第1章緒論1.1交換與通信網(wǎng)1.2交換原理1.3交換技術(shù)分類1.4交換技術(shù)演進(jìn)思考題1.1交換與通信網(wǎng)1.1.1交換機(jī)的引入通信的目的是實現(xiàn)信息的傳遞。在通信系統(tǒng)中，信息是以電信號或光信號的形式傳輸?shù)摹Ｒ粋€通信系統(tǒng)至少應(yīng)由終端和傳輸媒介組成，如圖1.1所示。終端將含有信息的消息，如話音、圖像、計算機(jī)數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)換成可被傳輸媒介接受的信號形式，同時將來自傳輸媒介的信號還原成原始消息；傳輸媒介則把信號從一個地點傳送至另一個地點。這樣一種僅涉及兩個終端的單向或交互通信方式稱為點對點通信。圖1.1點對點通信

當(dāng)存在多個終端，且希望它們中的任何兩個都可以進(jìn)行點對點通信時，最直接的方法是把所有終端兩兩相連，如圖1.2所示。這樣的一種連接方式稱為全互連式。全互連式連接存在下列一些缺點：

(1)當(dāng)存在N個終端時，需用N(N-1)/2條線對，線對數(shù)量以終端數(shù)的平方增加。

(2)當(dāng)這些終端分別位于相距很遠(yuǎn)的兩地時，兩地間需要大量的長線路。

(3)每個終端都有N-l對線與其它終端相接，因而每個終端需要N-1個線路接口。(4)增加第N+1個終端時，必須增設(shè)N對線路。當(dāng)N較大時，無法實用化。

(5)由于每個用戶處的出線過多，因此維護(hù)工作量較大。如果在用戶分布密集的中心安裝一個設(shè)備——交換機(jī)(switch，也叫交換節(jié)點)，每個用戶的終端設(shè)備經(jīng)各自的專用線路(叫用戶線)連接到交換機(jī)上，如圖1.3所示，就可以克服全互連式連接存在的問題。圖1.2多用戶全互連式連接圖1.3用戶通過交換機(jī)連接

圖1.3中，當(dāng)任意兩個用戶之間要交換信息時，交換機(jī)將這兩個用戶的通信線路連通。用戶通信完畢，兩個用戶間的連線就斷開。有了交換設(shè)備，N個用戶只需要N對線就可以滿足要求，線路的投資費用大大降低，用戶線的維護(hù)也變得簡單容易。盡管這樣增加了交換設(shè)備的費用，但它的利用率很高，相比之下，總的投資費用將下降。1.1.2通信網(wǎng)最簡單的通信網(wǎng)(communicationnetwork)僅由一臺交換機(jī)組成，如圖1.4所示。每一臺通信終端通過一條專門的用戶環(huán)線(或簡稱用戶線)與交換機(jī)中的相應(yīng)接口連接。交換機(jī)能在任意選定的兩條用戶線之間建立和釋放一條通信鏈路。圖1.4由一臺交換機(jī)組成的通信網(wǎng)

當(dāng)用戶數(shù)量很多且分布的區(qū)域較廣時，一臺交換機(jī)不能覆蓋所有用戶，這時就需要設(shè)置多臺交換機(jī)組成如圖1.5所示的通信網(wǎng)。網(wǎng)中直接連接電話機(jī)或終端的交換機(jī)稱為本地交換機(jī)或市話交換機(jī)，相應(yīng)的交換局稱為端局或市話局；僅與各交換機(jī)連接的交換機(jī)稱為匯接交換機(jī)。當(dāng)通信距離很遠(yuǎn)，通信網(wǎng)覆蓋多個省市乃至全國范圍時，匯接交換機(jī)常稱為長途交換機(jī)。交換機(jī)之間的線路稱為中繼線。顯然，長途交換設(shè)備僅涉及交換機(jī)之間的通信，而市內(nèi)交換設(shè)備既涉及到交換設(shè)備之間的通信又涉及到交換設(shè)備與終端的通信。圖1.5多臺交換機(jī)組成的通信網(wǎng)

