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电路交换技术
第9章电路交换
.电路交换枝术用于公用网络，并且是建立在租用线路上的专用网络的根底，它使用
电路交换机。
电路交换的开发是为了处理话音通信量，但也可以用于处理数字数据，虽
然后一种应用通常比拟低效。
.使用电路交换技术，在两个通信的站点之间建立一条专用通路。
在该连接存在期间，网
络内的交换和传输资源完全为该电路的使用而保存。
连接是透明的:
一旦连接建立，对
与之相连的设备来说，好似存在一条直接连接。
.随着会用电信网络的不断数字化和复杂化，电路交换网络的几个重要方面已经有了很
大变化。
简单的分层路由选择机制已经被更灵活、更强大的非分层机制所取代。
这反
映了底层体系构造上的相应变化，它带来了更高的效率和回弹力。
简单的随路控制信
令方式已经被更灵活、速度更快的共路信令方式所取代。
自从创造以来，电路交换一直是话音通信领域的主要技术，并因表现良好而在ISDN
时代也能保存有一席之地。
木章首先介绍交换通信网的概念，然后简单浏览一下电路交换网
的主要特点。
9.1交换网络
一般情况下，超出局部范围的数据①传输，需要将数据源发出的数据经过一个由中间交
换节点构成的网络传输到目的地，从而完成通信任务。
这种交换网络的设计方法有时也可以
用于局域网或城域网的实现这些交换节点并不关心数据的内容，相反，它们的作用是提供了
一种交换的手段，将数据从一个节点转移到另一个节点，直至这些数据到达它们的目的地。
图
9.1所示为一种简单的网络。
需要通信的端接设备可以称为"站点〞（station）。
这些站点可能
是计算机、终端、机或其他通信设备。
用于提供通信功能的交换设备称为"节点〞（node）,
它们通过传输链路以某种拓扑构造互相连接在一起拣个站点都要连接到一个节点上，而这
些节点的集合称为"通信网络"（municationsnetwork）。
本章以及后三章中讨沦的网络类型称为"交换式通信网〞（switchedmunicationnetwork）。
数据从一个站点进人网络后，经过由一个节点到另一个节点的交换，最后被传递到目的地。
例
如，在图9.1中，来自站点A并希望到站点F,去的数据被发送到节点4。
接着它们可能经过节
点5和节点6，或者节点7和节点6被传递到目的站点。
这个过程必须遵守以下规那么:
1.某些节点仅仅和其他节点相连接（如节点5和节点7）。
它们的全部任务就是数据的内
部交换{对网络而言）。
还有一些节点或多或少要与一些站点相连接。
此类节点除了具有交换
这里使用的数据这个术语是非常笼统的说法，除了晋通的数据（就是说数宇或文字）之外，还包括有话音、图像以及视像等。
功能之外，还要从相连站点上接收数据，或者向相连站点传送数据。
2.节点与节点之间的链路通常都是复用线路，所使用的技术不是频分复用（FDM）,就是
时分复用（TDM）。
3.通常，网络并非是完全连接的。
也就是说，并非在每一对可能的节点之间都有直接链
路。
不过，人们总是希望每两个站点之间存在多条穿过网络的可能通路。
这样做可以提高网
络的可靠性。
广域交换网使用的是两种差异很大的技术:
电路交换和分组交换。
这两种技术的主要区
别在于信息从源站点传输到目的站点的途中，节点将这些信息从一条链路交换到另一条链路
时采取的方式不同。
我们将在本章详细介绍电路交换.而第10章的内容那么是分组交换。
从分
组交换衍生出了另外两种方式，称为帧中继和A'f'M，将在第11章描述。
9.2电路交换网
经由电路交换的通信，言外之意就是在两个站点之间有一条专用的通信通路这条通路
是由网络节点之间的链路首尾相接形成的链路序列。
在每条物理链路上都有该连接的专用逻
辑信道。
经由电路交换的通信包括三个步骤，对它们的解释可参考图9.1。
1.电路建立（Circuitestablishment）。
在能够发送任何信号之前，首先必须建立一条端对
