1、第三章 现代数字交换技术第三章 现代数字交换技术第三章 现代数字交换技术3.1概述通信的目的是实现信息的传递。一个能传递信息的通信系统至少应该由发送终端、传输媒介和接收终端组成，如上图所示。发送终端将含有信息的消息，如话音、图像、计算机数据等转换成可被传输媒介接受的信号形式，如电信系统就要转换成电信号形式，光纤系统就要转换成光信号形式，同时在接收终端把来自传输媒介的信号还原成原始信息；传输媒介则把信号从一个地点送至另一个地点。这种仅涉及两个终端的单向或交互通信称为点对点通信。图3.1最简单的“点对点”通信示意图第三章 现代数字交换技术在用户密集的中心安装一个设备，把每个用户的电话机或其他终端设
2、备都用各自专用的线路连接到这个设备上。此设备相当于一个开关节点，平时处于断开状态，当任意两个用户之间交换信息时，该设备就把连接这两个用户 的有关节点合上，这时两用户的通信线路连通。由于该设备能够完成任意两用户之间交换信息的任务，所以称其为交换设备，N部电话机仅需要N条电路，如图3.2（b）所示。图3.2用户之间的连接方式第三章 现代数字交换技术3.2交换方式分类3.2.1布控交换和程控交换布控和程控是交换设备控制部分两种不同的实现方法。布控是布线逻辑控制（WiredLogicalControl,WLC）的简称。程控是存储程序控制（StoredProgramControl,SPC）的 简称。第三
3、章 现代数字交换技术1.布线逻辑控制交换机所谓布控，是指将交换 机各控制部件按逻辑要求设计好，并用电路板布线的方法将各元器件同定连接好。具有一定的逻辑操作功能，在外来信号作用下，交换机的各项功能即能实现的一种控制方法。具有以下特点：(1）控制设备电路复杂，电路设计麻烦。(2）当用户和网络发生变化，或者开放新业务时，必须更改布线或电路，还要增加新设备。(3）控制设备动作速度慢，对元器件要求低。(4）交换机容量不大时比较经济。(5）相对程控交换机来说，操作易于掌握。第三章 现代数字交换技术2.存储程序控制交换机所谓程控，是存储程序控制的简称，程控交换是一种用计算机控制的电话交换技术 它将对交换机话
4、路设备的控制功能预先编制成程序存到存储器中然后用计算机启动运行 程序再通过接口电路控制交换机话路设备接续。即把各种控制功能、步骤、方法编成程序，放入存储器，利用存储器，由所存储的程序控制整个交换机的工作。具有以下特点：(1）灵活性大，适应性强。(2）能方便地提供各种新业务。(3）便于采用公共信道信令系统。(4）易于实现维护自动化和集中化。(5）便于维护管理。(6）可靠性高体积小，重量轻。第三章 现代数字交换技术3.2.2模拟交换和数字交换模拟交换与数字交换反映了交换接续的两种不同的实现方法。所谓模拟交换，是指通过交换机交换接续的是模拟信号；所谓数字交换，是指通过交换机交换接续的是数字信 号。当
5、然，对数字交换而言，如果交换机所接终端（比如我们目前最常用的电话机）产生的信号是模拟信号则有一个A/D或D/A转换的过程。第三章 现代数字交换技术3.2.3空分交换和时分交换空分交换与时分交换是交换网络的两种不同的实现方式。空分是指空间分隔，时分是指时间复用。空分交换由空分交换网络来实现。不同通话话路是通过空间位置的不同来进行分隔的，即在空间位置上实现的一种交换方式。时分交换是指对时分复用的信号进行交换。时分复用通常采用脉冲编码调制（PCM）。模拟的话音信号经过脉码调制后，就变成了 PCM信号。对PCM信号进行交换叫做”脉码时分交换”，也称“时隙交换”，通过数字接线器来实现。第三章 现代数字交
6、换技术3.2.4电交换和光交换电交换与光交换反映了交换的信息载体的两种不同的形式。电交换是指对电信号进行的交换，即交换的信息载体是电流或电压形式的电信号。光交换是对光信号直接进行的交换。它不需要将光缆送来的光信号先变成电信号，经过交换后再复原为光信号。由于被交换的信息载体从电变成了光。从而使光交换具有宽带特性，且不受电磁干扰。光交换系统被认为是可以适应高速宽带通信业务的新一代交换系统。第三章 现代数字交换技术3.3信息交换的常用术语3.3.1交换网络与接线器交换网络又称为接续网络，它可由一个或多个接线器组成。一台交换机通常由交换网络、接口、控制系统三部分组成，它们之间的关系如下图所示。图3.3
