第二章 交换单元与网络

第二章交换单元与交换网络 第二章交换单元与交换网络 2 1引言2 2具体交换单元介绍2 3交换网络 2 1引言 什么是交换网络 交换网络是交换设备的一个重要组成部分 用来提供交换所需的通路 交换网络是由基本的交换单元组成 交换单元是基本元素 例如一组开关 一组存储单元等 信号的基本形式 电信号模拟信号数字信号光信号 交换网络中的信号形式及时隙交换概念 交换网络中的信号形式是数字的 时分复用信号 电路交换采用同步时分复用信号分组交换和ATM交换采用统计时分复用信号什么是同步时分复用信号和统计时分复用信号 信道共享与多路复用技术 为了提高信道的利用率 通常采用多路复用技术 使多路信息在一个信道或一条传输线路上传输 多路复用技术频分复用 将信道按频率分割为多个子信道 时分复用 将信道按时间分割为多个子信道 空分复用 将信道按空间分割为多个子信道 码分复用 将信道通过不同的扩频码序列分割成多个子信道 频分复用和时分复用的区别 a频分复用 b时分复用 不同用户在同一时段发送 占用不同频道 不同用户占用同一频道 在不同时段发送 同步时分 时间位置 物理信道 STD SynchronousTimeDivision 异步时分 标记 物理信道 统计时分复用 ATD AsynchronousTimeDivision 时分交换 ATD与STD的概念 同步时分复用 话音信号的频率300HZ 3400HZ 取采样频率为8KHZ 即采样周期为125us 采样值用8位二进制编码 8位二进制占用的时间相对于125us很少 为了提高传输线的利用率 将125us分成若干时隙 不同用户的采样值占用不同的时隙进行传输 因为子信道在每一帧时间轴上的位置是固定的 所以称为同步时分复用 同步时分复用信道又称位置信道 是通过时间轴上的位置来区分子信道 话路 的 同步时分复用子信道的速率是恒定的 同步时分复用 每个用户的采样周期都是125us 都能在接收端正确还原 时间 125us 125us TS0 TS1 TSn 1 TS0 TS1 TSn 1 信息按分组先存储再发送 每个分组附加标志码 各个分组占用不同的时隙 但标志相同的分组属于一个用户 将它们所占用的信道容量看成一个子信道 这种复用方式称为统计时分复用 信息2速度 信息速度1 信息速度3因为信道是按时间分割为多个子信道 而子信道的容量需要通过统计才能得到 所以称为统计时分复用 特点 先存储再发送 信息速率高的用户所占的信道容量大 且所占信道容量随着信息的多少动态变化 取消了帧概念 统计时分复用信道又称标志信道 是通过标志来区分各子信道的 统计时分复用 统计时分复用的显著优点是按照用户的需要动态地分配信道容量 一个用户信息速度高时 占的信道容量大 当它的信息速度变低的时候 它占的信道容量也随之减小 分组交换的统计复用时分信号使用的分组长度不相等 因此分组传输速率不固定 不适于采用硬件交换单元 ATM交换的统计时分复用信号使用的分组长度相等 信元 适于采用硬件交换单元 故ATM交换速度快 统计时分复用 话音信号的同步时分复用 PCM30 32帧结构 话音信号需要数字化后才能在数字交换网络中传输 交换 话音信号数字化后的信号为PCM信号 话音信号的采样周期为125us 将125us分成32个时隙进行时分复用就形成了PCM30 32帧结构 欧洲体制 或将125us分成24个时隙就形成了24时隙的帧结构 北美与日本体制 我们国家采用欧洲体制 一帧周期为125us 分成32个时隙TS0 TS31 每个时隙传输8位二进制码 一个时隙3 91us 32个时隙中 TS0为帧同步时隙 TS16为标志信号时隙 其余时隙传送30路的话音信号 每个话路的传输码率 8000HZ 8bit 64kbit s复用后线路基群的传输码率 32 64Kbit s 2048kbit s 2Mb s16帧为一复帧 复帧周期为2ms PCM30 32帧结构的特点 一个信道复用了32个时隙 或24个时隙 称为PCM基群 随着技术的发展 信息传输速率的提高 PCM基群可以进一步复用 形成PCM高次群 同步时分复用信号的交换常常是要通过时隙交换实现 时隙交换的概念 时隙交换示意图 实现第一话路与第三话路的信息交换 TS3 TS1 复用 