现代交换原理 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院 教师：申丽然

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1 现代交换原理 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院 教师：申丽然

2 课程介绍 交换技术是现代通信关键技术之一，交换设备是现代通信网的重要组成部分，在数据交换和通信网络方面占据重要位置。
随着现代通信新业务的推出，交换技术处在快速 发展中。

3 课程介绍 现代交换原理是通信工程的一门主要专业课，在现代通信领域中有着广泛的应用，随着通信技术的发展和广泛应用，信息学科相关领域的工程技术人员也需要了解和掌握现代交换原理和技术的相关知识。 本课程的目的是使学生掌握各种现代交换系统的基本原理和实现方式，了解本领域技术的最新发展趋势。使学生不仅具有应用及维护现代交换系统及相关系统和网络的基本技能，同时为将来从事现代通信系统和通信网络设备的设计、使用与维护打下良好的专业技术基础。

4 参考书目 现代交换原理与通信网技术.卞佳丽，北京邮电大学出版社 现代交换原理. 陈建亚，余浩等，北京邮电大学出版社
现代交换技.张继荣，屈军锁等，西安电子科技大学 交换技术.糜正坤，杨国民，清华大学出版社

5 课程目标 掌握存储程序控制交换原理。 掌握电路交换、分组交换、ATM交换等 了解常用交换设备及其在现代通信网中的位置及其外部环境。
了解交换技术的最新发展与软交换。

6 考核方法 总成绩＝考试成绩+平时成绩 考试：90％ 平时：10％

7 课程内容 第一章 概论 4学时 第二章 交换单元与交换网络 8学时 第三章 程控交换机的接口与外设及控制 4学时
第一章 概论 学时 第二章 交换单元与交换网络 学时 第三章 程控交换机的接口与外设及控制 学时 第四章 程控交换软件 学时 第五章 电信网规程 学时 第六章 信令系统 学时 第七章 分组交换与帧中继技术 学时 第八章 ATM交换技术 学时 第九章 路由器及IP交换 学时 第十章 交换新技术 学时

8 第一章 概述 3、以交换为核心的通信网 1、 电信交换的基本概念 交换的引入 电信交换的概念 2、 各种交换方式 电路交换 多速率电路交换
       1、 电信交换的基本概念 交换的引入 电信交换的概念        2、 各种交换方式  电路交换 多速率电路交换 快速电路交换  分组交换 帧中继  ATM交换-异步传输模式  IP交换 光交换  软交换 3、以交换为核心的通信网 通信网的分类 通信网的分层体系结构 通信网的组网结构 通信网的质量要求 4、 本章练习题

9 1.1将交换引入通信系统的必要性: (1) 通信的目的： 在任意终端对之间实现信息的传递 只有两个终端的通信称为点对点通信。 电信号 信息
传输媒介 电信号 信息 话音 数据

10 (2)无交换的多个终端的通信（全互联通信系统）
1.1将交换引入通信系统的必要性: (2)无交换的多个终端的通信（全互联通信系统） 无交换的多个终端要实现相互间通信，必须以全互连的方式两两相连。 若终端数为n，则线对数为 C2n= n(n-1)/2 (终端=5、线对数=10)

11 1.1将交换引入通信系统的必要性: (3)全互联方法存在的问题：N2问题 连线数随终端数的平方增加；N(N-1)/2 长途线路费用大；
解决多个终端中任何两个都可以进行点对点通信问题的最佳方法就是在通信系统中引入交换节点设备。

