第2章_交换单元与交换网络PPT

2 1引言 2 2交换单元 2 3交换网络 第2章交换单元与交换网络 1 本章教学重点 同步时分复用信号和统计时分复用信号交换单元的数学描述介绍各种主要的交换单元空分交换单元共享存储器型交换单元总线型交换单元简要介绍常用的交换网络CLOS网络及无阻塞交换网络TST DSN BANYAN网络 2 用数学模型分析交换单元TST交换网络CLOS网络及无阻塞交换网BANYAN网络 本章教学难点 3 4 本章要求 掌握交换单元的基本概念 分类 特性和数学描述方法了解各种交换单元的结构及工作原理掌握几种重要而典型的交换单元了解交换网络的概念 交换网络的三要素 交换网络的组织结构熟悉几种常用的交换网络 多级网络内部阻塞的概念 构成无阻塞交换网络的条件初步了解几种常用交换网络的组合特性及工作原理 2 1引言 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 5 2 1引言 6 2 1引言 1 同步时分复用将时间划分为基本的时间单位帧 一帧分成若干时隙 时隙顺序编号 所有帧中编号相同的时隙成为一个子信道 一个子信道传输一个话路信号 子信道的速率是恒定的 7 同步时分复用的来由 话音信号的频率300HZ 3400HZ 采样频率为8HZ 即采样周期为125us 采样值是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 2 1引言 8 2 统计时分复用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 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 2 1引言 9 2 1引言 对两种时分复用信号的比较 10 复用信号的交换示意图 只携带用户信息 不指定出线地址 不仅携带用户信息还有出线地址 同步时分复用信号的交换 统计时分复用信号的交换 11 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 因此子信道速率不固定 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 2 1引言 12 实现任意入线与出线之间的互连是交换的基本功能 按照交换方式要求 节点内互连网络可以提供实连接或虚连接 节点内互连网络又称为交换网络 交换机构 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 2 1引言 交换网络有 空分 时分数字 模拟 13 节点交换网络具有一定的拓扑结构 选择在满足交换方式 容量和服务质量要求的情况下 获得高性能 低成本 便于扩充与控制的拓扑结构 2 1引言 14 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基本部件 按照一定的拓扑结构和控制方式 由多个交换单元即可构成交换网络 对称交换单元 M N 全连接交换单元部分连接交换单元 一 基本概念 15 交换单元如何建立信息传送通道 连接 任意的入线和出线之间建立连接 对于同步时分复用信号 实连接 对于统计复用信号 虚连接 二 内部通道 2 1交换单元 16 集中型 M N 也称为集中器 扩散型 M N 也称为扩展器 分配型 M N 也称为分配器 三 交换单元的分类 2 2 1交换单元及其数学描述 17 三 交换单元的分类 2 2 1交换单元及其数学描述 有向交换单元 当信息经过交换单元时只能从入线进出线出 具有唯一确定的方向 无向交换单元 交换单元的每条线既可入也可出 其入线数必等于出线数 18 2 2 1交换单元及其数学描述 连接特性是交换单元的基本特性 它反映了交换单元入线到出线的连接能力 通常我们用连接集合和连接函数来描述交换单元的连接特性连接集合 入线集合 T 0 1 2 M 1 出线集合 R 0 1 2 N 1 定义 t T 即t是T的一个元r Rt Rt是R的一个子集 r是Rt的一个元 则集合c t Rt 为一个连接 19 若r Rt Rt中只含有一个元 则称该连接为点到点连接 若r Rt Rt中含有多个元 则称该连接为一点到多点连接 若一个交换单元可以提供点到多点的功能 但Rt R 则称其具有同发功能 若Rt R 则该交换单元具有广播功能 四 连接与连接函数 20 一个交换单元的连接同时可有多个 这就构成了交换单元的连接集合 C c0 c1 c2 其中 起点集Tc t t ci ci C 终点集Rc r r Rt Rt ci ci C 连接和连接集合是对应于某一时刻的 连接集合的数目越多 连接能力就越强 四 连接与连接函数 21 四 连接与连接函数 连接函数一个连接函数对应一种连接 连接函数表示相互连接的入线编号和出线编号之间的一一对应关系 即存在连接函数f 入线x与出线f x 相连接 0 x M 1 0 f x N 1 连接函数实际上也反映了入线编号构成的数组和出线编号构成的数组之间的置换关系或排列关系 故连接函数也被称作置换函数或排列函数 22 函数表示形式x表示入线编号 二进制表示 f x 表示连接函数 排列表示形式即输入输出对应表示形式t0 t1 tn 1r0 