现代交换原理与技术

1,第1章概论,内容:什么是交换为什么在通信网中一定要引入交换的功能通信网中交换设备究竟完成哪些功能在现有通信网中都有哪些交换方式不同交换方式之间的区别是什么,2,1.1交换的引入,一个最简单的通信系统是只有两个用户终端和连接这两个终端的传输线路所构成的通信系统，这种通信系统所实现的通信方式，我们称之为点到点通信方式。,点到点通信方式,3,交换的引入,当用户终端数为6时，每个用户要使用5条通信线路，将自己与另5个相连。每个电话机还需配备5选1开关，根据通话需要选择与不同的话机相连。共需要15条通信线路和5个多选开关。哪么100个用户呢？1亿用户呢？,4,交换的引入,用户个个相连,交换节点的引入,5,交换的引入,采用多个交换节点,用户终端与交换机之间的连接线用户线。交换机与交换机之间的连接线中继线。,交换设备、传输设备和用户终端设备是通信网的基本组成部分，称为通信网的三要素。,6,1.2交换方式,对应于各种传送模式的交换方式，是交换节点为了完成交换功能所采用的互通技术。现在已经出现了多种交换方式，如图：,多种交换方式,电路传送模式（CTM）或同步传送模式（STM）,分组传送模式（PTM）,各种交换方式,7,电路交换,连接释放阶段,建立阶段,信息传送（通话）,1、电路交换的基本过程：,是最早、最普遍的交换方式，主要用于电话通信网。,被叫摘机,挂机,摘机,听到拨号音,拨号,寻找被叫,向被叫送振铃,向主叫送回铃,通话,8,电路交换,电路交换的基本过程,9,电路交换,2、电路交换的特点,仅当呼叫建立与释放时间相对于通信的持续时间很小时才呈现高效率,1)信息传送的最小单位是时隙,在通信前要有连接建立过程,只要用户不发出释放信号即使通信暂时停顿物理连接仍然保持；,物理连接的任何部分发生故障都会引起通信的中断；,2)要在通信的用户间建立专门的物理连接通路，从而又引起以下的特点：,10,电路交换,3)信息具有透明性:对通信信息不做处理（信令除外），而是原封不动地传送，用低速数据传送时不进行速率、码型的变换。4)同步时分复用（固定分配带宽）如图:,同步时分复用的基本原理,11,电路交换,5）对传送的信息无差错控制措施6）用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加，但不影响已建立的呼叫,12,电路交换,通过上述对电路交换特点的分析得出3个结论：1.通信网的业务特性决定了所采用的交换方式的特点:电话通信网中的话音业务，具有实时性强、可靠性要求不高的特点，而电路交换不管是其面向连接的特点，还是对信息无差错控制、透明传输以及基于呼叫损失制的流量控制特点，都满足了话音业务的特性，因而电话通信网采用电路交换方式。2.电路交换由于无差错控制机制,因而对数据交换的可靠性没有分组交换高，不适合对差错敏感的数据业务；3.由于电路交换采用固定带宽分配方式，因而其电路利用率低、不适合突发（burst）业务。电路交换适合于实时性、恒定速率的业务。,13,电路交换,电路交换,一种传输速率(例如64kbit/s),为了适应多种业务需要,多速率电路交换,多种传输速率,14,多速率电路交换,在交换节点内部的交换网络及其控制必须适应多速率交换的要求，有两种实现方法，如下：,15,多速率电路交换,采用多种基本信道速率的多速率电路交换系统,采用不同基本信道速率的帧结构,应用：NISDN中可视电话业务交换,16,多速率电路交换,多速率电路交换缺点,基本速率较难确定速率类型不能太多不适应突发业务控制较复杂,为了克服电路交换固定分配带宽的缺点，提高灵活性，在1982年提出了快速电路交换（FCS）方式,17,快速电路交换,快速电路交换的基本过程：,发送信息时,信息要传送时,呼叫建立时,分配带宽和资源,在相应路由上分配所需宽带，并且“记忆”所分配的带宽和去向建立“虚电路”或称“逻辑电路”,激活虚电路，建立物理连接,18,快速电路交换,19,快速电路交换,快速电路交换特点,由于并不为每个呼叫专门分配和保留其所需的宽带，因此提高了带宽的使用效率；物理连接的建立和拆除要有相当高的速度；由于只有当信息发送时才建立真正的连接，因此时延比通常的电路交换要大。