第一路 分路 第三路 分路发 分路收 群发送 群接收 分路发 分路收 数字交换网络 TS3 TS1 同步时分复用信号的交换需要通过复用线的交换和时隙的交换来完成 2 2具体交换单元介绍2 2 1交换单元及其数学描述 交换单元是构成交换网络的最基本单元 可实现任意入出线间的连接 完成同步时分交换或统计复用交换 a 同步时分复用信号的交换 b 统计复用信号的交换 交换单元的分类 按使用需要的不同 交换单元可分为集中型 入线数大于出线数 分配型 入出线数相等 扩散型 入线数小于出线数 按信息流向可分为有向交换单元和无向交换单元 2 2具体交换单元介绍 一 空间接线器 spaceswitch 空间接线器用来完成不同复用线之间的交换 而不改变时隙的位置 可简称为S接线器 主要用于同步时分复用信号的交换 1 结构交叉矩阵 交叉点阵 组成控制存储器 类型 两种工作方式对应两种类型输入控制 控制存储器对交叉矩阵的入线进行控制 一条入线配一个控制存储器输出控制 控制存储器对交叉矩阵的出线进行控制 一条出线配一个控制存储器 空间接线器的类型 S型接线器的入线数与出线数可以不等控制存储器的内容只在通路建立或拆除时才写入或清除 注意 S接线器的交叉矩阵 8选一 1 PCM1 来自控制存储器1 8选一 0 PCM0 来自控制存储器0 8选一 7 PCM7 来自控制存储器7 PCM0 PCM1 PCM7 该交叉矩阵是什么控制方式 输入控制方式 输出控制方式有一个优点 某一输入线上的某一个时隙的内容可以同时在几条输出线上输出 而在输入控制方式时 若在多个控制存储器的相同单元中写入相同的内容 只会造成重接或出线冲突 这对于正常的通话是不允许的 2 2 3时分复用交换单元 共享存储器型交换单元共享存储器型交换单元的一般结构如图所示 N路输入信号分别送入存储器的N个不同区域 再分别送出 存储器的写入和读出采用不同的控制 以实现交换 共享存储器型交换单元可对三种时分复用信号进行交换 但其具体实现有所不同 工作方式 入线缓冲 若存储器中的N个区域是和各路输入信号顺序对应的 则称交换单元是入线缓冲的 出线缓冲 若存储器中的N个区域是和各路输出信号一一对应的 则称交换单元是出线缓冲的 时间接线器 TimeSwitch 时间接线器是用于同步时分复用信号交换的共享存储器型交换单元 可简称T接线器 具体功能是完成一条时分复用线上时隙的交换 组成 话音存储器 SpeechMemory 控制存储器 ControlMemory 类型 按工作方式分类顺序写入 控制读出 或输出控制 控制写入 顺序读出 或输入控制 时间接线器 顺序写入 控制读出的T接线器的结构示意图 A A W R 8 W R SM CM 2 1 0 定时脉冲 处理机 时钟 TS2 TS8 在CLK2时刻 A顺序写入到SM的第2号单元 在CLK8时刻 CM读出第8号单元的数据2 2选中SM的第2号单元 A被读出 以TS2 TS8的实现介绍T接线器的工作原理 要实现TS2 TS8的交换 首先要由处理机在CM的8号单元写入2 控制写入 顺序读出的T接线器的结构示意图 A A W R 2 W R SM CM 8 定时脉冲 处理机 时钟 TS2 TS8 在CLK8时刻 SM第8号单元中的A被顺序读出 在CLK2时刻 CM读出第2号单元的数据8 8选中SM的第8号单元 A被写入SM的第8号单元 要实现TS2 TS8的交换 首先要由处理机在CM的2号单元写入8 结构 话音存储器用来暂存数字编码的话音信息 每个话路时隙有8位编码 故话音存储器的每个单元应至少具有8个比特 话音存储器的容量等于输入复用线上的时隙数 控制存储器的容量通常等于话音存储器的容量 也就是取决于复用线上的时隙数 输入时隙选定一个输出时隙后 由处理机控制写入控制存储器的内容在整个通话期间都是保持不变的 输出控制的T接线器PCM入线上各时隙的话音信号在定时脉冲的控制下按时隙号顺序地写入到话音存储器 然后在控制存储器的控制下读出到指定的时隙上 输入控制的T接线器PCM入线上的各时隙的话音信号在控制存储器CM的控制下写入到话音存储器的指定存储单元 然后在定时脉冲的控制下顺序读出 T接线器的CM是按控制写入顺序读出的方式工作 原理与S接线器的CM相同 定时脉冲由环形计数器输出 