现代交换原理.docx
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现代交换原理
1绪论
交换系统必要性
通信的目的：
在任意终端之间实现信息的传递（通信系统、电信系统）。
在电信系统中，只有两个终端的通信称为点对点通信。
全互联通信系统
当存在多个终端且希望它们任意对之间都可以实现通信的最简单方法就是全互联通信系统。
链路数随终端数平方增加；N（N-1）/2
（当终端n=100时，线对数=100X（100-1）/2=4950）.
每个终端需要（N-1）个接口，总共需要N（N-1）个接口；
增加一个终端需要增加N-1个链路；
长途线路费用大；
终端异构时情况更为复杂；无线/有线/光/电；
解决多个节点集合中任意两个节点之间的点到点通信的解决方案是就是------在通信系统中引入交换接点设备。
引入交换接点的优势：
统一的标准接口；（接入）
集中共享通信网资源（广播、多播）；
提供各种业务；（114，120，119）
构建大型异构通信系统；
交换的概念
Switching:
*forwarding
*routing
从广义讲信息从通信设备的一个端口（无论是物理还是逻辑）到另一个端口的过程。
交换要完成的功能：
汇聚、转接、分配。
分类：
按交换机所接续的信号分类：
模拟交换与数字交换（一拖4，8工控大功率模拟信号）
光交换和电交换；（全光网络，全光信号，光耦合器opticalmodulation）
窄带交换和宽带交换；（1M以内过去电话64K语音）
按交换所承载业务
语音交换（电话交换）；
数据交换；
图像交换和多媒体信息交换；
应用场合分类
电信网络-----电信交换（强调通信服务质量）
计算机网络---IP交换（尽力而为）
广播网络---特例，单向信息传输
按交换对信息处理的分类
电路交换；
分组交换；
信元交换；
电路交换
电路交换的优点
建立专用的物理连接通路。
（同步时分复用，固定分配带宽）
时延小，固定；ip/internet声音发抖
对信息不作处理（信令除外），不进行存储分析处理，开销小，效率高。
透明处理
电路交换的缺点
呼叫建立时间长；ms
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；（20%-40%）
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；过负荷
高服务质量==低利用率
结论：
电路交换适合于电话交换、文件传送、高速传真，不适合突发（burst）业务和对差错敏感的数据业务。
STD原理
（SynchronousTimeDivision）
时间分成等长的基本单位（帧），帧再分成时隙。
依据时隙编号（0，1，2，。
。
。
。
N-1）不同帧中各个编号相同的时隙组成数字信道，每条信道为0，1，2.。
。
。
N-1.
根据时间位置来识别每路通信。
（ATD：
AsynchronousTimeDivision）（标记、物理信道）
PCM（pulsecodingmodulation）30/32路STD（SynchronousTimeDivision）
1S=8000frame
1frame=32TS（Timeslot）=125us（256bit）
1Slot=8bit
TS:
8bit/frame*8000frame/s=64kbit/s
固定分配带宽
报文交换（MessageSwitching）---存储－转发报文交换（storeandforward）
原理：
中间结点由具有存储能力的计算机承担，用户信息可以暂时保存在中间结点上。
报文交换无需同时占用整个物理线路。
如果一个站点希望发送一个报文（一个数据块），它将目的地地址附加在报文上，然后将整个报文传递给中间结点；中间结点暂存报文，根据地址确定输出端口和线路，排队等待线路空闲时再转发给下一结点，直至终点。
报文交换过程
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。
分组交换
分组交换的思想是从报文交换而来的，采用存储转发（storeandforward）方式的分组交换（PS：
PacketSwitching）
与报文交换的不同在于：
分组交换将用户要传送的信息分割为若干个分组（packet），每个分组中有一个分组头，含有可供选路的信息和其他控制信息。