,20,分组交换,分组交换（PS）源于报文交换采用存储转发方式为此，先介绍报文交换,21,分组交换,1、报文交换的基本概念,报文交换（又称存储转发交换）：,传送内容:用户信息+目的地址+源地址,交换节点:分析目的地址和选择路由,应用：公用电信网的电报自动交换,与电路交换的原理不同，不需要提供通信双方的物理连接，而是将所有接收的报文暂时存储；,可进行速率、码型变换，具有差错控制措施,发送多目的地址的报文,22,报文交换的时延,分组交换,23,2、分组交换的基本概念,分组交换：也采用存储转发方式；,分组内容:分组头（路由信息+控制信息）,分组交换节点:对各个分组分别处理，按其中的选路信息选择去向,应用：非实时的数据业务,与报文交换不同在于：将用户信息分割为若干分组,分组交换,24,分组交换,分组交换的时延,25,分组交换,分组交换可以提供两种服务方式：虚电路方式数据报方式,26,分组交换,3、虚电路方式和数据报方式,虚电路:,特点：,逻辑连接(通过通信连接上的所有交换节点保存选路结果和路由连接关系来实现连接的)不独占线路，同一物理线路可同时建立多个虚电路；,建立：,拆除：,在用户数据传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端到段之间的虚电路，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送。,通过呼叫清除分组来拆除虚电路,27,分组交换,虚电路方式特点,传送分组前先建立逻辑连接,发送分组顺序与接收分组顺序相同,分组沿相同路径传送,28,分组交换,种类：,交换虚电路（SVC）：,应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，不需要在呼叫时临时建立虚电路可以直接进入数据传送阶段。,永久虚电路（PVC）：,通过用户发送呼叫请求分组来建立虚电路。,29,分组交换,数据报:,不需要预先建立连接，而是按照每个分组头的目的地址对各个分组独立进行选路,称为无连接方式；,30,分组交换,数据报方式特点,发送分组顺序与接收分组顺序不相同,分组沿不同路径传送,无需建立源到目的之间的连接直接发送分组,31,分组交换,面向连接工作方式和无连接工作方式的特点,（1）面向连接工作方式的特点：不管是面向物理的连接还是面向逻辑的连接，其通信过程可分为三个阶段：连接建立、传送信息、连接拆除。一旦连接建立，该通信的所有信息均沿着这个连接路径传送，且保证信息的有序性（发送信息顺序与接收信息顺序一致）信息传送的时延相比无连接工作方式要小。一旦所建立的连接出现故障，信息传送就要中断，必须重新建立连接，因此对故障敏感。,32,分组交换,（2）无连接工作方式的特点：没有连接建立过程，一边选路、一边传送信息。属于同一个通信的信息沿不同路径到达目的地，该路径事先无法预知，无法保证信息的有序性（发送信息顺序与接收信息顺序不一致）。信息传送的时延相比面向连接工作方式要大。对网络故障不敏感。,33,分组交换,虚电路与数据报的比较：,34,分组交换,分组交换具有以下6个特点,信息传送的最小单位是分组（Packet）分组由分组头和用户信息组成(分组头含有选路和控制信息)面向连接（逻辑连接）和无连接两种工作方式:(虚电路采用面向连接的工作方式，数据报是无连接工作方式。)统计时分复用（动态分配带宽）,统计时分复用的基本原理,35,分组交换,统计时分复用的基本原理:是把时间划分为不等长的时间片，长短不同的时间片就是传送不同长度分组所需的时间，对每路通信没有固定分配时间片，而是按需来使用。当某路通信需要传送的分组多时，所占用的时间片的个数就多；传送的分组少时，所占用的时间片的个数就少。这也就意味着使用这条复用线传送分组时间的长短，由此可见统计时分复用是动态分配带宽的。信息传送有差错控制信息传送不具有透明性基于呼叫延迟制的流量控制分组交换的技术特点决定了它不适合对实时性要求较高的话音业务，而适合突发（burst）和对差错敏感的数据业务。,36,帧交换,帧交换:,是一种帧方式的承载业务，在数据链路层上以简化的方式来传送和交换数据单元,帧方式：是将用户信息流以帧为单位在网络内传送；,帧：在第2层传送的数据单元；分组：在第3层传送的数据单元,37,帧交换,分组交换、帧交换、帧中继协议处理的不同,38,帧交换,电路交换,多速率电路交换,快速电路交换,ATM交换,快速分组交换,帧交换,分组交换,帧交换:,特点：,在第二层进行复用和传送；,将用户面与控制面分离：,用户面：提供用户信息的传送；,控制面：提供呼叫和连接的控制，主要是信令功能；,39,帧中继,帧中继(FR),帧中继与帧交换方式相比，其协议进一步简化，它不仅没有三层协议功能，而且对二层协议也进行了简化。