7、交换机组成示意图第三章 现代数字交换技术接口的作用是将来自不同终端（如电话机、计算机等）或其他交换机的各种传输信号转换成统一的交换机内部工作 信号，并按信号的性质分别将信令传送给控制系统，将消息传送给交换网络。交换网络的任务是实现各入线与出线上信号的传递或接续。控制系统则负责处理信令，按信令的要求控制交换网络以完成接续，通过接口发送必要的信令，协调整个交换机的工作。第三章 现代数字交换技术接线器可看做是一个有M条入线和N条出线的网络，它有MN个交叉接点。每个接点都可在控制系统的控制下接通或断开，接线器的作用是根据需要使某一入线与某一出线接通。例如，在下图3.4中，当我们希望将l号用户线与中继线
8、接通时，只需将网络交点（交叉接点）a接通。图3.4交叉接点式接线原理示意图第三章 现代数字交换技术3.3.2集中控制和分散控制集中控制与分散控制是程控交换机系统的控制机构所配置的两种结构方式。如果每台处理机均能控制全部资源，也能执行所有功能，则这种控制方式就称为集中控制；如果每台处理机只能控制部分资源，执行交换机的部分功能则这种控制方式就称为分散控制。集中控制的优缺点：优点是处理机对整个交换系统的状态能全面了解，处理机能控制所有资源。因为功能接口之间主要是软件间的接口，改动功能也主要是改变软件，比较简单。缺点是它的软件包括所有的功能，规模很大啕系统管理相当困难，同时系统相当脆弱。分散控制的优缺
9、点：主要优点是每台处理机只处理系统部分资源，没有集中控制复杂，软件规模较小，当一台处理机故障时，其他处理机仍能完成控制功能，因此系统可靠性高。缺点是控制系统不了解所有资源，不能对资源和功能进行最佳分配。第三章 现代数字交换技术3.3.3电路交换和分组交换交换方式可分为电路交换与信息交换两大类，这两大类还可以进一步细分，如图3.5所示。这里主要介绍电路交换和分组交换。图3.5交换方式分类第三章 现代数字交换技术电路交换是交换中最早出现的一种交换方式在电话通信中普遍采用电路交换方式。电路交换是一种实时的交互式交换，包括呼叫建立、信息传送和连接释性三个阶段。在模拟电路交换中，交换机为通话双方提供物理
10、连接电路，并在整个通信过程巾被通话双方独占。在通话结束后释放物理电路其他用户才能占用。整个通信过程中每个分配的时隙是同定不变的，并为通话用户所独占，在通话结束后才能分配给别的用户，这一工作方式也称为同步时分复用。分组交换采用存储转发交换方式，把传送的信息分成很多小段（分组），并在每段信息前都附加一个标志码（分组头），用以标志其属于哪一路信号。在许多情况下，多个这样的单路信号共用一个标志化信道，信道可以按照需要动态地、灵活地分配给各单路信号，这一工作方式也称为异步时分复用或统计时分复用。第三章 现代数字交换技术3.3.4静态路由与动态路由交换网络通过使用路由表或路由目录在用户之间发送信息。路由选
11、择的任务就是根据 确定的输入端与输出端在交换网络上的位置选择一条空闲的、运段连接的路由。对于静态路由，除非网络上发生重大的事情，如交换机故障，否则这个路由是不会发生变化的。即使故障，这类网络也只向用户发送错误信号。而不会试图恢复中断的用户数据。对于具有自适应能力的动态路由，路由需要定期更新以反映不断变化的网络状况，由于路由表随时可能发生变化，与两个终端用户有关的分组可能采取不同的路由通过网络。采用动态路由时，网络或最终用户负责在接收点重新组装分组。第三章 现代数字交换技术3.4数字程控交换技术程控交换也称时隙交换，由于在公用通信网中数字话音信号是采用TDM帧结构传输的，不同用户的话音信号分别占
12、用不同的时隙，因此在数字程控交换机中实现的数字交换 实际上就是对数字话音信号进行时隙交换。时隙交换通过数字交换网络完成，也就是要完成任意PCM复用线上任意时隙之间的信息交换。在具体实现时应具备以下两种基本功能：在同一条 PCM复用线上进行不同的时隙交换功能；在复用线之间进行同一时隙的空间交换功能。第三章 现代数字交换技术图3.6同一复用线时隙交换示意图图3.7 多复用线（4条）时隙交换示意图在同一条 PCM复用线上进行不同的时隙交换功能；在复用线 之间进行同一时隙的空间交换功能。任何一条输入时分 复用线上的任一时隙的信息，可以交换到任何一条输出时分复用线上的任一时隙中去。同一复用线时隙交换多复
13、用线时隙交换第三章 现代数字交换技术然而在多复用线时隙变换中既有TSi的信息“A”交换到TS；又有TSj的信息“B”交换到TS，实现了信息的双向传递，由此实现双方通话。但是数字交换网络只能单向传送信息，所以对于每一个通话接续，在数字交换中应建立来去两条通路构成双向通路，如图3.8所示。图3.8 双向通信示意图第三章 现代数字交换技术如前所述，数字交换网络的基本功能可归纳为实现时隙交换和空间交换。实现时隙交 换功能的部件称为时间(T)接线器，实现空间交换功能的部件称为空间(S)接线器，T接线器与S接线器的适当组合就构成了数字交换网络，接线器是构成数字交换网络的基本部件。容量的数字交换机可仅由T接
