交换技术第一章

教材及参考资料教材糜正琨，陈锡生，杨国民.交换技术.北京：清华大学出版社，2012电子教材-新版教材

主要参考书[1]《现代交换原理与技术》郑少仁，电子工业出版社,2006年[2]《计算机网络》谢希仁，电子工业出版社[3]ComputerNetworksAuthor:AndrewS.Tanenbaum[4]/en/ITU-T/Pages/default.aspx

第一章绪论交换的一般概念交换方式电信交换的基本技术交换和路由NGN和软交换

交换节点的引入贝尔1876年发明电话点对点通信：线路利用率很低（n(n-1)/2）贝尔电话公司1878年开办了第一个交换局（人工操作）-中心控制一年内城市中到处是穿过房屋树木的混乱的电话线……

1877年的纽约街头

交换的一般概念（1）“交换”（switch）：对信息的传递进行开关控制，将一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。“交换技术”：交换机和交换网络的信息控制、处理和互连技术，在网络的大量用户之间根据所需目的来相互传递信息。有阻塞现象（原因）

交换的一般概念（2）交换结点任何一个主叫用户的信息，可以通过电信网中的交换结点发送到所需的任何一个或者多个被叫用户。引入交换结点后使得n个用户的用户线数量从n(n-1)/2变为了n。交换网：交换结点用中继线相连、汇接交换结点

交换技术的发展史自从一百多年前贝尔电话发明以来，开创了通信的新领域－电话通信，电话交换技术的发展大体主要经历了三个阶段。

电话的演进

第一阶段是人工交换阶段1877年在美国波士顿华盛顿大街的霍姆斯公司里，一台由波士顿警备公司安装的电话交换机开始使用，这是世界上最早的人工电话交换机。最早采用的是磁石式电话交换机;接著出现了共电式电话交换机（CommonBatteryTelephoneExchange)；人工交换机，必须由接线生(Operator)来完成使用者电话间的接线和拆线。

磁石电话交换机–人工交换机

第二阶段是机电式自动交换阶段自动交换机是靠使用者发送号码(被叫使用者的地址编号)进行自动选线的。世界上第一部自动交换机：1898年由美国人A.B.史端乔(AlmonB.Strowger)发明的，是一台步进式（steppingswitch）IPM电话交换机；步进式交换机是靠用户的拨号脉冲控制选择器完成先上升、后旋转的动作；存在元件磨损大；

1926年，瑞典研制出:第一台纵横制电话交换机(CrossbarTelephoneSwitchingSystem)；采用了机械动作轻微的纵横接线器并采用了间接控制技术，使它克服了步进式交换机的许多缺点；

第一部自动交换机-StrowgerSwitch

第三阶段是电子式自动交换阶段

1960年，美国贝尔系统试用程序控制(以下简称程控)交换机(StoredProgramControlledSwitching)成功，1965年5月世界第一部程控电话交换机开始运作。－模拟程控交换机程控交换机的控制中心使用：专门的电子计算机，人们根据需要把预先编制好的程序存入计算机后即可自动完成交换；1970年法国拉尼翁开通了数字程控交换机；

我校S1240交换机机房

电话交换与数据交换电话交换技术和电话交换机的发展使得人们之间的信息交流变得非常方便。话音交流只是信息交流的一种方式。计算机的使用日益普及，人们迫切需要通过计算机通信，来共享计算机的计算能力和计算机中存储的信息，出现了交换技术的另一个重要分支——数据交换。(1)通信对象不同(2)信息的业务量特征不同(3)通信的平均持续时间和通信建立请求响应不同(4)传输可靠性要求不同

数据交换网X.25网帧中继网IP网

宽带交换技术ATM交换ATM作为宽带综合业务数字网路(B-ISDN)的信息传输方式。综合分组交换与电路交换技术的特点光交换以光的形式直接实现用户之间的信息交换;

《交换技术基础》内容概述（1）程控电话交换7号共路信令（控制）智能网业务交换（业务）.局内呼叫、局间呼叫、长途呼叫.摘机-拨号音-拨号-送地址消息-数字分析-建立通路-振铃-应答（通话）记费-挂机-拆除通路（面向连接的服务）思路：控制与承载分离、业务与承载分离七号信令网（控制）智能网（业务）

