现代交换原理与技术第1章 交换技术及通信网概述课件.ppt

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1、现代交换原理与技术,第1章 交换技术及通信网概述,1.1 交换的引入1.2 交换技术1.3 交换技术的演进1.4 交换系统的基本结构和关键技术1.5 通信网的基本结构,现代交换原理与技术,2,2023/1/16,计算机与通信工程学院,3,1.1 交换的引入,通信的方式：两人打电话两人传输文件,2023/1/16,计算机与通信工程学院,4,1.1.1 点到点的通信方式,定义,点到点的通信方式 只有两个终端和连接两个终端的传输线路的通信方式。,终端,传输媒介,终端,电信号,电信号,信息,信息,2023/1/16,计算机与通信工程学院,5,1.1.1 点到点的通信方式,点到点的电话通信,2023/1

2、/16,计算机与通信工程学院,6,1.1.2 多点间的通信全互连方式,无交换的多个终端要实现相互间通信，必须以全互连的方式两两相连若终端数为n，则线对数为C2n=n(n-1)/2（当终端n=100时，线对数=100X(100-1)/2=4950）增加第n+1个终端时，必须增设n条线路，安装维护困难,2023/1/16,计算机与通信工程学院,7,1.1.2 多点间的通信引入交换机,交换机负责监测各个用户状态，需要时在两用户之间建立和释放通信连路,无需开关；需要N条线路；增加新终端时，只需增加一条线路,2023/1/16,计算机与通信工程学院,8,1.1.3 通信网的组成,2023/1/16,计算

3、机与通信工程学院,9,1.1.3 构成通信网的三要素,通信网：由终端设备、交换设备、传输设备，结合信令过程、协议和支撑运行系统组成的网络。,1.2 交换技术,目前在通信网中所采用的或曾出现的交换技术主要有以下几种：电路交换、多速率电路交换、快速电路交换、报文交换、分组交换、帧交换、帧中继、ATM交换、IP交换、光交换、软交换、IP多媒体子系统。,现代交换原理与技术,10,现代交换原理与技术,11,1.2 交换技术,2023/1/16,计算机与通信工程学院,12,1.2.1电路交换：定义,电路，指承载用户信息的物理层媒质，可以是一对铜线、一个频段或时分复用电路的一个时隙。电路交换模式，交换设备只

4、为通信双方建立透明的通路连接，不对用户信息进行任何检测、识别或处理。电路交换设备，常称作程控交换机，在软件控制下，接收和处理用户呼叫信令，分配资源，提供双向通信电路。,2023/1/16,计算机与通信工程学院,13,1876年贝尔发明电话。最早的电话交换机，1878年英国人设计了磁石电话交换机，采用Ring-Donw方式。15年后步进制交换机问世，通过号盘话机拨号使直流通断直接控制接续选择。1919年后，纵横制交换机，采用记发器集中收号，通过标志器驱动纵横接线器动作完成自动接续。,1.2.1电路交换：技术演进,2023/1/16,计算机与通信工程学院,14,随着半导体技术发展，出现了半电子交换

5、机，准电子交换机。计算机诞生后，将交换机的接续控制用计算机完成，有了模拟空分交换机。20世纪70年代，PCM技术成熟，产生了数字程控交换机，交换技术进入了数字化时代，可交换数字话音、数据和图文业务。,1.2.1电路交换：技术演进,2023/1/16,计算机与通信工程学院,15,交换结点A,交换结点B,交换结点C,建立,传送,释放,实质：通信双方间存在一条物理电路电路交换,1.2.1电路交换：基本过程,2023/1/16,计算机与通信工程学院,16,A,B,C,D,发送呼叫信号,传输,1.交换2.发送 呼叫信号,传输,1.交换2.发送 呼叫信号,传输,1.作出反应 2.发送回应信号,数据传输前需

