1、现代交换原理现代交换原理1.1交换与通信网交换与通信网第第1 1章章 概概 论论1.2交换方式1.3交换技术的发展1.4 NGN与软交换1.1 1.1 交换与通信网交换与通信网v问题：问题：什么是通信什么是通信?通信是指按约定规则进行的信息传送。Communication,Com.或Comm.。Telecommunication，Telecom.1.11.1交换与通信网交换与通信网n信息、消息与信号信息、消息与信号 信息是消息包含的有效内容。信息是抽象的、本质的，消息是信息的物理形式，消息包含的信息多少可用信息量来度量。消息是信息的载体，消息需调制成信号才能在信道中传输。信号是信息的电磁形式，
2、是消息的物理载体。1.1.1 1.1.1 从点到点通信到通信网从点到点通信到通信网从点到点通信到通信网从点到点通信到通信网（一）点到点通信信源发送端变换器信道反变换器信宿噪声源接收端终端终端电信号电信号消息消息传输媒介终端终端1.11.1交换与通信网交换与通信网v点到点通信系统种类繁多，但还不能称为通信网。点到点通信系统种类繁多，但还不能称为通信网。v如何实现多个用户之间的通信？如何实现多个用户之间的通信？v最简单、最直接的方式就是两两互相连接。最简单、最直接的方式就是两两互相连接。（一）点到点通信1 12 23 34 45 56 61.11.1交换与通信网交换与通信网如果终端用户过多，则使得
3、网络控制变得复杂v全互连方式存在什么问题？全互连方式存在什么问题？（1）N2 问题；问题；（2）经济性问题；）经济性问题；（3）可操作性问题；）可操作性问题；（4）控制和管理问题。）控制和管理问题。1 12 23 34 45 56 6在实际应用中，全互连方式仅用于终端数目少、地理位置集中、可靠性要求很高的场合。（一）点到点通信1.11.1交换与通信网交换与通信网要实现多用户间的通信，需要一个合理的拓扑结构将多个用户有机地连接在一起，并定义标准的通信协议，以使它们能协同工作，这样就形成了一个通信网。如何实现任意两个用户之间的通信？（一）点到点通信1.11.1交换与通信网交换与通信网1 12 23
4、 34 45 56 6（二）交换式通信网4 41 16 62 23 35 5N2问题变成了N条用户线，由交换机组成的交换式通信网容易组成大型网络。开关设开关设备备1.11.1交换与通信网交换与通信网（二）交换式通信网交换式通信网组网示意图交换式通信网组网示意图用户交换机用户交换机市话交换机市话交换机汇接交换机汇接交换机用户线用户线中继线中继线1.11.1交换与通信网交换与通信网（二）交换式通信网在交换式通信网中，交换机负责接入用户、建立连接、分配资源、中转信息，以及必要的网络管理与控制功能。由于用户众多、位置分散，因此交换式通信网必须解决编号、寻址、控制、管理、接口标准、可扩充性、服务质量保证
5、等一系列在点到点模型系统中原本不是问题的问题。1.11.1交换与通信网交换与通信网（二）交换式通信网（二）交换式通信网（1）交换节点的功能Q监视功能：发现和判断用户的呼叫请求。Q信令功能：接收和分析地址信号，按目的地址选路，并转发信号。Q连接功能：按需实现任意端口之间的信息传送。Q控制功能：控制连接的建立与释放。（二）交换式通信网（二）交换式通信网交换式通信网首先用于电话通信，并采用电路交换方式构成电话通信网络。20世纪60年代以后，个人计算机日益普及，迫切需要数据通信，来共享计算机的计算和存储资源，因此，计算机连网成为现实的需要，这就出现了交换技术的另一个重要分支 数据交换。（2）电话交换与
