現(xiàn)代交換原理與通信網技術.ppt

1、卞佳麗 等編著,課件制作: 王傳云,現(xiàn)代交換原理與通信網技術,一、平時成績由以下四部分組成： 1.考勤 10% 2.作業(yè) 8% 3.平時 2% 4.實驗 10% 二、考核成績： 平時成績(30%)+ 考試 (70%),成績評定,第1章 交換概論,第2章 交換網絡,第3章 數(shù)字程控電話交換與電話交換網,第4章 信令系統(tǒng),第5章 分組交換與分組交換網,第6章 ISDN交換與綜合業(yè)務數(shù)字網,第7章 ATM交換與寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網,第8章 IP交換技術,第9章 軟交換與下一代網絡,目錄,第10章 光交換,現(xiàn)代交換原理與通信網技術,第1章 交換概論,內容: 什么是交換 為什么在通信網中一定要引入交換的功

2、能 通信網中交換設備究竟完成哪些功能 在現(xiàn)有通信網中都有哪些交換方式 不同交換方式之間的區(qū)別是什么,第1章 交換概論,1.1 交換的引入,一個最簡單的通信系統(tǒng)是只有兩個用戶終端和連接這兩個終端的傳輸線路所構成的通信系統(tǒng)，這種通信系統(tǒng)所實現(xiàn)的通信方式，我們稱之為點到點通信方式，如圖1.1所示。,圖1.1 點到點通信方式,第1章 交換概論,1.1 交換的引入,圖1.1.1 用戶個個相連,圖1.1.2 交換節(jié)點的引入,第1章 交換概論,1.1 交換的引入,圖1.1.3 采用多個交換節(jié)點,第1章 交換概論,1.2 交換方式,對應于各種傳送模式的交換方式，是交換節(jié)點為了完成交換功能所采用的互通技術?，F(xiàn)在

3、已經出現(xiàn)了多種交換方式，如下圖：,多種交換方式,電路傳送模式（CTM）或同步傳送模式（STM）,分組傳送模式（PTM）,圖1.2.1 各種交換方式,連接釋放階段,第1章 交換概論,1.2 交換方式,建立階段,信息傳送（通話）,1、電路交換的基本過程：,第1章 交換概論,1.2 交換方式,圖1.2.2 電路交換的基本過程,第1章 交換概論,1.2 交換方式,2、電路交換的特點, 僅當呼叫建立與釋放時間相對于通信的持續(xù)時間很小時才呈現(xiàn)高效率,1)信息傳送的最小單位是時隙, 在通信前要有連接建立過程, 只要用戶不發(fā)出釋放信號即使通信暫時停頓物理連接仍然保持；, 物理連接的任何部分發(fā)生故障都會引起通信

4、的中斷；,2)要在通信的用戶間建立專門的物理連接通路，從而又引起以下的特點：,第1章 交換概論,1.2 交換方式,2、電路交換的特點,3)信息具有透明性:對通信信息不做處理（信令除外），而是原封不動地傳送，用低速數(shù)據傳送時不進行速率、碼型的變換。 4)同步時分復用（固定分配帶寬）如圖:,同步時分復用的基本原理,5）對傳送的信息無差錯控制措施 6）用基于呼叫損失制的方法來處理業(yè)務流量，過負荷時呼損率增加，但不影響已建立的呼叫,第1章 交換概論,1.2 交換方式,通過上述對電路交換特點的分析： 1.通信網的業(yè)務特性決定了所采用的交換方式的特點: 電話通信網中的話音業(yè)務，具有實時性強、可靠性要求不高

5、的特點，而電路交換不管是其面向連接的特點，還是對信息無差錯控制、透明傳輸以及基于呼叫損失制的流量控制特點，都滿足了話音業(yè)務的特性，因而電話通信網采用電路交換方式。 2. 電路交換由于無差錯控制機制,因而對數(shù)據交換的可靠性沒有分組交換高，不適合對差錯敏感的數(shù)據業(yè)務； 3.由于電路交換采用固定帶寬分配方式，因而其電路利用率低、不適合突發(fā)（burst）業(yè)務。電路交換適合于實時性、恒定速率的業(yè)務。,第1章 交換概論,1.2 交換方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,電路交換,一種傳輸速率(例如64kbit/s),為了適應多種業(yè)務需要,多速率電路交換,多種傳輸速率,第1章 交換概論,1.2 交換方式

