現(xiàn)代交換技術(shù)考點(diǎn)解析電路

——【大學(xué)生求職考試網(wǎng) 平臺(tái)】教研團(tuán)隊(duì)—電路交換枝術(shù)用于公用網(wǎng)絡(luò)，并且是建立在租用線的網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，它使通常比較低效。使用電路交換技術(shù)，在兩個(gè)通信的站點(diǎn)之間建立一條通路。在該連接存在期間，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的交換和傳輸資源完全為該電路的使用而保留。連接是透明的:一旦連接建立，對與之相連的設(shè)備來說，好像存在一條直接連接。隨著會(huì)用電信網(wǎng)絡(luò)的不斷數(shù)字化和復(fù)雜化，電路交換網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)重要方面已經(jīng)有了很大變化。簡單的分層路由選擇機(jī)制已經(jīng)被更靈活、更強(qiáng)大的層機(jī)制所取代。這反映了底層體系結(jié)構(gòu)上的相應(yīng)變化，它帶來了更高的效率和回彈力。簡單的隨路控制信令方式已經(jīng)被更靈活、速度更快的共路信令方式所取代。自從發(fā)明以來，電路交換一直是話音通信領(lǐng)域的主要技術(shù)，并因表現(xiàn)良好而在ISDN時(shí)代也能保留①一般情況下，超出局部范圍的數(shù) 傳輸，需要將數(shù)據(jù)源發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過一個(gè)由中間交換節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥康牡?，從而完成通信任?wù)。這種交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法有時(shí)也可以用于局域網(wǎng)或城域網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)這些交換節(jié)點(diǎn)并不關(guān)心數(shù)據(jù)的內(nèi)容，相反，它們的作用是提供了一種交換的，將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至這些數(shù)據(jù)到達(dá)它們的目的地。圖91所示為一種簡單的網(wǎng)絡(luò)。需要通信的端接設(shè)備可以稱為“站點(diǎn)”(saion)。這些站點(diǎn)可能是計(jì)算機(jī)、終端、機(jī)或其他通信設(shè)備。用于提供通信功能的備(node)它們通過傳輸鏈路以某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互相連接在一起揀個(gè)站點(diǎn)都要連接到一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，而這些節(jié)點(diǎn)的集合稱為“通信網(wǎng)絡(luò)"(communcationsnetwork)。中，來自站點(diǎn)A并希望到站點(diǎn),去的數(shù)據(jù)被發(fā)送到節(jié)點(diǎn)4。接著它們可能經(jīng)過節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6，或者節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)6被傳遞到目的站點(diǎn)。這個(gè)過程必須遵守下列規(guī)則:1.某些節(jié)點(diǎn)僅僅和其他節(jié)點(diǎn)相連接(如節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)7)。它們的全部任務(wù)就是數(shù)據(jù)的內(nèi)部交換{對網(wǎng)絡(luò)而言)(就是說數(shù)宇或文字)之外，還包括有話音、圖像以及視像等。功能之外，還要從相連站點(diǎn)上接收數(shù)據(jù)，或者向相連站點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的鏈路通常都是復(fù)用線路，所使用的技術(shù)不是頻分復(fù)用(FDM),就是時(shí)分復(fù)用(TDM)。通常，網(wǎng)絡(luò)并非是完全連接的。也就是說，并非在每一對可能的節(jié)點(diǎn)之間都有直接鏈路。不過，人們總是希望每兩個(gè)站點(diǎn)之間存在多條穿過網(wǎng)絡(luò)的可能通路。這樣做可以提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。廣域交換網(wǎng)使用的是兩種差別很大的技術(shù):傳輸?shù)侥康恼军c(diǎn)的途中，節(jié)點(diǎn)將這些信息從一條鏈路交換到另一條鏈路時(shí)采取的方式不同。