6、数据交换（二）交换式通信网（二）交换式通信网电话通信和数据通信都是以传送信息为目的，两者之间有什么不同呢？通信对象不同通信过程中业务特征不同 通信的平均持续时间和实时性要求不同 可靠性要求不同 1.1.2 1.1.2 通信网的定义与构成通信网的定义与构成通信网的定义与构成通信网的定义与构成（一）通信网的定义通信网是由一定数量的节点和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按约定的信令或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。通信网是由各种软、硬件设施按照一定的规则互连在一起，完成信息传递任务的系统。1.11.1交换与通信网交换与通信网1.1.2 通信网的定义与构成通信网的定义与构成（二）通信网
7、的构成要素终端(Terminal)交换节点(Switching Node)传输系统(Transmission System)业务节点(Service Node)1.1.2 通信网的定义与构成通信网的定义与构成 电话、传真、计算机、视频终端等，它们是信息的产生者和使用者。主要功能：1）用户信息的处理 用户信息的发送和接收，并将信息转换成适合传输的信号以及相应的反变换。2）信令信息的处理 产生和识别连接建立、业务管理等控制信息。终端（Terminal）1.1.2 通信网的定义与构成通信网的定义与构成 交换节点（Switching Node）通信网的核心设备，负责集中、转发用户终端信息，但并不产生和
8、使用这些信息。主要功能：(1)接入功能。(2)连接功能。(3)信令功能。(4)其它控制功能。路由信息更新与维护、计费、话统和维护管理等。网络接口接口控制信令用户线中继线交换节点功能结构1.1.2 通信网的定义与构成通信网的定义与构成 传输系统（Transmission System）为信息传送提供通道，并实现网络节点的互连。包括线路接口、传输媒介、交叉连接设备等。其主要目标是提高物理线路的利用率，采用复用技术，如频分、时分、码分、波分复用等。为保证交换节点正确接收和识别传输的数据流，交换节点必须与传输系统协调一致，保持帧同步和位同步、遵守相同的体制(如SDH、WDM)等。1.1.2 通信网的定
9、义与构成通信网的定义与构成 业务节点（Service Node）业务控制点(SCP)、智能外设（IP）、语音信箱（VMS），以及因特网上各种服务器等。由连接在网络边缘的计算机、数据库系统组成。(1)实现独立于交换节点的控制逻辑。(2)实现对交换节点业务控制。(3)提供智能化、个性化、差异化服务。基本业务的呼叫建立、执行控制在交换节点实现，但很多新的电信业务则转移到业务节点中。1.1.2 通信网的定义与构成通信网的定义与构成（三）通信网的类型按信号方式划分：模拟通信网和数字通信网。按服务区域划分：本地/长途或LAN/WAN。按业务类型划分：电话通信网(PSTN、PLMN)、数据通信网(X.25、
10、FR、Internet)。按服务对象划分：公用通信网和专用通信网。按活动方式划分：固定通信网和移动通信网。1.1.2 通信网的定义与构成通信网的定义与构成（四）通信网的结构用户驻地网、接入网和核心网核心网驻地网接入网驻地网接入网UNIUNISNISNI公用设施用户设备（四）通信网的结构（四）通信网的结构 用户驻地网CPNCustomer Premises NetworkCPN是用户自有网络，指用户终端至业务集中点之间所包含的传输及线路等相关设施。小至终端，大至局域网。实现用户和业务的集中，信息的变换与适配、复用与交换、寻址与选路等功能。（四）通信网的结构（四）通信网的结构 接入网AN（Acce
11、ss Network）有线接入铜线接入技术：HDSL、ADSL、VDSL、LAN etc.光纤接入技术：FTTC、FTTB、FTTH混合光纤/同轴电缆接入HFC无线接入固定无线接入：LDMS、MMDS、802.11、802.16移动无线接入：GSM、CDMA、UMTS、WIMAX综合接入：FTTC+HFC、有线+无线（四）通信网的结构（四）通信网的结构 核心网CN（Core Network）n是通信网的骨干，由现有和未来的宽带、高速骨干传输网和大型交换节点构成。n发展趋势：IP化、综合化、扁平化所有业务全部由统一的IP核心网承载，差别仅在于接入网。统一的IP核心网用统一的设备代替原来各网系专用