12 1.1将交换引入通信系统的必要性: (4)引入交换的终端间的通信 用户间通过交换设备连接 交换设备能够完成任意两个用户之间交换信息的任务

13 1.1将交换引入通信系统的必要性: (5)将交换节点引入通信网络的优点: 统一标准接口 集中共享通信网中的资源 提供各种业务 构筑大型异构通信系统

14 1.2电信交换的概念-通信网 (1)最简单的通信网 由一台交换机组成的通信网 交换机能够在任意选定的两条用户线之间建立和释放一条通信链路。

15 1.2电信交换的概念-通信网 (2)多台交换机组成的通信网

16 1.2电信交换的概念 何谓“交换(switching)” ，从字面看就是一种转发（在IP技术文献中，交换习惯称作转发（Forwarding），有时也称路由（Routing，但目前Routing有时仅专指与路由协议有关的技术）。 信息（话音、数据）从通信设备的一个端口（不论物理或逻辑的）入，从另一个端口出。而“交换”实际要完成的功能是：业务的汇聚、转接和分配。 所谓电信交换，就是在电信网上，在通信的源点和目的点之间建立通信通道，并传送信息的机制。 – 选路：每一个交换设备如何选择合适的出线，从而在交换网中建立最佳的从源点到目的点的信息通道； – 交换：每个交换设备内部如何将入线的信息送到出线上

17 1.2电信交换的概念 1）时分复用 同步时分复用 – 位置化信道：依据数字信号在时间轴上的位置区别各路信号，无信息传送时也占用信道
– 各支路的信息比特率稳定 – 信号经过复用器和分路器时会有传输时延，但时延不大。

18 1.2电信交换的概念 统计时分复用 信息属于哪路取决于标志码，与出现的时间无关； – 分组长度可变，分组头起定界作用；
– 统计复用提高信道利用率； – 一定容量的排队存贮器，解决瞬间的出线冲突；

19 1.2电信交换的概念 异步时分复用（统计时分复用） – 标志化信道：分组长度固定，分组头标志输出端 – 统计复用提高信道利用率
– 插入空信元保持信元同步 – 较小容量的排队存贮器，解决瞬间的出线冲突

20 1.2电信交换的概念 寻址技术 寻址技术按技术机理分类： 有连接操作寻址 无连接操作寻址

21 1.2电信交换的概念 有连接操作寻址机理： 用户利用人机信令信号，把寻址要求通知信令网； 信令网在信源与信宿之间，利用网络资源建立连接；
然后传递信号； 呼叫结束，信令网释放网络资源。

22 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。
•  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。

23 1.2电信交换的概念 无连接操作寻址技术机理： 在各个网络节点，根据信元中的目的地址数据，借助于路由器具有的地址知识，选择通往目的地的链路，在每个节点都进行竞争接入。

24 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。
•  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。 演示

25 2交换技术—分类 电路交换 分组交换 信元交换 电信网络---电信交换计算机网络--- IP交换 广播电视网络 模拟交换与数字交换，
按交换器所接续的信号进行分类： 按交换所承载的业务进行分类： 按交换器的应用场合进行分类： 按交换对信息的处理方式分类： 此外还有按实现交换的控制手段进行分类;按交换信息所在层进行分类等等…… 模拟交换与数字交换， 电交换与光交换， 窄带交换与宽带交换 话音交换(电话交换) 数据交换， 图象交换及多媒体信息交换等 电信网络---电信交换计算机网络--- IP交换 广播电视网络

26 2交换技术—各种交换方式 PTM CTM IP交换 多速率电路交换 快速电路交换 ATM交换 帧中继 报文交换 电路交换 分组交换 光交换
CTM-Circuit Transfer Mode PTM-Packet Transfer Mode ATM-Asynchronous Transfer Mode

27 2交换技术—电话交换 电话通信网的基本组成设备包括终端设备、传输设备和交换设备。 电话交换的基本过程 呼叫建立 占用链路 呼叫释放
交换节点A 交换节点B 交换节点C 建立 传送 释放 电路交换的基本过程 电话通信网的基本组成设备包括终端设备、传输设备和交换设备。 电话交换的基本过程 呼叫建立 占用链路 呼叫释放 演示