圖1.5中的用戶交換機(jī)PBX(PrivateBranchExchange)常用于一個集團(tuán)的內(nèi)部。PBX與市話交換機(jī)之間的中繼線數(shù)目通常遠(yuǎn)比PBX所連接的用戶線數(shù)目少，因此當(dāng)集團(tuán)中的電話主要用于內(nèi)部通信時，采用PBX要比將所有話機(jī)都連到市話交換機(jī)上更經(jīng)濟(jì)。當(dāng)PBX具有自動交換能力時，又稱為PABX(PrivateAutomaticBranchExchange)。公共電話網(wǎng)只負(fù)責(zé)接續(xù)到PBX，進(jìn)一步從PBX到電話機(jī)的接續(xù)常需要由話務(wù)員轉(zhuǎn)接，或采用特殊的直接接入設(shè)備(DID)。由此可見，交換機(jī)在通信網(wǎng)中起著非常重要的作用，它就像公路中的立交橋，可以使路上的車輛(信息)安全、快捷地通往任何一個道口(交換機(jī)輸出端口)。1.1.3面向連接網(wǎng)絡(luò)和無連接網(wǎng)絡(luò)信息在通信網(wǎng)中由發(fā)端至終端逐節(jié)點傳遞時，網(wǎng)絡(luò)有兩種工作方式：面向連接CO(ConnectionOriented)和無連接CL(Connectionless)。某種程度上，這兩種工作方式可以比作鐵路和公路。鐵路是面向連接的，例如從北京到廣州，只要鐵路信號往沿路各站一送，道岔一合(類似交換的概念)，火車就可以從北京直達(dá)廣州，一路暢通，保證運輸質(zhì)量。而公路則不然，卡車從北京到廣州一路要經(jīng)過許多岔路口，在每個岔路口都要進(jìn)行選路，遇見道路擁塞時還要考慮如何繞道走，要是擁塞情況較多時就會影響運輸，或者延誤時間，或者貨物受到影響，質(zhì)量得不到保證。這就是無連接的情況。1.面向連接網(wǎng)絡(luò)圖1.6給出了面向連接網(wǎng)絡(luò)的傳送原理。圖1.6面向連接網(wǎng)絡(luò)的傳送原理

假定A站有三個數(shù)據(jù)塊要送到C站，它首先發(fā)送一個“呼叫請求”消息到節(jié)點l，要求到C站的連接。節(jié)點1通過路由表確定將該信息發(fā)送到節(jié)點2，節(jié)點2又決定將該信息發(fā)送到節(jié)點3，節(jié)點3又決定將該消息發(fā)送到節(jié)點6，節(jié)點6最終將“呼叫請求”消息投送到C站。如果C站準(zhǔn)備接受這些數(shù)據(jù)塊的話，它就發(fā)出一個“呼叫接受”消息到節(jié)點6，這個消息通過節(jié)點3、2和節(jié)點1送回到A站?，F(xiàn)在，A站和C站之間可以經(jīng)由這條建立的連接(圖中虛線所示)來交換數(shù)據(jù)塊了。此后的每個數(shù)據(jù)塊都經(jīng)過這個連接來傳送，不再需要選擇路由。因此，來自A站的每個數(shù)據(jù)塊，穿過節(jié)點1、2、3、6，而來自C站的每個數(shù)據(jù)塊穿過節(jié)點6、3、2、1。數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，由任意一端用一個“清除請求”消息來終止這一連接。

面向連接網(wǎng)絡(luò)建立的連接有兩種:實連接和虛連接。用戶通信時，如果建立的連接由一條接一條的專用電路資源連接而成，無論是否有用戶信息傳遞，這條專用連接始終存在，且每一段占用恒定的電路資源，那么這個連接就叫實連接；如果電路的分配是隨機(jī)的，用戶有信息傳送時才占用電路資源(帶寬根據(jù)需要分配)，無信息傳送就不占用電路資源，對用戶的識別改用標(biāo)志，即一條連接使用相同標(biāo)志統(tǒng)計占用的電路資源，那么這樣一段又一段串接起來的標(biāo)志連接叫虛連接。顯然，實連接的電路資源利用率低，而虛連接的電路資源利用率高。2.無連接網(wǎng)絡(luò)圖1.7無連接網(wǎng)絡(luò)的信息傳送過程