端（站点到站点）的电路。
例如，站点A向节点4发送一个请求，请求连接到站点E。
通常，从
A到节点4的链路是专线，因此，这一局部的连接已经存在节点4必须找出通往节点6的下
一段路由。
根据路由信息以及有效的测量值，可能再加上费用等信息，节点4选择了与节点5
之间的链路，它在这条链路上分配一条空闲的信道（使用频分复用FDM或时分复用TDM），并
发送请求连接到E的报文。
此时，从站点A经节点4到节点5的专用通路已经建立。
由于节
点4可能连接了多个站点，因此它必须能够建立从多个站点到多个节点的内部通道。
剩余的
处理过程与此类似:
节点5建立一条到达节点6的专用信道，并且将它与来自节点4的信道
联系起来。
节点6完成到达站点E的连接在连接完成的时候会进展测试，以判断E是处于
忙状态，还是准备承受该连接。
2.数据传送〔Datatransfer〕。
此时从站点A发出的信息就可以经过网络传输到站点E。
这些数据可能是模拟的，也可能是数字的，取决于网络的性质随着传送载体逐步开展成完全
的综合数字网络，无沦是话音还是数据都使用数字（二进制）传输的方式正在成为主导方式。
这条完整的通路是:
从站点A到节点4的链路;经节点4的内部交换;从节点4到节点5的信
道;经一节点5的内部交换;从节点5到节点6的信道;经仪点6的内部交换;从节点6到站点E
的链路。
一般来讲，这此连接是全双工的。
3.电路断连（Circuitdisconnect）。
经过一段时间的数据传输之后，连接被终止，通常是由
这两个站点之中的某个站点发起的动作。
这个动作信号必须传播到节点4,节点5和节点6，
以取消分配的专用资源。
请注意，连接的通路是在数据传输开场之前建立的。
因此，通路中的每一对节点之间必须
为该信道保存容量，而且每个节点必须具备相应的内部交换能力来处理被请求的连接。
这些
交换机必须具有足够的智能来完成这些分配工作，并建立一条经过网络的路由。
电路交换的效率叮能非常低。
在连接期间信道的容量是专用的，即使是没有数据可传送，
也不能给其他站点的信息传输使用。
对于话音连接，其利用率可能比拟高，但还是不能接近百
分之百。
对于从终端到计算机的连接，可能在大多数的连接时间里该容量都处于空闲状态。
从性能的角度来看，为了建立呼叫，信号在传送之前总会存在一段时延。
不过，一旦电路建立，
网络对于用户的透明度是很高的。
信息以固定的数据率传输，除了经过传输链路时的传播时
延之外，不存在其他时延。
在每个节点上的时延可以忽略不计。
开发电路交换网是为了处理话音通信量，不过现在它也可用于数据通信量。
电路交换网
一个最著名的例子就是公用网〔见图9.2）。
它实际上是集合了各个国家的网络，并将这
些网络相互联接起来，形成全球性的效劳设施。
虽然这个网络最初的设计和实现目标是为模
拟用户提供效劳，但是通过调制解调器，它也可以处理大量的数据通信量，并且正在逐渐
转变成一个数字网络。
另一种众所周知的电路交换应用是专用小交换机（PBX），它用于将一
幢楼或一个办公室内的互相连接起来。
电路交换还用在专用网络上——一些公司或大型
组织将它们白己处于不同位置的站点连接起来。
通常它们由各个地点的PBX系统组成，并通
过专用或租用的线路相互联接，其中的租用线路是从一些电信公司如AT&T等处租来的。
电
路交换应用的最后一种常见例子是数据交换。
数据交换与PBX相似，但却是为数字数据处理
设备之间的连接而没计的，例如终端和计算机。
一个公用电信网可用下述四种组成局部来描述:
.用户（Subscriber）:
与网络连接的设备。
在目前情况下，公用电信网的大多数用户设备
仍然是机，不过数据通信量的百分比正在逐年增长。
.用户线路（Subscriberline）:
用户和网络之间的链路，也称为"用户环路，"（subscriberloop）
或"本地环路〞（localloop）。
几乎所有的本地环路连接使用的都是双绞线。
一般情况下，