分组交换是packet switch,报文交换message switch.举例：
一条5M的消息，如果分成1000个500K的包从源到目的地，叫PS。
如果不分，直接从源到目的地，叫MS。
分组交换缺点
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。
分组交换和报文交换比较
PS比MS时延小，每个分段除了携带用户数据外，还需要额外带些寻路信息等附加开销。
如果数据包出错，仅一个分段出错，重发分段即OK，而MS必须重新发包。
分组交换优点
不同的数据终端之间灵活沟通；
时延小，能满足数据交互业务要求，（IPPHONE.）
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；
网络费用低，不要求交换机具有很大存储容量和处理能力。
分组交换的两种方式
数据报（DG：
Datagram）方式
分组头中的地址，选择通路。
虚电路（VC：
VirtualCircuit）方式
1.先要发送呼叫请求，建立端到端之间的虚电路；（规定路径）
2.虚电路建立后，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。
虚电路与数据报的比较——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。
虚电路与数据报的比较——分组头
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
虚电路是一种面向连接的方式（OC:
OrientedConnection），即在呼叫前要事先建立虚连接；数据报是一种无连接方式（CL:
ConnectionLess），在呼叫前不需要事先建立连接，而是边传送信息边寻路。
图1.13是面向连接的方式和无连接方式的比较。
虚电路与数据报的比较—分组顺序
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。
虚电路与数据报的比较—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。
虚电路与数据报的比较——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。
分组交换协议
分组交换基于X.25协议，该协议包含了3层，第一层物理层，第二层数据链路层，第三层分组层，对应于OSI模型的下三层。
帧中继（FrameRelay）
数据传送阶段协议大为简化
分组交换：
X.25协议-OSI的1、2、3层
信息传送单位：
分组
帧中继：
协议-OSI的1、2（核心功能）层
信息传送单位：
帧
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（cellheader），其余48个字节为信息域，或称为净荷（payload）。
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。
面向连接
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：
VirtualConnection）。
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。
IPoverATM有两种模式：
叠加模型：
CIP、LANE、MPOA
集成模型：
IP交换、Tag交换、MPLS
电信交换的基本技术
互连技术
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
接口技术
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
业务网的种类
电信网
通信业务
主要特点
电话通信网（PSTN）
模拟电话、中低速率（≤56kbit/s）
应用广泛
分组交换网（X.25）
中低速数据（≤64kbit/s）
应用广泛、可靠性高
综合业务数字网（N-ISDN）
电话、传真、数据等综合业（64~2048kbit/s）
灵活方便、节省开支
帧中继网（FRN）
中高速数据（64~2048kbit/s）
传输速率高、灵活、价格低
数字数据网（DDN）