12、设备，大大降低开发和运营成本。1.2 交换方式1.2.1交换技术概述1.2.2主要交换技术1.2.1 交换技术概述交换技术概述 根据信息传递时是否预先建立端到端的连接，通信网交换技术分为两大类：面向连接型（CO,Connection Oriented）无连接型（CL,Connectionless）面向连接适用于大批量、可靠数据传输业务，但网络控制较复杂；无连接方式控制简单，适用于突发性强、数据量少的业务。（一）面向连接和无连接1.2.1 交换技术概述交换技术概述通信网是以交换节点为核心构建的，为了实现信息传递，各交换节点必须拥有当前网络的拓扑结构信息（网络地图）。节点包含路由表、转发表（可选）
13、交换模块（空分型、共享型等）和控制信令（路由交换信令、转发表建立信令、端到端连接信令）。（二）交换节点的功能结构路由与转发有什么区别?1.2.1 交换技术概述交换技术概述问题：问题：1.2.1 交换技术概述交换技术概述（二）交换节点的功能结构面向连接型节点维护管理路由表路由信息交换UNI信令呼叫处理转发控制NNI信令转发表交换模块管理信息路由协议信令信息信令信息用户信息用户信息无连接型节点维护管理路由表路由信息交换转发控制交换模块管理信息路由协议用户信息用户信息目前广域网上使用的交换技术主要包括：电路交换、分组交换、帧中继、ATM技术、IP交换。电路交换和分组交换是通信网最基本的交换技术，帧
14、中继、ATM以及各种IP交换则是基于这两种技术的综合或改进。交换技术的发展趋势：信道利用率越来越高，支持可变速率和多媒体业务，并具有复杂的协议体系来保证服务质量。1.2.2 主要交换技术主要交换技术1.2.1 交换技术概述交换技术概述对于无连接型网络，由于无需创建和维持连接状态，网络节点根据路由表转发信息；而对于面向连接型网络则同时需要路由表和转发表。路由表用于建立节点之间的连接，可静态设置（如PSTN、ATM网），也可动态创建。转发表通过网管或信令创建，控制节点内部连接。网管指配的转发表，支持永久或半永久连接；而信令创建的转发表，支持动态连接。（三）路由与转发1.2.2 主要交换技术主要交换
15、技术电路交换多速率电路交换快速电路交换异步传送模式（ATM）快速分组交换分组交换控制简单控制复杂固定比特率可变比特率电路域分组域1.2.2 主要交换技术主要交换技术MRCS交换技术电路交换分组交换FCSX.25FRCRPVCSVCSMDSATMFPSIP广域网局域网二层交换三层交换（1）基本过程：连接建立、信息传送、释放。（2）技术特点 带宽固定，电路利用率低。实时性强。无差错控制，不适于数据传输。基于呼损制方式工作。电路交换适合于电话通信、文件传送、高速传真，不适合突发和对差错敏感的数据业务。（一）（一）电路交换电路交换（一）电路交换（一）电路交换v人工交换机人工交换机需要话务员需要话务员1
16、878:磁石式交换机磁石式交换机1891:共电式交换机共电式交换机v自动交换机自动交换机 1892:史端乔交换机史端乔交换机1919:纵横制交换机纵横制交换机1965:程控交换机程控交换机（一）电（一）电 路路 交交 换换人工交换机组成人工交换机组成人工交换机组成人工交换机组成（1）多 速 率 电 路 交 换（MRCS Multi-rate Circuit Switching）是为适应多业务交换的需求而产生的，提供不同的带宽，包括基本速率（如64kbps）及其整数倍。（2）实现方式采用不同速率的交换网络：硬件多，控制简单；采用统一的交换网络：硬件少，但控制复杂。n 多速率电路交换多速率电路交换