14、线器构成单级数字交换网络，S接线器不具有时隙交换功能，所以不能仅由S接线器构成数字交换网络，但通过SJ主线器可以扩大交换也围，增大容量。引入S接线器后，数字交换网络可有两种基本结构：TST型和STS型。第三章 现代数字交换技术3.4.1T接线器的基本原理 T接线器实现时隙交换的原理是利用存储器写入与读出时间（隙）的不同，即在输入时 隙写入，而在其他时隙（通话另用户占用时隙）读出来完成时隙交换。T接线器的组成和工作原理如图3.9所示，主要由信息存储器（IM）和控制存储器（CM）组成。IM用来暂存信息码，其容量取决于复用线的复用度（图中以32为例）。IM的存取方式有两种：一种为“顺序写人，控制读出
15、”的输出控制型；另一种为“控制写入，顺序读出”的输入控制型，从而形成两类T接线器即顺入控出型和控入顺出型，分别如图 3.9(a）和（b）所示。第三章 现代数字交换技术在图3.9（a）中，设输入信码在TSw上,要求经过T接线器以后交换至TS上去然后 输出至下一级。CPU根据这一要求，通过软件在控制存储器的2号单元写入“30，即由 CPU“控制写入”。控制存储器的读入定时时钟控制，按照时隙号读出相对应单元内容。图3.9（b）的T接线器是按“控入顺出”方式工作的，亦即其信息存储器是按“控制写入，顺序读出”方式工作的。图3.9 T接线器的组成和工作原理第三章 现代数字交换技术3.4.2S接线器的基本原
16、理 S接线器的作用是完成不同复用线间的时隙交换，主要由电子交叉接点矩阵和控制存 储器(CM)组成。图3.10表示出22的交叉接点矩阵，它有2条输入复用线和2条输出复用线。控制存储器的作用是控制交叉接点矩阵，控制方式有两种：一种是输入控制方式，如图3.10（a）所示，它是按输入复用线来配置和管理CM的，即每一条输入复用线有一个 CM，由这个CM未决定该输入PCM线上各时隙的信码要交换到哪一条输出PCM复用线 上去；另一种是输出控制方式，如图3.10（b）所示，它是按输出PCM复用线来配置和管理 CM的，即每一条输出复用线有一个CM，由这个CM来决定哪条输入PCM线上哪个时隙 的信码要交换到这条输
17、出PCM复用线上来。第三章 现代数字交换技术以图3.10（a）为例来说明S接线器的工作原理。设输入PCM的TS1中的信码要交换到输出PCM1中去，当时隙1时刻到来时，在CM的控制下，使交叉点01闭合，使输入PCM的TS1中的信码直接转送至输出PCM1的TS1去。因此，S接线器能完成不同的PCM复用线间的信码交换，但是在交换中其信码所在的时隙位置不变，即它只能完成同时隙位置内的信码交换。故s接线器在数字交换网络中不单独使用。图b原理相同。图3.10 S接线器的组成和工作原理第三章 现代数字交换技术3.4.3TST交换网络TST是三级交换网络，两侧为T接线器，中间一级为S接线器，S级的出入线数取决
18、于两侧T接线器的数量，如S级采用1616256挂线器的输出控制方式，则S接线器有16条输入复用线。有16条输出复用线，所以两侧各有16个T接线器，每个T接线器完成256个 时隙交换，整个交换网络可以完成25616=4096个时隙的交换。TST网络实现交换的关键 是接线器的受控特性，通过处理机向各控制存储器相应存储单元内写入正确的内容。第三章 现代数字交换技术下图给出了一个TST网络的结构示意，图中假设S级采用3332接线器输入控制方式T，表示S接线器有3条复用线（HW），每条复用线有32个时隙。因此，TA、TK两级信息存储器各有32个单元，各级控制存储器也各有32个单元。图3.11 TST数字
19、交换结构示意图第三章 现代数字交换技术因此3条输入复用线就需要有3个T接线器；3条输出复用线需要有3个TB接线器；而负责复用线交换的S接线器矩阵应为33，因而也有3个控制存储器。各级的功能与控制方式如下：(1)TA接线器负责输入复用线的时隙交换，工作于输出控制方式；(2)S接线器负责复用线之间的空间交换，工作于输入控制方式；(3)TB接线器负责输出复用线的时隙交换，工作于输入控制方式。需要指出，两级T接线器的工作方式必须不同，以利于控制。而谁是输入控制，谁是 输出控制，都是可以的。对于S接线器用什么控制方式也是二者均可的，因3.11中采用的是输入控制方式。假设A信码占用HWI的TS2B信码占用
