程控交换与宽带交换
第一章 交换技术概述
? 通信网是由用户终端设备、传输设备
和交换设备组成。它由交换设备完成接
续,使网内任一用户可与其他用户通信。
? 1.1 交换的基本概念
? 1.2 交换技术分类
? 1.3 交换技术的发展
? 1.4 电话交换信令方式
1.1 交换的基本概念
? 1.1.1 交换的引入
? 通信的目的是实现信息的传递 。 自从
1876年 Bell.A.G发明电话以来, 一个电
信系统至少应由终端和传输媒介组成,
如图 1.1所示 。
终端 终端传输媒介
电信号 电信号
消息 消息
图 1.1 点对点通信系统
?当存在多个终端时,人们希望其中任
意两个终端之间都可以进行点对点通信。
?由此可见, 实现通信必须要有三个要
素, 即终端, 传输和交换 。
? 电话交换是电信交换中最基本的一种
交换业务。它是指任何一个主叫用户的
信息,可以通过通信网中的交换节点发
送给所需的任何一个或多个被叫用户。
? 当电话用户分布的区域较广时,就需
设置多个交换节点,交换节点之间用中
继线相连,如图 1.4所示。
图 1.4 采用多个交换节点
? 1.1.2 交换节点的基本功能
? 交换节点可控制以下的接续类型 。
? ( 1) 本局接续:本局用户线之间的
接续 。
? ( 2) 出局接续:在用户线与出中继
线之间的接续 。
? ( 3) 入局接续:在入中继线与用户
之间的接续 。
? ( 4)转接接续:在入中继线与出中
继线之间的接续。
? 为完成上述的交换接续,交换节点必
须具备的最基本的功能如下。
? ( 1)能正确接收和分析从用户线或
中继线发来的呼叫信号。
?( 2)能正确接收和分析从用户线或中
继线发来的地址信号。
?( 3)能按目的地址正确地进行选路以
及在中继线上转发信号。
?( 4)能控制连接的建立。
?( 5)能按照所收到的释放信号拆除连
接。
1.2 交换技术分类
? 众所周知,通信所传输的消息有多种
形式,如符号、文字、数据、语音、图
形以及图像等。
? 1.2.1 模拟交换与数字交换
? 通信所传输的消息虽然有多种形式,
但大致可归纳成两种类型:连续消息和
离散消息。连续消息指消息的状态是随
时间连续变化的,如强弱连续变化的语
音等。离散消息指消息的状态是可数的
或离散的,如符号、文字和数据等。通
常,将连续消息和离散消息分别称为模
拟消息和数字消息。
? 一、模拟信号和数字信号
? 对应于两种不同类型的消息,可以有
两种信号形式。即对应于模拟消息的是
模拟信号,对应于数字消息的是数字信
号,如图 1.6所示。
t
u
( a )模拟信号
u
0 1 0
( b ) 数字信号
0 0
t
0 0 1 11
图 1.6 模拟信号和数字信号
? 1.模拟信号
? 模拟信号是指代表消息的信号及其参
数(幅度、频率或相位)随着消息连续
变化的信号,如图 1.6( a) 所示。
? 2,数字信号
? 数字信号是指信号幅度并不随时间作
连续的变化, 而是取有限个离散值的信
号 。
? 二, 模拟通信和数字通信
? 1,模拟通信
? 以模拟信号为传输对象的传输方式称
为模拟传输,而以模拟信号来传送消息的
通信方式称为模拟通信 。
? 2,数字通信
? 以数字信号为传输对象的传输方式称
为数字传输, 以数字信号来传送消息的
通信方式称为数字通信 。
? 数字通信与模拟通信相比, 具有抗干
扰性强, 保密性好, 设备易于集成化以
及便于使用计算机技术进行处理等优点;
其主要缺点是所用的信道频带比模拟通
信所用的信道频带宽得多, 降低了信道
的利用率 。
? 三, 模拟交换和数字交换
? 1,模拟交换
? 以模拟信号为交换对象的交换称为模
拟交换, 传输和交换的信号是模拟信号
的交换机称为模拟交换机 。
? 2,数字交换
? 以数字信号为交换对象的交换称为数
字交换, 传输和交换的信号是数字信号
的交换机称为数字交换机 。
? 1.2.2 布控交换与程控交换
? 布控就是布线逻辑控制 ( Wired Logic
Control,WLC), 布控交换是利用逻辑
电路进行控制的一种交换方式 。
? 程 控 就 是 存 储 程 序 控 制 ( Stored