它只保留了二层数据链路层的核心功能,没有了流量控制、重发等功能，以达到为用户提供高吞吐量、低时延特性，并适合突发性的数据业务的目的。,分组交换、帧交换、帧中继技术特点比较,40,快速分组交换,快速分组交换（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、低时延的服务交换方式；,广义的FPS包括帧中继和信元中继两种方式；,只具有核心的网络功能的条件：,高带宽、高传输质量的光纤系统的应用；,终端系统的日益智能化；,只具有核心的网络功能，,只具有核心的网络功能的条件：,41,ATM交换,ATM交换：,CTM技术特点是固定分配带宽、面向物理连接、同步时分复用，适应实时话音业务，具有较好的时间透明性；PTM技术特点是动态分配带宽、面向无连接或逻辑连接、统计时分复用，适应可靠性要求较高、有突发特性的数据通信业务，具有较好的语义透明性。ATM交换技术是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式的优点发展而来的，兼具分组传送模式和电路传送模式的优点。,42,ATM交换,概念：,异步传输模式，用于宽带综合业务数字网的复用、传输和交换；,ATM交换：,43,ATM交换,特点：,固定长度的信元中继：,信元：信头信息域，固定长度，53字节,采用很短的信元可以减少交换节点内部的缓冲器容量以及排队时延和时延抖动；,有利于简化交换控制和缓冲器处理，,44,ATM交换,特点：,信头简化：,面向连接：,异步时分交换:,虚连接标识、优先级、信头的差错检验,需先建立虚连接，分为VCC(虚信道连接）和VPC（虚通道连接）两个等级,信头中的差错检验时针对信头本身的；,STD（同步时分）:按时间位置来区分连接；ATD（异步时分）:按信元的信头来区分连接,45,ATM交换,ATM交换,综述:ATM技术是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式高速化的优点发展而成的。采用异步时分复用方式，实现了动态分配带宽，可适应任意速率的业务；固定长度的信元和简化的信头，使快速交换和简化协议处理成为可能，从而极大地提高了网络的传输处理能力，使实时业务应用成为可能。,46,IP交换,叠加模型的IP交换技术主要有:CIP、LANE和MPOA在叠加模式中:IP层运行于ATM层之上;实现信息传送需要:两套地址ATM地址和IP地址;两种选路协议ATM选路协议和IP选路协议，还需要地址解析功能，完成IP地址到ATM地址的映射。,IP交换：,是指一类IP与ATM融合的技术它主要有两大类：叠加模型、集成模型。,47,IP交换,集成模型的IP交换技术主要有:IP交换、Tag交换和MPLS在集成模式中，只需要:一种地址:IP地址;一种选路协议-IP选路协议，无需地址解析功能，不涉及ATM信令，但需要专用的控制协议来完成3层选路到2层直通交换机构的映射。,IP交换：,48,光交换,光交换：,转换过程不仅效率低下，而且由于涉及到电信号的处理，要受到电子器件速率“瓶颈”的制约。,光信号的电交换,49,光交换,光交换是基于光信号的交换;在整个光交换过程中，信号始终以光的形式存在，在进出交换机时不需要进行光/电转换或者电/光转换。,光交换：,光交换,50,软交换,软交换：,NGN（NextGenerationNetwork）即下一代网络，实现了传统的以电路交换为主的PSTN网络向以分组交换为主的IP电信网络的转变，从而使在IP网络上发展语音、视频、数据等多媒体综合业务成为可能。软交换是下一代网络的控制功能实体，它独立于传送网络，主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务，并向第三方提供可编程能力，它是下一代网络呼叫与控制的核心。,51,软交换,特点:应用层和控制层与核心网络完全分开，以利于快速方便的引进新业务；传统交换机的功能模块被分离为独立的网络部件，各部件功能可独立发展；部件间的协议接口标准化，使自由组合各部分的功能产品组建网络成为可能，使异构网络的互通方便灵活；具有标准的全开放应用平台，可为客户定制各种新业务和综合业务，最大限度的满足用户需求。,软交换：,52,1.3交换系统,电信交换系统的基本结构,交换系统的基本结构:电信交换系统主要由信息传送子系统和控制子系统组成。