20、HWO的TS1，TST交换网络在A、B之间是如何进行路由接续的呢？第三章 现代数字交换技术首先讨论HWITS2HW3TS:n方向的接续。CPU在存储器中找到一条空闲路由，即交换网络中的一个空闲时隙，图中假设此空闲时隙为TS7。这时，CPU就向HWI的CM 的7号单元写入“2”；向CMH的7号单元写入“31”向S级1号CMc的7号单元写入“3”。IMA按顺序写入，TS2时刻将信码A写入到HWI的IMA的2号单元中去。TS7时刻，顺序读出CM，7号单元内容“2”作为IMA的读出地址，控制读出，于是就把原来在TS2的信码A交换到了TS。此时，S级1号CMc读出7号单元内容“3”，控制l号输入线和3号
21、输出线在TS1时接通，就将信码A送至TB接线器中。HW线上的TB接线器的JMB在CMB控制下将TS7中的信码A写入到31号单元中去。在 IMBJ顺序读出时，TS31时隙读信码HWITS2并送至HW3TS31，完成HWITSHW.TSn方向的交换。第三章 现代数字交换技术交换网络必须建立双向通路，即除了上述HW1TS2HW3TS31方向之外，还要建立 HW3TS31HWITS2方向的路由。HW:iTS:nHW1TS2方向的路由选择通常采用“反相法”，即两个方向相差半帧。在本例中一帧为32个时隙，半帧为16个时隙，HWITS2HW3TS31方向空闲内部时隙选定TS7则HW3TS:llHWITS2方
22、向就应选定16+7=23,即TS2:i。这样可使得CPU一次选择两个方向的路由，避免CPU的二次路由选择，从而减轻CPU的负担。HW3TSnHWITS，方向的信息传输过程与HWITS2HW.,TSi1方向相似，只需将 内部空闲时隙改为TS2:i，图3.11也画出了HW:iTS.11HWITS2方向的交换过程，信息交换原理大同小异，不再赘述。在通话终结拆线时，CPU只要把控制存储器相应单元清除即可。第三章 现代数字交换技术3.4.4数字程控交换呼叫处理与控制用户打电话的过程是：主叫摘机，拨被叫号码，被叫应答，开始讲话，话毕挂机。对应于用户的这些操作，交换机应按顺序完成下列动作：送出拨号音；接收拨
23、号；拨号数字分析：呼叫被叫用户；被叫应答；切断。这就是程控交换机基本的呼叫接续过程。现将几个呼叫接续阶段用流程图表示，如图3.12所示图3.12呼叫接续阶段流程图第三章 现代数字交换技术3.5分组交换3.5.1概述 分组交换技术是由RAND公司的保罗布朗（PaulBaran）和他的同事于1961年在美 国空军RAND计划的研究报告中首先提出来的。布朗等人当时的想法是，将通话双方的对话内容分成一个一个很短的小块（分组），在每一个交换站将这一呼叫的“分组”与其他呼叫的“分组”混合起来，并以“分组”为单位发 送，通话内容通过不同路径到达终端，终点站收集所有到达的“分组”，然后将它们按顺序 重新组合成
24、可懂语言。如果传输线路在网中的某一位置被截收，收到的是由多个对话交错 在一起的“分组”，其含意是不连贯的，从而达到保密目的。后来，美国国防部高级规划研究局，开始从事分组交换技术的研究和开发工作，并于1969年完成了世界上第一个分组交换网ARPAnet的建设。ARPAnet的 成功，鼓舞了许多通信设备公司，使他们看到了利用分组交换技术实现公用数据通信网的前景，于是纷纷开始研究和开发分组交换技术。第三章 现代数字交换技术分组交换的主要优点是：(1）对用户终端的适应性强。(2）信息传输时延相对于报文交换减小。(3）线路利用率高。分组交换传输实现了线路的动态统计时分复用，在一条物理线路上可以同时提供多
25、条信息通路，提高了线路利用率。(4）可实现分组多路通信。(5）可靠性高。分组在分组交换网中传输时，分段独立地进行差错控制，使信息传输误码率大大降低。(6）经济性好。信息以分组为单位存储和处理，可以简化交换处理，降低网内设备的费用；采用动态统计时分复用，从而大大降低线路使用费用。分组交换的主要缺点是：(1）信息传输效率较低。(2）实现技术复杂。第三章 现代数字交换技术3.5.2分组交换的基本原理 分组交换是在传统的存储转发式报文交换的基础上发展起来的一种新型的数据交换技术。分组交换方式的工作过程是分组终端将用户要发送的数据信息分割成许多一定长度的 数据段，每个数据段除了用户信息外，还另加上了一些
