记发器接收和转发，以控制接线器的动作。 纵横制交换机的出现，是电话交换技术进入自动化以后具有重要意义的转折点。,纵横制的技术进步主要体现在两个方面：一是采用了比较先进的纵横接线器，杂音小、通话质量好、不易磨损、寿命长、维护工作量减少；另一个是采用公共控制方式，将控制功能与话路设备分开，使得公共控制部分可以独立设计，功能增强，灵活性提高，接续速度快

14、，便于汇接和选择迂回路由，可以实现长途电话交换自动化。,二、模拟程控交换 相对于机电式自动交换而言，程控交换的优越性概括如下。 （1）灵活性大，适应性强 （2）能提供多种新服务性能 （3）便于实现共路信令 （4）操作维护管理功能的自动化 （5）适应现代电信网的发展,三、数字程控交换 数字程控交换普遍采用7号共路信令方式，这就是说，一方面从随路信令发展为共路信令，另一方面又从适用于模拟网的6号共路信令发展为适合于数字网的7号共路信令。 自20世纪80年代中期以来，数字程控交换节点的功能在POTS的基础上不断增强，主要有以下3个方面。,（1）增强为窄带综合业务数字网中的交换节点：在POTS交换系统

15、中增加必要的硬件和软件，可以增强为窄带综合业务数字网（Narrow band-ISDN，N-ISDN）的交换节点。 （2）增强为智能网中的业务交换点：智能网（Intelligent Network，IN）可以在POTS的基础上提供很多先进的智能网业务，POTS交换系统通过功能增强可以成为智能网中的业务交换点（Service Switching Point，SSP）。,（3）增强为移动网中的移动交换局：实现终端移动性以至个人移动性的个人化是电信网发展的又一主要方向，移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC）实际上是在数字程控交换平台上增加无线接口和相应的移动交换性能。

16、,1.3.2 分组交换技术的发展 一、早期的研究和试验 1972年10月，在第1届计算机通信国际会议（International Computer Communication Conference，ICCC）上。 二、分组交换公用数据网 ARPANET和一些专用分组交换网的试验，促进了分组交换进入公用数据网，形成分组交换公用数据网（Packet Switched Public Data Network，PSPDN）。,三、分组交换系统的分代 从技术发展来看，分组交换系统大致可以划分为三代。 1第一代分组交换系统 第一代分组交换系统实质上是用计算机来完成分组交换功能。 2第二代分组交换系统 第二

17、代分组交换系统采用共享媒体将前端处理机互连，计算机主要用于虚电路的建立，不再成为系统中的瓶颈。,比较完善的第二代分组交换系统的设计目标和技术特征如下： （1）高度模块化和多处理机分布式控制结构； （2）容量和应用系列化的系统结构； （3）适应各种终端接口和网间接口； （4）先进的处理机和高速处理能力。 3第三代分组交换系统,1.3.3 ATM交换技术的发展 一、早期的研究 1983年出现的快速分组交换（Fast Packet Switching，FPS）和异步时分（Asynchronous Time Division，ATD）交换的结合，导致了ATM交换方式的产生。 1983年，美国贝尔实验室

18、提出了FPS的原理，研制了原型机，FPS源自分组交换，减少了链路层协议的复杂性，以硬件来实现协议的处理，从而大大提高了速度。,二、公用ATM交换网 1公用ATM宽带试验网 1994年8月投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内采用ATM和SONET（Synchronous Optical NETwork）的公用ATM宽带网，被看作未来国家基础信息设施的雏型，用于远程教学、远程医疗、商务、司法和行政管理等领域，可以支持ATM信元中继业务、交换型多兆比特数据业务、帧中继业务以及电路仿真业务。,2公用ATM交换系统 公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常