28 1.3 数据交换 数据通信和话音通信的区别 通信对象 传输可靠性要求 通信的平均持续时间和通信建立响应 通信过程信息业务量特性
数据通信：计算机（人）和计算机（通信协议） 话音通信：人和人 传输可靠性要求 数据通信：比特差错率≤10-8 话音通信：比特差错率≤10-3 通信的平均持续时间和通信建立响应 通常情况（99.5％）下：数据通信 ＜ 话音通信 通信过程信息业务量特性 话音通信双向均衡，数据通信通常是不对称的

29 2交换技术—电路交换 特点： 利用电话网络进行数据传输效率低下 在通信的用户间建立专用的物理连接通路（固定分配带宽）
对传送的信息无差错控制措施。 对通信信息不作处理(信令除外)，而是原封不动地传送，用作低速数据传送时不进行速率、码型的变换。 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。 利用电话网络进行数据传输效率低下 中继线是数字传输，而用户线是模拟传输 电话网络采用电路交换方式

30 2交换技术—电路交换 优点： 缺点： 时延小、固定； 对数据不进行存储、分析和处理，开销小效率高。透明传输。 编码方式不受网络限制。
呼叫建立时间长， 无论是否有信息进行传输，电路都被通信双方独占,网络利用率低；电路利用率低； 通信要使用相同的协议、格式、同步方式等，限制不同终端的互联； 有呼损。

31 2交换技术—多速率电路交换 为了克服电路交换只提供单一速率（ 64kbit/s ）的缺点，人们研究提出了多速率电路交换（ MRCS-Multi-Rate Circuit Switching ）方式。多速率电路交换其本质还是电路交换，具 有电路交换的主要特点，我们可以将其看作是采用电路交换方式为用户提供多种速率的交换方式。 多速率电路交换和电路交换都采用同步时分复用方式，即只有一个固定的基本信道速率，如 64kbit/s 。多速率电路交换的一种实现方式是，可以将几个这样的基本信道捆绑起来构成一个速率更高的信道，供某个通信使用，从而实现多速率交换，很明显这个更高的速率一定是基本信道速率的倍数。 N-ISDN 中对可视电话业务的交换就采用这种方法。

32 2交换技术—多速率电路交换 快速电路交换的特点: 由于并不为每个呼叫专门分配和保留其所需的带宽，因此提高了带宽的使用效率
快速电路交换（ FCS — Fast Circuit Switching ）方式:在快速电路交换中，当呼叫建立时，在呼叫连接上的所有交换节点要在相应的路由上分配所需的带宽，与电路交换不同的是交换节点只记住所分配的带宽和相应路由连接关系，而不完成实际的物理连接。当用户真正要传送信息时，才根据事先分配的带宽和建立的连接关系，建立物理连接；当没有信息传送时，则拆除该物理连接。由此可知，快速电路交换是在要传送用户信息时才连接物理传输通道，即只在信息要传送时才使用所分配的带宽和相关资源，因而它提高了带宽的利用率。 快速电路交换的特点: 由于并不为每个呼叫专门分配和保留其所需的带宽，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 快速电路交换虽然也提高了带宽的利用率，但控制复杂，其灵活性比不上快速 分组交换，故未得到广泛应用

33 2交换技术—报文交换（Message Switching）
基本的报文交换动作是存储报文、分析报文中的收报人地址和报文转发。 有多个报文送往同一地点时，要排队按顺序发送。 报文传送中有检错和纠错措施 公用电信网的电报自动交换是报文交换的典型应用，有的专用数据网也采用报文交换方式。

34 2交换技术—分组交换（Packet Switching）
分组形成

35 2交换技术-分组交换和报文交换比较 报文交换的时延 分组交换的时延 传输区别

36 2交换技术--分组交换的两种方式 虚电路(VC：Virtual Circuit)方式： 数据报(DG：Datagram)方式：
在用户数据传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送，最后通过呼叫清除分组来拆除虚电路。 它不同于电路交换中的物理连接，而是逻辑连接。 数据报(DG：Datagram)方式： 数据报不需要预先建立逻辑连接，而是按照每个分组头中的目的地址对各个分组独立进行选路。 演示