6、要建立一条端到端的通路。称为“面向连接的”（典型例子：电话）,1.2.1电路交换：基本过程,2023/1/16,计算机与通信工程学院,17,1.2.1电路交换：交换机的分类,(1)按信息表示形式分：模拟和数字交换机,2023/1/16,计算机与通信工程学院,18,(2)按交换机构组织形式分：空分和时分交换机,1.2.1电路交换：交换机的分类,2023/1/16,计算机与通信工程学院,19,(3)按控制方式分：人工、布控逻辑和存储程序控制交换机,1.2.1电路交换：交换机的分类,2023/1/16,计算机与通信工程学院,20,面向连接（物理连接）:呼叫建立时向网络申请资源，建立一条主叫到被叫的通

7、路；呼叫结束时释放该通路。如果申请不到资源，则发生呼损。同步时分复用：时隙固定分配带宽：通信过程中，双方始终占有这条通路，保证数据快速传递。支持实时的、交互的通信，但线路利用率低。对信息进行透明传输。即对通信信息不作处理(信令除外)，原封不动地传送，用作低速数据传送时不进行速率、码型的变换。适用于话音业务。,1.2.1电路交换：特点,2023/1/16,计算机与通信工程学院,21,电路交换的优点 时延小，通信质量有保证 控制简单 电路交换的缺点 呼叫建立需要时间 每个连接带宽固定（不能适应不同速率的业务）不传信息时也占用资源（不适用于突发业务）对信息无差错控制，不适合差错敏感的数据业务 流量控

8、制是基于呼叫损失制的,1.2.1电路交换：特点,2023/1/16,计算机与通信工程学院,22,多速率电路交换(MRCS：Multi-Rate Circuit Switching)就是采用电路交换方式为用户提供多种速率的通信信道。其实现方法有两种：采用一个统一的多速率交换网络，设置多种基本信道速率采用多个不同速率的交换网络,1.2.2 多速率电路交换,2023/1/16,计算机与通信工程学院,23,采用多个不同速率的交换网络,1.2.2 多速率电路交换,2023/1/16,计算机与通信工程学院,24,本质还是电路交换技术；速率是事先定制好的，不能任意更改，灵活性不够；不能真正适应突发业务的特点

9、；交换系统比较复杂，实现成本偏高。,1.2.2 多速率电路交换：特点,2023/1/16,计算机与通信工程学院,25,提高了带宽的利用率,虽然提高了带宽利用率，但控制复杂，要求快速处理大量信令；传送信息的时延比电路交换大。,当呼叫建立时，呼叫连接上所有交换结点要在相应的路由上分配所需的带宽，并不立即占用网络资源，只有当发送信息时才占用资源，不发送信息时就释放资源;用快速“随路”信令控制资源分配；,1.2.3快速电路交换,2023/1/16,计算机与通信工程学院,26,1.2.4 报文交换（Message Switching）,基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；每一

10、个报文由头部和数据两部分组成，都有接收地址和发送地址的标识，交换结点只需寻找到一条下一结点的空闲电路，就可将信息发送出去；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。,发送报文,传输,等待-发送,传输,等待-发送,传输,1.2.4 报文交换：特点,优点中继线利用率高，多个用户报文按“先来先服务”的工作顺序共同使用中继线路；采用“存储转发”方式，可实现不同速率的各种突发性业务的信息传输；能进行差错控制。缺点以报文为单位传输，长报文在网络中占用大量的存储空间和时延，影响其后多个短报文的发送，因此对要求传输时延较短的数据业务不适应。,现代交换原理与技术,27,1.2.5分

11、组交换（Packet Switching）,分组交换综合了电路交换和报文交换的优点，同时对它们的缺点进行改进，分组交换比较好地支持了数据通信，是现代通信网络的基础交换技术。采用存储转发方式的分组交换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，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。,现代交换原理与技术,28,2023/1/16,计算机与通信工程学院,29,分组：为保证传输时延小，交换效率高，将报文截成许多短的、限长的、统一格式的分组(Packet)，直接在内存中排队和处理。存储转发：各个分组要携带源、目的地址，供交换机路由选择。有序号：各个分组可能走不同

