现代交换原理-第2章-交换单元与交换网络课件.ppt

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1、引言三种时分复用信号交换单元交换单元的基本概念开关阵列与空间接线器共享存储器型交换单元时间接线器总线型交换单元数字交换单元（DSE）交换网络CLOS网络TST网络DSN网络BANYAN网络,主要内容,2.1引言,交换网络中的信号形式是数字时分复用信号。电路交换采用：同步时分复用信号 分组交换采用：统计时分复用信号 ATM交换采用：异步时分复用信号,（1）同步时分复用信号,电路交换采用；PCM30/32路系统中的信号；同步时分复用原理：将时间划分为等长的时间单位（帧），一帧划分为若干时隙，时隙按顺序编号；子信道：所有帧中编号相同的时隙构成一个子信道，一个子信道传输一个话路信号；子信道的速率恒定：

2、64Kbps，即对每路用户固定分配带宽。,位置化信道：由子信道在时间轴上的位置识别每路用户；同步时分复用信号的交换：时隙的交换（信号在时间轴上的移动）；交换由硬件完成。,分组交换采用；分组长度不固定：通常128字节，也可选32，64，256或1024字节；统计时分复用原理：将时间划分为不等长的时间片，用来传送不同长度的分组，对每路用户按需分配时间片。每个分组携带标志码；子信道：具有相同标志码的分组构成一个子信道；子信道速率不恒定：动态分配带宽。,（2）统计时分复用信号,（2）统计时分复用信号,标志化信道：由分组头中的标志码识别每路用户；统计时分复用信号的交换：按照分组头中的路由信息分配到所需线

3、路上；交换一般由软件完成。,ATM交换采用；信元长度固定：53字节；异步时分复用与统计时分复用区别：将时间划分为等长的时间片，用来传送固定长度的信元；交换：适于采用硬件完成。,（3）异步时分复用信号,2.2.1交换单元及其数学描述1、交换单元 交换的基本功能是在任意的入线和出线之间建立连接。在交换系统中完成这一基本功能的部件就是交换网络，它是交换系统的核心。交换网络是由若干个交换单元构成的。交换单元是构成交换网络的最基本的部件。,2.2交换单元,入线,出线,控制端,状态端,M X N的交换单元,0,0,1,1,M-1,N-1,交换单元按使用需要的不同可分为：,入线,0,M-1,出线,0,N-1

4、,入线,0,M-1,出线,0,N-1,出线,0,N-1,入线,0,M-1,集中型（MN）,扩散型（MN）,分配型（M=N）,交换单元的分类（1）,交换单元按信息流向分为：,有向交换单元：当信息经过交换单元时只能从入线进入，由出线输出，具有唯一确定的方向。无向交换单元：交换单元的每条线即可输入也可输出，其入线数必等于出现数。,出线,0,N-1,入线,0,M-1,M X N有向交换单元,入线/出线,0,N-1,N无向交换单元,.,.,交换单元的分类（2）,连接特性是交换单元的基本特性，它反映了交换单元入线到出线的连接能力，通常我们用连接集合和连接函数来描述交换单元的连接特性 连接函数 一个连接函数

5、对应一种连接，连接函数表示相互连接的入线编号和出线编号之间的一一对应关系，即存在连接函数f，入线x与出线f(x)相连接，0 xM-1，0f(x)N-1。连接函数实际上也反映了入线编号构成的数组和出线编号构成的数组之间的置换关系或排列关系，故连接函数也被称作置换函数或排列函数。,2、连接与连接函数（自学）,容量：交换单元所有入线可以同时送入的总的信息量 接口：交换单元需要规定自己的信号接口标准，即信号形式、速率及信息流方向 功能：点到点、同发、广播 质量：完成交换动作的速度、任何情况下是否能完成指定连接、信息经过交换单元是否有损伤（时间、语义）,交换单元的性能,交换单元,2.2.2 空分交换单元