输出数据值与时隙时刻值相等 备注 顺写控读的T接线器中 定时脉冲作为SM写入数据时存储单元的地址 控制存储器CM的输出数据作为SM读出数据时存储单元的地址 工作原理 SM的读写是在同一时钟脉冲周期完成 但读和写不能同时进行 这是由RAM本身提供的读 写控制线控制 在时钟脉冲的正 负半周分别完成 T型接线器的输入时隙数和输出时隙数可以不等 如 控写顺读时 输入时隙可以比输出时隙多 顺写控读则反过来 说明 容量 时间接线器的容量等于输入复用线上的时隙数N N的增加是由限制的 若单路信号的速率为v 采用的存储器为双向数据总线 数据总线的宽度 即每次存取数据的比特数 B比特 需要时间t 则 2 N v B t因此 增加时间接线器的容量的方法包括 使用快速的存储器增加存储器数据总线的宽度使用单向数据总线的存储器 时延 信号进行串并变换时的时延 这与存储器的数据总线宽度成正比 在存储器中的时延 假设时间接线器在一帧各时隙的信号都到齐后经过 时间开始输出 则信号经过时间接线器的平均时延为T NWN是一帧的时隙数 W是一个时隙的时间长度 注意 各时隙中的单路信号经历的时延各不相同 总线型交换单元 一般结构 一般结构 总线型交换单元包括入线控制部件 出线控制部件和总线三部分 交换单元的每条入线都经过各自的入线控制部件与总线相连 每条出线也经过各自的出线控制部件与总线相连 总线按时隙轮流分配给各个入线控制部件和出线控制部件使用 分配到的输入部件将输入信号送到总线上 1 入线控制部件将入线上的信息经过格式变换存入缓冲存储器 在分配给该部件的时隙上将信息送到总线上 设一个入线控制部件每隔时间 获得一个时隙 输入信息的速率为Vbit s 则缓冲存储器的容量至少是 V bit 2 出线控制部件检测总线上的信息 将属于自己的信息读入缓冲存储中 经过格式变换 由出线送出 设一个出现控制部件在每个时间段 内获得的信息量是一个常数 而出线的数字信息速率为Vbit s 则缓冲存储器的容量至少是 V bit 3 总线一般包括多条数据线和控制线 4 总线时隙分配要按一定的规则 功能及特点 特点 可以实现三种时分复用信号的交换 但是具体实现有所不同 若入线上信息的传输码率为 bit s 则总线上信息的传输码率为n bit s 设总线上的一个时隙的长度不能超过T 且在一个时隙中只能传送B 则有 k N V B TK是时隙分配规则因子 k反映了总线的利用率 要增加总线的传输速率的方法包括 增加总线的宽度使用快速的器件来减少T 数字交换单元DSE digitalswitchelement DSE是一种总线型交换单元 又称空时结合交换单元 既可实现时隙之间交换 又可实现复用线之间的交换 只适用于同步时分复用信号的交换 DSE是组成数字交换网络 DSN 的基本单元 结构 16个双向端口 每个端口包含发送部分T和接收部分R 可连接复用了32个话路的PCM复用线 39跟并行时分复用总线 数据总线16线 端口地址总线4线 信道地址总线4线 控制总线5线 证实线1线 返回信道总线5线 时钟线3线 DSE任一端口的接收部分的任一信道 时隙 可以与任一端口的发送部分的任一信道接通 结构 端口的接收侧 RX 包括有 输入同步电路 使帧和位同步 端口RAM 32个存储单元 每个单元对应一条信道 存储信道该接续的发送端口的号码 信道RAM 32个存储单元 分别对应32条信道 存储信道该接续的发送话路号码 端口的发送侧 TX 包括有 数据RAM 交换用的话音存储器 32个存储单元对应32条信道 控制写入 顺序写出 端口比较器 将时分复用总线上的端口号码和本端号码相比较 发送控制 协调发送侧的内部操作 工作原理 PCM链路每帧有32个信道 每路有16比特 这16比特信息称为信道字 信道字中既可以有控制信息 也可以有用户话音 数据信息 DSE根据所收到的不同信道字来完成不同的任务 信道字有四种 置闲信道字 选择信道字 数据信道字 换码信道字 当选择和建立通路时 若所选信道成功 会沿着一条证实线回送一个 证实 信号 ACK 若选择遭到失败 就会回送一个 不证实 信号 NACK 端口的内部组成及DSE的工作原理 要实现Port3TS10 Port9TS20的接续 