26、必要的操作信息，如源地址、目的地址、用户数据段编号及差错控制信息等。所有这些信息按照规定的格式装配成一个数据信息块，称之为“分组”。与发送端连接的分组交换机收到报文信息后，将其分成若干个分 组存入存储器，并进行路由选择。第三章 现代数字交换技术1、分组的复用分组交换的基本思想是实现通信资源的共享。一般而言，终端速率与线路传输速率相 比低得多，若将线路分配给这样的终端专用，则是对通信资源的很大浪费。将多个低速的 数据流合成起来共同使用一条高速的线路，提高线路利用率，是充分利用通信资源的有效 方法，这种方法称为多路复用。目前存在多种不同的多路复用方法，从如何分配传输资源 的角度，可以分成两类：一类
27、是固定分配（预分配）资源法；另一类是动态分配资源法。第三章 现代数字交换技术（1）固定分自己资源法在一对用户要求通信时，网络根据申请将传输资源（如频带、时隙等）在正式通信前预 先固定地分配给该对用户专用。无论该对用户在通信开始后的某时刻是否使用这些资源，系统都不能再分配给其他用户，而是供该用户独占专用，无论空闲与否，别的用户都不能使用。（2）动态分配资源法 固定分配资惊法的主要缺点是在通信进行中即使用户传输空闲时，通路也只能闲置，使得线路的传输能力得不到充分的利用。为了克服这个缺点，人们提出了动态分配（或称按需分配）传输资源的概念。根据需要，当用户有数据要传输时才分配给它传输资源，而当用户暂停
28、发送数据时，就将资源收回。这种根据用户实际需要分配传输资掘的方法也称为统计时分复用（STDM）第三章 现代数字交换技术统计时分复用与固定分配复用方式相比，在终端与线路的接口处要增加两个功能：缓冲存储功能和信息流控制功能，其实现原理示意图如图3.13所示。增加的功能主要用于解决终端争用线路传输资源时可能产生的冲突。动态分配传输信道的方式可在同样传输能力条件下传送更多信息，它允许每个用户传输速率高于其平均速率，最高可达到线路总的传输能力。在数据交换传输方式中，报文交换、分组交换、帧交换和帧中继、ATM交换，以及IP交换都属于统计时分复用方式。图3.13统计时分复用（STDM）原理示意图第三章 现代
29、数字交换技术在固定分配资源复用方式（时分或频分）中，每个用户的数据都是在预先固定的子通路（时隙或子频带）中传输的，接收端很容易由定时关系或频率关系将它们区分开来，分接成 各用户的数据流。而在统计时分复用方式中，各用户终端的数据是按照一定单元长度随机交织传输的（如图3.13所示）。由于各终端数据流是动态随机传输的，因此不能再用定时关 系或频率关系在接收端来区分和分接它们。为了识别分接来自不同终端的用户数据通常在采用统计时分复用时，将交织在一起的数据发送到线路上之前给它们打上与终端有关的“标记”，例如在数据前加上终端号，这样接收端就可以通过识别用户数据的“标记”将它们 区分开来。第三章 现代数字交
30、换技术线路的逻辑信道可用逻辑信道号描述，逻辑信道号可以独立于终端编号，逻辑信道号 作为线路的一种资源可以在终端要求通信时由STDM设备分配。对同一个终端，每次呼叫 可以分配给不同的逻辑信道号，但在同一次呼叫连接中，来自某一个终端的数据组的逻辑信道号应相同。这样，一个终端可以同时通过网络建立起多个数据通路（如图3.14中终端4同时建立了三个通 路）。图3.14用逻辑信道号作“标记”进行交织传输示意图第三章 现代数字交换技术2、分组的格式在分组交换中，分组是交换和传输处理的对象，每个分组都带有控制信息和地址信 息，使其可以在分组交换网内独立地传输，并以分组为单位进行流量控制、路由选择和差错控制等处
31、理。另外，为了可靠地传输分组数据块，还在每个数据块上加上了高级数据链路控制（HDLC）的规程标识、帧校验序列，它们都以帧的形式在信道上传输，如图3.15所示。图3.15分组的格式第三章 现代数字交换技术分组头有3个字节，其中通用格式识别符由第1字节的第58比特组成，第8比特用来区分传输的分组是用户数据还是控制数据；第7比特用来传送确认比特，“0”表示数据分 组由本地DTEDCE确认，“1”表示进行端到端DTE-DTE确认；第6和第5比特为模式比特，“01”表示分组的顺序编号按模8方式工作。逻辑信道组号和逻辑信道号共12比特，用来表示在DTE与交换机之间（即终端与通信线路之间）的时分复用信道上以