17、一）电（一）电 路路 交交 换换 基本思想：只在信息传送时才分配带宽和资源。不为每个呼叫专门分配和保留其所需的带宽，提高了带宽的利用率。连接建立和拆除要有相当高的速度，否则难以实现。只有当信息发送时才建立真正的连接，时延比电路交换大。n n 快速电路交换快速电路交换报文交换报文交换v数据以数据以报文报文报文报文为单位传输，长度不限且可变。数据为单位传输，长度不限且可变。数据传送过程采用传送过程采用存储转发存储转发存储转发存储转发的方式。发送方在发送的方式。发送方在发送一个报文时把一个报文时把目的地址附加在报文目的地址附加在报文目的地址附加在报文目的地址附加在报文上，途径的节上，途径的节点根据
18、报文上的地址信息，将报文转发到下一个点根据报文上的地址信息，将报文转发到下一个节点，接力式的完成整个传送过程。每个节点在节点，接力式的完成整个传送过程。每个节点在收到报文后，会将之暂存并检查有无错误，然后收到报文后，会将之暂存并检查有无错误，然后通过路由信息找出适当路线的下一个节点的地址，通过路由信息找出适当路线的下一个节点的地址，再把报文传送给下一个节点。再把报文传送给下一个节点。v报文的传输只是占用报文的传输只是占用两个节点之间的一段线路两个节点之间的一段线路，而其他路段可传输而其他路段可传输其他用户的报文其他用户的报文。v报文在经过节点时会产生延迟。这段延迟包括接报文在经过节点时会产生延
19、迟。这段延迟包括接收报文所有位（收报文所有位（bit）所需的时间，等待时间和发）所需的时间，等待时间和发送到下一个节点所需的排队延迟。送到下一个节点所需的排队延迟。报文交换报文交换v优点优点：线路效率高；线路效率高；节点可暂存报文并对报文进行差错控制和码制转换节点可暂存报文并对报文进行差错控制和码制转换电路交换网络中，通信量很大时将不能接收某些信息，电路交换网络中，通信量很大时将不能接收某些信息，但在报文交换网络中却仍然可以但在报文交换网络中却仍然可以，只是，只是延迟延迟会大些会大些可以方便地把报文发送到多个目的节点可以方便地把报文发送到多个目的节点建立报文优先权，让优先级高的报文优先传送建立
20、报文优先权，让优先级高的报文优先传送v缺点缺点：它不能满足实时交互式的通信要求，经过网络的延迟它不能满足实时交互式的通信要求，经过网络的延迟可能会有不小的变化可能会有不小的变化有时节点收到的报文太多以致不得不丢弃或阻止某些有时节点收到的报文太多以致不得不丢弃或阻止某些报文报文对交换节点的存储量有较高要求。对交换节点的存储量有较高要求。基本原理 是为适应数据通信的要求而产生的交换方式，分组交换也叫包交换，它是以分组为信息单位，以存储/转发方式在网络中传送数据的交换方式。（二）分（二）分 组组 交交 换换交换节点A交换节点B交换节点C分组1分组3分组4分组2分组1分组2分组5分组3分组4分组5传输
21、时延存储时延处理与排队时延分组交换的过程（二）分（二）分 组组 交交 换换 技术特点：1）采用存储/转发方式，支持异种终端间的可变速率通信要求 2）采用统计时分复用，线路利用率高 3）具有差错控制功能，传输可靠性高 4）经济性好（二）分（二）分 组组 交交 换换分组交换 缺点：1）技术实现复杂（交换机要完成转发、路由、流控、速率和规程转换等）。2）分组长度可变，存储管理复杂。3）协议处理复杂，时延大。4）网络附加信息多，长报文通信效率较低。（二）分（二）分 组组 交交 换换 分组交换提供的服务 （1）数据报(DG：Datagram)（2）虚电路(VC：Virtual Circuit)交换式虚电
22、路(SVC,Switched Virtual Circuit)永久虚电路(PVC,Permanent Virtual Circuit)（二）分（二）分 组组 交交 换换v第一代分组交换系统第一代分组交换系统ARPANet，几百包，几百包/秒秒v第二代分组交换系统第二代分组交换系统DPS2500、EWSP等，几万包等，几万包/秒秒v第三代分组交换系统第三代分组交换系统快速分组交换，吉比特路由器等快速分组交换，吉比特路由器等（二）分（二）分 组组 交交 换换p 分组交换系统 虚电路和数据报两种服务的比较虚电路虚电路（VC）数据报（数据报（DG）分组头分组头逻辑信道标识逻辑信道标识详细的目的地址详细