12、的路径，因此要携带序号，使接收端能将各个分组按序重组成长报文。实质：“分组存储转发”传送信息,1.2.5分组交换,2023/1/16,计算机与通信工程学院,30,首部,首部,首部,发送,发送,接收端,数 据,首部,数 据,首部,数 据,首部,11010011101 00101001110,1.2.5分组交换：基本过程,在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块 每个块增加带有控制信息的首部构成分组（包）依次把各分组发送到接收端 接收端剥去首部，抽出数据部分，还原成报文,2023/1/16,计算机与通信工程学院,31,分组从 A 传送到 B 的过程(存储转发),网络,网络,网络,网络,网络,网络,

13、网络,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,路由器,A,B,1.2.5分组交换：基本过程,2023/1/16,计算机与通信工程学院,32,分组交换网中路径的不确定性,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,1.2.5分组交换：基本过程,2023/1/16,计算机与通信工程学院,33,1.2.5分组交换：分类,2023/1/16,计算机与通信工程学院,34,M3,M2,M1,N3,N2,N1,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,35,M

14、3,M2,M1,N3,N2,N1,M2,M1,N2,N1,虚电路,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,36,虚电路,N3,M2,M1,N2,N1,M3,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,37,虚电路,N3,M2,M1,N2,N1,M3,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,38,虚电路,N3,M2,M1,N2,N1,M3,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,39,虚电路,N3,M2,M1,N2,N1,M3,1.2.5分组交换：2种方式比

15、较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,40,数据报,M3,M2,M1,N3,N2,N1,M2,M1,N2,N1,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,41,数据报,M3,N3,M2,M1,N2,N1,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,42,数据报,M3,N3,M2,M1,N2,N1,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,43,数据报,M3,N3,M2,M1,N2,N1,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,44,数据报,M3,N3,

16、M2,M1,N2,N1,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,45,虚电路和数据报的对比,1.2.5分组交换：2种方式比较,2023/1/16,计算机与通信工程学院,46,1.2.5分组交换：虚电路的两种方式,交换虚电路(SVC：Switched Virtual Circuit)用户通过发送呼叫请求分组来建立虚电路的方式永久虚电路(PVC：Permanent Virtual Circuit)应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，而不需在呼叫时临时建立虚电路，可直接进入数据传送阶段的方式。,1.2.5分组交换：特点,面向（逻辑）连接和面向无连接两种工

17、作方式统计时分复用可变带宽信息传送不具有透明性，但语义透明适用于数据业务,现代交换原理与技术,47,1.2.6帧交换：X.25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。分组交换的低速率主要是由复杂的协议处理导致的，特别是需要在各段链路上进行差错控制和流量控制。,现代交换原理与技术,48,1.2.6帧交换,目标在分组交换基础上实现高速的数据通信。思路简化协议，其协议栈只有物理层和数据链路层，降低网络中交换结点的处理负荷，减少网络中的时延。方法交换结点只在物理层和数据链路层上进行差错控制；数据链路层上传送的基本数据交换

18、单元为帧。,现代交换原理与技术,49,1.2.7帧中继,目标在分组交换基础上适应实时和高速的业务。思路降低网络中交换结点的处理负荷，减少网络中的时延。方法差错控制方式由点-点改为端-端；交换结点只进行差错检查；基本数据交换单元为帧。,现代交换原理与技术,50,1.2.7 帧中继,帧交换和帧中继实现的条件具有高带宽、高质量的传输线路的大量使用；终端系统日益智能化，将纠错功能可放在终端完成，从而提高网络的效率，增加了应用上的灵活性。,现代交换原理与技术,51,1.2.8 ATM交换,目标综合电路交换和分组交换的优点，支持所有业务。思路采用信元交换。方法存储转发，异步传送模式适应不同速率要求；以更小