32、分组为单位的时隙号，在理论上最多同时支持4096个呼叫，实际上支持的逻辑信道数取决于接口的传输速率、与应用有关的信息流的大小和时间分布。分组类型识别符区分各种不同的分组，共有呼叫建立分组、数据传输分组、恢复分组和呼叫释放分组四类。第三章 现代数字交换技术3、分组的传输在分组交换网中，对分组流的传输处理有两种方式：一是虚电路方式，二是数据报方式。（1）虚电路方式在虚电路方式巾，发送分组前，先要建立一条逻辑连接，即为用户提供一条虚拟的电 路，如图3.16所示。假设A要将多个分组送到B，它首先发送一个“呼叫请求”分组到1号 节点，要求到B的连接。1号节点决定将该分组发到2号节点，2号节点又决定将之发
33、送到 4号节点，最终将“呼叫请求”分组发送到B,如果B准备接收这个连接的话，它发送个“呼叫接收”分组，通过4号、2号、1号节 点到达A，此时，A站和B站之间可以经由这条已建立的逻辑连接即虚电路（图中VC1）来 传输分组、交换数据。图3.16虚电路方式原理示意图第三章 现代数字交换技术虚电路方式的一次通信具有呼叫建立、数据传输和呼叫释放三个阶段。数据分组按建 立的路径顺序通过网络，目的节点收到的分组次序与发送方是一致的，目的节点不需要对 分组重新排序，因此重装分组就简单了，而对数据量较大的通信传输效率较高。之所以称 这种连接为“虚”电路，是因为分组交换机（网络节点）按线路传输能力的“动态按需分配
34、”原则为这种连接保持一种链接关系：就像有一条物理数据电路在通信两端的终端之间一样，终端可以在任何时候发送数据（受流量控制）；如果终端暂时没有数据可发送，网络仍保持这种连接关系，但是这时网络可以将线路的传输能力和交换机的处理能力用作其他服务，它并没有独占网络的资源。所以，这种连接电路又是“虚”的。第三章 现代数字交换技术（2）数据报方式在数据报方式中，单独处理每个分组。以图3.17为例，假设A站有三个分组的消息要送到C站，它将1、2、3号分组一连串地发给1号节点，1号节点必须为每个分组选择路由。收到1号分组后，1号节点发现到2号节点的分组队列短于3号节点的分组队列，于是它将1号分组发送到2号节点
35、，即排入到2号节点的队列。但是对于3号分组，1号节点发现此时到3号节点的队列最短，因此将2号分组发送到3号节点，即排入到3号节点的队列。每个分组虽然有同样的目的地址，但并不走同一条路径。另外，3号分组先于 2号分组到达6号节点也是完全可能的。因此，这些分组有可能以一种不同于它们发送时 的顺序到达C站，需要对它们重新排序。用户通信不需要经历呼叫建立和呼叫清除的阶段，对短报文消息传输效率较高。图3.17数据报方式原理示意图第三章 现代数字交换技术（3）分组的路由选择分组交换网最重要的特点之一是分组能够在网络中通过多条路径从源点到达终点，而选择什么路径最合适就成了分组交换机必须决定和影响其特性的问题
36、。首先根据某种准则和方法选择确定传输路由（包括第1,2,3，选择），然后在传输过程中随时监测网络状况并根据网络的情况随时调整分组的路由，从而保证分组到达终点。路由选择是Ht网络提供的功能，不同的 分组交换网可能采用不同的路由选择方法。按照不同的网络要求、不同的准则可以构成许多路由选择方法，路由选择的方法很多，常用的有扩散式路由法、查表路由法等。第三章 现代数字交换技术（4）流量控制流量控制是指通过一定的于段使得在网络中各个链路上的信息流量都保持在一定的上 限值之下。在分组交换方式巾流量控制特别重要，这是因为：(1）由于中继线路是统计时分复用的，因此必须用流量控制方法来防止线路过分拥挤，导致数据
37、分组排队等待时间过长。(2）由于网络终端速率可能不一致，因此必须用流量控制方法来调整终端发送数据的 速率，以防止快速的终端向慢速的终端发送数据分组太多，超出其接收能力。(3）由于终端与交换机处理数据分组的能力限制，因此必须使用流量控制方法在其不能处理更多数据时抑制对方的数据传送。实现流量控制的方法很多，常用“窗口”方法来控制对方发送信息的速度，“窗口”的尺 寸选择非常重要，合适的“窗口”尺寸可使流量控制的响应时间和终端发送能力得到最大限度的保证。第三章 现代数字交换技术表3.1电路交换方式与分组交换方式特点的比较 项目电路交换分组交换接续时间较长较短信息传输时延短偏差也小较短偏差较大信息传输可
38、靠性一般好对业务过载的反应拒绝接收呼叫（呼损）减少用户输入的信息流，延时增大信号传输的透明性有无异种终端之间的通信不可以可以电路利用率低高交换机费用一般较高实时会话业务适用负载下适用第三章 现代数字交换技术3.5.3帧中继 1、帧中继的概念帧中继（FrameRelay,FR）技术是随着数据通信的发展，在分组交换技术基础上发展起来的。帧中继应能够提供的功能有：(1）在公用和专用的系统上为多通信结构（包括早期的终端一主机结构和今天的任意通信结构）提供经济有效的连接。(2）提供高速的传输。(3）提供按需的带宽（传输速率）分配，以适应突发信息量的要求。(4）通过处理多规程传输信息来保护用户的现有投资。