在本章詳細(xì)介紹電路交換.而第10章的內(nèi)容則是分組交換。從分組交換衍生出了另外兩種方式，稱為幀中繼和A'f'M，將在第11章描述。電路交換經(jīng)由電路交換的通信，言外之意就是在兩個(gè)站點(diǎn)之間有一條的通信通路這條通路是由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的鏈路首尾相接形成的鏈路序列。在每條物理鏈都有該連接的邏輯信道。經(jīng)由電路交換的通信包括三個(gè)步驟，對它們的解釋可參考圖91。46的下一段路由。根據(jù)路由信息以及有效的測量值，可能再加上費(fèi)用等信息，節(jié)點(diǎn)4選擇了與節(jié)點(diǎn)5之間的鏈路，它在這條鏈分配一條空閑的信道(使用頻分復(fù)FDM或時(shí)分復(fù)TDM)，并發(fā)送E的報(bào)文。此時(shí)，從站A經(jīng)節(jié)點(diǎn)4到節(jié)點(diǎn)5的專用通路已經(jīng)建立。由于節(jié)點(diǎn)4可能連接了多個(gè)站點(diǎn)，因此它必須能夠建立從多個(gè)站點(diǎn)到多個(gè)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部通道。剩余的處理過程與此類似:節(jié)點(diǎn)5建立一條到達(dá)節(jié)點(diǎn)6的信道，并且將它與來自節(jié)點(diǎn)4的信道數(shù)據(jù)傳送（Datatransfer）。此時(shí)從站點(diǎn)A發(fā)出的信息就可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸军c(diǎn)E。這些數(shù)據(jù)可能是模擬的，也可能是數(shù)字的，取決于網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)隨著傳送載體逐步發(fā)展成完全的綜合數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，無淪是話音還是數(shù)據(jù)都使用數(shù)字(二進(jìn)制)傳輸?shù)姆绞秸诔蔀橹鲗?dǎo)方式。這條完整的通路是:從站A到節(jié)4的鏈路;4的內(nèi)部交換;4到節(jié)5的信道;經(jīng)一的內(nèi)部交換;從節(jié)5到節(jié)6的信道;經(jīng)儀6的內(nèi)部交換;從節(jié)6到站E的鏈路。一般來講，這此連電路斷連(Circuitdisconnect。經(jīng)過一段時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸之后，連接被終止，通常是由這兩個(gè)站點(diǎn)之中的某個(gè)站點(diǎn)發(fā)起的動(dòng)作。這個(gè)動(dòng)作信號必須到節(jié)點(diǎn)4,節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6，以取消分配的資源。請注意，連接的通路是在數(shù)據(jù)傳輸開始之前建立的。因此，通路中的每一對節(jié)點(diǎn)之間必須為該信道保留容量，而且每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須具備相應(yīng)的內(nèi)部交換能力來處理被請求的連接。這些交換機(jī)必須具有足夠的智能來完成這些分配工作，并建立一條經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)的路由。電路交換的效率叮能非常低。在連接期間信道的容量是的，即使是沒有數(shù)據(jù)可傳送，也不能給其他站點(diǎn)的信息傳輸使用。對于話音連接，其利用率可能比較高，但還是不能接近百分之百。對于從終端到計(jì)算機(jī)的連接，可能在大多數(shù)的連接時(shí)間里該容量都處于空閑狀態(tài)。從性能的角度來看，為了建立呼叫，信號在傳送之前總會(huì)存在一段時(shí)延。不過，一旦電路建立，網(wǎng)絡(luò)對于用戶的是很高的。信息以固定的數(shù)據(jù)率傳輸，除了經(jīng)過傳輸鏈路時(shí)的時(shí)延之外，不存在其他時(shí)延。在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的時(shí)延可以忽略不計(jì)。開發(fā)電路交換網(wǎng)是為了處理話音通信量，不過現(xiàn)在它也可用于數(shù)據(jù)通信量。電路交換網(wǎng)一個(gè)最著名的例子就是公用網(wǎng)（見圖9.2)。它實(shí)際上是集合了各個(gè)國家的網(wǎng)絡(luò)，并將這些網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)接起來，形成全球性的服務(wù)設(shè)施。