r1 rn 1图形表示形式 四 连接与连接函数 23 1 直线连接 函数表示 I xn 1xn 2 x1x0 xn 1xn 2 x1x0排列表示 N 4 0 1 2 30 1 2 3图形表示 N 4 1 2 3 1 2 3 0 0 四 连接与连接函数 24 2 交叉连接 排列表示 N 4 0 1 2 31 0 3 2图形表示 N 4 四 连接与连接函数 函数表示 E xn 1xn 2 x1x0 xn 1xn 2 x1x0 25 间隔交叉连接第K位位值不同的入线与出线之间的连接 Ck xn 1xn 2 xk x1x0 xn 1xn 2 xk x1x0 0 0 1 2 3 1 2 3 0 0 1 2 3 1 2 3 N 4k 1 N 4k 0 四 连接与连接函数 26 均匀洗牌连接 均匀洗牌连接 均匀洗牌置换 具体实现方法是 将入线二进制地址编号循环左移1位作为出线地址编号 均匀洗牌连接 将出线一个隔一个地从头至尾地分成相等的两部分 将这两部分首尾相接 使之达到理想的一张隔一张的均匀洗牌效果 然后 按序将出线依次与入线连接 函数表示式为 27 x2x1x0 x1x0 x2 当N 8时 连接函数为 假设当N 8时 连接函数为 排列形式为 图形表示为 均匀洗牌连接 28 子洗牌连接 将全部入线及相应出线分成若干个子部分 每一个子部分独立完成均匀洗牌连接 连接函数为 子洗牌连接 假设当N 8时 连接函数为 x2x1x0 x2x0 x1 均匀子洗牌 29 均匀子洗牌 排列形式为 图形表示为 30 逆均匀洗牌连接 逆均匀洗牌连接 逆匀洗牌连接是均匀洗牌连接的逆函数 两者的入线和出线正好互换了位置 即逆洗牌是将入线二进制地址编号循环右移1位作为出线地址编号 函数表示式为 31 逆均匀洗牌连接 排列形式为 图形表示为 假设当N 8时 连接函数为 x2x1x0 x0 x2x1 32 蝶式连接变换实现时 其图形形状如蝴蝶 这种连接是将入线二进制地址编号的最高位与最低位互换位置作为出线地址编号 蝶式连接 蝶式置换 函数表示式为 蝶式连接 蝶式置换 33 排列形式为 x2x1x0 x0 x1x2 N 8时 蝶式连接函数 图形表示为 蝶式连接 蝶式置换 34 子蝶式连接 子蝶式连接 将全部入线及相应出线分成若干个子部分 每一个子部分独立完成蝶式连接 子蝶式连接 函数表示式为 35 x2x1x0 x2x0 x1 子蝶式连接 36 容量 所有入线同时传送的总信息量 接口 接口标准的规定 功能 点到点 同发或广播 质量 连接建立情况 成功率 速率 信息传输损伤 时延 衰减 噪声 五 交换单元的性能 37 交换单元是如何完成交换的 交换单元内部是什么 结构如何 有何特性 前面讨论了外部特性及其数学描述 我们将目光移到交换单元的内部 主要内容 最基本的的交换单元是开关阵列 即用各种各样的开关构成的交换单元 38 空间交换单元交换单元可以分为空分交换单元与时分交换单元 空分交换单元也称为空间交换单元 一般来说 空间交换单元是由空间上分离的多个小的交换部件或开关部件按照一定的规律连接构成的 从空间交换单元的内部来看 其入线到出线之间存在着多条通路 所有的这些通路可以并行的传送信息 也就是说从不同入线上来的信息可以并行的交换到不同的出线上去 39 1 开关阵列 空分交换单元 在每条入线和每条出线之间 各自接上一个开关 所有的开关就构成了交换单元内部的开关阵列 使用开关建立或拆除任意入线和任意出线之间的连接 1 基本原理 开关阵列 40 开关阵列 开关阵列中开关的两种状态 单向开关 一般用于有向交换单元 双向开关 一般用于无向交换单元 41 开关阵列的拓扑结构 42 1 在入线与出线上的每个交叉点都有一个开关 且开关为单向开关 2 总共需要M N个开关 3 把入线i与出线j交叉点的开关记为Kij M N有向交换单元的开关阵列实现 43 一个M N无向交换单元的开关阵列实现所示 由图可知 M N无向交换单元的开关阵列与M N有向交换单元的开关阵列的实现结构完全相同 所不同的只是其信息端是双向传送信息的并且所使用的开关为双向的 M N无向交换单元的开关阵列实现 44 全连接交换单元和部分连接交换单元 0 1 N 1 0 1 N 1 入线 出线 0 1 N 1 0 1 N 1 入线 出线 45 全连接交换单元每条入线都能够与每条出线相连接 部分连接交换单元 每条入线只能与部分出线相连接 0 1 M 1 入线 出线 入线 0 M 1 出线 入线 0 N 1 出线 0 1 N 1 入线 出线 多路选择器 46 开关阵列的物理实现不一定是由一个一个的开关构成 它可以由多路选择器构成 多路选择器构成的M N交换单元 交叉点数 开关数 47 工作原理 控制开关的闭合就能建立任意入线和任意出线之间的连接 性能 取决于开关类型信号 模拟 数字 光波 开关阵列 空分交换单元 48 空分交换单元的特点 1 任何时间任意入线和任意出线可连接 控制简单 时延均匀 2 交叉点数是入线数和出线数乘积 适合构成较小的交换单元 3 容易实现多播和广播 一列开关只能接通一个 冲突 2 2 2开关阵列 4 交换单元的性能依赖于所使用的开关 5 开关具有控制端和状态端 49 开关阵列 继电器 其构成的交换单元是无向的 可交换模拟和数字信息 干扰和噪声大 动作慢 ms级 体积大 