6、,时分交换单元,空分交换单元,空分交换单元：由空间上分离的多个小的交换部件或开关部件按照一定的规律连接构成。,空分交换单元,空间接线器（S接线器）,开关阵列,多条通路,唯一通路,在交换单元内部，要建立任意入线和任意出线之间的连接，就在每条入线和每条出线之间都各自接上一个开关，所有开关就构成了交换单元内部的开关阵列。,1、开关阵列,TS7,TS7,信息具有均匀的单位延时。适合于构成较小交换单元（开关数反映了实现的复杂度和成本的高低）。容易实现同发和广播功能交换单元的性能依赖于所使用的开关。控制简单,开关阵列的特性,功能：实现多个输入、输出复用线之间的空间交换。,2、空间接线器（Space Swi

7、tch）,组成,电子交叉矩阵控制存储器CM,简称：S接线器。,复用线：传送同步时分复用信号的线路。,电子交叉矩阵：开关阵列一般入线数=出线数，即为NN开关阵列，此时S接线器就叫做NN的S接线器,0 1 2,0 1 2,入线编号,出线编号,2、空间接线器（Space Switch）,输入控制：输出控制：,按控制方式分为,CM号-入线编号,CM号-出线编号,20,0 1 2,0 1 2,TS7,入线编号,出线编号,TS7：1入2出,TS7,21,TS7,TS7,？,？,TS7：1入2出,相应的单元应该填入什么内容？,控制存储器（CM-Control Memory）：CM数量=入（出）线数 CM的存

8、储单元个数=入（出）线上复用时隙数 CM的存储单元内容=出（入）线编号 CM的存储单元长度=出（入）线编号的二进制位数例：3232的S接线器，每条复用线上512个时隙。以上各量应为多少？,作业,a：01 TS0 b：12 c：20 d：02 TS1 e：10 f：21,空间接线器如例题所示，分别对于两种工作方式，在控制存储器的相应单元填入适当内容，满足以下交换要求：,24,功能：完成同一复用线上不同时隙间的交换。,组成,存储语音信息,控制SM的读或写,不能完成空间交换！,简称：T接线器。,时隙交换：指入线上各个时隙的内容要按照交换连接的需要，分别在出线上的不同时隙位置输出。,2.2.3 时分交

9、换单元,1、时间接线器(Time Switch),W,TS0,TSn,TS0,TSn,0,n-1,n-1,0,SM,CM,R/,T接线器组成结构图,大小（单元个数）=输入复用线上每帧的时隙数n。,话音存储器SM,字长（单元大小）=8 比特,例：T接线器输入复用线上一帧复用512个时隙，问SM的容量是多少？SM大小（单元个数）=512 字长（单元大小）=8 比特 SM容量=5128bit,内容：PCM编码的语音信息,大小（单元个数）=时隙数n=SM大小,控制存储器CM,字长（单元大小）=log2n,例：T接线器输入复用线上一帧复用512个时隙，问CM的容量是多少？CM大小（单元个数）=SM大小=

10、512字长（单元大小）=9 比特(29=512)CM容量=5129bit,内容：SM在该时隙内写入/读出的地址,28,原理：先存储，后转发。工作方式：输出控制：（顺序写入，控制读出）输入控制：（控制写入，顺序读出）（掌握两种工作方式下的工作过程，会区分工作方式）,29,TS6 TS17,A,控制读出,顺序写入,6,TS6,TS17,17,6,17,6,6,30,TS6 TS17,A,SM,CM,顺序读出,控制写入,17,TS6,TS17,6,17,6,17,17,31,请问：CM的工作方式是什么？,（3）容量和时延,T接线器的容量=SM容量=nn（n-时隙数）,时延,串/并转换,存储时延,作业

11、,课后习题P58-2.6，2.7,2、数字交换单元（DSE）,DSE：是一种总线型交换单元，又称空时结合交换单元，既可实现时隙之间交换，又可实现复用线之间的交换。只适用于同步时分复用信号的交换。,2、数字交换单元（DSE）,（1）结构,39条并行时分复用总线（TDM）数据总线(D)：16条，传输PCM链路上每路16bit信息。端口地址总线(P)：4条，传输端口地址（16个端口）信道地址总线(C)：5条，传输信道地址（32个信道）控制总线、时钟线、证实线、返回信道总线。,发送侧TX,接收侧RX,双向端口,PCM出,PCM入,双向PCM链路，一帧32个时隙,16个双向端口：,信道CH,16bit,

