第1章緒論?通信的目的是實現信息的傳遞。?從廣義上說，無論采用何種方法，使用何種介質，只要將信息從一地傳送到另一地，均可稱為通信，如古代的烽火報警、驛站傳書，近代的郵政、電話通信及數據通信等。?由“通信”到“電信”，僅僅一字之差，卻引發了一場革命，拉開了信息通信技術發展的帷幕。?今天我們所說的通信，通常是指電通信，即電信。?隨著通信網向數字化、智能化、綜合化、寬帶化、個人化方向的快速發展，各種交換技術不斷涌現，并將按下一代網絡（NGN）框架在控制、業務等層面進行融合。交換與通信網1.1通信網分層模型1.2交換技術的分類1.3交換技術的發展1.41.1交換與通信網

1.1.1交換機的引入?在通信系統中，信息是以電信號或光信號的形式傳輸的。?如圖1-1所示，一個通信系統至少應包括終端和傳輸介質。圖1-1點到點通信?終端將承載信息的消息，如話音、數據、圖像、視頻等轉換成適合傳輸介質傳輸的信號傳送出去，同時將來自傳輸介質的信號還原成原始消息；傳輸介質則把信號從一個地點傳送至另一個地點。?這種僅涉及兩個終端的單向或交互式的通信系統稱為點到點通信系統。?當存在多個終端且希望它們中的任何兩個都能進行點到點通信時，最簡單、最直接的方法就是把所有終端兩兩相連，如圖1-2所示。圖1-2多用戶全互連通信?這種連接方式稱為全互連。?全互連組網可以實現任何兩個終端之間的通信需要，但存在下列不足。（1）連接線對的數量隨終端數的平方增加，當存在N個終端時，需要的連接線對數為N(N1)/2。（2）當終端相距較遠時，需要大量的長途線路。（3）每個終端都有N-l對線與其他終端相接，因而每個終端需要N-1個線路接口。（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。圖1-3引入交換節點1.1.2交換式通信網?如圖1-4所示，最簡單的通信網可以僅由一臺交換機組成，每個用戶（電話機或終端）通過一條專用的用戶環線（簡稱用戶線）與交換機中的相應接口相連接。圖1-4由一臺交換機組成的通信網?由交換機組成的通信網稱為交換式通信網。?交換式通信網的一個突出優點是很容易組成大型網絡，以電話通信為例，當終端數目較多，且分散在相距很遠的不同地區時，可以用交換機組成如圖1-5所示的電話通信網。圖1-5由多臺交換機組成的通信網?從交換機完成用戶之間通信的不同情況來看，交換機應能控制以下4種接續。（1）本局接續：指本局內各用戶線之間的接續。（2）出局接續：指用戶線與出中繼線之間的接續。（3）入局接續：指入中繼線與用戶線之間的接續。（4）轉接接續：指入中繼線與出中繼線之間的接續。?為了完成上述接續，交換機必須具備以下最基本的功能。（1）為了能正確發現和判斷用戶的呼叫請求，交換機必須能正確接收和分析來自用戶線或中繼線的呼叫信號。（2）為了能正確發現和判斷是哪一個用戶發出的呼叫請求，交換機必須能正確接收和分析來自用戶線或中繼線的地址信號。（3）為了能正確與呼叫用戶（主叫）給定的目標用戶（被叫）建立接續，交換機必須能按目的地址進行選路，以及在中繼線上轉發信號。（4）能控制交換機內端口之間連接的建立。（5）能按照收到的釋放信號要求拆除連接。1．通信網的定義?對于通信網的定義，站在不同的角度，具有不同的觀點。?從用戶的角度來看，通信網是一個信息服務設施，甚至是一個娛樂服務設施，用戶可以利用它獲取信息、發送信息、參與娛樂等；而從工程師的角度來看，通信網則是由各種軟硬件設施按照一定的規則互連在一起，完成信息傳遞任務的系統。?工程師希望這個系統可管、可控、可運營。?因此，我們給通信網下一個通俗的定義：通信網是由一定數量的節點（包括端系統、交換機）和連接這些節點的傳輸系統有機地組織在一起的，按照約定的規則或協議完成任意用戶間信息交換的通信體系。?用戶使用通信網可以克服空間、時間等障礙進行有效的信息交換。2．網絡工作方式圖1-6面向連接網絡的工作原理圖1-7無連接網絡的工作原理?面向連接和無連接的主要區別如下：（1）面向連接網絡對每次通信總要經過建立連接、傳送信息、釋放連接三個階段，而無連接網絡并不為每次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必須為每一個呼叫選路，一旦路由確定連接即建立，路由中各節點需要為接下來進行的通信維持連接的狀態；無連接網絡中的每個節點必須為每個傳送的分組獨立選路，但節點中不需要維持連接的狀態。（3）用戶信息較長時，面向連接方式通信效率較高；反之，使用無連接方式要好一些。1.2通信網分層模型?在通信網中，信息傳遞過程涉及諸多操作，如比特流傳送、同步、流量控制、差錯控制、擁塞控制、路由選擇、會話過程管理和數據加密等。?因此，寄希望由單一通信實體完成所有的操作和功能是不切實際的，同時也不利于定義具體的操作功能。?現代通信網采用分層結構，主要原因如下。（1）分層可以降低網絡設計的復雜度。（2）方便異構網絡設備間的互連互通。（3）增強網絡的可升級性。（4）促進競爭和設備制造商的分工。1.2.1開放系統互連參考模型圖1-8OSI-RM的分層結構（1）物理層（2）數據鏈路層（3）網絡層（4）傳輸層（運輸層）（5）會話層（6）表示層（7）應用層1.2.2分層模型的相關術語1．對等層間通信?在分層模型中，將位于不同系統（包括端系統和中間系統）的相同層稱為對等層。?在對等層之間進行通信的進程稱為對等進程。?如圖1-9所示，對等層間通信產生和處理的對象稱為協議數據單元（PDU，ProtocolDataUnit）。圖1-9對等層間通信?通常，把傳輸層數據單元稱為段（Segment），網絡層數據單元稱為分組或包（Packet），數據鏈路層數據單元稱為幀（Frame），物理層數據稱為比特流（Bit）。?因此，相應地有應用層協議數據單元（APDU，ApplicationProtocolDataUnit）、表示層協議數據單元（PPDU，PresentationProtocolDataUnit）、會話層協議數據單元（SPDU，SessionProtocolDataUnit）等。圖1-10對等層數據封裝和解封過程示例2．接口與服務（1）實體與服務訪問點。?所謂實體（Entity），是指任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。?第N層實體通常由兩部分組成：相鄰層間的接口和第N層通信協議。?OSI定義了如下4種用于層間信息交換的原語：①請求原語（Request）；②指示原語（Indication）；③響應原語（Response）；④證實原語（Confirm）。（2）相鄰層間的接口關系。