cm级 实际的开关阵列 50 开关阵列 模拟电子开关 一般利用半导体材料制成 只能单向传送 且衰耗和时延较大 实际的开关阵列 数字电子开关 由简单的逻辑门构成 用于数字信号的交换 开关动作极快且无信号损失 51 2 空间接线器 空间接线器 SpaceSwitch 简称S单元或S接线器 用来实现多个输入复用线与多个输出复用线之间的空间交换 而不改变其时隙位置 完成不同时分复用线之间同一时隙的信息交换 52 交叉矩阵 由按时隙通断的开关组成 控制存储器 对交叉接点矩阵开关进行控制 基本组成 N N交叉点矩阵 空间接线器 53 工作方式 空间交换单元的交叉点按时隙高速接通与断开 如一帧中有不同时隙的信码要交换到同一条输出线上 则在CM控制下的交叉接点在一帧内就要开 关若干次 即 空间交换单元的交叉点是以时分方式工作的 所以又叫 时分复用的空间接线器 空间接线器 54 空间接线器 S接线器的构成 交叉点矩阵 控制存储器交叉点矩阵 开关阵列控制存储器 CM ControlMemory S接线器所含CM数量等于入 出 线数每个CM所含有的存储单元个数等于入 出 线上的复用时隙数每个存储单元为n位bit 且满足N 2n 其中N为入 出 线上数 空间交换单元的基本结构 55 对应于每条入线配置一个控制存储器 由于它要控制入线上每个时隙接通到哪一条出线上 所以控制存储器的容量等于每条复用线的复用度 而每个单元的位数则决定于选择输出线的地址码位数 在每一帧期间 处理机依次读出控制存储器各单元的内容 控制矩阵中相应交叉点的开关 这里的控制存储器就是控制接续的转发表 输入控制方式 56 空间接线器 123 123 123 TS12TS8 TS12TS8 0 8 12 3 TS8 TS8 输入控制方式 2 TS12 TS12 3 1 空间交换单元的控制方式 CM 57 输入控制方式工作原理 TS1 012141531 TS14 1 2 TS14 TS1 1 2 01 10 00 11 1 2 2 1 输入线 输出线 输入控制方式 CM 58 每条出线配一个控制存储器 由它控制出线上每个时隙接通到哪一条入线 所以控制存储器的容量等于每条复用线复用度 而每个单元的位数则决定于选择输入线的地址码位数 输出控制方式 59 输出控制方式 123 123 321 TS8 TS12TS8 0 8 12 3 TS8 TS8 输出控制方式 3 TS12 TS12 2 1 127 TS12 CM 60 输出控制方式工作原理 TS1 012141531 TS14 1 2 TS14 TS1 1 2 10 01 00 11 2 1 1 2 输入线 输出线 61 表示符号 空间接线器 62 空间接线器不管工作在哪种方式下 都具有如下的特点 只完成空间交换 不进行时隙的交换 即完成输入复用线与输出复用线相同时隙内信息的空间交换 空间接线器按时分方式工作 空间交换单元的输入线和输出线都是时分复用线 交叉点矩阵的各个开关均按照复用时隙而高速接通和闭合 因而我们说它按照时分方式工作 空间接线器一般用于构成数字电话交换系统中的交换网络 用来完成对PCM信号的交换 63 2 2 3时分复用交换单元 典型的时分复用交换单元 共享存储器型交换单元总线型 共享媒体型 交换单元 时分复用交换单元实例 时间 T 接线器 共享存储器型 数字交换单元 DSE 总线型 共享媒体型 交换单元 64 1 共享存储器型交换单元 入线缓冲 出线缓冲 下面介绍广泛用于同步时分复用信号交换的 时间接线器 或者叫 T接线 共享存储器型交换单元对三种时分复用信号都可进行交换 但其具体实现有所不同 存储器的N个区域是和各路输入信号顺序对应的 存储器的N个区域是和各路输出信号顺序对应的 工作方式 控制方式 输入控制 控制写入 顺序读出 出线缓冲 对话音存储器的控制而言 输出控制 顺序写入 控制读出 入线缓冲 65 话音存储器 SM 暂存话音编码信息 SM单元数由输入复用线上的时隙数决定 控制存储器 CM 存储输入或输出话音信息的时隙地址 CM单元数与SM单元数相同 每个存储单元存放SM的地址码 完成同一条时分复用线上时隙之间的信息交换 基本组成 时间接线器 66 1 顺序写入 控制读出 2 控制写入 顺序读出 工作方式 顺序写入 顺序读出 的 顺序 是指按照话音存储器的地址顺序 由脉冲控制 控制读出 控制写入 的 控制 是指按控制存贮器各单元定义的内容控制话音存储器的读出或写入 时间接线器 67 1 顺序写入 控制读出 控制存储器写入的是话音存储器的输出地址 以此来控制话音存储器的输出 时间接线器 话音存储器的单元编号对应输入时隙 单元内容是数字化的语音信息a 控制存储器单元编号对应输出时隙 单元内容是语音信息 a 在话音存储器中的单元编号 输出地址 68 完成时隙交换过程 话音存储器输入时隙的信息写入过程 各个输入时隙 PCM脉码 的信息在时钟控制下 依次写入话音存储器的各个单元 话音存储器的地址就是时隙编号 顺序写入输出控制方式 69 在处理器的控制下 控制话音存储器的读出地址 例如要将话音存储器输入时隙TS49的内容a 在时隙TS58中输出 可在控制存储器的第58单元中写入49 控制存储器在时钟控制下依次读出各单元内容 读至第58单元时内部存储的49 说明在TS58时隙 读出第49单元的内容a 