《交换技术基础》内容概述（2）移动交换:解决动中通问题

《交换技术基础》内容概述（3）N-ISDN（窄带综合业务数字网）由电话综合数字网（IDN）演变而成，能提供端到端的数字连接，以支持包括语音和非语音业务在内的多种电信业务，并提供一组有限的标准化的多用途——网络接口供用户入网使用。以电路交换为基础业务速率限于2M以下B-ISDN（ATM）以分组交换为基础，采用全新的ATM（异步时分）技术，包括速率为101-102M的视频业务在内的综合业务网。

《交换技术基础》内容概述（4）软交换，IMSbackCellularPLMNDATAIPnetworkCATVPSTNISDNTodaySingleservicenetworksServicesWirelessaccessWirelineaccessCableaccessFutureMulti-servicenetwork/ClientseverContentContentAccesstransportswitchingnetworksWirelineaccessCableaccessContentContentBackboneNetwork（IP)MediaGatewayMediaGateway

《交换技术基础》课程的授课内容交换技术七号信令网数字程控交换移动交换智能网软交换，IMSATM交换

1.2

交换方式电路交换多速率交换快速电路交换ATM交换快速分组交换帧交换分组交换

两大交换技术电路交换技术：传统电话网采用的交换技术；用于实时性的语音业务分组交换技术：计算机网络采用的交换技术；应用于数据业务

网络选择路由建立连接被叫振铃Telephonenetwork摘机放拨号音拨号通话：语音信号的传递1.2.3.TelephonenetworkTelephonenetworkTelephonenetwork挂机6.5.Telephonenetwork4.Telephonenetwork电路交换建立连接的三个过程连接建立阶段信息传送连接释放

电路交换（1）电路交换(CS：CircuitSwitching)过程：连接建立信息传送连接释放特点：实时交换面向连接的物理通道

（端到端EndtoEnd）透明传送数据(无差错控制措施)有接纳控制，过负荷时呼损率增加，但不影响已建立的呼叫DATA传播时延t传播时延连接建立

信息传输

连接释放

传输时延ABCD

电路交换（2）((交换机1交换机2交换机3交换机4用户线用户线中继线中继线((BADC用户线(subscriberline)中继线（trunk）交换结点的控制功能处理呼叫信号、地址信号，转发信号建立和拆除连接交换节点的接续类型：本局接续：C->D出局接续：A->B,对交换机1入局接续：A->B,对交换机4转接接续：A->B,对交换机2

电路交换网电路交换的特点电路中断后必须重新拨号建立连接123听见忙音，知道链路已断开，则重新拨号

电路交换不适合计算机数据的传输电话交换的特点：在整个通话过程中用户始终固定占用传输带宽，即使不使用也不能给其他用户使用。(固定分配带宽)计算机数据是突发式地出现在传输线路上，大部分时间空闲，线路利用率低。电路交换不灵活：电路中任何一节点或者链路出现故障需重新建连。

电路交换的特点电路交换的优点媒体信息传输时延小，通信质量有保证控制简单电路交换的缺点呼叫建立需要时间每个连接带宽固定（不能适应不同速率的业务）不传信息时也占用资源（不适用于突发业务）

报文交换(messageswitching)报文结构：首部中含地址信息存储转发(逐段行为Hopbyhop)把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；把分组送到适当的端口转发出去。时延较大时延构成：传输时延（链路）存储时延（结点-链路）处理与排队时延（结点）节点：ABCD报文报文报文t数据首部报文linklinklink

分组交换产生的背景20世纪60年代美国希望研制出一种抗毁性很强的新型分布式网络，网络的主要任务是：用于不同种类的计算机之间的可靠地传送数据。在此背景下产生了采用分组交换技术、基于存储转发（storeandforward）的计算机网络。分组交换(PS：PacketSwitching)将报文要传送的信息分为若干个分组（packet），每一个分组加入一个首部，首部中含有可供选路的信息和其他控制信息。