6、,在交換節(jié)點內部的交換網絡及其控制必須適應多速率交換的要求，有兩種實現(xiàn)方法，如下：,圖1.12采用多種基本信道速率的多速率電路交換系統(tǒng),圖1.11 采用不同基本信道 速率的幀結構,第1章 交換概論,1.2 交換方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,多速率電路交換缺點,基本速率較難確定 速率類型不能太多 不適應突發(fā)業(yè)務 控制較復雜,為了克服電路交換固定分配帶寬的缺點，提高靈活性，在1982年提出了快速電路交換（FCS）方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,1、快速電路交換的基本過程：,發(fā)送信息時,信息要傳送時,呼叫建立時,分配帶寬和資源,在相應路由上分配所需寬帶，并且“記憶”所分配的帶寬

7、和去向 建立“虛電路”或稱“邏輯電路”,激活虛電路，建立物理連接,第1章 交換概論,1.2 交換方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,快速電路交換特點,由于并不為每個呼叫專門分配和保留其所需的寬帶，因此提高了帶寬的使用效率； 物理連接的建立和拆除要有相當高的速度； 由于只有當信息發(fā)送時才建立真正的連接，因此時延比通常的電路交換要大。,第1章 交換概論,1.2 交換方式,分組交換（PS）采用存儲轉發(fā)方式 為此，先介紹報文交換,第1章 交換概論,1.2 交換方式,1、報文交換的基本概念,報文交換（又稱存儲轉發(fā)交換）：,傳送內容:用戶信息+目的地址+源地址,交換節(jié)點:分析目的地址和選擇路由,應用

8、：公用電信網的電報自動交換,與電路交換的原理不同，不需要提供通信雙方 的物理連接，而是將所有接收的報文暫時存儲；,可進行速率、碼型變換，具有差錯控制措施,發(fā)送多目的地址的報文,第1章 交換概論,1.2 交換方式,報文交換的時延,第1章 交換概論,1.2 交換方式,2、分組交換的基本概念,分組交換：也采用存儲轉發(fā)方式；,分組內容:分組頭（選路信息+控制信息）,分組交換節(jié)點:對各個分組分別處理，按其中的 選路信息選擇去向,應用：非實時的數(shù)據業(yè)務,與報文交換不同在于：將用戶信息分割為若干分組,第1章 交換概論,1.2 交換方式,圖1.2.4 分組交換的時延,第1章 交換概論,1.2 交換方式,分組交

9、換可以提供兩種服務方式： 虛電路方式 數(shù)據報方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,3、虛電路方式和數(shù)據報方式,虛電路:,特點：,邏輯連接(通過通信連接上的所有交換節(jié)點保存選路結果和路由連接關系來實現(xiàn)連接的) 不獨占線路，同一物理線路可同時建立多個虛電路；,建立：,拆除：,在用戶數(shù)據傳送前先要通過發(fā)送呼叫請求分組建立端到段之間的虛電路，屬于同一呼叫的數(shù)據分組均沿著這一虛電路傳送，,通過呼叫清除分組來拆除虛電路,圖1.14 虛電路方式特點,第1章 交換概論,1.2 交換方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,種類：,交換虛電路（SVC）：,應用戶預約，由網絡運營者為之建立固定 的虛電路，不需

