第1章緒論1.1交換與通信網1.2交換原理1.3交換技術分類1.4交換技術演進思考題1.1交換與通信網1.1.1交換機的引入僅涉及兩個終端的單向或交互通信方式稱為點對點通信。圖1.1點對點通信圖1.1點對點通信當存在多個終端，且希望它們中的任何兩個都可以進行點對點通信時，最直接的方法是把所有終端兩兩相連，如圖1.2所示。這樣的一種連接方式稱為全互連式。全互連式連接存在下列一些缺點：

(1)當存在N個終端時，需用N(N-1)/2條線對，線對數量以終端數的平方增加。

(2)當這些終端分別位于相距很遠的兩地時，兩地間需要大量的長線路。

(3)每個終端都有N-l對線與其它終端相接，因而每個終端需要N-1個線路接口。圖1.2多用戶全互連式連接

(4)增加第N+1個終端時，必須增設N對線路。當N較大時，無法實用化。

(5)由于每個用戶處的出線過多，因此維護工作量較大。

解決方法：如果在用戶分布密集的中心安裝一個設備——交換機(switch，也叫交換節點)，每個用戶的終端設備經各自的專用線路(叫用戶線)連接到交換機上，如圖1.3所示，就可以克服全互連式連接存在的問題。圖1.3用戶通過交換機連接圖1.3中，當任意兩個用戶之間要交換信息時，交換機將這兩個用戶的通信線路連通。用戶通信完畢，兩個用戶間的連線就斷開。有了交換設備，N個用戶只需要N對線就可以滿足要求，線路的投資費用大大降低，用戶線的維護也變得簡單容易。盡管這樣增加了交換設備的費用，但它的利用率很高，相比之下，總的投資費用將下降。1.1.2通信網最簡單的通信網(communicationnetwork)僅由一臺交換機組成，如圖1.4所示。圖1.4由一臺交換機組成的通信網每一臺通信終端通過一條專門的用戶環線(或簡稱用戶線)與交換機中的相應接口連接。交換機能在任意選定的兩條用戶線之間建立和釋放一條通信鏈路。當用戶數量很多且分布的區域較廣時，一臺交換機不能覆蓋所有用戶，這時就需要設置多臺交換機組成如圖1.5所示的通信網。網中直接連接電話機或終端的交換機稱為本地交換機或市話交換機，相應的交換局稱為端局或市話局；僅與各交換機連接的交換機稱為匯接交換機。當通信距離很遠，通信網覆蓋多個省市乃至全國范圍時，匯接交換機常稱為長途交換機。交換機之間的線路稱為中繼線。顯然，長途交換設備僅涉及交換機之間的通信，而市內交換設備既涉及到交換設備之間的通信又涉及到交換設備與終端的通信。圖1.5多臺交換機組成的通信網圖1.5中的用戶交換機PBX(PrivateBranchExchange)常用于一個集團的內部。PBX與市話交換機之間的中繼線數目通常遠比PBX所連接的用戶線數目少，因此當集團中的電話主要用于內部通信時，采用PBX要比將所有話機都連到市話交換機上更經濟。1.1.3面向連接網絡和無連接網絡

信息在通信網中由發端至終端逐節點傳遞時，網絡有兩種工作方式：面向連接CO(ConnectionOriented)和無連接CL(Connectionless)。。

1.面向連接網絡圖1.6給出了面向連接網絡的傳送原理。圖1.6面向連接網絡的傳送原理呼叫請求呼叫接收清除請求假定A站有三個數據塊要送到C站，它首先發送一個“呼叫請求”消息到節點l，要求到C站的連接。節點1-2-3-6最終將“呼叫請求”消息投送到C站。如果C站準備接受這些數據塊的話，它就發出一個“呼叫接受”消息到節點6，這個消息通過節點3、2和節點1送回到A站。現在，A站和C站之間可以經由這條建立的連接(圖中虛線所示)來交換數據塊了。此后的每個數據塊都經過這個連接來傳送，不再需要選擇路由。據傳送結束后，由任意一端用一個“清除請求”消息來終止這一連接。面向連接網絡建立的連接有兩種:實連接和虛連接。用戶通信時，如果建立的連接由一條接一條的專用電路資源連接而成，無論是否有用戶信息傳遞，這條專用連接始終存在，且每一段占用恒定的電路資源，那么這個連接就叫實連接；如果電路的分配是隨機的，用戶有信息傳送時才占用電路資源(帶寬根據需要分配)，無信息傳送就不占用電路資源，對用戶的識別改用標志，即一條連接使用相同標志統計占用的電路資源，那么這樣一段又一段串接起來的標志連接叫虛連接。顯然，實連接的電路資源利用率低，而虛連接的電路資源利用率高。2.無連接網絡圖1.7無連接網絡的信息傳送過程假定A站有三個數據塊要送到C站，它將數據塊1、2、3一連串地發給節點1。節點1需對每個數據塊做出路由選擇的決定。在以后通往C站路由的各節點上，都作類似的處理。這樣，每個路由雖都有同樣的目的地址，但并不遵循同一路由。另外，數據塊3先于數據塊2到達節點6是完全有可能的，因此，這些數據塊有可能以一種不同于它們發送時的順序投送到C站，這就需要C站來重新排列它們，以恢復它們原來的順序。面向連接網絡和無連接網絡的主要區別如下：