,53,交换系统,1、信息传送子系统:,包括交换网络和各种接口:交换网络:对于信息传送子系统来说，交换就是信息（话音、数据等）从某个接口进入交换系统经交换网络的交换从某个接口出去;交换系统中完成交换功能的主要部件就是交换网络，交换网络的最基本功能就是实现任意入线与出线的互连，它是交换系统的核心部件。,54,互连技术,互连技术,任意入线与任意出线之间的互连,可以是物理连接，也可以是虚连接,主要涉及硬件技术,包括拓扑结构、选路策略、控制机理、多播方法、阻塞特性和故障防卫,55,拓扑结构,拓扑结构：,互连网络都有一定的拓扑结构，是互连技术要解决的第一个主要问题,分为两类：时分结构和空分结构,时分结构：包括共享媒体和共享存储器,空分结构：由交换单元构成的单级或多级拓扑结构,56,选路策略,选路策略：,主要针对多级空分拓扑结构，是交换节点的互连网络内部的选路；,条件选择与逐级选择,条件选择：从全盘考察，在指定的入端和出端之间选择一条可用的通路；,逐级选择：不从全盘考察，逐级选择一条出线，直到出端；,57,选路策略,选路策略：,自由选择与指定选择,自由选择：,指定选择：只能选择某一级出线中指定的一条或一小群，才能到达出端；,条件选择与逐级选择,指某一级出线可以任意选择，无论哪一条出线都可以到达出端；,58,阻塞特性,阻塞特性：,连接阻塞与传送阻塞,反映了在呼叫建立或用户信息传送时，由于互连网络的拥塞而遭受损失的现象；,连接阻塞：,在呼叫建立阶段，呼叫遭到拒绝，要重新发起呼叫，可称为损失制,传送阻塞：,在信元传送阶段产生的阻塞，,对于ATM更为重要,59,阻塞特性,阻塞特性：,连接阻塞与传送阻塞,有阻塞与无阻塞,有阻塞网络：,电话交换,无阻塞网络：,严格无阻塞：,广义无阻塞：,再配置无阻塞：,任意占用状态,连接遵循特定的选路规则,通过对已建立的连接进行调整,60,信令技术,信令技术：,用户信令和局间信令,主要为了实现任意用户之间的呼叫连接，完成交换功能；,用户信令：,在用户与交换节点之间的用户线上传送的信令,局间信令：,电信网中各个交换节点之间传送的信令,61,信令技术,信令技术：,用户信令和局间信令,随路信令：,信令与话音在同一条通路上传送,线路信令：,记发器信令：,随路信令和共路信令,按传送方向分,按传送媒介分,62,信令技术,信令技术：,用户信令和局间信令,随路信令：,随路信令和共路信令,共路信令：,信令通路与用户信息通路分离,标记型信令：,信令消息中必须包含用来识别属于哪个呼叫连接的标记；,分层协议结构：,63,信息传送子系统,1、信息传送子系统:,包括交换网络和各种接口:接口:,功能主要是将进入交换系统的信号转变为交换系统内部所适应的信号，或者是相反的过程，这种变换包括信号码型、速率等方面的变换;接口主要分两大类：用户接口和中继接口，用户接口是交换机连接用户线的接口，中继接口是交换机连接中继线的接口，主要有数字中继接口和模拟中继接口;,64,控制子系统,由处理机及其运行的系统软件、应用软件和OAM软件所组成的。控制子系统使用信令与用户和其它交换系统（交换节点）进行“协调和沟通”，以完成对交换的控制。信令是通信网中规范化的控制命令，它的作用是控制通信网中各种通信连接的建立和拆除，并维护通信网的正常运行。,2、控制子系统,65,交换系统的基本功能,通信网中通信接续的类型，即交换节点需要控制的基本接续类型主要有4种：本局接续出局接续入局接续转接（汇接）接续,交换系统的接续类型,交换系统的基本功能,66,交换系统的基本功能,本局接续只在本局用户之间建立的接续，即通信的主、被叫都在同一个交换局;出局接续是主叫用户线与出中继线之间建立的接续，即通信的主叫在本交换局，而被叫在另一个交换局;入局接续是被叫用户线与入中继线之间建立的接续，即通信的被叫在本交换局，而主叫在另一个交换局;转接（汇接）接续是入中继线与出中继线之间建立的接续，即通信的主被叫都不在本交换局;,交换系统的基本功能,67,交换系统的基本功能,能正确识别和接收从用户线或中继线发来的通信发起信号能正确接收和分析从用户线或中继线发来的通信地址信号能按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号能控制连接的建立与拆除能控制资源的分配与释放,为了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:,68,1.4以交换为核心的通信网,根据通信网支持业务的不同进行分类：电话通电报通信网数据通信网综合业务数字网（ISDN）等根据通信网采用的传送模式的不同进行分类：电路传送网