12、串行码率：4096Kb/s,!,端口的接收侧（RX）,端口RAM,单元长度：4bit,单元内容：该信道要接续的端口号,32个单元对应32个信道,信道RAM,单元长度：5bit,单元内容：该信道要接续的信道号,32个单元对应32个信道,输入同步电路：完成位同步和帧同步。,端口的发送侧（TX）,发送控制,PCM出,数据RAM（话音存储器）,单元长度：16bit,单元内容：该信道要输出的信息,32个单元对应32个信道,工作方式：控制写入、顺序读出,端口比较器：将总线上端口号与本端口号相比较。,发送控制器：协调发送侧的内部操作，如数据RAM的读/写。,DSE任意端口接收侧的任意信道中的信息都能通过总线

13、交换到任意端口发送侧的任意信道上。DSE：512 512无向交换单元,信道字（16bit）,换码：10 处理机信息,选择：01 端口号码、信道号码,置闲：00 信道置闲,数据：11 语音(8bit)，数据（14bit）,（2）工作原理,信道字最高两位,DSE中，任一端口RX的任一CH都可以通过TDM总线连接到任一端口TX的任一CH。这就形成了DSE内部的一个通路。这一通路是根据外部送来的选择信道字而建立的。DSE具有建立、保持、拆除其内部通路的功能，并通过已经建立的通路进行信息交换。,TS20,TS10,10,10,20,9,20,RX3CH10 TX9CH20,20,S,9,9,20,S,交

14、换网络:是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络。交换网络的三个基本要素是：交换单元、不同交换单元间的拓扑连接和控制方式。,2.3 交换网络,交换网络的一般结构,控制单元,出线,入线,交换单元,交换单元,交换单元,交换单元,交换网络,01.M-1,01.N-1,M N交换网络,单级交换网络 多级交换网络,单级交换网络：由一个或若干个位于同一级的交换单元构成的交换网络。需交换的信息在单级交换网络中一次通过，即一次入线到出线的连接，只经过一个交换单元。,交换网络按拓扑连接方式可分为：,1.单级交换网络和多级交换网络,是不是单级交换网络？,单级交换网络,如果一个交换网络中的交换单元可

15、以分为K级，顺序命名为第1,2,K级，并且满足：所有入线都只与第1级交换单元连接；所有第1级交换单元都只与入线和第2级交换单元连接；所有第2级交换单元都只与第1级和第3级交换单元连接；依此类推，所有第K级交换单元都只与第K-1级和出线连接；则称这样的交换网络为多级交换网络，或K级交换网络。,多级交换网络,多级交换网络,第1级,第3级,第2级,3级交换网络每个交换单元：22连接关系由图形表示,多级交换网络的拓扑结构可用三个参量来说明：每个交换单元的容量 交换单元的级数 交换单元间的连接通路（链路）多级交换网络：由交换单元自身的连接函数和级间链路的连接函数共同描述,多级交换网络,问题引入：02连接

16、已经建立，要建立1 3连接,1级,2级,单级交换网络（交换单元）,2级交换网络,不存在！,2.多级交换网络的内部阻塞,2级交换网络,单级交换网络（交换单元）,交叉点数量 224=16个,交叉点数量 44=16个,=,多级交换网络的交叉点数量,交叉点数量 336=54个,交叉点数量 99=81个,多级交换网络的交叉点数量,nm x nm 2级交换网络,交叉点数量：m n2+m2 n,交叉点数量 n2m2,若m=n=86464网络,=,1024个,=,4096个,多级交换网络的交叉点数量,严格无阻塞网络：不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的

17、，而不会影响网络中已建立起来的连接。可重排无阻塞网络：不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中直接或对已有的连接重选路由来建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。广义无阻塞网络：指一个给定的网络存在着固有的阻塞可能，但又可能存在着一种精巧的选路方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新安排网络中已建立起来的连接。,无阻塞交换网络,NN的CLOS网络：对于较大的N，满足减少交叉点总数的同时具有严格的无阻塞特性。,每一个交换单元与下一级各个交换单元有且仅有一条连接由入线到出线，内部通路不只一条,N=rn,!,C（m,n,r）,3.CLOS网络,三级C