中高速数据（64~2048kbit/s）
应用广泛、传输速度高、价格高
数字移动通信网（GSM、CDMA）
（GPRS）（3G）
电话、低速数据（8~16kbit/s）、电话、中速数据<100kbit/s、多媒体2Mbit/s
应用广泛、移动通信
VSAT卫星网
电话、中低速数据（≤128kbit/s）
建网快、成本高
宽带综合业务数字（B-ISDN）
多媒体≧155.52Mbit/s
宽带综合业务
下一代网络（NGN）
多媒体、高速数据（Gbit/s）
发展方向、高效灵活、综合、开放、多业务
电信网的支撑网
No.7信令网
数字同步网
电信管理网（TMN）
电信网、电视网、计算机网三网合一是信息技术发展的必然趋势。
Q:
1、在通信网中为什么要引入交换的概念？
2、目前交换技术主要有那几种，分别属于那种传送模式？
3、B-ISDN为什么采用ATM技术作为其传输、复用和交换
的核心技术？
4、电信交换系统的基本结构是怎样的？
其主要技术有哪些？
5、基本概念：
面向连接方式、无连接方式
同步时分交换、异步时分交换
1、在通信网中为什么要引入交换的概念？
2、构成通信网的三个必不可少的要素是什么？
3、三种传送模式的特点是什么？
4、目前在通信领域应用的交换技术主要有哪几种？
它们分别属于那种传送模式？
5、电信交换系统的基本结构是怎样的？
其主要技术有哪些？
2交换数学基础
交换技术基础
话务量
话务量反映了电话负荷的大小，与呼叫强度和呼叫保持时间有关。
呼叫强度是单位时间内发生的呼叫次数，呼叫保持时间也就是占用时间。
单位时间内的话务量等于使用相同时间单位的呼叫强度与呼叫保持时间之乘积，其单位为爱尔兰（Erlang）。
例：
呼叫强度=1800次/小时，呼叫保持时间=（1/60）小时/次，话务量=1800次/小时X（1/60）小时/次=30Erl
设：
n=时间T内，单个用户终端发出的平均呼叫数
h=由用户终端发出的呼叫的平均占用时间
N=用户数的总和
Y=单位时间内流过所有用户终端的话务量
则：
Y=N*（n/T）*h
实际计算时应注意以下问题：
话务量总是针对一段时间而言，如：
一天或一小时。
呼叫强度和呼叫保持时间都是平均值。
要区分流入话务量与完成话务量。
流入话务量=完成话务量+损失话务量
损失话务量=流入话务量X呼叫损失率（呼损率）
爱尔兰公式
当线束容量为m、流入话务量为Y时，线束中任意k条线路同时占用的概率P（k）为：
当k=m时，表示线束全忙，即交换系统的m条话路全部被占用，此时p（k）为系统全忙的概率。
当m条话路全部被占用时，到来的呼叫将被系统拒绝而损失掉，因此系统全忙的概率即为呼叫损失的概率（简称为呼损），记为E（m,Y），则爱尔兰呼损公式为：
BHCA（BusyHourCallAttempts
BHCA（忙时试呼次数）计算公式
系统开销：
处理机时间资源的占用率。
固有开销：
与呼叫处理次数（话务量）无关的系统开销。
非固有开销：
与呼叫处理次数有关的系统开销。
单位时间内处理机用于呼叫处理的时间开销为：
t=a+bN
t：
系统开销a：
固有开销b：
处理一次呼叫的平均开销（非固有开销）
N：
单位时间内所处理的呼叫总数，即处理能力值（BHCA）
过负荷控制
在一个有效的时间间隔周期内（不包含峰值瞬间），出现在交换设备上的试呼次数超过它的设计能力时，则称该交换设备运行在过负荷状态。
当出现在交换设备上的试呼次数超过它的设计负荷能力的50%时，允许交换设备处理呼叫能力下降至设计负荷能力的90%。
交换机的可靠性指标计算
失效率和平均故障间隔时间：
MTBF=1/λ失效率：
单位时间内出现的失效次数，记作λ。
修复率和平均故障修复时间：
MTTR=1/μ修复率：
单位时间内修复的故障数，记作μ。
可用度和不可用度：
A=μ/（μ+λ）U=1-A
3电路交换1
重点内容
交换机控制方式
交换接口方式：
用户接口，中继接口；
对交换机在呼叫处理方面的五项基本功能要求：
能随时发现呼叫的到来；
能接收并保存主叫发送的被叫号码；
能检测被叫的与否有空闲通路；
能向空闲的被叫用户振铃，并在被叫应答时与主叫建立通话线路；
能随时发现任何一方用户挂机；
交换机控制系统的结构方式：
集中控制、分散控制
集中控制：
（配备一对中央处理机处理全部交换机工作）
分散控制：
每台处理机只能达到一部分功能和一部分资源。
优点：
模块化好，可靠性高；缺点：