19、为40160Gbit/s，应能支持各种接口、业务和连接类型。 三、研究热点与展望 1ATM交换结构 自从提出ATM的概念以来，ATM交换结构就一直是研究重点之一，包括拓扑结构、缓冲方式、控制机理、性能分析等。,2ATM网的业务流控制 如何能有效而公平地分配带宽等资源，保证各种特性不同的业务和各种呼叫连接的服务质量，是业务流控制要解决的重要而复杂的问题。,3话音通过ATM ATM网的最终目标是实现包括话音在内的各种业务的综合交换。由于话音实时性强，对时延和时延抖动有严格要求，话音通过ATM（Voice Over ATM，VOA）的技术仍在作进一步研究，以求得完善解决。,4与智能网的结合 智能网的

20、能力集3（Capabilities-3，CS-3）的目标是将智能网（IN）与B-ISDN结合。 5光交换 光交换一直作为下一代的交换技术而在不断地研究，光交换是研究的重点。,1.3.4 IP交换技术的发展 一、发展背景 近年来，Internet在全球范围内快速增长，从1989年开始，大约每隔56周，Internet上的主机数就翻一番，呈指数级增长。,（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。 （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，但由于它采用无连接的IP（Intern

21、et Protocol），因而不能使服务质量（带宽、优先级等）与商业上的优先级对应起来。,（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。,（4）规模较大的路由器网络大多采用分层结构，并且大的节点也采用上述可堆叠式配置，以支持大量用户接入。 （5）当前Internet所使用的IPv4协议对实时业务、灵活的路由机制、流量控制和安全性能的支持不够，地址资源也短缺。,二、IP交换 IP交换（IP Switch）是Ipsilon公司提出的专门用于在ATM网上传送IP分组的技术，它克服了Cl

22、assical IP Over ATM的一些缺陷（如在子网之间必须使用传统路由器等），提高了在ATM上传送IP分组的效率，是目前一种典型的属于集成模型的技术。,用ATM传送IP技术构造宽带Internet骨干网具有许多明显的优势，主要包括下述几方面。 （1）网络性能大幅度提高 （2）设备费用降低 （3）服务质量得到保证 （4）可靠性大大增强 （5）大大增加了可管理性 （6）提高了可扩充性,三、标记交换技术 标记交换是Cisco推出的一种基于传统路由器的ATM承载IP技术。 标记交换是一种多层交换技术，它把ATM 第二层交换技术和第三层路由技术结合起来，能充分利用ATM的QoS特性支持多种上层协

23、议，能在各种物理平台上实现，是一种性能比较优越的IPOA（IP Over ATM，ATM上的IP）技术。,四、IP/ATM集成交换 由于Internet的迅速发展，基于IP网络的应用日益广泛。IP与ATM的结合已成为研究的热点和发展趋势。,1.4 电话交换信令方式,1.4.1 信令的概述 在交换机各部分之间或者交换机与用户、交换机与交换机之间，除传递话音、数据等信息外，还必须传送各种专用的附加性质的控制信号，以保证交换机协调动作，完成用户呼叫的处理、接续、控制与维护管理等功能。,1.4.2 信令的类型 一、带内信令 在电话交换局间，在话音频带（3003400Hz）之内传送的信令称为带内信令；在

24、话音频带之外传送的信令称为带外信令。 带内信令的特点如下述。,（1）带内信令可用于任何形式的电路，凡是能传送话音的电路均能传送带内信令。 （2）采用带内信令不会将呼叫接至有故障的话音电路上，因为话音电路有故障时，信令也无法传递，因而也不可能建立接续。,（3）带内信令可使用的频带较宽，可以采用速度快、具有自检能力的多频编码信号。 （4）采用带内信令时，容易受到话音电流的干扰，因为线路信号设备跨接在话音电路上，很容易受到话音电流的干扰，有时甚至会将话音误认为是信令而导致错误的动作，因此，要采取必要的措施加以防护。,二、随路信令 简单地说，与话音信息采用同一信道（或通路）传送的信令称为随路信令。脉冲