Program Control,SPC), 程控交换是利
用计算机软件进行控制 ( 即存储程序控
制 ) 的一种交换方式 。
? 1.2.3 电路交换与分组交换
? 一, 电路交换
? 1,传统的电路交换
? 电路交换 ( Circuit Switching,CS) 是
指固定分配带宽 ( 传送通路 ), 连接建
立后, 即使无信息传送也占用电路的一
种交换方式 。
? 2,多速率电路交换
? 多速率电路交换 ( Multi-Rate Circuit
Switching,MRCS) 是基于传统电路交
换的一种改进方式, 它可以对不同的业
务提供不同的带宽, 包括基本速率 ( 例
如 8kbit/s 或 64kbit/s ) 及其整数倍;在
节点内部的交换网络及其控制上可以采
用两种方法来实现多速率交换的要求,
即采用多个不同速率的交换网络和采用
一个统一的多速率交换网络 。
? 3,快速电路交换
? 快速电路交换 ( Fast Circuit Switching,
FCS) 是电路交换的又一种形式, 是为
了克服传统电路交换中固定分配带宽的
缺点和提高灵活性而提出的 。
? 二, 分组交换
? 为了克服电路交换中各种不同类型和
特性的用户终端之间不能互通, 通信电
路利用率低以及有呼损等方面的缺点,
提出了报文交换的思想 。
? 1,分组交换中的相关概念
? ( 1) 通信线路的资源共享
? 分组交换的最基本思想就是实现通信
资源的共享 。
? ( 2) 交织传输
? 在预分配复用方式下, 每个用户传输
的数据都在特定的子信道中流动, 接收
端很容易把它们区分开来 。
? ( 3) 分组的形成
? 从上述分析可知, 把一条实在的线路
分成许多逻辑上的子信道, 将线路上传
输的数据组附加上逻辑信道号, 就可以
让来自不同数据源的数据组在一条线路
上交织传输, 接收端很容易将它们按逻
辑信道号区分开来, 实现了线路资源的
动态分配 。
? ( 4) 分组的交换
? 分组交换是将报文分成多个分组来独
立传送, 收到一个分组即可以发送, 减
少了存储的时间, 因而分组交换的时延
小于报文交换, 如图 1.10和图 1.11所示 。
交换节点
A
交换节点
B
交换节点
C
传输时延
存储时延
处理与排队
时延
分组 1
分组 2
分组 3
分组 5
分组 4
分组 1
分组 2
分组 3
分组 5
分组 4
图 1.10 分组交换的时延
交换节点
A
交换节点
B
交换节点
C
报文
报文
传输时延
存储时延
处理与排
队时延

1.
11







? 分组交换的主要优点是:第一, 为用
户提供了在不同速率, 不同代码, 不同
同步方式, 不同通信控制协议的终端之
间能够相互通信的灵活的通信环境;第
二, 采用逐段链路的差错控制和流量控
制, 出现差错可以重发, 提高了传送质
量和可靠性;第三, 利用线路动态分配,
使得在一条物理线飞可以同时提供多条
信息通路 。
? 2,虚电路和数据报
? 分 组 交 换 可 提 供 虚 电 路 ( Virtual
Circuit,VC) 和数据报 ( Datagram,
DG) 两种服务方式 。
? ( 1) 分组头
? 数据报 ( DG) 方式的每个分组头要
包含详细的目的地址, 而虚电路 ( 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虚电路的逻
辑信道标识即可 。
? ( 2)选路
? VC方式预先有建立过程,有一定的处理开
销,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像表,存放
出入逻辑信道的对应关系,每个分组到来时只
需查找映像表,而不用进行复杂的选路。
? ( 3) 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 。
? ( 4) 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 。
? ( 5) 应用