首先要由处理机在Port3的接收部分的端口RAM的10号单元写入9 信道RAM的10号单元写入20 以控制交换到Port9和TS20 9 10 端口RAM 20 10 信道RAM S 20 数据RAM TS0 P D C TS20 R3 T9 P 端口Port总线 D 数据总线 C 信道 时隙 总线 以Port3TS10 Port9TS20实现过程进行说明 端口的内部组成及DSE的工作原理 TS10到来时刻 话音信号S置入数据总线D 端口RAM10号单元中的端口信息 9 顺序读出置入端口总线P 信道RAM的10号单元中的信道信息20也被顺序读出到信道总线C S TS10 P D C S TS20 R3 T9 P 端口Port总线 D 数据总线 C 信道 时隙 总线 S 9 20 以Port3TS10 Port9TS20实现过程进行说明 端口的内部组成及DSE的工作原理 这时各端口的端口比较器 位于发送部分T 对端口总线上的端口号码进行识别 这时Port9的发送部分的端口比较器比较端口总线上的数据与本端口一致 允许其它总线 D C 数据进入本发送部分 控制数据RAM进行写操作 信道总线上的信道号20作为数据RAM的地址信号选中20号单元 数据总线上的话音信号S经数据RAM的数据输入线写入到20号单元 P 端口Port总线 D 数据总线 C 信道 时隙 总线 S 9 20 以Port3TS10 Port9TS20实现过程进行说明 端口的内部组成及DSE的工作原理 在TS20到来时 话音信号S被顺序读出到PCM出线上 P 端口Port总线 D 数据总线 C 信道 时隙 总线 以Port3TS10 Port9TS20实现过程进行说明 各端口的接收部分应在分配给它的时隙上向总线置入数据 如另一端口的R部件也在同一时隙TS10将数据置入总线 会造成数据混乱 发送部分应在每个总线时隙检测端口信息 总结 回过头来看一下 S接线器是通过多路转换开关实现空间交换 T接线器是通过话音存储器的缓冲来实现时间的交换 DSE利用总线的地址选择来实现空间交换 利用存储器 数据存储器 实现时间交换 注意 小组论文主题 二选一 VoIP网络电话技术云计算与核心交换机 小组论文要求 小组人数 5 6人 自由组队要求 严格按照标准论文格式规范 严禁抄袭 要求尽量做到用自己的话说 原文引用要求用 表示 要求标明出处 一旦发现抄袭 整个小组论文取消分数 小组论文可做10分钟演讲 可由一人代表发言 或全组人员集体发言 此项不作强制要求 但演讲有5分额外的平时成绩加分 交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网路 交换网络含有三大要素 交换单元 不同交换单元间的拓扑连接和控制方式 2 3交换网络 2 3 1clos网络 按结构分单级交换网络 入线到出线的连接只经过一个交换单元 可以由一个交换单元形成或由多个交换单元并联构成 多级交换网络 入线到出线的连接经过多个交换单元 内部阻塞 内部阻塞 当一个交换网络的某一出线为空闲 但由于交换网络内部的拓扑连线结构而使某一入线不能和该空闲的出线建立连接时 称作内部阻塞 单级交换网络不存在内部阻塞 多级交换网络可能存在阻塞 两级交换网络 两级交换每一对出 入线的连接需要通过两个交换单元和一条级间链路 增加了控制交换单元和搜寻空闲链路的难度 在单级交换网络 只要有一对出 入线空闲 便可将两者接通 而两级交换网络中 由于第一级的每个交换单元与第二级的每一个交换单元之间仅存在一条链路 任何时刻在一对交换单元之间只能有一对出 入线接通 这种出 入线空闲 但因交换网络级间链路被占用而无法接通的现象称为多级交换网络的内部阻塞 为什么实际使用的都是多级交换网络 单级交换网络不存在内部阻塞 而且控制比较简单 时延短 时延与级数成正比 但不同交换单元的入线与出线间无法建立连接 在一个交换网络中 各个交换单元按照一定规则互连 在扩大交换容量的同时 还可减少交换网络的内部阻塞 交换网络拓扑设计的总目标 就是在满足一定的连接能力的要求下 尽量最小化交叉点数 容量相同的多级与单级交换网络比较 交叉点数会大大减少 如何尽量减少 以至最后消除多级交换网络的内部阻塞 严格无阻塞网络 strictnon blocking 