雖然這個(gè)網(wǎng)絡(luò)最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為模擬用戶提供服務(wù)，但是通過調(diào)制解調(diào)器，它也可以處理大量的數(shù)據(jù)通信量，并且正在逐漸轉(zhuǎn)變成一個(gè)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。另一種眾所周知的電路交換應(yīng)用是小交換機(jī)(PBX)，它用于將一幢樓或一個(gè)內(nèi)的互相連接起來。電路交換還用在網(wǎng)絡(luò)上——一些公司或大型組織將它們白己處于不同位置的站點(diǎn)連接起來。通常它們由各個(gè)地點(diǎn)的PBX系統(tǒng)組成，并通過或租用的線路相互聯(lián)接，其中的租用線路是從一些電信公司如T&T等處租來的。電路交換應(yīng)用的最后一種常見例子是數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)交換與PBX相似，但卻是為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理設(shè)備之間的連接而沒計(jì)的，例如終端和計(jì)算機(jī)。一個(gè)公用電信網(wǎng)可用下述四種組成部分來描述.用戶(Subscriber):與網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備。在目前情況下，公用電信網(wǎng)的大多數(shù)用戶設(shè)備仍然是機(jī)，.用戶線路(Subscriberline):用戶和網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路，也稱為“用戶環(huán)路，"(subscriberloop或“本地環(huán)路”localloop。幾乎所有的本地環(huán)路連接使用的都是雙絞線。一般情況下，本地環(huán)路的長度范圍在幾千.交換局(Exchange):網(wǎng)絡(luò)的交換中心。能夠直接支持用戶的交換中心稱為端局endof-fice)。通常，一個(gè)端局可以支持本地區(qū)的幾千個(gè)用戶。在有19000個(gè)以上的端局，因此，顯然不可能每個(gè)端局與其他2x108條數(shù)量級的鏈路。為了解決這個(gè)問題，我們使用了中.中繼線（Trunk):交換局之間的干線線路。中繼線使用FDM或同步TDM運(yùn)載多路話音頻率信號。在用戶直接與一個(gè)端局相連接，端局負(fù)責(zé)用戶和用戶之間以及用戶和其他交換局之間的通信量交換。其他交換局負(fù)責(zé)的是端局之間通信量的路由選擇和交換。它們之間的差別如圖93所示。為了在與同一個(gè)端局相連的兩個(gè)用戶之間建立連接，這兩個(gè)用戶之間會(huì)以上述方式建立一條電路。如果兩個(gè)用戶分別連接到不同的端局，那么它們之間的電路由通過一個(gè)或多個(gè)中間交換局的電路連接而成。在圖中，只要簡單地設(shè)置一條經(jīng)過端局的連接，線路a和b之間的連接就建立了。c和d之間的連接較為復(fù)雜一些。在c的端局中，線路c要與通往中間交換局的TDM中繼線上的一條信道之間建立連接。在這個(gè)中間交換局中，該信道又與通往d的端局的TDM中繼線上的某條信道相連接。在d的端局，該信道連接到線路d。電路交換技術(shù)一直是在那些處理話音通信量的應(yīng)用推動(dòng)下發(fā)展的。話音通信量的一個(gè)關(guān)鍵要求是不存在實(shí)質(zhì)上的傳輸時(shí)延，當(dāng)然也不能有時(shí)延變化。由于傳輸和接收的信號速率相同，所以必須保持恒定的信號傳輸率。這個(gè)規(guī)定對于允許人類正常的來說是必不可少的。更進(jìn)一步講，接收到的信號質(zhì)量必須足夠高，至少要能夠聽得懂它的要優(yōu)勢之一在于它的透明性一旦建立起一條電路，對于連接到網(wǎng)絡(luò)上的兩個(gè)站點(diǎn)而言，它們之間好像有一條直接連接，任何一端都不需要特殊的網(wǎng)絡(luò)邏輯。交換的概了解電路交換最好的辦法是單個(gè)電路交換節(jié)點(diǎn)的操作過程。由單個(gè)電路交換節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)由站點(diǎn)的集合組成，這些站點(diǎn)連接到 交換單元上。 交換單元為任意兩個(gè)需要通信的設(shè)備之間建立一條通路。圖 所不為這種單節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的主要組成部分。交換機(jī)內(nèi)的虛線表示當(dāng)前處于活動(dòng)狀態(tài)的連接現(xiàn)代電路交換系統(tǒng)的關(guān)鍵部位是數(shù)字交換機(jī)(digitalswitch)。