假定A站有三個數(shù)據(jù)塊要送到C站，它將數(shù)據(jù)塊1、2、3一連串地發(fā)給節(jié)點1。節(jié)點1需對每個數(shù)據(jù)塊做出路由選擇的決定。在數(shù)據(jù)塊1到來后，節(jié)點1得知節(jié)點2的隊列短于節(jié)點4，于是它將數(shù)據(jù)塊1排入到節(jié)點2的隊列。數(shù)據(jù)塊2也是如此。但是對于數(shù)據(jù)塊3，節(jié)點1發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在到節(jié)點4的隊列最短，因此將數(shù)據(jù)塊3排在去節(jié)點4的隊列中。在以后通往C站路由的各節(jié)點上，都作類似的處理。這樣，每個路由雖都有同樣的目的地址，但并不遵循同一路由。另外，數(shù)據(jù)塊3先于數(shù)據(jù)塊2到達(dá)節(jié)點6是完全有可能的，因此，這些數(shù)據(jù)塊有可能以一種不同于它們發(fā)送時的順序投送到C站，這就需要C站來重新排列它們，以恢復(fù)它們原來的順序。

面向連接網(wǎng)絡(luò)和無連接網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別如下：

(1)面向連接網(wǎng)絡(luò)用戶的通信總要經(jīng)過建立連接、信息傳送、釋放連接三個階段；而無連接網(wǎng)絡(luò)不為用戶的通信過程建立和拆除連接。

(2)面向連接網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點為每一個呼叫選路，節(jié)點中需要有維持連接的狀態(tài)表；而無連接網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點為每一個傳送的信息選路，節(jié)點中不需要維持連接的狀態(tài)表。

(3)用戶信息較長時，采用面向連接的通信方式的效率高；反之，使用無連接的方式要好一些。1.1.4網(wǎng)絡(luò)分層模型

1.開放系統(tǒng)互連參考模型為了使各種計算機(jī)在世界范圍內(nèi)互連成網(wǎng)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO(InternationalStandardsOrganization)在1978年提出了一套非常重要的標(biāo)準(zhǔn)框架，即開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM(OpenSystemInterconnectionReferenceModel)，簡稱OSI。這里，“開放”的意思是：只要遵循OSI標(biāo)準(zhǔn)，一個系統(tǒng)就可以和位于世界上任何地方的、也遵循同一標(biāo)準(zhǔn)的其它任何通信系統(tǒng)進(jìn)行通信。

現(xiàn)在，OSI模型已經(jīng)成為通信界，尤其是網(wǎng)絡(luò)界共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)。許多主要的協(xié)議(如TCP/IP)和網(wǎng)絡(luò)(如X.25、FR、ATM、Internet等)均有相應(yīng)的參考模型標(biāo)準(zhǔn)，這大大提高了導(dǎo)入新技術(shù)的方便性及對各種通信網(wǎng)(電話網(wǎng)、X.25網(wǎng)、局域網(wǎng)及Internet等)的適應(yīng)性。為了能夠在以后各章討論問題清晰，本書將有關(guān)OSI內(nèi)容放在第1章中介紹。