10、要在呼叫時臨時建立虛電路 可以直接進入數(shù)據傳送階段，,永久虛電路（PVC）：,通過用戶發(fā)送呼叫請求分組來建立虛電路，,第1章 交換概論,1.2 交換方式,數(shù)據報:,不需要預先建立連接，而是按照每個分組 頭的目的地址對各個分組獨立進行選路,稱為 無連接方式；,圖1.15 數(shù)據報方式特點,第1章 交換概論,1.2 交換方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,面向連接工作方式和無連接工作方式的特點,（1）面向連接工作方式的特點： 不管是面向物理的連接還是面向邏輯的連接，其通信過程可分為三個階段：連接建立、傳送信息、連接拆除。 一旦連接建立，該通信的所有信息均沿著這個連接路徑傳送，且保證信息的有序性

11、（發(fā)送信息順序與接收信息順序一致） 信息傳送的時延相比無連接工作方式要小。 一旦所建立的連接出現(xiàn)故障，信息傳送就要中斷，必須重新建立連接，因此對故障敏感。,（2）無連接工作方式的特點： 沒有連接建立過程，一邊選路、一邊傳送信息。 屬于同一個通信的信息沿不同路徑到達目的地，該路徑事先無法預知，無法保證信息的有序性（發(fā)送信息順序與接收信息順序不一致）。 信息傳送的時延相比面向連接工作方式要大。 對網絡故障不敏感。,第1章 交換概論,1.2 交換方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,虛電路與數(shù)據報的比較：,第1章 交換概論,1.2 交換方式,分組交換具有以下6個特點,信息傳送的最小單位是分組（P

12、acket） 分組由分組頭和用戶信息組成(分組頭含有選路和控制信息) 面向連接（邏輯連接）和無連接兩種工作方式: (虛電路采用面向連接的工作方式，數(shù)據報是無連接工作方式。) 統(tǒng)計時分復用（動態(tài)分配帶寬）,圖1.16 統(tǒng)計時分復用的基本原理,第1章 交換概論,1.2 交換方式,統(tǒng)計時分復用的基本原理:是把時間劃分為不等長的時間片，長短不同的時間片就是傳送不同長度分組所需的時間，對每路通信沒有固定分配時間片，而是按需來使用。當某路通信需要傳送的分組多時，所占用的時間片的個數(shù)就多；傳送的分組少時，所占用的時間片的個數(shù)就少。這也就意味著使用這條復用線傳送分組時間的長短，由此可見統(tǒng)計時分復用是動態(tài)分配帶

13、寬的。 信息傳送有差錯控制 信息傳送不具有透明性 基于呼叫延遲制的流量控制 分組交換的技術特點決定了它不適合對實時性要求較高 的話音業(yè)務，而適合突發(fā)（burst）和對差錯敏感的數(shù)據業(yè)務。,第1章 交換概論,1.2 交換方式,幀交換:,是一種幀方式的承載業(yè)務，在數(shù)據鏈路層上以簡化的方式來傳送和交換數(shù)據單元,幀方式：是將用戶信息流以幀為單位在網絡內傳送；,幀：在第2層傳送的數(shù)據單元； 分組：在第3層傳送的數(shù)據單元,第1章 交換概論,1.2 交換方式,圖1.17 分組交換、幀交換、幀中繼協(xié)議處理的不同,第1章 交換概論,1.2 交換方式,電路交換,多速率電路交換,快速電路交換,ATM交換,快速分組交

14、換,幀交換,分組交換,幀交換:,特點：,在第二層進行復用和傳送；,將用戶面與控制面分離：,用戶面：提供用戶信息的傳送；,控制面：提供呼叫和連接的控制，主要是信令功能；,幀中繼(FR),第1章 交換概論,1.2 交換方式,幀中繼與幀交換方式相比，其協(xié)議進一步簡化，它不僅沒有三層協(xié)議功能，而且對二層協(xié)議也進行了簡化。它只保留了二層數(shù)據鏈路層的核心功能,沒有了流量控制、重發(fā)等功能，以達到為用戶提供高吞吐量、低時延特性，并適合突發(fā)性的數(shù)據業(yè)務的目的。,表1.1 分組交換、幀交換、幀中繼技術特點比較,第1章 交換概論,1.2 交換方式,快速分組交換（FPS）：,可理解為盡量簡化協(xié)議，只具有核心的網絡功能