(1)面向連接網絡用戶的通信總要經過建立連接、信息傳送、釋放連接三個階段；而無連接網絡不為用戶的通信過程建立和拆除連接。

(2)面向連接網絡中的每一個節點為每一個呼叫選路，節點中需要有維持連接的狀態表；而無連接網絡中的每一個節點為每一個傳送的信息選路，節點中不需要維持連接的狀態表。

(3)用戶信息較長時，采用面向連接的通信方式的效率高；反之，使用無連接的方式要好一些。1.1.5信息在網絡中的傳送方式信息在網絡中的傳送方式稱為傳送模式，包括信息的復用、傳輸和交換方式。復用方式和傳輸方式對交換方式有很大影響，因此本節介紹同步傳送模式STM(SynchronousTransferMode)和異步傳送模式ATM(AsynchronousTransferMode)。1.同步傳送模式STM采用同步時分復用STDM(SynchronousTimeDivisionMultiplexing)、傳輸和同步時分交換STDS(SynchronousTimeDivisionSwitch)技術。同步時分復用是指將時間劃分為基本時間單位，一幀時長是固定的(常見的為125μs)。每幀分成若干個時隙，并按順序編號，所有幀中編號相同的時隙成為一個子信道。該信道是恒定速率的，具有周期出現的特點。一個子信道傳遞一路信息。這種信道也稱為位置化信道，因為根據它在時間軸上的位置，就可以知道是第幾路信道。對同步時分復用信號的交換實際上是對信息所在位置的交換，即時隙的內容在時間軸上的移動，稱為同步時分交換。STM的優點是一旦建立連接，該連接的服務質量便不會受網絡中其它用戶的影響。但是為了保證連接所需帶寬，必須按信息最大速率分配信道資源。這一點對恒定比特率業務沒有影響，但對可變比特率業務會有影響，它會降低信道利用率。

2.異步傳送模式ATM采用異步時分復用ATDM(AsynchronousTimeDivisionMultiplexing)、傳輸和異步時分交換ATDS(AsynchronousTimeDivisionSwitch)技術。異步時分復用把需要傳送的信息分成很多小段，稱為分組。每個分組前附加標志碼，說明分組要去哪個輸出端。來自同一用戶的信息劃分成的分組的標志碼相同。各個分組在復接時可以使用任何時隙(子信道)。這樣，把一個信道劃分成若干子信道，用標志碼標識的信道稱為標志化信道。這時，一個信道中的信息與它在時間軸上的位置(即時隙)沒有必然聯系。將這樣的子信道合成為一個信道的技術，稱為異步時分復用(也叫統計時分復用)。對異步時分復用信號的交換實際上就是按照每個分組信息前的路由標記，將其分發到出線，這種交換方式叫異步時分交換(也叫存儲轉發交換)。異步時分復用的優點是能夠統計地、動態地占用信道資源。圖1.10對兩種時分復用信號進行了簡單的比較。圖1.10兩種復用方式比較(a)同步時分復用；(b)異步時分復用1.2交換原理1.2.1交換節點的功能結構通信網由終端、交換機和傳輸系統組成。終端只是信息產生的源點或接收信息的目的點。傳輸系統負責傳送信息。網絡中的復雜控制只能由交換機來完成，因此，交換機的性能決定了網絡的性能。無論何種交換機，在通信網中均完成如下功能：

(1)接入功能：完成用戶業務的集中和接入，通常由各類用戶接口和中繼接口完成。

(2)交換功能：指信息從通信設備的一個端口進入，從另一個端口輸出。這一功能通常由交換模塊或交換網絡完成。

(3)信令功能：負責呼叫控制及連接的建立、監視、釋放等。

(4)其它控制功能：包括路由信息的更新和維護、計費、話務統計、維護管理等。雖然具體交換技術的實現受到業務網絡實現方式的限制，但實現交換的基本成分均包含路由表、轉發表(可選)、交換模塊(分為空分型、共享存儲器型和總線型等)和相關控制信令(路由信息交換信令、轉發表的建立控制信令、局間端到端的連接建立信令等)，見圖1.11。圖1.11交換節點的功能結構(a)面向連接；(b)無連接1.路由表終端、交換機和傳輸線之間的連接形式多種多樣。如果用線表示傳輸線，用點表示終端或交換機，那么用點和線的組合就可以描述網絡的拓撲結構。交換機要正確完成指定的交換功能，基本的前提是網絡中的每一個交換節點都必須擁有當前網絡的拓撲結構信息。為便于敘述，我們將交換節點中存儲的到網絡中每一個目的地的路由信息的數據結構稱為“路由表”，交換節點依靠它進行尋址選路。