分组交换的示意图

接收端剥去首部，重组数据，还原出原报文110011010101000111010111001101010•

首部10001110101首部发送发送将报文划分为分组每个分组前加入带有控制信息的首部每个分组在网络中独立传送接收端报文网络11001101010•

首部10001110101首部1100110101010001110101发送端

分组在节点中工作过程分组在网络节点中存储转发入线出线节点内存

分组交换的特点分组交换的优点：以分组为传送单位和查找路由。由于分组长度较短，存储转发的时延将显著下降。部分结点或链路被摧毁时，分组交换仍可保持网络畅通分组交换的问题：分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。分组长度的确定：兼顾时延与开销ABCDP1P2P3P4P1P2P3P4P3P4P2P1t时延：传输时延，存储时延和处理与排队时延

分组交换网示意图HostAHostBHostEHostDHostCNode1Node2Node3Node4Node5Node6Node712分组交换各个分组独立寻址11112222111当部分结点或链路被摧毁时分组交换仍可保持网络畅通2222

电路交换VS分组交换对比的方面电路交换分组交换传送方式STD：同步时分复用ATD：统计时分复用（异步）服务种类面向连接服务：物理连接面向连接服务（虚电路：逻辑连接）、无连接服务（数据包）带宽分配固定分配带宽，利用率低动态分配带宽，利用率高特点实时交换。时延小。存储转发，非实时交换。有比较大的时延和时延抖动。信息传输数据透明传输数据传输时有差错控制，可靠性高适合业务电话业务，实时业务突发业务、数据业务

交换技术中几个重要概念面向连接VS.无连接虚电路vs.数据报同步时分复用VS.异步时分复用

面向连接服务(Connection-Oriented)面向连接服务具有连接建立、数据传输和连接释放这三个阶段。无连接服务(ConnectionLess)

两个实体之间的通信不需要先建立好连接。是一种不可靠的服务。这种服务常被描述为“尽最大努力交付”(besteffortdelivery)。

通信服务的类型：面向连接服务/无连接服务

分组交换中的两种服务方式虚电路方式

面向连接服务

逻辑连接

交换虚电路、永久虚电路数据报方式

无连接服务每个分组根据目的地址独立选路

虚电路服务方式

A126534CBvc2节点（交换机）站（主机或终端）vc11123在同一条虚连接上的分组不会失序

数据报服务方式

A126534CB123每个分组根据目的地址独立选路数据报方式下分组会失序

虚电路服务VS数据报服务对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当由网络来保证可靠通信应当由用户主机来保证连接的建立必须有(面向连接:虚连接)不要(无连接)目的站地址仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号每个分组都有目的站的全地址分组的转发属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发每个分组独立选择路由进行转发当结点出故障时所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作故障结点可能丢失分组，一些路由可能会发生变化分组的顺序总是按发送顺序到达目的站到达目的站时不一定按发送顺序端到端的差错处理和流量控制可以由分组交换网负责也可以由用户主机负责由用户主机负责

同步时分复用（STD）ABCDaabcdattttt4个时分复用（STD）帧#1④③②①acbd#2#3#4STD(SynchronizationTime-DivisionMultiplexing):按照时间区分连接bbcWastedbandwidthc用户

异步（统计）时分复用（ATD）

用户ABCDabcdttttt④③②①acbabbcacd统计时分复用

ATD(ASynchronizationTime-DivisionMultiplexing)依靠每个分组中所含有的标记来区分各个连接，又称标记复用，也称统计时分复用。

ATM交换ATM（AsynchronousTransferMode）：实现高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换，提供灵活的带宽分配，适应从很低速率到很高速率的宽带业务的交换要求。特点：异步时分交换—适应多速率，提高信道利用率固定长度的信元—将信道分成等长的时间小段，可提供固定速率/时延的电信业务信头简化—快速转发面向连接（虚电路[VP/VC]）且预约传输资源

交换方式的分类交换方式固定长度分组空分分组交换电路交换可变长度分组时分同步转移方式（STM）异步转移方式（ATM）IP同步时分（STD）异步时分（ATD）时间位置标记物理连接逻辑连接

数字传输系统-脉码调制

PCM(PulseCodeModulation)体制—1PCM技术目的是为了使电话局之间一条中继线不只传送一路电话,而是可以传送几十路电话。(用户线((交换机1交换机3交换机4用户线中继线中继线(BA