完成了所需的时隙交换 时间接线器完成时隙交换的过程 70 0 3 27 31 TS27 TS3 TS27 TS3 27 3 0 3 27 31 R W W R 时钟 控制电路 时钟 控制存储器 话音存储器 输出时隙流 输入时隙流 时间接线器 71 W R W R SM CM 8 1 0 定时脉冲 处理机 时钟 511 0 511 1 8 TS1 输出控制方式 顺序写入 控制读出 在CLK1时刻 a写入到SM的第1号单元 在CLK8时刻 CM读出第8号单元的内容1 1选中SM的第1号单元 a被读出 实现A用户 占用TS1 和B用户 占用TS8 通话 中央处理机根据用户要求 向CM发出 写 命令 令其在第8号单元中写入1 a TS8 b TS1 b TS8 a 1 8 a b A B TS1 TS8 B A TS8 TS1 中央处理机根据用户要求 向CM发出 写 命令 令其在第1号单元中写入8 在CLK8时刻 b写入到SM的第8号单元 在CLK1时刻 CM读出第1号单元的内容8 8选中SM的第8号单元 b被读出 72 W R W R SM CM 1 0 定时脉冲 处理机 时钟 511 0 511 1 TS0 a TS2 c 2 3 TS1 b TS3 d 2 3 TS0 d TS2 b TS1 c TS3 a TS0 TS3TS1 TS2TS2 TS1TS3 TS0 a b c d a b c d 输出控制方式 顺序写入 控制读出 73 2 控制写入 顺序读出 不同的是 控制存储器写入的是话音存储器的写入地址 以此来控制话音存储器的写入 时间接线器 话音存储器的单元编号对应输出时隙 单元内容是数字化的语音信息a 控制存储器单元编号对应输入时隙 单元内容是将写入的语音信息 a 在话音存储器中的单元编号 74 0 3 31 TS27 TS3 TS27 TS3 27 3 0 3 27 31 R W W R 时钟 控制电路 时钟 控制存储器 话音存储器 27 输出时隙流 输入时隙流 时间接线器 75 表示符号 时间接线器 76 对于时间接线器 我们应注意以下三点 a 时间接线器的控制存储器是由控制单元写入数据的 实际上控制存储器 CM 就相当于一条同步时分复用线上各个时隙之间信息交换的交换控制表 向控制存储器写入不同的控制信息 就能实现不同时隙间信息的交换 在整个通话期间 中央处理机向CM只下达一次 写 命令 CM的内容在整个通话期间不变 通话结束才清除该内容 b 话音存储器需要在一个时隙内完成一次读操作与一次写操作 控制存储器也要在一个时隙内至少完成一次读操作 如果控制单元向控制存储器写数据 那么控制存储器还必须在一个时隙内完成一次读操作与一次写操作 所以构成时间接线器的话音存储器与控制存储器的访问速度必须能满足在一个时隙内各完成一次读写操作 77 c 经过时间接线器交换的信息存在着时延 时延最好的情况是入复用线上第i个时隙的信息要交换到出复用线第i 1个时隙 只经过1个时隙的时延 时延最坏的情况是入复用线上第i个时隙的信息要交换到出复用线上第i 1个时隙 那么从入复用线上来的第i个时隙的信息将会存储在话音存储器中 直到下一帧第i 1个时隙到来时 才从出复用线上输出 其时延为n 1个时隙的时间 n为1帧的时隙数 d 时分交换具有空分性质 不论是输出控制还是输入控制 每个输入时隙对应着SM的一个存储单元 即由空间位置的划分来实现时隙交换 78 共享总线型时分交换单元 总线按时隙轮流分配给入线控制部件和出线控制部件使用 基本原理 交换单元示意图 79 总线型 共享媒体型 交换单元示意图 总线及总线管理传送信息 总线时隙分配 入线控制部件功能 接收入线信号 数据格式变换 写入存储器 在分配时隙送至总线 读存储器 出线控制部件功能 检测总线信号 读取属于自己的信息写入存储器 数据格式变换 发送至出线 80 81 总线型交换单元 工作原理 总线的工作时间划分为N个时间片 时隙 在每一个时隙内把总线分给相应入线所对应的输入部件 同时当一个输入部件获得总线上的输入时隙后 就把入线上的信息送到总线上去 与此同时 信息的目的出线相对应的输出部件将总线上的信息读入 然后从出线上输出信息 总线型交换单元的应用实例 数字交换单元 DSE 数字交换单元是共享总线型交换单元的典型代表 可以用来组成大规模的数字交换网络 DSN 1 DSE的结构DSE可完成16条双向PCM复用线之间的信息交换 DSE结构 它的内部有16个双向端口 每个双向端口接一条双向32路的PCM线路 每路子信道16bit 该条PCM线路速率为4096Kbit s 这16个双向端口通过一条时分复用总线 TDM 连接在一起 82 8kHz 4MHz 8MHz 时钟 39根并行时分复用总线 83 输入同步电路 由于输入PCM链路的速率虽然相同 但其相位可能有差异 即其帧和位可能不同步 本电路就是为使帧和位同步 端口RAM 它有32个存储单元 每个单元对应1条信道 其存入内容是该信道应接续的发送端口的号码 信道RAM 它有32个存储单元 分别对应于32个信道 存入的内容是该信道应接续的发送话路号码 84 数据RAM 交换用的话音存储器 它有32个存储单元 分别对应32个信道 时隙 它采用控制写入 顺序读出方式 端口比较器 将时分复用总线上的端口号码与本端口号码相比较 