數(shù)字交換機(jī)的功能是向與其相連的任意一對網(wǎng)絡(luò)接口(network-inerface)部分代表的是將數(shù)字設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上所需要的功能及硬件，如數(shù)據(jù)處理設(shè)備或數(shù)字等。如果網(wǎng)絡(luò)接口中含有將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的邏輯，那么它也可以連接模擬設(shè)備。在通往其他數(shù)字交換機(jī)的中繼線上所運(yùn)載的是TDM信號，并為構(gòu)造多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)提供了鏈路?？刂茊卧?conroluni)要完成三類任務(wù)。首先，它要建立連接:通常是根據(jù)需要來完成(就是指當(dāng)所連接的設(shè)備發(fā)出請求時(shí))須連接。因?yàn)閿?shù)字交換機(jī)使用了時(shí)分原理，所以交換機(jī)的部分可能需要連續(xù)性的管理。不過，通信過程的比特傳輸是透明的（從相連設(shè)備的角度看)必須拆除連接，或者是響應(yīng)通信雙方中某一方的請求，或者是由于它自身的原因。電路交換設(shè)備的1個(gè)重要特性是它究競有阻塞還是無阻塞。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)站點(diǎn)之間因所有通路都正在使用而無法建立連接時(shí)就是發(fā)生了阻塞。所謂阻塞網(wǎng)絡(luò)(blockingnetwork)指的是有可能出現(xiàn)類似阻塞情況的網(wǎng)絡(luò)。那么，無阻塞網(wǎng)絡(luò)(nonblockingnetwork)就是只要在被叫方空閑的情況下，它允許所有站點(diǎn)立刻建立連接(成對的)，所有可能的連接請求都能夠被接受。通常，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)所支持的只有話音通信量時(shí)，將網(wǎng)絡(luò)配置成阻塞網(wǎng)絡(luò)是可接受的，因?yàn)槿缥覀兯A(yù)料的，大多數(shù)通話的持續(xù)時(shí)間并不長，因此在任何時(shí)間只可能有部分占線。不過，假如其中還涉及到數(shù)據(jù)處理設(shè)備，那么上述推斷可能無效。例如，對于近無阻塞”(阻塞的概率非常低)的設(shè)置?，F(xiàn)在讓我們回過頭來介紹單個(gè)電路交換節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部交換技術(shù)空分交換的最初開發(fā)是針對模擬環(huán)境的，而今它已逐漸轉(zhuǎn)入數(shù)字領(lǐng)域。不論交換機(jī)傳送的是模擬信號還是數(shù)字信號，其基本原理相同。正如其名字所暗示的，空分交換機(jī)就是信號通路與信號通路之間從物理上被分隔開(空間分隔)的交換機(jī)。每次連接都需要建立一條經(jīng)過該交換機(jī)的物理通路，該通路完全于這兩個(gè)端點(diǎn)之間的信號傳送交換機(jī)的基本構(gòu)成模塊是金屬交叉點(diǎn)，或者是可以由控制單元閉合或斷開的半導(dǎo)體門電路。圖9.5所示為一個(gè)簡單的矩陣，具有10條全雙工I/O線。這個(gè)矩陣有個(gè)輸人和10個(gè)輸出。每個(gè)站點(diǎn)遮過一條輸人線和一條輸出線與該矩陣相連接。只要閉合相應(yīng)的交叉點(diǎn)，任意兩條線路之間就能夠相互連接。注意總共需要100個(gè)交叉點(diǎn)。這種開關(guān)具有下列限制:.交叉點(diǎn)的數(shù)量以相連站點(diǎn)數(shù)量的平方數(shù)上升。對于大型交換機(jī)，其代價(jià)不菲。.一個(gè)交叉點(diǎn)的損壞使得在該交叉點(diǎn)上相交的線路所屬的設(shè)備之間無法連接.交叉點(diǎn)的利用率很低。哪怕所有的連接設(shè)備都處于活動(dòng)狀態(tài)，也只有一小部分交叉點(diǎn)被占用為了克服這些限制，我們采用了多級交換。圖9.6所示為一個(gè)二級交換的例子。這種排列方式比起單級矩陣有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):.交叉點(diǎn)的數(shù)量減少了，從而提高了矩陣的利用率:在這個(gè)例子中，10個(gè)站點(diǎn)所的交叉點(diǎn)總數(shù)從100個(gè)減少至48個(gè).多條通路可經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)連接兩個(gè)端點(diǎn)，從而提高了可靠當(dāng)然，多級網(wǎng)絡(luò)需要更加復(fù)雜的控制機(jī)制。在單級網(wǎng)絡(luò)中，建立一條通路只需要閉合一個(gè)門電路。在多級網(wǎng)絡(luò)中，需要找出一條經(jīng)過各級的閑置通路，并且閉合相應(yīng)的門電路。