25、编码调制系统将模拟话音编码为数字信号，然后将多路的信号进行复用变为单一的数字流（如PCM30/32），其中，所有话音信道线路的状态（环路或断开）通过一个信令信道传送，其他用于接续控制的信号通过相应的话音信道传送。,三、分组信令 分组信令是基于开放系统互连（OSI）模型（如图1.13所示）的、为数据通信系统提供消息通信的信令。,图1.13 OSI七层模型,（l）物理层提供机械、电气、功能和程序上的方法，以激活、维持和去激活在数据路链实体之间进行比特传输的物理连接。 （2）数据链路层提供网络实体中有关建立、维持和释放数据链路连 接，以及传送数据路链业务数据单元的功能和程序的方法。,（3）网络层提供

26、建立、维持和终止网络连接的方法，以及在传送实体之间交换网络业务数据单元至网络连接中的功能和程序。 （4）传送层提供采用会话层的通信实体之间的透明数据传送，并且使得它不受如何获得可靠和有效的数据传送的具体方法的影响。,（5）会话层为表示层提供通信的方法，它包括在两个表示层实体之间的连接，以支持按序的数据交换和连接的释放。 （6）表示层是指在进行通信中的应用实体信息的表示方法，它提供通信的应用实体，负责所表示数据的公共格式和原则。 （7）应用层是指应完成的任务，如文件传送和消息处理等。,四、公共信道信令 公共信道信令不包括完整的七层模型，它最初的应用是在网络内部使用，以提供交换机之间的信令，更准确

27、地说，是在现代系统中的节点（接口是指网络节点接口NNI）之间的信令，不过目标不仅仅在于基于信息系统的交换机之间的通信，完整的信令系统将维持它自身的通信网络（网中网）。,1.4.3 用户线信令 1用户状态信令 用户状态信令用于监视用户线的环路状态变化，广泛采用简单而经济的直流环路信号表示。,2选择信令 选择信令又称地址信令，是主叫用户发出的被叫用户号码。主叫用户通过号盘（发出脉冲号码）或按键（发出双音频号码）送出地址信息给交换局，供交换局选择被叫用户。 3各种可闻音信令 各种可闻音信令都是由交换机向用户发送的，我国标准GB3380-82规定了电话自动交换网有关振铃、信号音等用户线信令的要求。,1

28、.4.4 局间信令 局间信令是在交换机或交换局之间中继线上传送的信令。 一、中国1号信令 我国自行制定的中国1号信令是将话路所需要的各种控制信号（如占用、应答、拆线及拨号等）由该话路本身或与之有固定联系的一条信令通路（信道）来传递，即用同一通路传送话音信息和与其相应的信令。,1线路信号 线路信号是在线路设备（如各种中继接口）之间进行传送的信号，主要表明中继线的使用状态，如示闲信号、占用信号、应答信号、拆线信号和闭塞信号等。 2记发器信号 记发器信号是在记发器（多频收发码器）之间进行传送的信号，主要包括选择路由所需的地址信号（即被叫号码）和其他用于建立接续的控制信号。,二、中国7号信令 中国7号

29、信令是根据原CCITT No.7信令结合我国电信网实际而制定的，是支持现有网络中话音呼叫和非话音呼叫有关的信令的共路信令系统。 1各部分主要功能 消息传递部分的第1级（MTP1）规定了信令传输通路的物理、电气和功能的特性，用于信令消息的双向传递。,消息传递部分的第2级（MTP2）也是为窄带应用规定的，它定义了两个直接连接的信令点之间的信令数据链路上传送信令消息的功能和程序。 消息传递部分第3级（MTP3）是在第1级或第2级出现故障时，负责将信令消息从一个信令点可靠地传送到另一个信令点，并且要求在窄带和宽带的环境时是相同的。,第4级是用户部分。 信令链路连接控制部分（Signaling Connection and Control Part，SCCP）用于加强MTP功能，它与MTP一起提供相当于OSI的第三层功能。 事务处理能力应用部分（Transaction Capabilities Application Part，TCAP）指的是网络中分散的一系列应用在互相通信时所采用的一组协议和功能。,