39、由于FR是在帧级（链路层）实现复用传送的，故称为帧中继。第三章 现代数字交换技术2、帧结构和传输方式在FR传送网中，帧的长度是可变的，最大长度可达1000字节以上，每个帧含有“数 据链路连接标识符”（DLCI)，从源DTE到宿DTE之间的所有途径节点均根据DLCI指明出口信道。使用DLCI标识的帧格式如图3.18所示。图3.18帧中继中的帧格式帧的主要部分“用户信息”可以是X.25分组或别的格式（例如SNA帧、LAN帧等），用户信息部分（即数据分组）在网中透明传输，节点不做任何处理操作。帧的首部F标志（帧标志）、DLCI及尾部F（SC帧校验序列）和F标志在帧中继节点进行 检验，但不计数不要求重
40、发，发现错的分组丢弃，错误分组由终点和源点设备间负责 检错重发，即终点发现丢弃分组要求源点重发，这样就大大地简化了交换节点的操作。第三章 现代数字交换技术2字节DLCI地址字段中，还包括流量控制和校验信息，如图3.19所示。其中C/R为命令响应指示位；EA为扩展地址位；FECN为前向显式拥塞通知位；BECN为后向显式拥塞通知位；DE为丢弃核准位。帧中继节点只在超载情况下向DTE发送信号，从而简化了处理过程。当节点可能超载时，向DTE发送FECN或BECN，要求减少传输数据量；当已发生超载情况时网络就丢弃帧，由终点DTE去发现并请求重发。帧中继采用的这种 DLCI地址标识符的连接是永久虚连接（P
41、VC），所以，帧中继实现的是类似专线式的连接。图3.19帧中继中的帧的地址字段第三章 现代数字交换技术3.5.4ATM交换技术 1、ATM概述ATM是在分组交换技术基础上发展起来的快速分组交换。它综合了分组交换高效率 和电路交换高速率之优点，可以适应各种速率的业务。ATM技术是在克服了分组交换和电路交换方式局限性的基础上产生的，它以一个统一的多媒体网络实现带宽、实时性、传输质量要求各不相同的网络服务。ITUT给ATM的定义是：“以信元为信息传输、复接和交换基本单位的传送方式”。信元是ATM的基本特征，ATM信元是一种固定长度的数据分组，ATM信元长为53字节。前面5字节为信头后面的字节为信息域
42、。ATM方式克服了电路交换模式不能适应任意速率业务，难于导入未来新业务的缺点，采用异步复用方式提高了线路的利用率；简化了分组交换模式中的协议，并用硬件对简化的协议进行处理实现；交换节点不再 对信息进行差错控制从而极大地提高了网络通信信息的处理能力。第三章 现代数字交换技术2、ATM交换原理为了提高信息处理和交换速度，降低时延，ATM以面向连接的方式工作。网络对交换 传送的处理工作十分简单：通信开始时先建立虚电路，然后将虚电路标志（即地址信息）写入信头，网络根据虚电路标志进行交换和传送。ATM网络中提供信元交换功能的节点称为交换节点。实际上，交换节点完成的只是 虚电路的交换。因为同一虚电路上的所
43、有信元都选择同样的路由经过同样的通路到达目的地，在接收端，这些信元到达的次序总是和发送端的发送次序相同。第三章 现代数字交换技术由于输入、输出复用线上的信元部是异步复用的，可能会在同一时刻多条输入复用线上的信元要求去往同一条输出复用线，造成了信元在交换机内的时延，这个时延是随机的，它与队列的多少以及队列的长度有关。ATM交换是一种异步时分交换。异步时分交换不是通过时隙互换来完成交换功能的，而是通过改变信元的标志码（信元的VPI和IVCI值）来完成交换功能的。为了更清楚地了解ATM信元交换的过程下面以图3.20加以说明。当一个虚电路建立时，在与其对应的输入复用线的接续。信元到达后，标志变为“1”
44、，用它来识别虚电路。将RB和交换机内由识别符z装入信头后把信元发往交换网。网内各交换模块具有自律选路功 能，它根据RB将信元发往指定的方向3输入缓冲器和1输入缓冲器也是用于防止信元“撞车”而设置的。图3.20ATM交换原理图第三章 现代数字交换技术3、ATM的特点ATM网具有灵活性和适应性强、能有效地利用资源和多业务通用网络等优点，这些优点是由ATM技术的特点带来的，ATM的基本特点有：(1）免除了信元净荷的差错控制和流量控制，大大简化了网络控制。由于光纤线路的 可靠性很高（误码率小于10勺，因此没有必要进行逐链路的差错控制，ATM仅保留了端 到端的差错与流量控制，考虑到ATM节点上流量太大为