如果相同 就说明数据总线上的数据是送至本端口的 发送控制 用来协调发送侧的内部操作 如对RAM的读写 空闲话路选择等 85 86 工作原理PCM链路有32个时隙 即32个信道 注意它的每个信道传输16比特的信息 在这16bit的信息中 除了8bit的用户话音 数据信息外 还包括了用于选路的控制信息 我们一般把这16bit的信息称为信道字 DSE就是根据从PCM链路接收到的信道字进行工作的 数字交换单元 DSE 87 信道字 PCM每一路的16比特信息 选择信道字表明该路信号要交换到哪个端口的哪个信道上去 一般用来建立连接 FE 01 选择内部路由 目的端口和目的信道号 数据信道字包含了话音与数据信息 一般只用到了16bit中的8位 用来传送数据 FE 11 置闲信道字 使占用的话路置为空闲 用来拆除已经建立的连接 FE 00 换码信道字 表示本信道字中包含处理机传送的控制信息 FE 10 数字交换单元 DSE DSE具有建立 保持 拆除其内部通道的功能 并且能够在已建立好的内部通道上进行信息交换 DSE是比较复杂的交换单元 它不仅能完成不同复用线之间信息的交换 还能完成不同时隙之间的信息交换 即它同时具有空间交换功能和时间交换功能 因而我们也称其为时空结合交换单元 88 交换网络的一般结构 2 3交换网络 89 90 2 3交换网络 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络 三大要素 交换单元交换单元间的拓扑连接控制方式 91 2 3交换网络 交换网络分类 单级交换网络与多级交换网络单级交换网络 需要交换的信息从交换网络入线到交换网络出线只经过一个交换单元 并且当同一级有多个交换单元构成时 不同交换单元的入线与出线之间可建立连接 多级交换网络 由多级交换单元构成的交换网络 时分交换网络与空分交换网络时分交换网络 所有的输入与输出端口分时共享单一的通信通路 具有时隙交换功能 空分交换网络 可以在多对输入端口与输出端口间同时并行地传送信息 具有空间交换的功能 CLOS网络与BANYAN网络 在电话交换系统中广泛应用的是时空结合的交换网络 91 92 2 3交换网络 交换网络分类 有阻塞交换网络与无阻塞交换网络对同一公共资源的竞争一般有两种情况 1 内部竞争 要交换的两路信息同抢交换单元内部的通路资源 2 出线竞争 不同入端来的信息同时争抢交换网络同一个输出端口 假设在同一时刻 入线0有信息要交换到出线2 入线1有信息要交换到出线3 那么此时就会发生争强内部链路的情况 在竞争中失败的信息被阻塞 内部竞争 92 93 2 3交换网络 交换网络分类 单通路交换网络 任一条入线与出线之间只存在唯一的一条通路多通路交换网络 任一条入线与出线之间存在着多条通路 单通路交换网络与多通路交换网络 93 2 3交换网络 由一个交换单元或若干个位于同一级的交换单元构成 一 单级交换网络 94 2 3交换网络 单级交换网络 交换单元 入线 出线 单级网络交叉接点数 16 16 256 两级网络交叉接点数 4 4 8 128 16 16 1 1 4 2 1 4 3 1 4 4 1 4 1 1 4 2 1 4 3 1 4 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 1 4 入线 出线 16 16 95 96 多级交换网络如果一个交换网络中的交换单元可以分为N级 顺序命名为第1 2 N级 并且满足 所有入线都只与第1级交换单元连接 所有第1级交换单元都只与入线和第2级交换单元连接 所有第2级交换单元都只与第1级和第3级交换单元连接 依此类推 所有第N级交换单元都只与第N 1级和出线连接 则称这样的交换网络为多级交换网络 或N级交换网络 2 3交换网络 多级交换网络 nmxnm两级交换网络 O 1 n 1 O 1 n 1 O 1 n 1 O 1 m 1 O 1 m 1 O 1 m 1 O O 1 1 m 1 n 1 1级 2级 2 3交换网络 97 98 多级交换网络的三个参数 每个交换单元的容量交换网络的级数单元间的连接通路 链路 多级交换网络的特点交叉接点数减少复杂度降低级间选路和控制复杂带来了内部阻塞 2 3交换网络 99 回顾 基本概念 若出 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 增加级数是为了减少交叉点数 入 出线空闲 交换网络的级间链路阻塞 2 3交换网络 多级网络 nmxnm 内部阻塞示意图 n 1 m 1 100 第1级是由m个n n的交换单元构成 第2级是由n个m m的交换单元构成 为了防止网络内部阻塞 多级交换网络入线到出线的连接方法 101 28 试问 单级交换网络不存在内部阻塞 为什么实际使用的大多是多级交换网络 因为交换网络中交叉点越多 成本越高 一般在设计交换网络的拓扑结构时 尽量最小化交叉点数 容量相同的多级交换网络与单级交换网络比较 交叉点数大大减少 单级交换网络在技术上受限于其尺寸和速度 一旦达到极限 很难扩充 无法增加线路速率 2 3交换网络 102 多级交换网络与单级交换网重要的不同 多级交换网络交换容量大 但存在内部阻塞 单级网络不存在内部阻塞 但交换容量受限 32 2 3交换网络 103 