本地环路的长度范围在几千米到几十干米之间。
.交换局（Exchange）:
网络的交换中心。
能够直接支持用户的交换中心称为端局（endof-
fice）。
通常，一个端局可以支持本地区的几千个用户。
在美国有19000个以上的端局，
因此，显然不可能每个端局与其他所有的端局之间都有一条直接链路。
这需要2x108
条数量级的链路。
为了解决这个问题，我们使用了中间交换节点。
.中继线〔Trunk）:
交换局之间的干线线路。
中继线使用FDM或同步TDM运载多路话音
频率信号。
在早期，它们被称为载波系统。
用户直接与一个端局相连接，端局负责用户和用户之间以及用户和其他交换局之间的通
信量交换。
其他交换局负责的是端局之间通信量的路由选择和交换。
它们之间的差异如图
9.3所示。
为了在与同一个端局相连的两个用户之间建立连接，这两个用户之间会以上述方
式建立一条电路。
如果两个用户分别连接到不同的端局，那么它们之间的电路由通过一个或
多个中间交换局的电路连接而成。
在图中，只要简单地设置一条经过端局的连接，线路a和b
之间的连接就建立了。
c和d之间的连接较为复杂一些。
在c的端局中，线路c要与通往中间
交换局的TDM中继线上的一条信道之间建立连接。
在这个中间交换局中，该信道又与通往d
的端局的TDM中继线上的某条信道相连接。
在d的端局，该信道连接到线路d。
电路交换技术一直是在那些处理话音通信量的应用推动下开展的。
话音通信量的一个关
键要求是不存在实质上的传输时延，当然也不能有时延变化。
由于传输和接收的信号速率相
同，所以必须保持恒定的信号传输率。
这个规定对于允许人类正常的对话来说是必不可少的。
更进一步讲，接收到的信号质量必须足够高，至少要能够听得懂。
电路交换因其非常适合于话音信号的模拟传输而得到普及，占据了主导地位。
而在今天
的数字世界里，它的低效率越来越明显。
然而，尽管电路交换的效率不高，但它仍然是局域网
和广域网感兴趣的一种选择。
它的主要优势之一在于它的透明性一旦建立起一条电路，对
于连接到网络上的两个站点而言，它们之间好似有一条直接连接，任何一端都不需要特殊的网
络逻辑。
9.3交换的概念
了解电路交换最好的方法是考察单个电路交换节点的操作过程。
由单个电路交换节点构
成的网络由站点的集合组成，这些站点连接到中央交换单元上。
中央交换单元为任意两个需
要通信的设备之间建立一条专用通路。
图9.4所不为这种单节点网络的主要组成局部。
交换
机内的虚线表示当前处于活动状态的连接。
现代电路交换系统的关键部位是数字交换机（digitalswitch）。
数字交换机的功能是向与其
相连的任意一对设备提供透明的信号通路。
该通路的透明性表达在对于两个相连设备而言，
它们之间似乎存在直接连接。
一般情况下，该连接必须允许全双工传输。
网络接口（network-interface）局部代表的是将数字设备连接到网络上所需要的功能及硬件，
如数据处理设备或数字等。
如果网络接口中含有将模拟信号转换成数字信号的逻辑，那
么它也可以连接模拟设备。
在通往其他数字交换机的中继线上所运载的是TDM信号，并
为构造多节点的网络提供了链路。
控制单元（controlunit）要完成三类任务。
首先，它要建立连接:
通常是根据需要来完成
（就是指当所连接的设备发出请求时）。
为了建立连接，控制单元必须根据请求连接的目的站
点是否空闲来处理并响应该请求，并构造一条经过该交换机的通路。
其次，控制单元必须维护
连接。
因为数字交换机使用了时分原理，所以交换机的各局部可能需要连续性的管理。
不过，
通信过程的比特传输是透明的〔从相连设备的角度看）。
第三，控制单元必须撤除连接，或者是
响应通信双方中某一方的请求，或者是由于它自身的原因。
电路交换设备的1个重要特性是它究竞有阻塞还是无阻塞。
当网络的两个站点之间因
所有通路都正在使用而无法建立连接时就是发生了阻塞。