45、尽量减少信元的丢失率，需要 合理进行资源分配和设计队列容量，并在呼叫建立时审查用户申请的带宽，当网络有足够 的资源时才接受此呼叫，否则就拒绝用户接入。(2）面向连接的工作方式。信息传送前，先提出呼叫请求，网络保留必要的资源，建立 虚电路（包括虚信道vc和虚路径VP）；接着是用户信息传送；信息传送完毕后，网络要释 放这些资源，拆除虚电路，以保证传输业务质量，降低信元丢失率。(3）简化了信头功能。与X.25分组头相比，ATM信元信头功能十分简单，主要是标 志虚电路、信头差错检验和信元优先度设置等。由于信头功能简单，因此信头处理速度很快，使信元的排队处理时延大大降低，从而使处理时延很小。(4）采用长
46、度较小的同定长度信元。降低了交换节点内部的缓冲区容量，减少了信息在缓冲区内排队的时延和时延抖动，这对实时业务是有利的。第三章 现代数字交换技术3.5.5IP交换 1、传统IP路由器通常将具有集中处理结构、不涉及多层交换技术、没有采用专用ASIC芯片的路由器称为传统路由器，其处理能力一般是每秒几十万个包，最大吞吐能力约1Gb/s。路由器主要完成两个功能：寻找去往目的地的最佳路径和转发分组。路由器的功能结构见图3.21，由控制部分和转发部分组成。转发部分由输入端口、交换网络和l输出端口组成：控制部分由路由处理、路由表和路由协议组成路由器工作在OSI参考模型的下三层：物理层、数据链路层和网络层，完成
47、不同网络 之间的数据存储和转发。路由器常通过查找路由表的方法转换IP分组，查找算法主要有精确匹配查找和最长匹配查找。图3.21路由器的功能结构第三章 现代数字交换技术设三个路由器互联网络如图3.22所示，PC的IP地址为128.7.254.10,PCB的IP地址为128.7.253.15,PCc的IP地址为128.7.234.18，表3.4为路由器A遵循的路由表。下面以PCA至PCB、PCT、到PC，两种情况为例讨论分组在路由器A转发分组的过程。图3.22路由器的功能结构第三章 现代数字交换技术PC的IP分组到达路由器A的端口,首先解析分组头，提取目的IP地址,以目的 IP地址为索引，在路由表
48、中使用最长匹配原则进行查找，由路由表可得：(1）对PC，飞至PCB，连接到端口2，连通128.7.253.0子网，路由费用为j。将该IP分 组进行链路层封装，并从端口2转发出去。(2）对PC，飞到PC，有两条路由可供选择：一条从端口3连接到下一跳IP地址为 128.7.238.2的路由器B，路由费用为2；另外一条从端口5连接到下一跳IP地址为128.7.240.2的路由器C，路由费用为3。路由器选择路由费用最小的路由作为最佳路由，因此，将该IP分组进行链路层封装，并从端口3转发出去。目的IP地址子网掩码端口下一跳地址路由费用路由类型状态255.255.255.011DirectUP128.7.
49、253.255.255.255.021DirectUP128.7.234.255.255.255.03128.7.238.22StaticUP128.7.234.255.255.255.05128.7.240.23StaticUP表4路由器中的路由表第三章 现代数字交换技术2、IP交换的基本概念IP交换的基本思想是为了避免网络层转发的瓶颈，进行高速链路层交换。IP交换可以 认为是地址转换问题，其关键任务是将IP子网地址与链路层地址相结合。这样，可以通过短标识的VPI/VCICATM中）与交换系统相连进行转发。传统的IPoverATM技术有IETF(InternetEngineeringTask
50、Force）的ClassicIPoverATM和ATM论坛的LANE等。但是它们都存在着不少限制，主要有以下几点：(1）在运行实时业务时不能保证服务质量（QoS）。(2）在网络较大时，会造成vc连接数很大，增加了路由计算的额外开销。(3）数据必须在逻辑子网间转发，没有充分利用交换设备的能力第三章 现代数字交换技术为了解决上述问题，满足Internet规模快速增长和对实时多媒体业务的需求，需要将 网络交换机（L2层）的速度和路由器（L3层）的灵活性结合起来，这就是IP交换，也称为第二层交换。采用IP交换的新一代设备可以使网络带宽达到T-bit级。IP交换机和路由器主要有两个区别：(1）对转发数据