圖1-11層間接口關系1.3交換技術的分類?語音、數據等不同的通信業務具有不同的特點，如有的對實時性要求很高，有的對差錯敏感；有的傳輸速率恒定，有的具有突發性。?因而要求網絡采用不同的交換方式。?目前已經出現和使用的交換技術如圖1-12所示。圖1-12主要交換技術分類1.3.1電路交換技術?電路交換（CS，CircuitSwitching）是最早出現的一種交換技術，主要用于電話通信。?電話通信對時延和時延抖動十分敏感，電路交換是一種實時的交換技術。?電路交換的基本過程包括呼叫建立、信息傳送（通話）和連接釋放三個階段，如圖1-13所示。圖1-13電路交換的基本過程?電路交換的主要優點如下：（1）信息的傳輸時延小，且連接建立，傳輸時延固定不變。（2）信息在通路中“透明”傳輸，交換機對用戶的信息不存儲、不分析、不處理，而是原封不動地傳送，交換機的處理開銷比較小，信息的傳輸效率比較高。?電路交換存在下列不足：（1）電路資源被通信雙方獨占，利用率較低。（2）由于存在呼叫建立和連接釋放過程，電路的接續時間較長。?當通信時間較短（或傳送較短信息）時，呼叫建立的時間可能大于通信時間，網絡的利用率低。（3）存在呼損，即可能出現由于被叫方終端設備忙或通信網絡負荷過重而呼叫不通的情況。（4）通信雙方在信息傳輸速率、編碼格式、同步方式、通信協議等方面要完全兼容，這就限制了不同速率、不同編碼格式和不同通信協議的用戶終端之間的通信。1.3.2分組交換技術?分組交換來源于報文交換，采用“存儲—轉發（StoreandForward）”方式，同屬于可變比特率交換范疇。?為此，下面先介紹報文交換（MessageSwitching）。