19、的定长分组（信元）传送，减少存储转发的时延；面向连接，减少时延差，保证传输有序；取消逐段的差错控制支持透明、实时传输。,现代交换原理与技术,52,1.2.8 ATM交换：特点,固定长度的信元信元(cell)只有53个字节，其中头5个字节称为信头(cell header)，其余48个字节为信息域，或称为净荷(pay load),现代交换原理与技术,53,采用很短的信元可以减少交换结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。,信元头部（5字节）,有效载荷（SAR-PDU）（48字节）,4 8 16 3 1 8 bits,通用流控制。用于UNI接口中

20、的流量控制。在NNI接口中，此字段与后面的8位构成12位的VPI。,虚路径/虚信道标识符。它们共同决定了信元的路由。,载荷类型标识符。用于指明信元中有效载荷的类型。,信元丢弃优先级。用于指明本信元的优先级。遇到拥塞时，CLP=1的信元将首先被丢弃。,信元头错误校验码。用来对信元首部进行检错和纠错。也用于信元定界。,1.2.8 ATM交换：特点,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：Virtual Conne

21、ction)。,现代交换原理与技术,54,1.2.8 ATM交换：特点,异步时分复用标志化信道：每个分组前附加标志码，标示分组的输出端或传送路径；统计时分复用用于分组交换和帧中继；异步时分复用用于ATM交换（分组长度固定）。而同步时分复用：是位置化信道，即依据数字信号在时间轴上的位置区别各路信号。用于电路交换,语音PCM传送方式。适用于语音、数据、图像、视频等任意业务,现代交换原理与技术,55,1.2.8 ATM交换,X.25、帧中继、ATM 差错控制的比较,现代交换原理与技术,56,终端,终端,交换节点,完全差错控制,完全差错控制,有限差错控制,有限差错控制,完全差错控制,完全差错控制,X.

22、25分组,异步转移模式 ATM,帧中继FR,1.2.8 ATM交换：总结,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CTM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，交换结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。,现代交换原理与技术,57,2023/1/16,计算机与通信工程学院,58,1.2.9 IP交换：思想,应用广泛、技术简单，可扩展性好，路由灵活；但是传输效率低（分组数据报方式），无法保证服务质量。,IP网络技术,技术先进，动态分配带宽，可满足多业务需

23、求，快速交换、传输效率高，有服务质量保证；但是技术复杂，可扩展性不好。,ATM交换技术,1.2.9 IP交换：ATM与IP技术的比较,现代交换原理与技术,59,1.2.9 IP交换：IP 与ATM融合的思想,集成IP路由技术的灵活性和ATM交换的高速性。保持IP无连接的特性，结合ATM 硬件交换所提供的高性能。通过IP进行选路，建立基于ATM面向连接的传输通道，利用第二层交换来加速IP分组转发的机制将IP封装在ATM信元中，IP分组以ATM信元形式在信道中传输和交换，从而使IP分组的转发速度提高到了交换的速度。,现代交换原理与技术,60,1.2.9 IP交换：IP 与ATM融合的两种模式,IP

24、 与ATM融合的两种模式:重叠模型 集成模型,现代交换原理与技术,61,1.2.9 IP交换：IP 与ATM融合的两种模式,重叠模型IP层运行在ATM层之上 2个地址空间（IP地址与ATM地址）2种选路协议（IP选路协议与ATM选路协议）需要地址解析功能 CIPOA、LANE、MPOA是重叠模式,现代交换原理与技术,62,1.2.9 IP交换：IP 与ATM融合的两种模式,集成模型 单一的IP地址空间 单一的IP选路协议 需要控制协议（将3层的选路信息映射到2层直通交换机制）IP交换、Tag交换、MPLS是集成模式,现代交换原理与技术,63,2023/1/16,计算机与通信工程学院,64,1.