保证网络上终端都能两两互通网络拓扑结构安排要合理 防止网络内部阻塞最后是网络代价 构建大型交换网络考虑的问题 28 104 105 无阻塞交换网络研究的目的 减少 消除阻塞 三种无阻塞网络严格无阻塞网络链路足够多 可重排无阻塞网络调整连接解决阻塞 广义无阻塞网络使用一定的算法选路 2 3交换网络 106 严格无阻塞网络 不管网络处于何种状态 任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接 只要这个连接的起点 终点是空闲的 而不会影响网络中已建立起来的连接 例如 单级交换网络 但N增大 交叉点数 N2 增加很快 应用受限 CLOS网络 2 3交换网络 2 3交换网络 可重排无阻塞网络 不管网络处于何种状态 任何时刻都可以在交换网络中直接或对已有的连接重选路由来建立一个连接 只要这个连接的起点 终点是空闲的 而不会影响网络中已建立起来的连接 广义无阻塞网络 指一个给定的网络存在着固有的阻塞可能 但又可能存在着一种精巧的选路方法 使得所有的阻塞均可避免 而不必重新安排网络中已建立起来的连接 107 CLOS网络 单级无阻塞网络需N2个交叉点CLOS网络是CLOS首次构造的一类交叉点数随入 出线数增加而增长较慢的N N的无阻塞的多级交换网络 CLOS网络是采用多个较小规模的交换单元 按照某种连接方式连接起来 形成多级交换网络 对较大的N 采用足够多的级数 能设计出CLOS无阻塞网络 其交叉点数增长的速度小于N1 0 1 108 CLOS网络 每一个交换单元都与下一级的各个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 m n r是整数 决定了交换单元的容量 称为网络参数 并记为C m n r 第一级有r个n m矩形交换单元 1 三级对称CLOS网络 中间是m个r r的方形交换单元 1 三级CLOS网络组成 第三级有r个m n矩形交换单元 109 28 严格无阻塞条件 m 2n 1可重排无阻塞条件 m n 三级CLOS网络严格无阻塞条件 m为CLOS网络第2级所需要交换单元的个数 n为第一级每个单元的入线数和第三级每个单元的出线数 110 图2 24CLOS网络的无阻塞条件 假如我们要确立一条从a到b的信息交换通路 最不利的情况是 第一级与a相连的交换单元中除去a之外所有剩余的n 1条入线均有信息要交换 那么第一级与a相连的交换单元中n 1条输出线均处于忙状态 并且所有的n 1条输出线都连接到第二级不同的交换单元上 G三级CLOS网络严格无阻塞条件的分析 111 最后一级与b相连的交换单元除去b以外所有的n 1条输出线也均有信息要交换出来 并且对第二级来说需要另外的n 1个交换单元 而且这些交换单元都要有一条出线连接到与b相连的交换单元上 G三级CLOS网络严格无阻塞条件的分析 第一级第二级第三级 图2 25严格无阻塞的三级CLOS网络 112 那么在最坏情况下 总共需要 n 1 n 1 2 n 1 个可供选择的第2级交换单元 这时候为了确保链路无阻塞 完成a到b的信息交换 至少还应该存在一条空闲链路 即中间级交换单元要有 n 1 n 1 1 2n 1个 因此我们得出三级对称CLOS网络严格无阻塞条件 m 2n 1 G三级CLOS网络严格无阻塞条件的分析 第一级第二级第三级 图2 26严格无阻塞的三级CLOS网络 113 CLOS网络 当出现内部阻塞时 通过对现有连接通路的调整 重排路由 实现无阻塞连接 称为可重排 再配置 无阻塞网络 2 可重排无阻塞网络 1 2 3 4 1 2 3 4 C1 C2 1 2 3 4 1 2 3 4 C11 C2 三级可重排无阻塞网络 a b 入线2至出线4 入线3与出线1阻塞 114 在大型程控交换机中 数字交换网络的容量要求较大 只靠T接线器或S接线器是不能实现的 必须将它们组合起来 才能达到要求 TST网络是在电路交换系统中经常使用的一种交换网络 它是三级交换网络 两侧为T接线器 中间一级为S接线器 S级的出入线数决定于两侧T接线器的数量 第1级T接线器 负责输入母线的时隙交换 S接线器 负责母线之间的空间交换 第2级T接线器 负责输出母线的时隙交换 TST网络 2 3交换网络 115 结构 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 116 为减少选路次数 简化控制 可使两个方向的内部时隙具有一定的对应关系 通常可相差半帧 俗称反相法 即 设 F 一帧的时隙数TSA B A到B方向的内部时隙数TSB A B到A方向的内部时隙数则 TSB A TSA B F 2 TST网络 117 118 2 3交换网络 TST网络结构 TST交换网络 编号相同的入线与出线组成一条双向时分复用线 118 119 各接线器的工作方式为 TA接线器为顺序写入 控制输出 TB接线器为控制写入顺序读出 S接线器为输入控制 设入线1的时隙2和出线3的时隙31实现交换 空闲内部时隙7 119 输入线0 TS2的A用户输出线2 TS20的用户B TST交换过程举例2 正向通路 AB中间时隙 7反向通路BA中间时隙 23 2 3交换网络 120 TST网络组成和工作原理 A A A A 0 0 1 2 31 0 31 7 