15、，以提供高速、高吞吐量、低時延的服務交換方式；,專指ATM交換，但廣義的FPS包括幀中繼和信元中繼兩種方式；,只具有核心的網絡功能的條件：,高帶寬、高傳輸質量的光纖系統(tǒng)的應用；,終端系統(tǒng)的日益智能化；,只具有核心的網絡功能，,只具有核心的網絡功能的條件：,第1章 交換概論,1.2 交換方式,ATM交換：,CTM技術特點是固定分配帶寬、面向物理連接、同步時分復用，適應實時話音業(yè)務，具有較好的時間透明性； PTM技術特點是動態(tài)分配帶寬、面向無連接或邏輯連接、統(tǒng)計時分復用，適應可靠性要求較高、有突發(fā)特性的數(shù)據通信業(yè)務，具有較好的語義透明性。 ATM交換技術是以分組傳送模式為基礎并融合了電路傳送模式的

16、優(yōu)點發(fā)展而來的，兼具分組傳送模式和電路傳送模式的優(yōu)點。,概念：,異步傳輸模式，用于寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網的復用、傳輸和交換；,第1章 交換概論,1.2 交換方式,ATM交換：,第1章 交換概論,1.2 交換方式,特點：,固定長度的信元中繼：,信元：信頭信息域，固定長度，53字節(jié),采用很短的信元可以減少交換節(jié)點內部的 緩沖器容量以及排隊時延和時延抖動；,有利于簡化交換控制和緩沖器處理，,第1章 交換概論,1.2 交換方式,特點：,固定長度的信元中繼：,信頭簡化：,面向連接：,異步時分交換:,虛連接標識、優(yōu)先級、信頭的差錯檢驗,需先建立虛連接，分為VCC和VPC兩個等級,一個信元占有一個位置，但不固定

17、分配；,信頭中的差錯檢驗時針對信頭本身的；,STD:按時間位置來區(qū)分連接； ATD:按信元的信頭來區(qū)分連接,第1章 交換概論,1.2 交換方式,ATM交換,綜述: ATM技術是以分組傳送模式為基礎并融合了電路傳送模式高速化的優(yōu)點發(fā)展而成的。 采用異步時分復用方式，實現(xiàn)了動態(tài)分配帶寬，可適應任意速率的業(yè)務； 固定長度的信元和簡化的信頭，使快速交換和簡化協(xié)議處理成為可能，從而極大地提高了網絡的傳輸處理能力，使實時業(yè)務應用成為可能。,第1章 交換概論,1.2 交換方式,疊加模型的IP交換技術主要有: CIP、LANE和MPOA 在疊加模式中:IP層運行于ATM層之上; 實現(xiàn)信息傳送需要: 兩套地址A

18、TM地址和IP地址; 兩種選路協(xié)議ATM選路協(xié)議和IP選路協(xié)議，還需要地址解析功能，完成IP地址到ATM地址的映射。,IP交換：,是指一類IP與ATM融合的技術它主要有兩大類： 疊加模型、集成模型。,第1章 交換概論,1.2 交換方式,第1章 交換概論,1.2 交換方式,集成模型的IP交換技術主要有: IP交換、Tag交換和MPLS 在集成模式中，只需要: 一種地址:IP地址; 一種選路協(xié)議-IP選路協(xié)議，無需地址解析功能，不涉及ATM信令，但需要專用的控制協(xié)議來完成3層選路到2層直通交換機構的映射。,IP交換：,第1章 交換概論,1.2 交換方式,光交換：,轉換過程不僅效率低下，而且由于涉及

19、到電信號的處理，要受到電子器件速率“瓶頸”的制約。,圖1.19 光信號的電交換,第1章 交換概論,1.2 交換方式,光交換是基于光信號的交換; 在整個光交換過程中，信號始終以光的形式存在，在進出交換機時不需要進行光/電轉換或者電/光轉換，從而大大提高了網絡信息傳送和處理能力。,光交換：,圖1.20 光交換,第1章 交換概論,1.2 交換方式,軟交換：,NGN（Next Generation Network）即下一代網絡，實現(xiàn)了傳統(tǒng)的以電路交換為主的PSTN網絡向以分組交換為主的IP電信網絡的轉變，從而使在IP網絡上發(fā)展語音、視頻、數(shù)據等多媒體綜合業(yè)務成為可能。 軟交換是下一代網絡的控制功能實體