? VC方式适用于较连续的数据流传送,
其持续时间显著地大于呼叫建立时间,
如文件传送, 传真业务等 。
? 3,路由选择
? 路由选择是指选择从源点到达终点的信息
传送路径 。
? ( 1) 扩散式路由法
? 扩散式路由法是指分组从原始节点发往与
它相邻的每个节点, 接收该分组的节点检查它
是否已经收到过该分组, 如果已经收到过, 则
将它抛弃;如果未收到过, 则该节点便把分组
再发往其所有相邻的节点 ( 除了该分组来源的
那个节点之外 ) 。
? ( 2) 查表路由法
? 此法是在每个节点中使用路由表, 它
指明从该节点到网络中的任何终点应当
选择的路径 。
? ( 3)虚电路路由表法
? 虚电路方式是对一次呼叫确定路由,
路由选择是在节点接收到呼叫请求分组
之后执行的,在此之后到达的数据分组
将沿着由呼叫请求分组建立的路径通过
网络。
? 虚电路的重连接( Reconnect) 是由以
虚电路交换方式工作的网络提供的一种
功能。
? 三, 帧交换
? 通常的分组交换是基于 X.25协议 。
X.25包含了三层:第一层是物理层, 第
二层是数据链路层, 第三层是分组层,
它们分别对应于开放系统互连 ( Open
System Interconnection,OSI) 参考模型
的下三层, 每一层都包含了一组功能 。
? 四, 快速分组交换
? 快速分组交换 ( Fast Packet Switching,
FPS) 可理解为尽量简化协议, 只具有
核心的网络功能, 以提供高速, 高吞吐
量, 低时延服务的交换方式 。
? 1.2.4 窄带交换与宽带交换
? 传统的电话交换和数据交换分别适合
于话音和 2Mbit/s以下的数据交换, 提供
的业务速率限定为 64kbit/s 或 n× 64kbit/s
( n=2~ 30) 的业务交换, 这种方式称
为窄带交换 。
1.3 交换技术的发展
? 1.3.1 电话交换技术的发展
? 一, 机电式电话交换
? 自从 1876年 Bell A.G发明电话以后,
为适应多个用户之间电话交换的要求,
在 1878年就出现了第一部人工磁石电话
交换机 。
? 在 1892年开通的第一部自动交换机是
由 Strowger A.B于 1889年发明的步进制
史端乔式自动交换机。
? 稍后,开始引入间接控制的原理,用
户的拨号脉冲由交换机内的公用设备记
发器接收和转发,以控制接线器的动作。
? 纵横制交换机的出现,是电话交换技
术进入自动化以后具有重要意义的转折
点。
?纵横制的技术进步主要体现在两个方
面:一是采用了比较先进的纵横接线器,
杂音小、通话质量好、不易磨损、寿命
长、维护工作量减少;另一个是采用公
共控制方式,将控制功能与话路设备分
开,使得公共控制部分可以独立设计,
功能增强,灵活性提高,接续速度快,
便于汇接和选择迂回路由,可以实现长
途电话交换自动化。
? 二, 模拟程控交换
? 相对于机电式自动交换而言, 程控交
换的优越性概括如下 。
? ( 1) 灵活性大, 适应性强
? ( 2) 能提供多种新服务性能
? ( 3) 便于实现共路信令
? ( 4) 操作维护管理功能的自动化
? ( 5) 适应现代电信网的发展
? 三, 数字程控交换
? 数字程控交换普遍采用 7号共路信令
方式, 这就是说, 一方面从随路信令发
展为共路信令, 另一方面又从适用于模
拟网的 6号共路信令发展为适合于数字网
的 7号共路信令 。
? 自 20世纪 80年代中期以来, 数字程控
交换节点的功能在 POTS的基础上不断增
强, 主要有以下 3个方面 。
? ( 1)增强为窄带综合业务数字网中的交换
节点:在 POTS交换系统中增加必要的硬件和
软件,可以增强为窄带综合业务数字网
( Narrow band-ISDN,N-ISDN) 的交换节点。
? ( 2)增强为智能网中的业务交换点:智能
网( Intelligent Network,IN) 可以在 POTS的
基础上提供很多先进的智能网业务,POTS交
换系统通过功能增强可以成为智能网中的业务
交换点( Service Switching Point,SSP)。