1．報文交換

圖1-14報文交換的一般過程（1）信息以“存儲—轉發”方式通過交換機，輸入、輸出電路的速率和編碼格式等可以不同，很容易實現不同類型終端之間的通信。（2）在信息傳送（報文交換）的過程（從用戶A到用戶B）中沒有呼叫建立和接續過程，來自不同用戶的信息可以在同一條線路上以報文為單位進行多路復用，電路利用率較高。（3）用戶不需要叫通對方就可以發送報文；如果需要，同一報文可以由交換機轉發至多個不同的用戶，實現多播通信。?但報文交換存在如下不足：（1）由于采用“存儲—轉發”方式，信息通過交換機時，時延和時延變化都較大，不利于實時通信。（2）交換機要有能力存儲各用戶發送的報文，其中有的報文可能很長，要求交換機具有較高的處理能力和較大的存儲容量。2．分組交換

?分組交換同樣采用“存儲—轉發”方式，但處理對象不是以報文為單位，而是把報文劃分成許多較短的、格式化的“分組（Packet）”進行傳輸和交換。?分組長度較短，且具有統一的格式，便于在交換機中存儲和處理。?分組進入交換機后只在主存儲器中停留很短的時間，進行排隊處理，一旦確定了新的路由，就很快輸出到下一個交換機或用戶終端。?分組通過交換機或網絡的時間很短（一般為毫秒級），能滿足絕大多數數據通信對實時性的要求。?根據交換機對分組的處理方式不同，分組交換分為數據報（Datagram）和虛電路（VirtualCircuit）兩種工作方式。?分組交換的主要優點如下：（1）能向用戶提供在不同速率、不同編碼方式、不同通信協議的數據終端之間相互通信的靈活的通信環境。（2）在網絡負荷較輕的情況下，信息的傳輸時延較小，而且時延的變化范圍不大，能夠較好地滿足計算機通信的要求。（3）便于實現線路上用戶信息的動態統計復用，通信線路（包括中繼線和用戶線）的利用率較高，在一條物理線路上可以同時提供多條信息通路。（4）可靠性高。?分組傳輸時可以在中繼線和用戶線上分段進行差錯校驗，使信息在分組交換網絡中傳輸的比特差錯率大大降低，一般可以達到1010以下。?由于分組傳輸的路由是可變的，當網絡中的設備或線路發生故障時，分組可以主動避開故障點，故分組交換可靠性高。（5）經濟性好。?信息以分組為單位在交換機中存儲和處理，不要求交換機具有很大的存儲容量，降低了網絡設備的費用；對線路的動態統計復用也大大降低了用戶的通信費用。?分組交換存在的不足如下：（1）由于網絡附加的開銷較多，對長報文通信的效率較低。（2）技術實現復雜。1.3.3快速分組交換技術?傳統的分組交換網絡是基于X.25建議的。?20世紀80年代以后，隨著光纖通信技術的發展，光纖逐漸成為通信網傳輸介質的主體。?光纖通信具有容量大、傳輸質量高的特點，數據傳輸誤碼率小于109，系統能夠提供10～100Gbit/s甚至更高的數據傳輸速率。?另一方面，隨著計算機技術的發展，終端的智能化程度不斷提高，許多原來由網絡完成的工作（如差錯控制）可以由端系統實現。?在這樣的環境下，分組交換顯然就沒有必要像X.25那樣再做許多精巧而煩瑣的工作了。?快速分組交換（FPS，FastPacketSwitching）就是在這樣的背景下提出的。?快速分組交換可理解為盡量簡化協議，甚至只保留核心的網絡功能，以提供高速、高吞吐量、低時延服務的交換技術。?廣義的FPS包括幀中繼（FR，FrameRelay）與信元中繼（CR，CellRelay）兩種交換方式。?ATM交換采用的是信元中繼方式。?與X.25協議相比，幀中繼采用一種簡化的協議，它只有OSI-RM模型的下兩層，沒有第三層，甚至在數據鏈路層也只保留了核心功能，如幀的定界、同步及差錯檢測等。?與傳統的分組交換相比，幀中繼有兩個主要特點。?一是幀中繼以幀為單位來傳送和交換數據，在第二層（數據鏈路層）進行復用和傳送，而不是在分組層，這就簡化了協議，加快了處理速度。?二是幀中繼將用戶面與控制面分離，而通常的分組交換是不分離的：用戶面負責業務信息的傳送；控制面負責提供呼叫和連接的控制，主要包括信令功能。1.3.4ATM交換技術?ATM具有下列基本特點：（1）采用定長信元。（2）面向連接。（3）異步時分交換。（4）支持多種業務并具有服務質量保證。圖1-15傳輸通道示意1.3.5計算機網絡交換技術?計算機網絡是利用通信設備和傳輸線路將不同地理位置、功能獨立的多個計算機系統互連在一起，通過一系列的協議實現資源共享和信息傳遞的系統。?從服務范圍看，計算機網絡分為局域網（LAN，LocalAreaNetwork）、城域網（MAN，MetropolitanAreaNetwork）和廣域網（WAN，WideAreaNetwork）。?隨著局域網技術，特別是電信級以太網技術（CE，CarrierEthernet）的發展，計算機網絡的應用范圍正在向城域網甚至廣域網延伸。?本書主要介紹局域網和廣域網中使用的基本交換技術。?局域網技術包括以太網、令牌環、光纖分布式數據接口（FDDI）、ATM等，但真正得到廣泛應用的是美國電氣和電子工程師學會IEEE802委員會制定的以太網標準和技術。圖1-16傳統以太網和交換式局域網1．第二層交換2．路由與互連圖1-17廣域網組網示例3．虛擬局域網4．第三層交換1.4交換技術的發展