所谓阻塞网络（blockingnetwork）指
的是有可能出现类似阻塞情况的网络。
那么，无阻塞网络（nonblockingnetwork）就是只要在被
叫方空闲的情况下，它允许所有站点立刻建立连接（成对的），所有可能的连接请求都能够被接
受。
通常，当网络所支持的只有话音通信量时，将网络配置成阻塞网络是可承受的，因为如我
们所预料的，大多数通话的持续时间并不长，因此在任何时间只可能有局部占线。
不
过，假设其中还涉及到数据处理设备，那么上述推断可能无效。
例如，对于一个数据输入应用，
终端可能会一次性持续连接数小时。
因此，对于数据应用，我们要求使用无阻塞或"接近无阻
塞〞（阻塞的概率非常低）的设置。
现在让我们回过头来介绍单个电路交换节点的内部交换技术。
9.3.1空分交换
空分交换的最初开发是针对模拟环境的，而今它已逐渐转入数字领域。
不管交换机传送
的是模拟信号还是数字信号，其根本原理一样。
正如其名字所暗示的，空分交换机就是信号通
路与信号通路之间从物理上被分隔开（空间分隔）的交换机。
每次连接都需要建立一条经过该
交换机的物理通路，该通路完全专用于这两个端点之间的信号传送交换机的根本构成模块
是金属穿插点，或者是可以由控制单元闭合或断开的半导体门电路。
图9.5所示为一个简单的纵横矩阵，具有10条全双工I/O线。
这个矩阵有10
个输人和10个输出。
每个站点遮过一条输人线和一条输出线与该矩阵相连接。
只要闭合相
应的穿插点，任意两条线路之间就能够相互连接。
注意总共需要100个穿插点。
这种纵横
开关具有以下限制:
.穿插点的数量以相连站点数量的平方数上升。
对于大型交换机，其代价不菲。
.一个穿插点的损坏使得在该穿插点上相交的线路所属的设备之间无法连接。
.穿插点的利用率很低。
哪怕所有的连接设备都处于活动状态，也只有一小局部穿插点
被占用。
为了克制这些限制，我们采用了多级交换。
图9.6所示为一个二级交换的例子。
这种排
列方式比起单级纵横矩阵有如下几个优点:
.穿插点的数量减少了，从而提高了纵横矩阵的利用率:
在这个例子中，10个站点所需要
的穿插点总数从100个减少至48个。
.多条通路可经过网络连接两个端点，从而提高了可靠性。
当然，多级网络需要更加复杂的控制机制。
在单级网络中，建立一条通路只需要闭合一个
门电路。
在多级网络中，需要找出一条经过各级的闲置通路，并且闭合相应的门电路。
使用多级空分交换需要注意的一个间题是它可能被阻塞。
从图9.5中可清楚地看出单级
纵横矩阵是无阻塞网络。
也就是说，永远有一条通路可用于连接一个输入和一个输出。
而在
使用多级交换时的情况就不是这样了，从图9.6中可看出。
图中的粗线表示已经占用的线路。
在这种状态下，比方说输人线10就不能与输出线3,4或5相连接，即使所有这些输出线都是
可用的。
通过增加中间开关的数量或尺寸就可以做到无阻塞的多级交换，但是这样当然会带
来费用上的增加。
9.3.2时分交换
交换技术其有悠久的厉史，其中有很长一段时间是模拟信号交换占主牢地位的时代。
随
着数字化话音和同步时分复用技术的出现，不管是话音还是数据都可以用数字信号来传输，它
导致了交换系统在设计及技术上的根本性改变。
相当笨拙的老式空分系统目前已经很少使用
了，现代数字系统依靠的是对空分或时分单元的智能化控制。
事实上，所有的现代电路交换机都使用数字时分技术来建立及维护这些"电路〞。
时分交
换手段涉及到将低速率的比特流分割成许多小块，然后与其他比特流一起共享速率较高的容
量。
这些独立的数据块或者说时隙，由控制逻辑管理，控制逻辑沿输入端到输出端为数据选择
路由并传递它。
这根本概念又派生出许多变化。
为了让读者对时分交换有更形象的认识，
我们来介绍一种最简单而又最流行的技术，称为TDM总线交换。
TDM总线交换的根底是使用了同步时分复用（TDM）,而事实上所有数字交换技术都是以
TDM为根底的。
正如我们在图8.6中看到的，同步TDM允许多个低速率的比特流共享一条高