? ( 3) 增强为移动网中的移动交换局:
实现终端移动性以至个人移动性的个人
化是电信网发展的又一主要方向,移动
交换中心( Mobile Switching Center,
MSC) 实际上是在数字程控交换平台上
增加无线接口和相应的移动交换性能。
? 1.3.2 分组交换技术的发展
? 一, 早期的研究和试验
? 1972年 10月,在第 1届计算机通信国
际会议( International Computer
Communication Conference,ICCC) 上。
? 二, 分组交换公用数据网
? ARPANET和一些专用分组交换网的
试验, 促进了分组交换进入公用数据网,
形成分组交换公用数据网 ( Packet
Switched Public Data Network,PSPDN) 。
? 三, 分组交换系统的分代
? 从技术发展来看, 分组交换系统大致
可以划分为三代 。
? 1,第一代分组交换系统
? 第一代分组交换系统实质上是用计算
机来完成分组交换功能 。
? 2,第二代分组交换系统
? 第二代分组交换系统采用共享媒体将
前端处理机互连, 计算机主要用于虚电
路的建立, 不再成为系统中的瓶颈 。
? 比较完善的第二代分组交换系统的设
计目标和技术特征如下,
? ( 1) 高度模块化和多处理机分布式
控制结构;
? ( 2) 容量和应用系列化的系统结构;
? ( 3) 适应各种终端接口和网间接口;
? ( 4) 先进的处理机和高速处理能力 。
? 3,第三代分组交换系统
? 1.3.3 ATM交换技术的发展
? 一, 早期的研究
? 1983年出现的快速分组交换 ( Fast Packet
Switching,FPS) 和异步时分 ( Asynchronous
Time Division,ATD) 交换的结合, 导致了
ATM交换方式的产生 。
? 1983年, 美国贝尔实验室提出了 FPS的原理,
研制了原型机, FPS源自分组交换, 减少了链
路层协议的复杂性, 以硬件来实现协议的处理,
从而大大提高了速度 。
? 二, 公用 ATM交换网
? 1,公用 ATM宽带试验网
? 1994年 8月投入运营的美国北卡罗来纳信息
高速公路, 是美国第一个在州的范围内采用
ATM 和 SONET( Synchronous Optical
NETwork) 的公用 ATM宽带网, 被看作未来
国家基础信息设施的雏型, 用于远程教学, 远
程医疗, 商务, 司法和行政管理等领域, 可以
支持 ATM信元中继业务, 交换型多兆比特数
据业务, 帧中继业务以及电路仿真业务 。
? 2,公用 ATM交换系统
? 公用网 ATM骨干交换系统必须具有高吞吐
量和可扩展性, 吞吐量通常为 40~ 160Gbit/s,
应能支持各种接口, 业务和连接类型 。
? 三, 研究热点与展望
? 1,ATM交换结构
? 自从提出 ATM的概念以来, ATM交换结构
就一直是研究重点之一, 包括拓扑结构, 缓冲
方式, 控制机理, 性能分析等 。
? 2,ATM网的业务流控制
? 如何能有效而公平地分配带宽等资源,
保证各种特性不同的业务和各种呼叫连
接的服务质量, 是业务流控制要解决的
重要而复杂的问题 。
? 3.话音通过 ATM
? ATM网的最终目标是实现包括话音在
内的各种业务的综合交换。由于话音实
时性强,对时延和时延抖动有严格要求,
话音通过 ATM( Voice Over ATM,VOA)
的技术仍在作进一步研究,以求得完善
解决。
? 4,与智能网的结合
? 智能网的能力集 3( Capabilities-3,
CS-3) 的目标是将智能网 ( IN) 与 B-
ISDN结合 。
? 5,光交换
? 光交换一直作为下一代的交换技术而
在不断地研究, 光交换是研究的重点 。
? 1.3.4 IP交换技术的发展
? 一, 发展背景
? 近年来, Internet在全球范围内快速增
长, 从 1989年开始, 大约每隔 56周,
Internet上的主机数就翻一番, 呈指数级
增长 。
? ( 1) Internet骨干网的传送容量太小,