OSI的參考模型具有七個層次，因此也將它稱為分層模型，見圖1.8。圖1.8OSI的分層模型

各層的主要功能如下：

1)物理層物理層與通信媒介直接相連，其功能是提供用于建立、保持和斷開物理接口的條件，以保證比特流的透明傳輸。物理層協(xié)議主要規(guī)定了計算機(jī)或終端與通信設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn)，它包含接口的物理、電氣、功能與規(guī)程四個方面的特性。物理層傳送的基本單位是比特，又稱位。2)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層是OSI的第二層，簡稱鏈路層。它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和拆除，并在兩個相鄰節(jié)點的線路上，將網(wǎng)絡(luò)層送下來的信息(分組)組成幀傳送，每一幀包括一定數(shù)量的數(shù)據(jù)和一些必要的控制信息。為了保證數(shù)據(jù)幀的可靠傳輸，數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)具有差錯控制功能。在傳送數(shù)據(jù)時，若接收節(jié)點檢測到所接收數(shù)據(jù)中有差錯，就要求發(fā)端重發(fā)，直至該幀被正確接收。同時，數(shù)據(jù)鏈路層還應(yīng)具備簡單的流量控制功能，以防止接收緩存器容量不夠而產(chǎn)生溢出。這樣，鏈路層就把一條有可能出錯的實際物理鏈路轉(zhuǎn)變成讓網(wǎng)絡(luò)層向下看起來好像是一條不出差錯的鏈路，實現(xiàn)了在不可靠的物理鏈路上進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)幕締挝皇菐?。常用的?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是ISO推薦使用的高級數(shù)據(jù)鏈路控制HDLC(High-levelDataLinkControl)規(guī)程。它是面向比特的傳輸控制規(guī)程。3)網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層又叫通信子網(wǎng)層，主要用于控制子網(wǎng)的運行。網(wǎng)絡(luò)層將從高層傳送下來的數(shù)據(jù)打包，再進(jìn)行必要的路由選擇、差錯控制、流量控制以及順序檢測等處理，使發(fā)端用戶的運輸層所傳下來的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確無誤地按照地址傳送到目的用戶的運輸層。網(wǎng)絡(luò)層的主要任務(wù)是路由選擇、數(shù)據(jù)包的分段和重組以及擁塞控制等。

值得指出的是：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型的不同，網(wǎng)絡(luò)層可以不存在。例如對于由廣播信道所構(gòu)成的通信子網(wǎng)，由于不存在路由選擇問題，故一般不需要網(wǎng)絡(luò)層。對于一個通信子網(wǎng)來說，第三層即網(wǎng)絡(luò)層是它的最高層。網(wǎng)絡(luò)層所傳送的信息的基本單位叫做分組或者包。4)運輸層運輸層位于開放系統(tǒng)互連模型的第四層，它是銜接通信子網(wǎng)(由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成)和資源子網(wǎng)(包含會話層、表示層及應(yīng)用層)的橋梁，起到了承上啟下的作用。運輸層對高層用戶起到了屏蔽作用，使高層用戶的同等實體在交互過程中不會受到下層數(shù)據(jù)通信技術(shù)細(xì)節(jié)的影響。運輸層的任務(wù)就是要根據(jù)子網(wǎng)的特性最佳地利用網(wǎng)絡(luò)資源，并根據(jù)會話實體的要求，以最低費用和最高可靠性在兩個端用戶(即發(fā)端用戶和收端用戶)的會話層之間建立一條運輸連接，以透明方式傳送報文，或者說，運輸層為會話層提供了一個可靠的端到端的服務(wù)。運輸層只能存在于端系統(tǒng)用戶中，又稱端—端層。

運輸層的主要功能是建立、拆除和管理端系統(tǒng)的會話連接。這種連接是會話實體之間的一種邏輯信道。OSI規(guī)定運輸層提供0～4共五類協(xié)議，以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)特性，滿足會話層提出的服務(wù)質(zhì)量要求。0類是最簡單類，適用于可靠型的網(wǎng)絡(luò)，其協(xié)議不存在排序、流控和錯誤檢測等方面的處理，只是讓信息直接穿過；4類的服務(wù)質(zhì)量最高。為了保證服務(wù)質(zhì)量，運輸層對數(shù)據(jù)進(jìn)行分段/合段或者分割/拼接等處理，組成運輸層報文，并選擇合適的服務(wù)等級，以適應(yīng)高低層通信之間的差異；類似地，為了適應(yīng)低層提供的不同服務(wù)質(zhì)量，有時要進(jìn)行復(fù)用/解復(fù)用，合路/分路等處理，同時，也要進(jìn)行端到端的流量控制。運輸層傳送的信息的基本單位是分段報文。5)會話層會話層又稱會晤層，其任務(wù)就是提供一種有效的方法，以組織和協(xié)商兩個表示層進(jìn)程之間的會話，并管理它們之間的數(shù)據(jù)交換。會話是指兩個用戶(表示層進(jìn)程)之間的連接。會話可允許一個用戶進(jìn)入遠(yuǎn)程分時系統(tǒng)，或在兩個用戶計算機(jī)之間傳送一個文件。會話層的主要功能是依據(jù)在應(yīng)用進(jìn)程之間約定的原則，按照正確的順序發(fā)／收數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種形態(tài)的對話，其中包括對對方是否有權(quán)參加會話的身份核實，確定由哪一方支付通信費用，并且在選擇功能方面取得一致，如是選全雙工還是選半雙工通信等等。另外，在會話建立后，需要對進(jìn)程間的對話進(jìn)行管理和控制，如權(quán)標(biāo)的發(fā)放(只有持有權(quán)標(biāo)的一方才可以執(zhí)行某種關(guān)鍵的操作)和同步的管理(當(dāng)會話由于某種原因中止時，在數(shù)據(jù)中插入檢驗點，會話恢復(fù)后僅重傳最后一個檢驗點后的數(shù)據(jù))。