37 2交换技术--虚电路与数据报的比较（1） 分组头 选路 DG方式的每个分组头中要包含详细的目的地址
VC方式由于预先已建立逻辑连接，分组头中只要含有对应于所建立的VC的逻辑信道标识 选路 VC方式预先有建立过程，但一旦虚电路建立，在端到端之间所选定的路由上的各个交换节点都具有映象表，存放出入逻辑信道的对应关系，每个分组到来时只要查找映象表，而不需要进行复杂的选路。 DG方式则不需要有建立过程，但对每个分组都要独立地进行选路。

38 2交换技术--虚电路与数据报的比较（2） 分组顺序 故障敏感性 应用
VC方式中，属于同一呼叫的各个分组在同一条虚电路上传送，分组会按原有顺序到达终点，不会产生失序现象。 DG方式中，各个分组由于是独立选路，可以从不同的路由转送，会引起失序。 故障敏感性 VC方式对故障较为敏感，当传输链路或交换节点发生故障时可能引起虚电路的中断，需要重新建立。 （有些分组网具有再连接功能，出现故障时可自动建立新的虚电路，并做到不丢失用户数据） DG方式中各个分组可选择不同路由，对故障的防卫能力较强，从而可靠性较高。 应用 VC方式适用于较连续的数据流传送，其持续时间应显著地大于呼叫建立的时间，如文件传送、传真业务等。 DG方式则适用于面向事务的询向／响应型数据业务。

39 2交换技术—分组交特点 信息传送的最小单位是分组 面向连接（逻辑连接）和无连接两种工作方式 统计时分复用（动态分配带宽） 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。分组交换在数据通信网中被广泛采用。

40 2交换技术—分组交换优/缺点 分组交换的优点： 分组交换的缺点： 附加信息多，长报文效率低;---合理分组；
不同数据终端之间灵活沟通； 时延小，能满足数据交互业务要求； 实现线路动态统计复用，在一条物理线路上同时提供多条信息通路；---经济性好,网络利用率高 可靠性高，有分段差错校验功能（X.25规定)； 网络费用低; 分组交换的缺点： 附加信息多，长报文效率低;---合理分组； 技术复杂，随时分析处理，要求交换机要有较高的处理能力

41 2交换技术—帧交换技术 帧交换 是一种帧方式的承载业务，为克服分组交换协议处理复杂的缺点，它简化了协议，其协议栈只有物理层和数据链路层，去掉了三层协议功能，从而加快了处理速度。由于在二层上传送的数据单元为帧，因此称其为帧交换。 快速分组交换——帧中继 帧中继（FR—Frame Relay）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，如：帧的定界、同步、传输差错检测等，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。

42 X.25和帧中继处理流程比较

43 2交换技术—信元交换 设计思想：吸取快速电路交换和快速分组交换的优点。 电路交换 帧中继 分组交换 控制 简单 复杂 快速电路交换
异步传输模式 帧中继 分组交换 控制 简单 复杂

44 2交换技术— ATM交换-异步传送模式 固定长度的信元
信元(cell)只有53个字节(byte)，其中开头5个字节称为信头(cell header)，其余48个字节为信息域，或称为净荷(pay load)。 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； 信元的长度固定，则有利于简化交换控制和缓冲器管理。 信头简化： ATM信元的信头功能有限，主要是虚连接的标识，还有优先级标志、信头的差错检验等。

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46 2交换技术— ATM交换-异步传送模式 面向连接： 异步时分交换
ATM采用面向连接的方式。即用户信息传送前，先要有连接建立过程，在信息传送结束后，要拆除连接。它不是物理连接，而是一种虚连接(VC：Virtual Connection)。 异步时分交换 同步时分（时间位置、物理信道） (STD：Synchronous Time Division) 异步时分（标记、物理信道） (ATD：Asynchronous Time Division)