1.4.1電路交換的發展1．機電式交換機2．模擬程控交換?程控交換具有下列優越性：（1）靈活性大，適應性強。（2）能提供多種新的服務性能。（3）便于實現共路信令。（4）便于實現操作維護和管理工作的自動化。（5）適應現代電信網的發展。3．數字程控交換?與模擬交換不同，數字交換在話路部分交換的是經過脈沖編碼調制（PCM，PulseCodeModulation）的數字話音信號，交換機內部的互連網絡采用數字交換網絡（DSN，DigitalSwitchingNetwork）。?數字程控交換在技術上表現出以下3個主要特征：（1）隨著大規模集成電路技術的發展，數字程控交換機采用單路編譯碼器和數字交換網絡，實現了用戶級和選組級的全數字化。（2）局間在信令方面，普遍采用No.7共路信令方式。（3）隨著微處理器技術的迅速發展，數字程控交換機普遍采用多機分散控制方式。1.4.2分組交換的發展?

ARPANet和其他分組交換試驗網的成功，促進了分組交換技術進入公用數據網，形成分組交換公用數據網（PSPDN，PacketSwitchedPublicDataNetwork）。1．第1代分組交換系統2．第2代分組交換系統圖1-18第1代分組交換系統的結構示意圖1-19第2代分組交換系統的結構示意3．第3代分組交換系統圖1-20第3代分組交換系統的結構示意1.4.3寬帶交換的發展1．ATM交換的發展2．IP交換的發展3．光交換技術的發展1.4.4NGN與軟交換?下一代網絡（NGN，NextGenerationNetwork）是一個寬泛的概念，不同專業領域對NGN的認識可能具有不同的解釋。?軟交換（Softswitch）的概念起源于美國企業網應用，最早于20世紀90年代中期提出。?我國標準化組織對軟交換的定義是這樣的：軟交換是網絡演進以及NGN的核心設備之一，它獨立于傳送網絡，主要完成呼叫控制、資源分配、協議處理、路由選擇、認證、計費等主要功能，同時可以向用戶提供現有電信網所能提供的所有業務，并向第三方提