在有些計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，會話層與運輸層是合二為一的，其總的功能都是為用戶建立一條邏輯信道。會話層傳送的信息的基本單位也叫報文，但它與運輸層的報文有本質(zhì)的不同。6)表示層表示層主要解決用戶信息的語法表示問題，它向上對應(yīng)用層提供服務(wù)。表示層對信息格式和編碼起轉(zhuǎn)換作用，例如將ASCll碼轉(zhuǎn)換成EBCDIC碼等，同時將欲交換的數(shù)據(jù)從用戶的抽象語法轉(zhuǎn)換成適合OSI系統(tǒng)內(nèi)部使用的傳送語法。表示層還提供信息壓縮的功能，如采用哈夫曼編碼對文本進(jìn)行壓縮。此外，對傳送的信息進(jìn)行加密與解密也是表示層的任務(wù)之一。表示層傳送的信息也是以報文為單位的。7)應(yīng)用層應(yīng)用層是OSI體系結(jié)構(gòu)的最高層，它直接面向用戶，以滿足用戶不同的需求，是惟一向應(yīng)用程序直接提供服務(wù)的層。其功能包括：提供網(wǎng)絡(luò)完整透明性，用戶資源的配置，應(yīng)用管理和系統(tǒng)管理，分布式信息服務(wù)及分布式數(shù)據(jù)庫管理等。應(yīng)用層傳送的是用戶數(shù)據(jù)報文。上述層次中1～3層的功能屬于通信子網(wǎng)的功能，這些功能的實現(xiàn)均體現(xiàn)在交換機(jī)內(nèi)。按照分層模型設(shè)計交換機(jī)，可以將設(shè)備的復(fù)雜功能簡單化、層次化，使每一個層次在信息交換中都擔(dān)當(dāng)一個獨立的角色，具有特定的功能。

2.分層結(jié)構(gòu)中使用的術(shù)語在分層模型結(jié)構(gòu)中，相鄰層間低層為高層提供服務(wù)。服務(wù)通過定義的相鄰層間服務(wù)接入點SAP(ServiceAccessPoint)，用一組確定的服務(wù)原語實現(xiàn)。OSI定義了請求、指示、響應(yīng)、證實四種類型的原語?！罢埱蟆痹Z請求下層服務(wù)者提供服務(wù)，促成某項工作，如建立連接。服務(wù)提供者收到這一請求后，通知接收方對等服務(wù)提供者(對等層)，收方服務(wù)提供者用“指示”原語通知上層用戶，有人想要與它建立連接。如果收方同意建立連接，可以向自己的服務(wù)提供者回發(fā)一個“響應(yīng)”原語，收方將此信息傳到發(fā)方，發(fā)方服務(wù)提供者再以“證實”原語通知當(dāng)初曾發(fā)出“連接請求”原語的用戶，連接任務(wù)完成。