20、，它獨立于傳送網絡，主要完成呼叫控制、資源分配、協(xié)議處理、路由、認證、計費等主要功能，同時可以向用戶提供現(xiàn)有電路交換機所能提供的所有業(yè)務，并向第三方提供可編程能力，它是下一代網絡呼叫與控制的核心。,第1章 交換概論,1.2 交換方式,軟交換最核心的思想: 是業(yè)務/控制與傳送/接入相分離，,特點: 應用層和控制層與核心網絡完全分開，以利于快速方便的引進新業(yè)務； 傳統(tǒng)交換機的功能模塊被分離為獨立的網絡部件，各部件功能可獨立發(fā)展； 部件間的協(xié)議接口標準化，使自由組合各部分的功能產品組建網絡成為可能，使異構網絡的互通方便靈活； 具有標準的全開放應用平臺，可為客戶定制各種新業(yè)務和綜合業(yè)務，最大限度的滿足

21、用戶需求。,軟交換：,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),圖1.21 電信交換系統(tǒng)的基本結構,交換系統(tǒng)的基本結構: 電信交換系統(tǒng)主要由信息傳送子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)組成。,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),1、信息傳送子系統(tǒng) :,包括交換網絡和各種接口 : 交換網絡: 對于信息傳送子系統(tǒng)來說，交換就是信息（話音、數(shù)據等）從某個接口進入交換系統(tǒng)經交換網絡的交換從某個接口出去; 交換系統(tǒng)中完成交換功能的主要部件就是交換網絡，交換網絡的最基本功能就是實現(xiàn)任意入線與出線的互連，它是交換系統(tǒng)的核心部件。,第1章 交換概論,互連技術,任意入線與任意出線之間的互連,可以是物理連接，也可以是虛連接,主要涉及硬件

22、技術,包括拓撲結構、選路策略、控制機理、多播方法、阻塞特性和故障防衛(wèi),1.3 交換系統(tǒng),第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),拓撲結構：,互連網絡都有一定的拓撲結構，是互連技術要解決的第一個主要問題,分為兩類：時分結構和空分結構,時分結構：包括共享媒體和共享存儲器,空分結構：由交換單元構成的單級或多級拓撲結構,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),選路策略：,主要針對多級空分拓撲結構，是交換節(jié)點的互連網絡內部的選路；,條件選擇與逐級選擇,條件選擇：從全盤考察，在指定的入端和出端之間選擇一條可用的通路；,逐級選擇：不從全盤考察，逐級選擇一條出線，直到出端；,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),選路策

23、略：,自由選擇與指定選擇,自由選擇：,指定選擇：只能選擇某一級出線中指定的一條或 一小群，才能到達出端；,條件選擇與逐級選擇,指某一級出線可以任意選擇，無論哪一條出線都可以到達出端；,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),阻塞特性：,連接阻塞與傳送阻塞,反映了在呼叫建立或用戶信息傳送時，由于互連網絡的擁塞而遭受損失的現(xiàn)象；,連接阻塞：,在呼叫建立階段，呼叫遭到拒絕，要重新發(fā)起呼叫，可稱為損失制,傳送阻塞：,在信元傳送階段產生的阻塞，,對于ATM更為重要,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),阻塞特性：,連接阻塞與傳送阻塞,有阻塞與無阻塞,有阻塞網絡：,電話交換,無阻塞網絡：,嚴格無阻塞：,廣義無阻