18、LOS网络交叉点数量,N=36的三级CLOS网络第一级：6个6*11交换单元第二级：11个6*6交换单元第三级：6个11*6交换单元交叉点=1188若为单级交换网络，交叉点=362=1296,n-1条,a,n-1条忙,n-1条忙,可用,n-1条,b,1,1,n-1,n-1,m个,严格无阻塞：m2n-1。,m应该满足什么条件？,三级CLOS网络无阻塞条件,1,3,4,2,1,3,4,2,可重排无阻塞：mn,已经建立：14 和 3 1 连接,要再建立：22 和 4 3 连接？,1,3,4,2,1,3,4,2,可重排无阻塞网络,习题,构造一个9*9的三级严格无阻塞CLOS网络。,TST网络是在电路交

19、换系统中经常使用的一种交换网络，它是三级交换网络，两侧为T接线器，中间一级为S接线器。,交换网络入线数,交换网络出线数,第1级T数量,第3级T数量,S的出入线数（容量）,第1级T接线器：负责输入线上的时隙交换。第2级S接线器：负责不同线之间的空间交换。第3级T接线器：负责输出线上的时隙交换。,3.2 TST网络,63,结构,TST：3232，每条输入输出线上一帧复用512个时隙。试分析结构：各个Memory的容量；各个Memory的内容；,工作方式,1级T：输出控制（顺序写入，控制读出）2级S：输出控制（控制输出线上交叉点）3级T：输入控制（控制写入，顺序读出）,工作原理,A:HW0TS2,B

20、:HW31TS511,双向,T：单向,TST：单向,A：HW0TS2 B：HW31TS511,B：HW31TS511 A：HW0TS2,A B内部时隙：TS7,B A内部时隙：如何选择？,为减少选路次数，简化控制，可使两个方向的内部时隙具有一定的对应关系。反相法：相差半帧设：Nf=一帧的时隙数 Na=A到B方向的内部时隙数 Nb=B到A方向的内部时隙数则：Nb=Na+Nf/2规律：相差半帧的两数，其二进制编码仅为最高位相反。eg：(7)2=000000111(263)2=100000111方法：用反相器作为硬件实现。,内部时隙选择,输出控制,输出控制,输入控制,TS2,A,TS511,2,2,

21、7,TS7,TS7,TS7,7,511,TS511,263,511,TS263,TS263,TS263,263,2,TS2,263,31,7,0,B,B,A,2,A:HW0TS2B:HW31TS511,B:HW31TS511A:HW0TS2,TS511?TS2,ITS7,7+512/2=263,263,关于T-S组合网络,T-S(n)-TT-S-T网络：AXE10，FETEX-150，E10B，5ESS等T-S-S-T网络：NEAX61T-S-S-S-T网络：EWSDT-S-S-S-S-T网络：4ESS(长途)S-T(n)-S,串/并转换,多路信号时分复用,复用器,并/串转换,高速时分复用信号

22、的分路,分路器,复用器和分路器,TS0,TS1,PCM1,TS0,TS1,PCM2,TS0,TS1,PCM3,TS0,TS1,PCM4,串行码信息速率：2048kbit/s,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D0,D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,TS0,TS1,PCM1,D0,D7,PCM2,D0,D7,PCM3,D0,D7,PCM4,D0,D7,并行码信息速率：256kbit/s,D0,D1,D7,TS0,TS1,TS0,TS1,TS0,TS1,并行码信息速率：256k*4=1024kbit/s,此时一帧复用多少时隙？,32*4=128,TST网络中的几个问题,（1）