23、的目的地址选路选路面向连接（面向连接（CO）无连接（无连接（CL）分组顺序分组顺序收端不需对分组重新排序收端不需对分组重新排序收端需对分组重新排序收端需对分组重新排序 时延时延传输时延小传输时延小 传输时延大传输时延大 故障敏感故障敏感对网络故障适应能力较差对网络故障适应能力较差 对网络故障适应能力强对网络故障适应能力强 应用应用连续的数据流传送业务（文件、连续的数据流传送业务（文件、传真）传真）面向事务的询问面向事务的询问/响应型数据响应型数据业务业务（二）分（二）分 组组 交交 换换 电路交换以电路连接为目的。信息传送时与交换系统无关。分组交换以信息分发为目的。交换机对分组逐个加工处理（差
24、错控制、流量控制等），并根据分组头中的地址和控制域，将分组分发到出端口。电路交换是一种“粗放”的交换方式，只管连接而不管传送的信息。分组交换比较“精细”，对传送的信息进行管理。分组交换与电路交换的比较（二）分（二）分 组组 交交 换换 FR（Frame Switching）简化分组交换协议，以加快节点的处理速度。（1）基本原理 帧交换是一种帧方式的承载业务，在数据链路层以简化的方式传送和交换数据单元。（2）与分组交换的比较 帧方式在链路层进行复用和传送；将用户平面和控制平面分离。n 帧交换帧交换FRFR（二）分（二）分 组组 交交 换换 FPS（Fast Packet Switching）进一
25、步简化协议，只保留核心功能，以提供高速、高吞吐量、低时延的服务。（1）快速分组交换分类 专指ATM交换，但广义的FPS包括帧中继（Frame Relay）信元中继（Cell Relay）。（2）帧中继（Frame Relay）与帧交换相比，进一步简化了协议。n n 快速分组交换快速分组交换FPSFPS （3）帧中继产生背景和应用 传输系统：数字化、光纤化 终端系统：智能化 为简化或取消差错和流量控制创造了条件。应用范围：FR采用可变长度帧，适于突发信息传送。局域网（LAN）互连。n n 快速分组交换快速分组交换FPSFPS ATM（Asynchronous Transfer Mode）是ITU
26、T为B-ISDN确定的复用、传输和交换模式，其设计目标是在一个统一的网络平台上用分组交换技术来实现话音、数据、图像等业务的综合传送。（1）固定长度的信元中继（2）信头简化：以减少交换节点处理开销5字节48字节信元头 负载（净荷）（三）（三）ATM ATM 交交 换换（3）面向连接（CO）为便于控制和管理，ATM虚连接采用等级结构：虚信道连接（VCC:Virtual Channel Connection）虚通路连接（VPC:Virtual Path Connection）传 输 线 路155M/bs STM-1 通 道 2Mb/s 数字通道(E1)数字电路(64kb/s)STM 中 的 分 级
27、 通 道 结 构 （物 理 通 道 概 念）传 输 线 路 虚 通 路(VP)虚信道（VC)ATM 的非 分 级 通 道 结 构（逻 辑 通 道 概 念）(a)STM(b)ATM（三）（三）ATM ATM 交交 换换（4）异步时分（ATD）交换STD：Synchronous Time Division 同步时分交换ATD：Asynchronous Time Division 异步时分交换 CBA CBATS0TSiTSnTS0TSiTSnXZYZ空YZ空XX空(a)STD（连接和时隙位置一一对应）(b)ATD（属于同一连接的各信元不占用固定的时隙位置）（三）（三）ATM ATM 交交 换换（5