31 7 0 0 0 31 20 31 7 0 CMC 2 SMA 0 CMA 0 CMA 2 CMB 2 SMB 2 TS20 TS7 TS23 TS7 TS2 T S T A B 0 2 0 2 121 TST网络组成和工作原理 B B B B 0 31 2 31 23 0 31 23 0 31 0 2 31 31 CMC 0 SMA 2 CMA 2 CMB 2 CMB 0 SMB 0 TS2 TS23 TS7 TS23 TS20 T S T A B 0 2 0 0 23 0 122 TS7 0731 TS23 TS23 TS7 0 2 0 CMC 2 CMC 0 02331 01231 0731 02031 02331 031 02331 031 0731 TS2 TS20 TS20 TS2 0 2 2 20 20 SMA 0 CMA 0 CMA 2 SMA 2 SMB 0 CMB 0 SMB 2 CMB 2 20 TST交换过程示意图 2 123 关于TST网络 有几个方面必须注意 1 交换网络一般是建立双向通路 即除了建立上述A B方向上的信息传输 还要建立B A方向上的信息传输 因此内部时隙的选择一般采用 反相法 即两个方向的内部时隙相差半个帧 该帧是指TST网络输入线或输出线的复用帧 一般地 设 TST交换网络输入线或输出线的帧时隙数为F 选定的A B方向上的内部时隙为TSA B 则B A方向上的内部时隙为TSB A TSA B F 2 124 2 在一般情况下 TST网络存在内部阻塞 但概率非常小 大概是10 6 3 构成TST网络的第1级T接线器与第3级T接线器一般采用不同的控制方式 但无论采用输入控制方式 还是输出控制方式 除了操作方式不同外 本质是一样的 125 复用器 分路器与TST网络的连接 复用器与分路器在TST网络中的应用 串 并变换和复用 目的 在高复用度情况下 不使码速过高 易于实现高速传输 并 串变换 以便插入到各个PCM系统中去 TST 同步时分复用信号是速率为2Mb s的PCM一次群所以在交换前 要先进行时分复用 以扩大容量 PCM PCM 126 T S n TT S T网络 AXE10 FETEX 150 E10B 5ESS等T S S T网络 NEAX61T S S S T网络 EWSDT S S S S T网络 4ESS 长途 S T n S TST网络 2 3交换网络 127 DSN网络 DSN网络 贝尔公司的S1240系统采用的由由多个DSE按照一定的连接方式构成的单侧型多级交换网络大容量交换网络 1 DSN网络的结构 最少可以只有一级 最多可达到4级 128 第1级为入口级 选面级 其余3级为选组级 129 1 入口级入口级也叫做选面级 它是由若干对DSE组成的 这些DSE可称为接入交换器 AS 每个AS的16个端口可以接16条32时隙的PCM线路 其中端口0 7与端口12 15 图中入口级DSE左侧标出 用来连接各种终端模块 端口8 11 图中入口级DSE右侧标出 分别接到选组级 也就是第2级的4个平面 入口级有512对DSE 共1024个DSE 每个DSE的端口8 9 10 11分别接到第1个平面 第2个平面 第3个平面和第4个平面的选组级 130 2 选组级选组级有3级 即DSN的第2 3 4级 前两级每级有16组 每组8个DSE 最后一级只有8组 每组8个DSE 前两级DSE的端口0 7与前一级DSE相连 端口8 15与后一级DSE相连 最后一级DSE的16个端口都与前一级DSE相连 注意 选组级的前两级 即第2 3级之间组号相同的两级间进行交叉连接 选组级的后两级即第3 4级是不同组之间进行交叉连接 131 2 DSN工作原理及其特点在DSN中 两个终端之间的信息交换 可以只经过入口级 也可以经过选组级 如果两个终端模块同时连接在入口级的同一个DSE上 那么信息就可以只通过该入口级的DSE交换 如果两个终端模块不是连接在入口级的同一个DSE上 那么就要经过DSN的选组级进行信息交换了 DSN入口级的每一个端口都具有唯一的网络地址 不同端口之间连接的建立是根据目的端口的网络地址逐级选路进行的 该网络地址有13比特的编码 分为A B C D四部分 分别对应着DSN的1 4级 132 A 4比特 对应于第1级 表示终端模块所连接的入口级DSE的输入端口号 0 7 12 15 共12个 B 2比特 对应于第2级 表示第1级DSE的出线应连接的第2级DSE的输入端口号 0 7 由于第1级成对DSE连接到第2级DSE的端口号分别为n和n 4 这里n为0 3 因此只需要2比特来区分4个地址即可 C 3比特 对应于第3级 表示第2级DSE的出线应连接的第3级DSE的输入端口号 0 7 D 4比特 对应于第4级 表示第3级DSE的出线应连接的第4级DSE的输入端口号 0 15 也等于第2级和第3级的组号 133 当某一终端模块要与另一终端模块通过DSN建立通路连接时 就将自己的网络地址与目的端口的网络地址相比较 首先比较的是D 如不相同 说明源和目地终端模块之间所要建立的连接不在同一组内 位于第2级和第3级的不同组内 通路连接要经过第4级 若D相同 C不同 说明两个终端模块之间所建立的通路连接位于同一组内 连接的建立只涉及到选组级的第2 3级 若D