23、两级T接线器的控制方式第1级输出：SMA写入单元号与输入时隙号对应 第3级输入：SMB写入单元号与输出时隙号对应 SMA和SMB有单元损坏时相应输入输出通路不能使用。第1级输入：SMA写入单元号与内部时隙号对应 第3级输出：SMB写入单元号与内部时隙号对应 SMA和SMB有单元损坏时，只要不采用对应的内部时隙即可。,TST网络中的几个问题,（2）两级T接线器控制存储器合用第1级输出 第3级输入 同一复用线上两级T接线器控制存储器相差半帧的两个单元中内容相同。第1级输入 第3级输出 同一复用线上两级T接线器控制存储器同一个编号的两个单元中的内容相差半帧。（3）内部阻塞概率非常小，约为10-6，可

24、近似为无阻塞网络。,作业,P59-2.11,2.3.3 DSN网络（数字交换网络）,DSN：由多个DSE按照一定的连接方式构成。,1、结构,单侧折叠式（出、入线位于同一侧）,(1)组成,DSN多级多平面,4级,4平面,第1级入口级,第2、3、4级选组级,-第2、3、4级构成,由相同DSE构成,终端模块,A,B,C,D,0,7,7,0,0组,15组,0,7,7,0,0组,15组,0,7,0,7,7,0,7,0,0,7,0,7,7,0,7,0,0,0,15,0,15,0,15,0组,7组,0,7,0,7,8,入口级,0,4,3,7,选组级,第1级,第2级,第3级,第4级,12,（07、1215）,

25、11,平面0,平面1,平面2,平面3,0,8,15,8,15,8,15,8,15,8,15,8,15,8,15,8,15,返回,0,511,15,平面1,平面2,平面3,DSN网络结构图,平面0,a、入口级 选面级。由多对DSE（入口接线器）构成。,DSE16个双向交换端口,07,811(4个)选组级的各个平面,双向32信道PCM链路,1215,(12个)终端模块,用户模块,特殊模块,每个模块可接128个用户,一对入口接线器可接：8128=1024个用户,去DSN图,终端模块,入口级,第1级,12个端口,12个,属于同一对入口接线器的终端之间通信，通过第1级完成,去DSN图,数量,数量,b、选

26、组级,3级：第2、3、4级,4平面：第2、3、4级,终端模块数量,终端话务量,第2级,第3级,16组DSE，每组8个DSE,端口07接前一级DSE,端口815接后一级DSE,第4级8组DSE，每组8个DSE，16个端口都接前一级,去DSN图,第1级,第2级,平面0、0组,4对（8个）,同组，同一个第2级DSE的属于不同对入口接线器的终端 之间通信，只能通过第2级完成,（2）DSN的连线规律,第一级 第二级,端口号8 平面号,DSE或DSE号+4 端口号,去DSN图,DSE容量,去DSN图,第2级16组DSE，每组8个DSE，第2级共有168=128个DSE；每个DSE接4对入口接线器，第1级最

27、多有1284=512对入口接线器；每对入口接线器可接1024个用户，DSN最多能接5121024=524258用户。实际10万个左右。,第2级,第3级,0组,0组,同组，第2级不同DSE的终端 之间通信，只能通过第3级完成,第二级 第三级,组号 组号,DSE号 入端口号,出端口号8 DSE号,同组内交叉连接,去DSN图,第3级,第4级,0组,0组,1组,15组,1组,8组,第三级 第四级,组号 端口号,DSE号 DSE号,出端口号8 组号,不同组的DSE的终端 之间通信，只能通过第4级完成,不同组间交叉连接,去DSN图,（3）网络地址 终端模块具有唯一的地址码，A B C D（共13bit）,

28、A：第1级DSE入端口号码，12种，4bit,B：第2级DSE入端口号码，4种，2bit,C：第3级DSE入端口号码，8种，3bit,D：第4级DSE入端口号码，16种，4bit,终端模块编号,第1级DSE号,第2级DSE号,第2、3级组号,去DSN图,（1）DD,不同组，反射点在第4级。,（2）D=D、C C,同组，第2级不同DSE，反射点在第3级。,反射点位置：通过地址比较决定,同组，第2级同一DSE，第1级不同的DSE对，反射点在第2级。,第1级同一DSE对，反射点在第1级。,（4）D=D、C=C、B=B、A A,（3）D=D、C=C、B B,2、工作原理,去DSN图,例：主叫 A、B、