24、塞：,再配置無阻塞：,任意占用狀態(tài),連接遵循特定的選路規(guī)則,通過對已建立的連接進行調整,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),信令技術：,用戶信令和局間信令,主要為了實現(xiàn)任意用戶之間的呼叫連接，完成交換功能；,用戶信令：,在用戶與交換節(jié)點之間的用戶線上傳送的信令,局間信令：,電信網中各個交換節(jié)點之間傳送的信令,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),信令技術：,用戶信令和局間信令,隨路信令：,信令與話音在同一條通路上傳送,線路信令：,記發(fā)器信令：,隨路信令和共路信令,按傳送方向分：,按傳送媒介分：,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),信令技術：,用戶信令和局間信令,隨路信令：,隨路信令和共路信令,共

25、路信令：,信令通路與用戶信息通路分離,標記型信令：,信令消息中必須包含用來識別屬于哪個呼叫連接的標記；,分層協(xié)議結構：,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),1、信息傳送子系統(tǒng) :,包括交換網絡和各種接口 : 接口:,功能主要是將進入交換系統(tǒng)的信號轉變?yōu)榻粨Q系統(tǒng)內部所適應的信號，或者是相反的過程，這種變換包括信號碼型、速率等方面的變換; 接口主要分兩大類：用戶接口和中繼接口，用戶接口是交換機連接用戶線的接口，中繼接口是交換機連接中繼線的接口，主要有數(shù)字中繼接口和模擬中繼接口;,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),由處理機及其運行的系統(tǒng)軟件、應用軟件和OAM軟件所組成的。 控制子系統(tǒng)使用信令與用戶

26、和其它交換系統(tǒng)（交換節(jié)點）進行“協(xié)調和溝通”，以完成對交換的控制。 信令是通信網中規(guī)范化的控制命令，它的作用是控制通信網中各種通信連接的建立和拆除，并維護通信網的正常運行。,2、控制子系統(tǒng),第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),通信網中通信接續(xù)的類型，即交換節(jié)點需要控制的基本接續(xù)類型主要有4種： 即本局接續(xù) 出局接續(xù) 入局接續(xù) 轉接（匯接）接續(xù),圖1.22 交換系統(tǒng)的接續(xù)類型,交換系統(tǒng)的基本功能,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),本局接續(xù) 只在本局用戶之間建立的接續(xù)，即通信的主、被叫都在同一個交換局; 出局接續(xù) 是主叫用戶線與出中繼線之間建立的接續(xù)，即通信的主叫在本交換局，而被叫在另一個交換局

27、; 入局接續(xù) 是被叫用戶線與入中繼線之間建立的接續(xù)，即通信的被叫在本交換局，而主叫在另一個交換局; 轉接（匯接）接續(xù) 是入中繼線與出中繼線之間建立的接續(xù)，即通信的主被叫都不在本交換局;,交換系統(tǒng)的基本功能,第1章 交換概論,1.3 交換系統(tǒng),能正確識別和接收從用戶線或中繼線發(fā)來的通信發(fā)起信號 能正確接收和分析從用戶線或中繼線發(fā)來的通信地址信號 能按目的地址正確地進行選路以及在中繼線上轉發(fā)信號 能控制連接的建立與拆除 能控制資源的分配與釋放,為了完成上述的交換接續(xù),交換節(jié)點必須具備的最基本的功能如下:,第1章 交換概論,1.4 以交換為核心的通信網,根據通信網支持業(yè)務的不同進行分類： 電話通 電

28、報通信網 數(shù)據通信網 綜合業(yè)務數(shù)字網（ISDN）等 根據通信網采用的傳送模式的不同進行分類： 電路傳送網：PSTN、ISDN 分組傳送網：PSPDN、FRN 異步傳送網：B-ISDN,通信網的分類:,第1章 交換概論,1.4 以交換為核心的通信網,根據通信網采用傳輸媒介的不同進行分類： 有線通信網：架空明線、電纜、光纜; 無線通信網：電磁波; 根據通信網使用場合的不同進行分類： 公用通信網： 專用通信網： 根據通信網傳輸和交換采用信號的不同進行分類： 數(shù)字通信網： 模擬通信網：,通信網的分類:,第1章 交換概論,1.4 以交換為核心的通信網,圖1.23 通信網的分層結構,通信網的分層體系結構:,