28、引入了ATM适配层（AAL）AAL实现与特定业务类型相关的功能，以此来支持区分服务的能力，这对实现综合业务的传送目标来说至关重要，也是ATM与其他面向单业务优化设计的网络间的重要区别。（三）（三）ATM ATM 交交 换换v1988年，确定了年，确定了ATM的固定信元格式。的固定信元格式。v90年代初期，小容量年代初期，小容量ATM交换机面世。交换机面世。v90年代中期，美欧洲等开始建立年代中期，美欧洲等开始建立ATM实验网。实验网。v目前，其应用逐步从骨干网转移至接入，用于承目前，其应用逐步从骨干网转移至接入，用于承载载IP业务。业务。（三）（三）ATM ATM 交交 换换 IP交换是将交
29、换是将第二层交换和网络流量管理能力第二层交换和网络流量管理能力与与第三层路由功能的灵活性和可扩展性第三层路由功能的灵活性和可扩展性结合在一结合在一起的交换技术。起的交换技术。1996年年Ipsilon公司了提出公司了提出IP交换的概念。交换的概念。1996年年Cisco提出了标签交换的概念。提出了标签交换的概念。1997年年IETF提出了提出了MPLS技术标准。技术标准。（四）（四）IP IP 交交 换换随着光器件和波分复用技术的发展和不断成熟，随着光器件和波分复用技术的发展和不断成熟，光交换机技术成为光交换机技术成为实现实现NGN的一个核心技术，当的一个核心技术，当前有空分机制的前有空分机制
30、的光路交换光路交换(ODX)、时空结合的光突、时空结合的光突发交换发交换(OBS),只完成光层交换。只完成光层交换。（五）光（五）光 交交 换换vNGN（下一代网络）（下一代网络）v是是一一个个能能够够提提供供语语音音、数数据据、视视频频和和多多媒媒体体业业务务的的基基于于分分组传送的、业务开放的网络架构。组传送的、业务开放的网络架构。v按照按照ITU-T的定义：的定义：vNGN是是一一个个基基于于分分组组交交换换的的网网络络，能能够够提提供供包包括括电电信信业业务务在在内内的的所所有有业业务务；能能够够利利用用多多种种宽宽带带和和QOS保保障障的的传传送送技技术术；其其业业务务相相关关功功能
31、能与与其其传传送送技技术术相相独独立立；NGN使使用用户户可可以以自自由由接接入入到到不不同同的的业业务务提提供供商商；NGN支支持持通通用用移移动动性性，为用户提供始终如一、普遍存在的业务。为用户提供始终如一、普遍存在的业务。（六）（六）NGNNGN与软交换与软交换v基本特征基本特征：基于分组传送技术基于分组传送技术提供全业务提供全业务具有具有QOS保证保证网络与业务分离网络与业务分离自由接入和通用移动性。自由接入和通用移动性。v基本目的基本目的：简化结构，推进网络和：简化结构，推进网络和/或业务融合。或业务融合。（五）（五）NGNNGN与软交换与软交换v软交换（软交换（SoftSwitch
32、v是是网网络络演演进进以以及及下下一一代代分分组组网网络络的的核核心心设设备备之之一一，它它独独立立于于传传送送网网络络，主主要要完完成成呼呼叫叫控控制制、资资源源分分配配、协协议议处处理理、路路由由、认认证证、计计费费等等主主要要功功能能，同同时时可可以以向向用用户户提提供供现现有有电电路路交交换换机机所所能能提提供供的的所有业务，并向第三方提供可编程能力。所有业务，并向第三方提供可编程能力。（五）（五）NGNNGN与软交换与软交换IADAMG宽窄带接入UMGPLMN/3GSGTMGPSTNUMG业务平面IP 核心网控制平面交换平面接入平面SoftSwitchSoftSwitchiOSSPolicyServerApplicationServerSCPLocationServerRADIUSServerMRS（五）（五）NGNNGN与软交换与软交换 习题与思考题习题与思考题 1.1多用户全互连通信有何特点？为什么通信网不直接采用这种方式？1.2 在通信网中引入交换机的目的是什么？1.3 已经出现的交换技术有哪些？各有何特点？