带宽资源不足,现有路由器寻址速度低,
吞吐量不够,同时用户接入速率太低。
? ( 2)当用户数量急剧增加时,路由
器网络性能将下降,这时路由器虽然可
以保证优先级较高的数据传输,但由于
它采用无连接的 IP( Internet Protocol),
因而不能使服务质量(带宽、优先级等)
与商业上的优先级对应起来。
? ( 3)路由器网络规模的进一步增大
要求路由器支持大数量的端口,然而目
前一般的路由器只支持 10个端口,即使
是大型路由器也只能支持 50个端口,即
路由器的端口数受到限制。
? ( 4)规模较大的路由器网络大多采
用分层结构,并且大的节点也采用上述
可堆叠式配置,以支持大量用户接入。
? ( 5) 当前 Internet所使用的 IPv4协议
对实时业务, 灵活的路由机制, 流量控
制和安全性能的支持不够, 地址资源也
短缺 。
? 二, IP交换
? IP交换 ( IP Switch) 是 Ipsilon公司提
出的专门用于在 ATM网上传送 IP分组的
技术, 它克服了 Classical IP Over ATM的
一些缺陷 ( 如在子网之间必须使用传统
路由器等 ), 提高了在 ATM上传送 IP分
组的效率, 是目前一种典型的属于集成
模型的技术 。
? 用 ATM传送 IP技术构造宽带 Internet骨
干网具有许多明显的优势, 主要包括下
述几方面 。
? ( 1) 网络性能大幅度提高
? ( 2) 设备费用降低
? ( 3) 服务质量得到保证
? ( 4) 可靠性大大增强
? ( 5) 大大增加了可管理性
? ( 6) 提高了可扩充性
? 三, 标记交换技术
? 标记交换是 Cisco推出的一种基于传统
路由器的 ATM承载 IP技术 。
? 标记交换是一种多层交换技术, 它把
ATM 第二层交换技术和第三层路由技
术结合起来, 能充分利用 ATM的 QoS特
性支持多种上层协议, 能在各种物理平
台上实现, 是一种性能比较优越的 IPOA
( IP Over ATM,ATM上的 IP) 技术 。
? 四, IP/ATM集成交换
? 由于 Internet的迅速发展, 基于 IP网络
的应用日益广泛 。 IP与 ATM的结合已成
为研究的热点和发展趋势 。
1.4 电话交换信令方式
? 1.4.1 信令的概述
? 在交换机各部分之间或者交换机与用
户, 交换机与交换机之间, 除传递话音,
数据等信息外, 还必须传送各种专用的
附加性质的控制信号, 以保证交换机协
调动作, 完成用户呼叫的处理, 接续,
控制与维护管理等功能 。
? 1.4.2 信令的类型
? 一, 带内信令
? 在电话交换局间, 在话音频带 ( 300~
3400Hz) 之内传送的信令称为带内信令;
在话音频带之外传送的信令称为带外信
令 。
? 带内信令的特点如下述 。
? ( 1)带内信令可用于任何形式的电
路,凡是能传送话音的电路均能传送带
内信令。
? ( 2)采用带内信令不会将呼叫接至
有故障的话音电路上,因为话音电路有
故障时,信令也无法传递,因而也不可
能建立接续。
? ( 3)带内信令可使用的频带较宽,
可以采用速度快、具有自检能力的多频
编码信号。
? ( 4)采用带内信令时,容易受到话
音电流的干扰,因为线路信号设备跨接
在话音电路上,很容易受到话音电流的
干扰,有时甚至会将话音误认为是信令
而导致错误的动作,因此,要采取必要
的措施加以防护。
? 二, 随路信令
? 简单地说, 与话音信息采用同一信道
( 或通路 ) 传送的信令称为随路信令 。
脉冲编码调制系统将模拟话音编码为数
字信号, 然后将多路的信号进行复用变
为单一的数字流 ( 如 PCM30/32), 其中,
所有话音信道线路的状态 ( 环路或断开 )
通过一个信令信道传送, 其他用于接续
控制的信号通过相应的话音信道传送 。
? 三, 分组信令
? 分组信令是基于开放系统互连 ( OSI)
模型 ( 如图 1.13所示 ) 的, 为数据通信
系统提供消息通信的信令 。
表示层
会话层
传送层
网络层
链路层
物理层
应用层7
6
5
4
3
2
1

1.