47 2交换技术— ATM交换-异步传送模式 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。ATM克服了STM不能适应任意速率业务，难以导入未知新业务的缺点；简化了分组通信中的协议，并由硬件对简化的协议进行处理，交换节点不再对信息进行流量控制和差错控制，从而极大地提高了网络的传输处理能力。

48 2交换技术—IP交换和标记交换 IP协议的关键是为互连的异种物理网络提供了统一的IP地址，从而建立一个统一的、协作的、提供通用服务的通信系统
IP over ATM有两种模式： 叠加模型：CIP、MPOA 集成模型：IP交换、Tag交换、MPLS

49 2交换技术—IP交换和标记交换

50 2交换技术—光交换技术 电交换 光 电 电 光 光信号 光交换 光信号 省去光电转换环节； 光极大带宽

51 2交换技术—软交换技术 软交换技术是以IP网作为核心承载网的分组话音技术 软交换技术是一个体系结构，是一系列分布于IP网络之上的设备的总称

52 Next Generation Network (NGN)

53 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。软交换最核心的思想就是业务 / 控制与传送 / 接入相分离，其特点具体体现在： •  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。

54 3.1交换系统的基本结构 交换网络 控制系统 接口 用户线 中继线

55 3.2交换系统的基本功能 （ 1 ）本局接续是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。
（ 2 ）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。 （3）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。 （ 4 ）转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 。

56 3.3交换的基本技术 互连技术 接口技术 信令技术 控制技术 交换网络的拓扑结构、选路策略、控制机理、多播方式、阻塞特性、故障防卫
模拟用户接口、数字用户接口、模拟中继接口、数字中继接口 信令技术 用户信令、局间信令 控制技术 控制系统的结构方式、处理机间的通信方式、多处理机结构

57 4现代通信网 交换设备 传输设备 终端设备 通信网的组成

58 4.1现代通信网分类 （ 1 ）根据通信网支持业务的不同进行分类： （ 2 ）根据通信网采用的传送模式的不同进行分类：
•  电话通信网 •  电报通信网 •  数据通信网 •  综合业务数字网（ ISDN ）等 （ 3 ）根据通信网采用传输媒介的不同进行分类： •  电路传送网： PSTN 、 ISDN •  分组传送网： PSPDN 、 FRN •  异步传送网： B-ISDN （ 4 ）根据通信网使用场合的不同进行分类： •  有线通信网：传输媒介为架空明线、电缆、光缆。 •  无线通信网：通过电磁波在自由空间的传播来传输信号，根据采用电磁波长的不同又可分为中 / 长波通信、短波通信和微波通信等。 （ 5 ）根据通信网传输和交换采用信号的不同进行 分类： •  公用通信网：向公众开放使用的通信网，如公用电话网、公用数据网等。 •  专用通信网：没有向公众开放而由某个部门或单位使用的通信网，如专用电话网等 •  数字通信网：抗干扰能力强，有较好的保密性和可靠性，目前已得到广泛应用。 •  模拟通信网：早期通信网，目前已很少应用。

59 4.2通信网的分层结构 应用层 业务网 SN1 业务网1 SNn 业务网n 支撑网 …… CPE/CPN 传送网 骨干传送网 接入网

60 4.3业务网的种类

61 4.4电信网的支撑网 No.7信令网 数字同步网 电信管理网（TMN）

62 4.4通信网的技术发展 通信技术数字化 通信业务综合 通信网络宽带化 通信服务个人化 网络管理智能化 网络互通融合化

63 5思考题 1 ． 在通信网中为什么要引入交换的功能？ 2 ．构成通信网的三个必不可少的要素是什么？
3 ．目前通信网中存在的交换方式主要有哪几种？ 4 ．电路交换、分组交换的虚电路方式以及 ATM 交换都采用 面向连接的工作方式，它们有何异同？ 5 ．同步时分复用和异步时分复用的特点是什么？ 6 ．面向连接和无连接的工作方式的特点是什么？ 7 ．分组交换、帧交换、帧中继有何异同？ 8 ．帧中继与 ATM 交换有何异同？