脉冲编码调制技术(PCM)模拟信号数字化的过程抽样Sampling：将时间轴离散化；奈奎斯特定理(抽样定理)；话音信号的抽样频率Quantizing

:幅度连续变化的信号变成离散信号;均匀量化、非均匀量化、A律十三折线量化Encoding:量化后的样值数字信号变换成二进制码序列；A律十三折线编码方案、解码编码脉冲编码调制：（PCM：PulseCodeModulation）。通过对信号进行抽样，并对每个样值独立地加以量化。然后通过编码转换为数字信号。

PCM

时隙和帧的概念时分复用：各路信号分配有不同的时间间隔进行通信，每一路信号分配的一个时间间隔称为：时隙（TimeSlot）。一个采样周期（125us）内，每个话路的PCM信号按时分复用方式顺序出现一次所形成的时分复用信号称为帧。

PCM帧格式

数字传输系统-脉码调制PCM体制标准电话信号的最高频率是3.4KHz根据采样定理，将采样频率定为8KHz采样后的脉冲信号量化为256个不同等级中的一个将量化后的数字脉冲进行8bit编码PCM一个话路的模拟电话信号经过模数（采样、量化）转换后就成为每秒8000个脉冲信号，每个脉冲信号再编为8位二进制码元（编码）。一个话路的PCM信号速率是64Kb/sPCM集群/一次群速率：2.048Mb/s

PCM30/32PCM30/32共32个时隙，每个时隙为：125/32=3.9us。其中TS0是传送帧同步信号，TS16传送信令，其他30路是话音信号。复帧：①每一路语音信号都需要信令的支持才能进行通信，PCM30/32系统有30个话路，因此必须传输30路信令；②一路信令信号只需要4bit，1个TS16

可以传送两路信令，15个TS16（15帧）可以传送30路信令；③信令信号每隔16帧传送一次，16帧称为1复帧。back

1.4电信交换的基本技术交换结点高度抽象的系统结构接口接口互连控制信令数字交换网络用户线：UNI中继线：NNI信令也通过接口传送信令是控制的依据

互连技术(1)：p14－交换结构功能：实现任意入线（PCM链路中的时隙）与任意出线之间的接续。拓扑结构：时分结构：交换单元不能同时交换一个以上的输入端口数据。从交换结构的角度看，每个输入端口数据的处理是串行。空分结构：空分交换结构适用范围更广，它提供通过交换构架的多条路径；并行

时分交换结构—共享总线结构交换结构总线包括地址线、数据线和控制线每个输入和输出端口都有一个接口硬件，每个端口被分配一个唯一的地址。端口使用总线硬件将数据包传输到另一个端口信元通过这个共享设施进行传输，必须先请求，获准后才可存取总线。总线协议防止多个端口同时传输12NN21sharedbusinputportsoutputports

空分交换结构—专用内部通路每一对输入、输出端口之间有一条专用硬件通路每个输出接口都包含了附加的电路用于处理端口竞争

多级交换结构单级结构：数据包从输入端口到输出端口只经过一个交换单元。多级结构：交换单元按照层次组织（一层称为一级），数据包从输入端口到输出端口要经过多个层次的交换单元。

互连技术(2)：－选路策略选路策略：交换结点内部互连网络的选路条件选择、逐级选择自由选择、指定选择面向连接选择、无连接选择

互连技术(3)：控制机理阻塞特性：电路交换：连接阻塞

阻塞率=不能建立连接的呼叫数/总呼叫次数分组交换：不存在连接阻塞，延迟制（丢包率）：等待时延超过一定限值的呼叫被视为阻塞；ATM：阻塞率：与电路交换的阻塞率不同，因为是虚连接信元丢失率CLR

互连技术(3)：有阻塞网络vs无阻塞网络故障防卫冗余：热备用、双工分担多平面

接口技术UNINNI用户接口中继接口与基站的无线接口（移动交换）适应ATM的各种不同业务的接口

信令技术局间信令用户信令用户信令拆线应答摘机占用拨号音被叫号码挂机挂机摘机被叫号码回铃音振铃通话证实话终AB交换机B交换机A

ITU-T对信令（Signaling）的定义TheITU-Tdefinessignalingas,"Theexchangeofinformation(otherthanbyspeech)specificallyconcernedwiththeestablishment,releaseandothercontrolofcalls,andnetworkmanagement,inautomatictelecommunicationsoperation."