无论网络处于何种状态 任何时候都可以在空闲的入端和出端之间建立连接 可重排无阻塞网络 rearrangeablenon blocking 无论网络处于何种状态 任何时刻都可以在空闲的入端和出端之间直接或通过对已有的连接重选路由来建立连接 广义无阻塞交换网络 widesensenon blocking 给定网络存在固有阻塞的可能 但通过精巧的选路方法 所有阻塞均可避免 选路不合理可能会出现阻塞 实用的广义无阻塞交换网络很少见 无阻塞交换网络 单级的空分交换网N N是无阻塞的 但交叉点数为N2 交叉点数越多 成本越高 CLOS提出一种空分网络结构 可以使交叉点数尽量减少 同时又可以做到无阻塞 这种结构的网络就称为CLOS网络 CLOS网络 一种空分的网络结构 三级CLOS网络 空分的 特点 前一级交换单元与后一级的每一交换单元有连接 且只有一条连接 反之亦然 三级CLOS网络严格无阻塞的条件 m 2n 1三级CLOS网络可重排无阻塞的条件 m n 对称CLOS网络的结构 两边各有r个对称的m n的矩形交换单元 中间是m个r r的方形交换网络 记为C m n r 每一个交换单元都与下一级的交换单元有连接且仅有一条连接 因此任意一条入线与出线之间均存在一条通过中间级交换单元的路径 例如 N 6 第一级是6个6 11的矩形交换网络 中间级是11个6 6的方形交换网络 第三级是6个11 6的矩形交换网络 严格无阻塞条件的证明 任意入端与任意出端有m条平行链路 最不利的情况是入端接线器的其它 n 1 个入端占用了其中的n 1条链路 出端接线器的其它的其它n 1个出端占用了 n 1 条链路 且双方不重合 若还存在一条空闲链路就可建立连接 即m 2 n 1 1 2n 1 2 n 1 n 1 三级可重排无阻塞CLOS网络 假设有一个4 4的三级可重排无阻塞CLOS网络 m n r 2 显然它不满足严格无阻塞的条件 这个网络不能实现入线和出线之间的所有可能的交换 例如12344231可重排无阻塞网络要实现无阻塞连接 需要一套重新安排路径的算法 严格无阻塞的条件 m n1 n2 1n1为入线数 n2为出线数可重排无阻塞的条件m max n1 n2 三级CLOS网络的中间级用三级CLOS子网络替代 就形成五级CLOS网络 五级CLOS网络的中间级再用三级CLOS子网代替就形成七级CLOS网络 非对称CLOS网络 入线数不等于出线数 TST交换网络是电路交换系统中广泛使用的交换网络结构 TST是三级交换网络 两侧为T接线器 中间一级是S接线器 S级的入线数决定两侧T接线器的数量 TST 类型 根据T接线器控制方式的不同有两种基本类型第一种 输入T级采用输出控制 输出T级采用输入控制 第二种 输入T级采用输入控制 输出T级采用输出控制 S接线器控制方式不限 工作原理 下面以第一种TST实现PCM0TS2PCM31TS51的实现过程讲解TST交换网络的工作原理 设每根复用线复用了512个时隙 R W SM SM TS2 7 2 b b TS2 2 PCM0 PCM0 W SM TS7 TS51 PCM31 R SM b TS51 263 51 PCM31 要实现PCM0TS2 PCM31TS51的交换 首先要找到一个空闲的内部时隙 在此时隙上 S接线器的PCM0入线和PCM31出线均空闲 这样PCM0TS2 PCM31TS51 PCM0TS2 PCM0TS内 PCM31TS内 PCM31TS51 假设找到一个空闲的内部时隙TS7在有关的控制存储器中写入数据以实现预定交换 TS7 TS263 b TS263 2 b b 51 51 7 要实现PCM31TS51 PCM0TS2交换 同样要选择一个空闲的内部时隙 为方便处理 通常采用反相法获取第二条通道的空闲内部时隙 即两个方向的内部时隙相差半帧 最高位取反 7 512 2 263 51 2 263 1要实现PCM0TS2 PCM31TS51的交换 首先要找到一个空闲的内部时隙 在此时隙上S接线器的PCM0入线和PCM31出线均空闲 这样PCM0TS2 PCM31TS51 PCM0TS2 PCM0TS内 PCM31TS内 PCM31TS51假设找到一个空闲的内部时隙TS72在有关的控制存储器中写入数据以实现预