2.轉發表在無連接網絡中，由于每一個分組都攜帶目的地網絡地址，交換節點只需要根據路由表就可以完成從入端口到出端口的交換。在面向連接網絡中，連接建立階段傳遞的控制數據中包含目的地地址，沿途交換節點以目的地地址為關鍵字，查找路由表，就可以確定到指定目的地相應入端口的信息應該交換到哪一個出端口，交換節點同時將該信息保存到一張數據表中，以維持網絡內的連接狀態，這張表就是轉發表。在用戶數據傳輸階段，用戶數據無需攜帶目的地地址，交換節點將根據已經建立好的轉發表實現快速的數據交換。實際上，轉發表記錄的是一個交換節點當前維持的連接在該交換節點實現交換時要走的內部通道信息。在廣域網中，對于CL型的網絡，由于每個節點無需創建并維持連接狀態，其網絡節點只需一張路由表就可以完成轉發任務；而CO型的網絡則需要兩張表：路由表和轉發表。其中，路由表建立的是交換機之間的連接，而轉發表控制交換機內部數據的高速轉發。3.交換模塊交換功能是交換系統最重要的基本功能之一。完成這一基本功能的部件是交換模塊，也叫交換網絡(switchingnetwork)。如果不考慮交換網絡的內部結構，那么交換網絡對外的特性是一組入線和一組出線。N條入線和N條出線組成的交換網絡用N×N表示。交換網絡的作用是將任意入線的信息交換到指定出線去。交換網絡的工作原理見圖1.12。圖1.12交換網絡的工作原理1.2.2基本交換單元交換網絡由基本交換單元構成。基本交換單元有如下幾種：空分陣列、共享總線型交換單元和共享存儲器型交換單元。

1.空分陣列

1)一般結構空分陣列由一組入線、一組出線以及連接入線和出線的開關(交叉點)組成，因此也叫開關陣列，見圖1.13。

圖1.13空分陣列在交換單元內部，要建立任意入線和任意出線之間的連接，只需通過控制開關的閉合就可實現，因此控制簡單，容易實現。

2)主要特點

(1)開關陣列的交叉點數是交換單元的入線數和出線數的乘積。當入線數和出線數增加時，交叉點數目會迅速增加，因此開關陣列適合構成較小的交換單元。

(2)當某條入線和與其連接的所有出線間的一行開關部分或全部處于接通狀態時，開關陣列很容易實現多播和廣播功能。同樣，若某條出線對應的一列開關部分或全部接通，若干條入線同時接至一條出線，則必然產生出線沖突，所以一列開關只能有一個處于接通狀態。2.共享總線型交換單元1)一般結構共享總線型交換單元包括入線控制部件、出線控制部件和總線三部分。交換單元的每條入(出)線經各自的入(出)線控制部件與總線相連。總線按時隙輪流分配給各個入線控制部件和出線控制部件使用，分配到總線的輸入部件將輸入信號送到總線上，見圖1.14。圖1.14共享總線型交換單元的一般結構2)主要特點入線控制部件的功能是接收入線信號，將信號的格式進行相應變換，然后放在緩沖存儲器中，并在分配給該部件的時隙上把收到的信息送到總線上。出線控制部件的功能是檢測總線上的信號，并把屬于自己的信息讀入一個緩沖存儲器中，再將信號格式做相反變換，形成出線信號送出。總線包括多條數據線和控制線。數據線用于在入線控制部件和出線控制部件間傳送信號。控制線用于控制各入線控制部件以獲得時隙和發送信息，并控制出線控制部件讀取屬于自己的信息。總線時隙分配要按一定的規則。最簡單也最常用的規則是：不管各入線控制部件是否有信息，只是按順序把時隙分給各入線。比較復雜但效率較高的規則是：只在入線有信息時才分配給入線時隙。因此共享總線型交換單元既可以用于同步交換也可以用于存儲轉發交換，這取決于時隙分配原則。3.共享存儲器型交換單元

1)一般結構

共享存儲器型交換單元的一般結構如圖1.15所示。它的核心部件是存儲器，它被分成N個區域，N個輸入數字信號分別存入N個不同區域，再分別讀出以實現交換。圖1.15共享存儲器型交換單元的一般結構圖1.15共享存儲器型交換單元的一般結構2)工作方式(1)入線緩沖。若存儲器中的N個區域是和各路輸入信號一一對應的，即第1路輸入信號送到第1個存儲區域(編號為0)，第2路輸入信號送到第2個存儲區域(編號為1)等等，則稱交換單元是入線緩沖的。

(2)出線緩沖。若存儲器中的N個區域是和各路輸出信號一一對應的，即第1個存儲區域(編號為0)的數據作為第1路輸出信號，第2個存儲區域(編號為1)的數據作為第2路輸出信號等等，則稱交換單元是出線緩沖的。共享存儲器型交換單元既可用于同步交換也可用于存儲轉發交換，但它們的具體實現有所不同。1.2.3交換機的物理結構圖1.16交換機的組成框圖用戶接口和中繼接口：用戶通過用戶線連接到交換系統的用戶接口，交換局間通過中繼線連接中繼接口。根據傳輸線上的信號不同，用戶接口和中繼接口又有模擬和數字之分。通過用戶或中繼接口可以將來自不同終端(如電話機、計算機等)或其它交換機的各種傳輸信