25、2.10 光交换,光传输+电交换的模式,全光网络,1.2.11 软交换,软交换是下一代网络的控制功能实体，它独立于传送网络，主要完成呼叫控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费等主要功能，同时可以向用户提供现有电路交换机所能提供的所有业务，并向第三方提供可编程能力，它是下一代网络呼叫与控制的核心。软交换最核心的思想：业务提供与呼叫控制分离，呼叫控制与承载分离。,现代交换原理与技术,65,1.2.11 软交换,现代交换原理与技术,66,1.2.12 IP多媒体子系统,IP=基于IP的传输基于IP的会话控制基于IP的业务实现Multimedia=语音、视频、图片、文本等多种媒体的组合支持多种接入

26、方式，各种不同能力终端Subsystem=依赖于现有网络技术和设备，最大程度重用现有网络系统无线网络把PS/GPRS网络作为承载网络 固定网络把基于固定接入IP系统作为承载网络,现代交换原理与技术,67,1.2.12 IP多媒体子系统,IMS是通信发展的一个新趋势，被认为是下一代网络的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。将在第10章详细介绍.,现代交换原理与技术,68,1.3 交换技术的演进,电路交换技术的演进1876年贝尔发明电话；1878年出现了第一部人工磁石式电话交换机。1892年诞生了第一部步进制史端乔自动交换机。第一个纵横制交换机于1

27、932年投入使用。20世纪50年代后期第一个电子交换机的出现。20世纪60年代开始有了软件控制的交换系统。20世纪70年代，交换技术进入了数字化时代。经过一百多年的发展，电路交换技术是目前通信网中使用的一种主要交换技术。传统电话交换网中的交换机，GSM、CDMA数字移动通信系统的移动交换机，N-ISDN中的交换机，智能网（IN）中的业务交换点（SSP）均使用电路交换技术。,现代交换原理与技术,69,1.3 交换技术的演进,分组交换技术的演进1969年12月，美国国防部高级研究计划局（ARPA）研制的分组交换网ARPANET（当时仅4个节点）投入运行，标志着以分组交换为特色的计算机网络的发展进入

28、了一个崭新的纪元。1987年建立了一个新的广域网，由13个节点组成，由主干节点下联到各地区网，采用TCP/IP作为统一的通信协议标准分组交换帧交换帧中继,现代交换原理与技术,70,1.3 交换技术的演进,宽带交换技术的演进ATM交换IP交换光交换,现代交换原理与技术,71,1.4 交换系统的基本结构和关键技术,交换系统的基本结构,现代交换原理与技术,72,1.4 交换系统的基本结构和关键技术,交换系统的关键技术互连技术 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

29、统的结构方式、处理机间的通信方式、多处理机结构,现代交换原理与技术,73,1.5 通信网的基本结构,通信网的基本结构,现代交换原理与技术,74,1.5 通信网的基本结构,应用层应用层表示各种信息的应用，它涉及到各种各样的业务，如语音、视频、数据、多媒体业务等，以及支持各种业务应用的通信终端技术。业务层业务层表示支持各种业务应用的业务网，负责向用户提供各种通信业务，如基本语音、数据、视频等，采用不同交换技术的交换节点可构成不同类型的业务网，如PSTN、ISDN、PSPDN、智能网、GSM等，用于支持不同的业务。,现代交换原理与技术,75,1.5 通信网的基本结构,传送层传送层表示支持业务层的各种接入和传送手段的基础设施，它由接入网和核心网组成，用户驻地设备（CPE）或用户驻地网（CPN）通过接入网接入到核心网。接入网包括有线接入、无线接入和综合接入三种方式。核心网是通信网的骨干，由高速骨干传送网和大型交换节点构成。,现代交换原理与技术,76,1.5 通信网的基本结构,通信网的技术发展趋势终端的智能化、数字化传输网络的数字化、宽带化通信业务综合化通信网络IP化通信服务个人化网络管理智能化网络互通融合化,现代交换原理与技术,77,