13 O
SI




? ( l) 物理层提供机械、电气、功能和
程序上的方法,以激活、维持和去激活
在数据路链实体之间进行比特传输的物
理连接。
? ( 2)数据链路层提供网络实体中有关
建立、维持和释放数据链路连 接,以及
传送数据路链业务数据单元的功能和程
序的方法。
? ( 3)网络层提供建立、维持和终止网
络连接的方法,以及在传送实体之间交
换网络业务数据单元至网络连接中的功
能和程序。
? ( 4)传送层提供采用会话层的通信实
体之间的透明数据传送,并且使得它不
受如何获得可靠和有效的数据传送的具
体方法的影响。
? ( 5)会话层为表示层提供通信的方法,
它包括在两个表示层实体之间的连接,
以支持按序的数据交换和连接的释放。
? ( 6) 表示层是指在进行通信中的应用
实体信息的表示方法, 它提供通信的应
用实体, 负责所表示数据的公共格式和
原则 。
? ( 7) 应用层是指应完成的任务, 如文
件传送和消息处理等 。
? 四, 公共信道信令
? 公共信道信令不包括完整的七层模型,
它最初的应用是在网络内部使用,以提
供交换机之间的信令,更准确地说,是
在现代系统中的节点(接口是指网络节
点接口 NNI) 之间的信令,不过目标不
仅仅在于基于信息系统的交换机之间的
通信,完整的信令系统将维持它自身的
通信网络(网中网)。
? 1.4.3 用户线信令
? 1,用户状态信令
? 用户状态信令用于监视用户线的环路
状态变化, 广泛采用简单而经济的直流
环路信号表示 。
? 2,选择信令
? 选择信令又称地址信令, 是主叫用户发出
的被叫用户号码 。 主叫用户通过号盘 ( 发出脉
冲号码 ) 或按键 ( 发出双音频号码 ) 送出地址
信息给交换局, 供交换局选择被叫用户 。
? 3,各种可闻音信令
? 各种可闻音信令都是由交换机向用户发送
的, 我国标准 GB3380-82规定了电话自动交换
网有关振铃, 信号音等用户线信令的要求 。
? 1.4.4 局间信令
? 局间信令是在交换机或交换局之间中
继线上传送的信令 。
? 一, 中国 1号信令
? 我国自行制定的中国 1号信令是将话
路所需要的各种控制信号 ( 如占用, 应
答, 拆线及拨号等 ) 由该话路本身或与
之有固定联系的一条信令通路 ( 信道 )
来传递, 即用同一通路传送话音信息和
与其相应的信令 。
? 1,线路信号
? 线路信号是在线路设备 ( 如各种中继接口 )
之间进行传送的信号, 主要表明中继线的使用
状态, 如示闲信号, 占用信号, 应答信号, 拆
线信号和闭塞信号等 。
? 2,记发器信号
? 记发器信号是在记发器 ( 多频收发码器 )
之间进行传送的信号, 主要包括选择路由所需
的地址信号 ( 即被叫号码 ) 和其他用于建立接
续的控制信号 。
? 二, 中国 7号信令
? 中国 7号信令是根据原 CCITT No.7信
令结合我国电信网实际而制定的, 是支
持现有网络中话音呼叫和非话音呼叫有
关的信令的共路信令系统 。
? 1,各部分主要功能
? 消息传递部分的第 1级 ( MTP1) 规定
了信令传输通路的物理, 电气和功能的
特性, 用于信令消息的双向传递 。
? 消息传递部分的第 2级( MTP2) 也是
为窄带应用规定的,它定义了两个直接
连接的信令点之间的信令数据链路上传
送信令消息的功能和程序。
? 消息传递部分第 3级( MTP3) 是在第
1级或第 2级出现故障时,负责将信令消
息从一个信令点可靠地传送到另一个信
令点,并且要求在窄带和宽带的环境时
是相同的。
? 第 4级是用户部分。
? 信令链路连接控制部分 ( Signaling
Connection and Control Part,SCCP) 用
于加强 MTP功能, 它与 MTP一起提供相
当于 OSI的第三层功能 。
? 事务处理能力应用部分 ( Transaction
Capabilities Application Part,TCAP) 指
的是网络中分散的一系列应用在互相通
信时所采用的一组协议和功能 。