29、C、D 为 4、1、5、2，,被叫 A、B、C、D 为12、2、4、10。,第二组第5号DSE第1号DSE对的第4号终端,第10组第4号DSE第2号DSE对的第12号终端,DD，反射点在第4级。,去DSN图,BANYAN 网络的基本结构BANYAN 网络的基本特性BANYAN 网络的工作原理BANYAN 网络的内部阻塞排序-BANYAN网络,2.3.4 BANYAN 网络,BANYAN 网络是一种空分交换网络，是由若干个22交换单元组成的多级交换网络，在ATM交换机中得到广泛应用。,1、BANYAN 网络的基本结构,建立连接,00,31,唯一路径（每条入线到每条出线有且仅有一条路径）,均匀洗牌

30、,4x4的二级banyan网络,2个4X4+一级4个2X2交换单元,第1级,第2级,第3级,子洗牌,均匀洗牌,8 x 8的3级banyan网络,建立连接,02,73,唯一路径,（1）可扩展性 BANYAN的构成具有一定的规律，可由较小的BANYAN网络递归构成较大的BANYAN网络。,2、BANYAN网络的基本特性,N X N,2N X 2N：,2组N X N+一组N个2X2交换单元,第一组N X N的N条出线分别与N个2X2的某一入线相连,第二组N X N的N条出线分别与N个2X2的另一入线相连,16X16BANYAN交换网络的构成,Banyan网络的可扩展性,对于N X N 的BANYAN

31、网络，级数M，满足M=log2N，即2M=N。,Banyan网络的可扩展性,（2）唯一路径 每条入线到每条出线有且仅有一条路径,2、BANYAN网络的基本特性,4 X4满足唯一路径,利用数学归纳法证明,假设NXN也成立。,对2NX2N，由构成规则中级间连接方式知，由NXN出线到最后一级2X2交换单元任意出线有且仅有一条路径。,2NX2N也成立。,对任意的N，BANYAN网络都具有唯一路径。,（3）自选路由 给定出线地址，不用外加控制命令，就可选到出线。可以使用对应于出端号的二进制码的选路标签来自动选路。任意入线到所有N条出线有N个连接，由M位二进制的N种编码表示。所有入线到同一出线的连接的编码

32、表示都相同，为出线编号。,2、BANYAN网络的基本特性,(010),(011),(101),(100),8 x 8的3级banyan网络,Banyan网络的自选路由特性,(010)(011),(100)(101),3、BANYAN网络的工作原理,冲突！,3、内部阻塞,发生阻塞的22交换单元在交换网络除最后一级的其它级上。,只要BANYAN网络同时输入的全部数据块(信元)的出线地址(路由标签)单调排列(即单调递增或单调递减)，则不存在内部阻塞。,4、排序-BANYAN网络,因此，为了满足BANYAN网络无阻塞条件，解决BANYAN网络的内部阻塞，可在BANYAN网络前加入排序网络，构成排序-B

33、ANYAN网络。,该网络也简称为B-B网，是由BATCHER排序网和BANYAN网组成，它成功地避免了BANYAN网络的内部阻塞，这是目前ATM交换机使用较多的一种网络。BATCHER排序网是由2X2的比较器（BATCHER比较器）构成的。,x,y,min(x,y),max(x,y),x,y,min(x,y),max(x,y),BATCHER-BANYAN网络,BATCHER-BANYAN网络,011,111,010,100,011,010,100,111,111,100,010,011,BATCHER-BANYAN网络,描述交换单元连接特性的方法 交换单元的外部特性描述的描述指标 三种典型的交换单元的结构、特性及工作原理 无阻塞网络的概念，构成无阻塞网络的方法 CLOS、TST、DSN、BANYAN网络的结构及特性,本章小结,思考题,PCM的时分复用中，随着复用路数的增加，每帧中包含的子支路数增加，其每帧的时间长度是否会随着增加？为什么？利用单向交换网络能否实现用户的双向通信？T接线器和S接线器的主要区别是什么？能否自己想出一个可重排的CLOS网络例子？,