速线路。
一组输入被依次采样。
结果得到的样本被顺序地组织到各时隙中（信道），从而形成
由这些时隙组成的新的帧，且每个帧的时隙数等于输人信号的个数。
一个时隙可能是一个比
特、一个字节或更长一些的数据块。
其中值得注意的一点是使用同步TDM时，每个时隙数据
的来源和目的都是的，因此没有必要为每个时隙设置地址位。
图9.7所示为这种技术应用到交换中的一种简单方法。
所有设备都通过全双工线路与交
换机相连。
这些线路通过一些控制门电路连接到高速数字总线上。
为了提供输入数据，每条
线路都预先分配有一个时隙在某个时隙期间，对应线路的门电路被启用（enabled），允许一小
串数据抵达总线。
同样在该时隙中，1条其他线路的门电路被启用，以允许该线路输出。
因
此，在该时隙的时间段中，从启用的输人线路上传过来的数据被交换到启用的输出线路上。
在
接下来的时隙中，不同的输人/输出对（pair）被启用，从而允许在共享的总线上运载多条连接。
如果一个相连设备在某个预先分配的时隙中发送数据，而在另一个时隙接收数据，那么就可以
完成全双工操作。
在连接的另一端是一个I/O对，对它们而言，对应的预先分配时隙所表示的
含义正好相反。
让我们更进一步地看看这其中涉及到的时序关系。
首先设想图9.7的无阻塞网络的实
现。
比方说，对于可支持100台设备的交换机，就必须具有100个重复出现的时隙，每个时隙
都分配给一条输入线路和一条输出线路。
所有的时隙完整重复一次就称作一个帧。
输入的时
隙分配可能是固定的，而输出的时隙分配是可变的，以允许不同的连接。
当一个时隙开场后，
指定（启用）的输人线可能会在线路上插进一个数据串，这个数据串由此处通过所有其他的输
出线路传播到线路两端。
那么指定（启用）的输出线路会在线路上有数据的情况下，当这些数
据经过时复制它们。
因此，这个时隙的长度必须等于输入的传输时间加上在输人和输出之间
通过总线的传播时延。
为了使连续不断的时隙大小保持致，时隙长度的定义为传输时间加
上端对端的总线传播时延。
为了能够赶上输入线路的速度，总线上的数据率必须足够高，使时隙能够有充足的时间按
定的频率重复。
例如，设想1个连接100条全双工线路的系统，线路速率为19.2kb/s。
各
条线路的输人数据在门电路中缓存，各缓冲区必须在启用门电路时及时去除旧数据，以防止
数据的覆盖。
因此，在这个例子中，总线上的数据率必须大上1.92Mb/s。
在实践中还要考虑
到因传播时延而浪费的时间，因此实际的数据率要更高一些。
上述考虑同样也可用于判断一个阻塞交换机的通信量运载容量。
对于阻塞交换机来说，
它没有为输入线路分配固定的时隙，这些时隙是按需分配的。
这时总线上的数据率决定了一
次可以进展多少个连接对于具有200个设备的系统，设备速率为19.2kb/s，且总线速率为
2Mb/s，在任意时刻大约有一半的设备可以连接。
TDM总线交换机制能够适配不同数据率的线路。
例如，如果一条9600b/s的线路每帧可
得到一个时隙，那么一条19.2kb/s的线路侮帧应当得到两个时隙。
当然，只有数据率一样的线
路才能够互相连接。
图9.8中所示的例子说明了TDM总线交换的控制是如何实现的让我们假设总线传播
时间为0.01μs。
总线上的时间被划分为一个个30.06μs的帧，甸个帧含有6个5.01μs的时隙。
用一个控制存储器来指出各时隙应当启用哪一个门电路，在此例中需要6个字的存储器。
存
储器的控制周期速率为每30.06μs一个周期。
在各周期的第1个时隙中，来自设备1的输入
门电路和到达设备3的输出门电路被启用，允许数据从设备1经过总线传递到设备3。
在接下
来的时隙中其余几个字被逐个访间并处理。
只要控制存储器所含的内容如图9.8所示，那么1
和3、2和5、4和6之间始终维持着连接。
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