使用多級空分交換需要注意的一個(gè)間題是它可能被阻塞。從圖95中可清楚地看出單級矩陣是無阻塞網(wǎng)絡(luò)。也就是說，有一條通路可用于連接一個(gè)輸入和一個(gè)輸出。而在使用多級交換時(shí)的情況就不是這樣了，從圖9.6中可看出。圖中在這種狀態(tài)下，比如說輸人線10就不能與輸出線3,4或5相連接，即使所有這些輸出線都是可用的。通過增交換技術(shù)其有悠久的厲史，其中有很長一段時(shí)間是模擬信號交換占主牢地位的時(shí)代。隨著數(shù)字化話音和同步時(shí)分復(fù)用技術(shù)的出現(xiàn)，不論是話音還是數(shù)據(jù)都可以用數(shù)字信號來傳輸，它導(dǎo)致了交換系統(tǒng)在設(shè)計(jì)及技術(shù)上的根本性改變。相當(dāng)笨拙的老式空分系統(tǒng)目前已經(jīng)很少使用了，現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)依靠的是對空分或時(shí)分單元的智能化控制。事實(shí)上，所有的現(xiàn)代電路交換機(jī)都使用數(shù)字時(shí)分技術(shù)來建立及這些“電路”。時(shí)分交換涉及到將低速率的比特流分割成許多小塊，然后與其他比特流一起共享速率較高的容量。這些獨(dú)立的數(shù)據(jù)塊或者說TDM總線交換。TDM總線交換的基礎(chǔ)是使用了同步時(shí)分復(fù)用(TDM),而事實(shí)上所有數(shù)字交換技術(shù)都是以TDM為基礎(chǔ)的。正如我們在圖86中看到的，同步TDM允許多個(gè)低速率的比特流共條高速線路。一組輸入被依次采樣。結(jié)果得到的樣本被順序地組織到各時(shí)隙中(信道)，從而形成由這些時(shí)隙組成的新的幀，且每個(gè)幀的時(shí)隙數(shù)等于輸人信號的個(gè)數(shù)。一個(gè)時(shí)隙可能是一個(gè)比特、一個(gè)字節(jié)或更長一些的數(shù)據(jù)塊。其中值得注意的一點(diǎn)是使用同步TDM時(shí)，每個(gè)時(shí)隙數(shù)據(jù)的來源和目的都是已知的，因此沒有必要為每個(gè)時(shí)隙設(shè)址位圖97所示為這種技術(shù)應(yīng)用到交換中的一種簡單方法。所有設(shè)備都通過全雙工線路與交換機(jī)相連。這些線路通過一些控制門電路連接到高速數(shù)字總線上。為了提供輸入數(shù)據(jù)，每條線路都預(yù)先分配有一個(gè)時(shí)隙在某個(gè)時(shí)隙期間，對應(yīng)線路的門電路被啟用(enabed)，允許一小串?dāng)?shù)據(jù)抵達(dá)總線。同樣在該時(shí)隙中，1條其他線路的門電路被啟用，以允許該線路輸出。因此，在該時(shí)隙的時(shí)間段中，從啟用的輸人線傳過來的數(shù)據(jù)被交換到啟用的輸出線。在接下來的時(shí)隙中，不同的輸人/輸出對(pair)被啟用，從而允許在共享的總線上運(yùn)載多條連接。如果一個(gè)相連設(shè)備在某個(gè)預(yù)先分配的時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)，而在另一個(gè)時(shí)隙接收數(shù)據(jù)，那么就可以完成全雙工操作。在連接的另一端是一個(gè)/O對，對它們而言，對應(yīng)的預(yù)先分配時(shí)隙所表示的含義正好相反。讓我們更進(jìn)一步地看看這其中涉及到的時(shí)序關(guān)系。首先設(shè)想 的無阻塞網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。比如說，于可支持100臺(tái)設(shè)備的交換機(jī)，就必須具有100個(gè)重復(fù)出現(xiàn)的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙都分配給一條輸入線路和一條輸出線路。所有的時(shí)隙完整重復(fù)一次就稱作一個(gè)幀。輸入的時(shí)隙分配可能是固定的，而輸出的時(shí)隙分配是可變的以允許不的連接。當(dāng)個(gè)時(shí)隙開后，指(啟用)的輸人線可能會(huì)插進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)串，這個(gè)數(shù)據(jù)串由此處通過所有其他的輸出線路到線路兩端。那么指定(啟用)的輸出線路會(huì)有數(shù)據(jù)的情況下，當(dāng)這些數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)它們。因此，這個(gè)時(shí)隙的長度必須等于輸入的傳輸時(shí)間加上在輸人和輸出之間通過總線的時(shí)延。為了使連續(xù)不斷的時(shí)隙大小保持致，時(shí)隙長度的定義為傳輸時(shí)間加上端對端的總線時(shí)延為了能夠趕上輸入線路的速度，總線上的數(shù)據(jù)率必須足夠高，使時(shí)隙能