C相同 B不同 则说明两个终端模块之间所建立的通路连接经过第2级的同一个DSE 该通路的建立折回点在第2级 若D C B相同 A不同 此时通路的建立只经过网络的第1级 如此通过网络地址的比较确定通路的折回点 并发送选择命令进行逐级选路 从而建立起通路连接 完成交换功能 134 DSN具有以下的特点 1 DSN是一种单侧折叠式网络 DSN网络与前面介绍的其它网络不同 它所有的端口位于同一侧 DSN网络的最后一级 DSN的任一端口输入的信息在网络的相应级上折回到目的输出端口 当一个输入端口要与一个输出端口建立连接时 可根据目的输出端口的地址 唯一地址 来决定接续通路需要的网络级数 即信息在DSN网络中的折回点在哪一级 135 2 DSN可自选路由 DSE本身具有通路选择和控制功能 因而它不需要设置交换网络的集中控制处理机来控制其一步步的交换 而是根据分布在各个终端模块中的终端控制单元送来的选择命令字等控制信息 由其硬件来完成选路 进而实现交换功能 因而DSN具有自选路由功能 136 3 DSN的扩展性好 DSN网络采用多平面 多级结构 当容量增加时可通过扩充DSN网络的级数 最多4级 来增加端口数 当话务负荷增加时可通过扩充DSN网络的平面数 最多4个 来均匀分担话务负荷 并且这种扩充不影响网络结构和系统运行 因而由较小规模的交换网络扩展为较大规模的交换网络方便灵活 4 DSN采用逐级推进的选试方式 能承受较大话务量DSN由1到4级组成 如果两个终端要进行信息交换 那么DSN将采用逐级试选的方式 对每一级进行试选路 直到两个终端所在的端口之间能建立起连接进行信息交换 137 138 通常将由2X2的交换单元构成的单通路网络称为BANYAN网络 因其布线像印度一种榕树的根而得名 它是基于树型结构的 适用于统计复用信号的交换 用于ATM交换 根据信号中的出线地址信息建立通路 2 3交换网络 BANYAN网络 BANYAN网络 BANYAN网络的基本结构BANYAN网络的基本特性BATCHER BANYAN网络 2 3交换网络 139 140 2 2交换单元状态 平行连接 交叉连接 01 01 01 01 01 01 BANYAN网络结构 2 3交换网络 141 两级之间均匀洗牌连接任一入线到任一出线间 只有一条路径 二级BANYAN网络 4 4 2 3交换网络 142 三级BANYAN网络 8 8 前面由两个4 4交换网络组成后接4个2 2交换单元第1级交换单元与第2级交换单元采用蝶式连接 第2级交换单元与第3级交换单元为子洗牌连接 多级交换网络 2 3交换网络 143 多级交换网络 8 8的3级BANYAN网络 144 banyan网络的构成具有一定的规律 用小的BANYAN网络构造成较大的网络用两组N N的网络 加上N个2 2交换单元 构成2N 2N的网络 BANYAN网络的构造 2 3交换网络 145 出 入线 级数 交换单元数的关系N N网络级数 M log2NN N网络单元数 N 2 log2N BANYAN网络的构造 2 3交换网络 146 唯一路径 网络的任何一条入线与任何一条出线之间都有一条路径并且仅有一条路径 则称该网络具有唯一路径特性 在BANYAN网络中 每条入线与每条出线之间都有且只有这一条路径 可以用数学归纳法来证明 BANYAN网络的基本特性 2 3交换网络 147 BANYAN网络特性 Error Error Error 唯一路径 0号入线到3号出线的唯一路径特性演示 147 148 自选路由自选路由功能 给定出线地址 不用外加控制命令 就可选到出线 由于到达指定的输出端仅有唯一一条通路 因此路由选择十分简单 即可由输出地址确定输入和输出之间的唯一路由 BANYAN网络的级数M log2N 与用2进制来表示输出线编号所需的二进制位数相等 则每一位二进制可与网络的每一级相对应 BANYAN网络特性 148 BANYAN网络特性 自选路由方法 给进入交换网络要交换的信息加上选路标签 该标签就是信息要交换到的目的输出线号的二进制值 每一级交换单元根据选路标签中的二进制值的相应位来选路 该位二进制的值为0则选0号出线 为1则选1号出线 网络的第1 2 k级分别与二进制值的由高到低位相对应 149 150 BANYAN网络特性 自选路由 从任意一条入线开始 逐个读出各级交换单元相应出线的数字0和1 那么 这些数字组合起来就是出线的号码 i号入线到3号出线的自选路由特性演示 150 01 23 45 67 01 2 010 3 011 4 100 5 101 67 8x8的3级BANYAN网络 1 0 1 1 0 011 010 100 101 BANYAN网络的自选路由特性 151 152 BANYAN网络特性 树型结构特性 从banyan的任一输入端口引出的一组通路形成了2分支树 级数越多 分支越多 级数k 2N N 总入线数或出线数 即2k N 152 可扩展性 BANYAN的构成具有一定的规律 可以采用有规则的扩展方法将较小容量的BANYAN扩展成较大规模 已有NXN的BANYAN网络 需构成2NX2N的BANYAN网络 则可用2组NXN 再加上一组N个2X2交换单元构成 第一组的NXN的N条出线分别与N个2X2交换单元的某一入线相连 第二组的NXN的N条出线分别与N个2X2交换单