分散有开销。
用户接口（UNI----USERNETWORKINTERFACE）
功能:
用户终端与交换网络接口电路。
分类：
模拟用户接口
数字用户接口
模拟用户电路的功能可归纳为BORSCHT七个功能：
——B（Batteryfeeding）馈电
——O（Overvoltageprotection）过压保护
——R（Ringingcontrol）振铃控制
——S（Supervision）监视
——C（CODEC&filters）编译码和滤波
——H（Hybirdcircuit）混合电路
——T（Test）测试
馈电
电容的特性：
“隔直流，通交流”
电感的特性：
“隔交流，通直流”
馈电电压48V，通话时馈电电流20-50MA
数字用户接口
数字程控交换系统和数字用户终端设备之间的接口电路。
V接口经历V1----V5各阶段；以V5最著名；
V5接口：
交换机与接入网之间的数字接口数字用户环路（DSL）；
必须解决在普通用户二线环路上传输数字信号的问题，诸如：
码型选择、回波抵消，扰码
中继接口（NNI----NETWORKNETWORKINTERFACE）
功能：
交换局与交换局之间的接口。
分类:
模拟中继接口
数字中继接口
模拟中继接口
模拟中继接口又称C接口，用于连接模拟中继线，可以用于长途交换和市内交换中继线的连接。
数字交换机中，模拟中继线和模拟用户接口有许多类似的地方，模拟中继线接口电路要完成的功（B）osc（t）。
模拟中继器：
是程控数字交换机与模拟中继线的接口，用于与模拟交换机的连接。
数字中继接口
功能：
又称为A/B接口，是数字中继线与交换机之间的接口。
它常用于长途、市内交换机，用户小交换机和其他数字传输系统
功能结构：
解决信号的传输、同步信令配合三方面的连接问题。
数字中继电路主要作用：
是根据PCM时分复用原理，将30路64kb/s的话路信号复接成2048kb/s的基群信号发送出去，或者反之，把从其它数字交换系统（或数字传输系统）来的2048kb/s的基群信号分成30路话路信号，然后再通过数字交换网络分接到各个相应的用户。
在上述过程中，完成信号传输、信号同步、信令配合。
数字中继接口的基本功能：
GAZPACHO
G：
GENERATIONOFFRAMECODE代码的产生
A：
ALIGNMENTOFFRAME帧定位
Z：
ZEROSTRINGSUPPRESION连零抑制
P：
POLARCONVERSION极性变换
A：
CLOCKRECOVERU时钟恢复
HHUNTDURINGREFAME帧同步
OOFFICESIGNALING
帧定位
帧定位是利用弹性存储器作为缓冲器，使输入PCM码流的相位与网络内部局时钟相位同步。
具体地说，就是从PCM输入码流中将提取的时钟控制输入码流存入弹性存储器，然后用同时钟控制读出，这样输入PCM信号经过弹性存储器后，读出的相位就统一在本局时钟相位上，达到与网络时钟同步的目的。
连零抑制
为了达到收发双方同步的目的，数字中继接口采用锁相环谐振回路或晶体滤波等的方法从PCM输入的码流中提取对端局的时钟频率，作为输入标准时钟，使收端定时和发端定时绝对同步，以便接口电路在正确时刻判决数据。
连续零码将导致接收方无法有效提取同步信号。
因此在数字中继接口采用HDB3编码方法，抑制对联连零码的抑制。
极性变换P
由于PCM中继线上传输的数字码采用高密度双极性HDB3码或双极性AMI码，而在数字交换系统内部的信号则通常需要采用单极性不归零码NRZ码，因此必须进行两种不同码型的相互转换。
告警告警处理
包括：
误码检测，帧同步检测，复帧同步检测，滑码检测，计次统计，对端告警响应，告警位插入；
数字中继接口需要从输入码流中识别发端插入的帧同步码组，经比较和调整，达到收端与发端的帧同步，以便能正确的接收各路信码的目的。
同步检出的脉冲还需要识别其真伪。
如果发生失步，为了避免对偶发性误码或干扰错判，又为了确定经过调整后是否真的进入同步状态，规定连续四次检测不到同步码组才判定系统失步，这叫前向保护。
而在失步状态下，判定连续检测两次帧同步码组，中间奇帧TS0BIT2为“1”才判定同步恢复，这叫后向保护。
－－－－同步捕捉及保护策略；
信令插入和提取
对交换网输出信号流插入控制信令；从传输线上来的信号流中提取控制信令。
有不同的信令方式。
如随路信令和共路信令。
4分组交换
分组交换的产生背景