用户信令用户信令是在用户与交换结点之间传送的信令。监视信令：反映用户状态的信令

占用、应答、释放、拍叉地址信令：主叫用户发送的被叫号码，作为交换结点选路的依据。

直流脉冲、双音多频

局间信令局间信令是电信网中各个交换结点之间传送的信令随路信令（ChannelAssociatedSignalling

）：信令和话音在同一通路上。共路信令（CommonChannelSignalling）：信令和用户信息分离，信令在专用的信令数据链路上传送。共路信令是标记型信令：每个信令消息必须包含用来识别属于哪个呼叫连接的标记。共路信令usertrafficsignallingtrafficuser&signallingtraffic随路信令

控制技术控制方式集中控制、分散控制通信机理消息

在线运营的主要程控交换机上海贝尔S-1240瑞典爱立信AXE-10德国西门子EWSD日本富士通F-150华为C&C08中兴ZXJ-10

1.5交换和路由路由交换

无连接一般是面向连接

无信令控制，无独立的呼叫控制层有完善的信令机制，存在独立的控制层

无QoS保证有QoS保证

无状态的路由器开销低，适合于骨干网交换机保存信令控制过程中确定的连接信息，开销大，会影响吞吐量交换是电信网的技术基础，路由是计算机网络的技术基础交换技术和路由技术相互结合是未来通信网络发展的方向。业界一致认为：未来网络由电路交换演进为分组交换；

1.6NGNNGN的概念NGN的特点NGN的体系架构

网络技术的发展网络为什么要演进呢？现有电信网有什么问题？

当前全球电信网正面临重大技术转型任务业务主体的历史性变化,移动和宽带成为发展的重心,话音将成为互联网上的一种应用而已；网络流量的快速增长，一位数转向两至三位数；电信外部环境的历史性变化，垄断到竞争；传统电信商务模式的破坏；上述因素的同时出现强迫电信公司作出艰难的抉择：消减成本，收缩战线的作用已经见底，实施全面技术转型已经成为最后的必然选择此页内容引用的是中国电信集团公司总工程师韦乐平的报告

业务转型是基本驱动力从话音为主逐渐向话音、数据和视频的融合业务转变；从固话业务向移动业务拓展（狭义的全业务）；从传统公网业务市场向企事业市场渗透；从电信业务向包括有线电视业务在内的广义全业务发展此页内容引用的是中国电信集团公司总工程师韦乐平的报告

NGN和软交换下一代互联网

NGIIPv6下一代移动网

LTE广义下一代网络NGN下一代接入网

下一代光传输网ASON

下一代接入网

下一代交换网应用/服务呼叫/控制

媒体/网关

传输/接入

构建NGN的基本要素Internet

技术高速接入运营管理

可管理IP网络NGN增值业务构件

DefinitionofNGN:Y.2001

ITU-TSG13:Rec.Y.2001ANGNisapacket-basednetworkabletoprovidetelecommunicationservicesandabletomakeuseofmultiplebroadband,QoS-enabledtransporttechnologiesandinwhichservice-relatedfunctionsareindependentfromunderlyingtransport-relatedtechnologies.Itenablesunfetteredaccessforuserstonetworksandtocompetingserviceprovidersand/orservicesoftheirchoice.Itsupportsgeneralizedmobilitywhichwillallowconsistentandubiquitousprovisionofservicestousers.

NGN的技术特征网络层采用IP协议；链路层采用电信级分组节点；传送层趋于光传输技术；接入层采用多元化的宽带接入技术；呼叫控制和业务层独立于承载层；管理平面提供运营网各种所需的管理功能；开放式体系结构和标准接口；

NGN标准进展情况目前从事NGN标准研究的主要有一些组织：计算机界：IETF：主要是对SIP/IPv6等协议进行研究电信界：国际电信联盟（ITU-T）：全面的研究欧洲标准化组织（ETSI）

3GPP，3GPP2:提出IMS体系架构其他组织：ISC(InternationalSoftswitchConsortium、MSF(MultiServiceSwitchForum)

软交换软交换技术要解决的关键问题是如何在IP通信网中引入控制功能，包括呼叫控制和业务控制，并建立增值业务平台。软交换主要是呼叫控制层次的功能，至于分组数据包本身的交换则取决于具体的承载层，沿用已有的技术。网关分离：媒体网关、媒体网关控制器