分组交换是为数据通信而设计的交换方式，采用电路交换和报文交换传输数据，不能完全适应数据通信的要求。
数据通信的特点：
（1）完全是机器与机器之间的通信。
（2）业务突发性。
（3）误码率要求高。
（4）时延要求不高。
各种交换方式分类
分组交换定义：
按一定规则，把一整份数据报文分割成若干定长的数据段，并给每一数据段加上收、发终端地址及其它控制信息，然后以分组为单位在网内传输。
分组交换的基本原理：
1.固定分配资源法
固定分配资源法也称为预分配资源方法，它是根据用户要求预先把线路传输容量的某一部分固定地分配给某个用户。
固定分配资源---时分复用
时分复用（TDM，TimeDivisionMultiplexing）
就是将线路传输的时间轮流分配给每个用户，每个用户只在分配的时间里使用线路，发送和接收信息。
而且，当在分配的时间里用户没有信息要传输时，也不能给其他用户使用，即这段时间只由它来独享。
位置化信道
在固定分配资源的方式下，每个用户的数据都在固定的子信道中传输。
具体的实现方法:
在电路上按时间分割成等长的时间单元（称帧），在每帧里又按时间分成等长的时隙，并按照时间顺序编号。
每帧中相同时间位置的时隙用来传输同一信源的信息，接收很容易根据时间位置区分不同的用户信息。
TDM缺点：
当在分配的时间内用户没有信息要传输时，这段时间也不能由其他用户使用，而保持空闲状态，线路的利用率较低。
2.动态资源分配技术
为了克服固定分配资源方式的缺点，采取用户有数据传输时才给他分配资源的方法，称为动态分配或按需分配。
这种根据用户实际需要分配线路资源的方法也称为统计时分复用（STDM）。
当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线路的传输能力可用于为其他用户传输数据。
因为在许多情况下，各单路信号并非连续不断，而是断断续续的，传送单路信号的线路上有很多时间空闲，因此可将此空闲时间分配给其他用户使用。
STDM传输速率
每个用户的数据传输速率可以高于平均速率，最高可以达到线路总的传输能力。
例如，对32路的E1线路，传输速率为2Mb/s，32个用户的平均速率为64Kb/s.比较两种复用方式传输速率？
当用固定分配复用方式
统计时分复用方式
每个用户最高传输速率为64kb/s
每个用户传输速率为64kb/s-2Mb/s
当用固定分配复用方式时，每个用户最高传输速率为64kb/s，而在统计时分复用方式下，每个用户的最高速率可以达到2Mb/s（包含用户信息的分组头在内）。
统计时分复用的优点：
可以获得较高的信道利用率。
标志化信道
为了识别来自不同终端的用户数据，在发送到线路之前先给这些数据打上与终端或子信道有关的“标记”，通常是在用户数据的开头加上终端号或子信道号，这样在接收端就可以通过识别用户数据的“标记”把它们区分开来。
因为统计时分复用对每个单路信号使用一个独有的标志码，通过该标志码来区分不同用户的数据。
分组交换实现方式
--------数据报与虚电路
1．数据报方式（非面向连接）
每个数据分组作为独立的信息单位在网上传输。
同一终端发出的数据分组之间在网上彼此无联系，可以从不同的路由传送，会引起失序，要靠序号字段来恢复原来的次序。
每个分组中携带的信息称为一个数据报。
它适合发送短的可以放在一个数据分组中的消息。
数据报方式是简单的分组交换方式。
数据报的特点
（1）用户的通信不需要有建立连接和拆除连接的过程，可以直接传送每个分组，因此通信效率比较高。
（2）每个节点可以自由地选路，可以避开网络中的拥塞部分，因此网络的可靠性较高。
对于分组的传送比虚电路更为可靠，如果一个节点出现故障，分组可以通过其他路由传送。
（3）数据报方式的缺点是：
分组不能保证按原来的顺序到达，在终点各分组需重新排队，并且每个分组的分组头要包含详细的目的地址，开销比较大。
（4）数据报的使用场合：
适用于短报文的传送。
2．虚电路方式
虚电路：
通信双方进行交互传递信息时，每个方向上的数据分组都有一定的顺序，不能颠倒，不能延时太长。
此方式下，通信双方之间好像存在一条供他们专用的电路，称虚电路方式。
属于同一个虚电路的数据分组在同一链路上使用相同的标志码。
该标志码也称为它的逻辑信道号。
虚电路是由多个逻辑
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