在一次服務(wù)中，如果發(fā)方提出請求，收方給以確認(rèn)(使用四類原語)，這類服務(wù)稱為有證實的服務(wù)，它可以保證信息的可靠傳送；如果對服務(wù)結(jié)果不確認(rèn)(只使用請求和指示原語)，則稱為非證實的服務(wù)，這類服務(wù)不能保證信息的可靠傳送。第N+1層遞交給第N層的數(shù)據(jù)單元叫第N層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元N-SDU(N-ServiceDataUnit)，第N層加上一些必要的控制信息H(Header)后，就構(gòu)成第N層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元N-PDU(N-ProtocolDataUnit)，見圖1.9。其中，SDU是要通過網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)端對等層的業(yè)務(wù)信息，H字段幫助對等層實體執(zhí)行相應(yīng)的對等層協(xié)議，對等層間通信使用對等層協(xié)議。圖1.9OSI服務(wù)的概念1.1.5信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳送方式信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳送方式稱為傳送模式，包括信息的復(fù)用、傳輸和交換方式。復(fù)用方式和傳輸方式對交換方式有很大影響，因此本節(jié)介紹同步傳送模式STM(SynchronousTransferMode)和異步傳送模式ATM(AsynchronousTransferMode)。

1.同步傳送模式

STM采用同步時分復(fù)用STDM(SynchronousTimeDivisionMultiplexing)、傳輸和同步時分交換STDS(SynchronousTimeDivisionSwitch)技術(shù)。所謂時分復(fù)用，就是采用時間分割的方法，把一條高速數(shù)字信道分成若干條低速數(shù)字信道，構(gòu)成同時傳輸多個低速信號的信道。同步時分復(fù)用是指將時間劃分為基本時間單位，一幀時長是固定的(常見的為125μs)。每幀分成若干個時隙，并按順序編號，所有幀中編號相同的時隙成為一個子信道，該信道是恒定速率的，具有周期出現(xiàn)的特點。一個子信道傳遞一路信息。這種信道也稱為位置化信道，因為根據(jù)它在時間軸上的位置，就可以知道是第幾路信道。

對同步時分復(fù)用信號的交換實際上是對信息所在位置的交換，即時隙的內(nèi)容在時間軸上的移動，稱為同步時分交換。

STM的優(yōu)點是一旦建立連接，該連接的服務(wù)質(zhì)量便不會受網(wǎng)絡(luò)中其它用戶的影響。但是為了保證連接所需帶寬，必須按信息最大速率分配信道資源。這一點對恒定比特率業(yè)務(wù)沒有影響，但對可變比特率業(yè)務(wù)會有影響，它會降低信道利用率。

2.異步傳送模式

ATM采用異步時分復(fù)用ATDM(AsynchronousTimeDivisionMultiplexing)、傳輸和異步時分交換ATDS(AsynchronousTimeDivisionSwitch)技術(shù)。把需要傳送的信息分成很多小段，稱為分組。每個分組前附加標(biāo)志碼，說明分組要去哪個輸出端。來自同一用戶的信息劃分成的分組的標(biāo)志碼相同。各個分組在復(fù)接時可以使用任何時隙(子信道)。這樣，把一個信道劃分成若干子信道，用標(biāo)志碼標(biāo)識的信道稱為標(biāo)志化信道。這時，一個信道中的信息與它在時間軸上的位置(即時隙)沒有必然聯(lián)系。將這樣的子信道合成為一個信道的技術(shù)，稱為異步時分復(fù)用(也叫統(tǒng)計時分復(fù)用)。

對異步時分復(fù)用信號的交換實際上就是按照每個分組信息前的路由標(biāo)記，將其分發(fā)到出線，這種交換方式叫異步時分交換(也叫存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換)。異步時分復(fù)用的優(yōu)點是能夠統(tǒng)計地、動態(tài)地占用信道資源。在連接建立并給連接分配帶寬時，ATM與輸入業(yè)務(wù)流速率無關(guān)，可以不按最大信息速率分配帶寬。在相等的信道資源前提下，ATM比STM接納的連接數(shù)更多。圖1.10對兩種時分復(fù)用信號進(jìn)行了簡單的比較。圖1.10兩種復(fù)用方式比較(a)同步時分復(fù)用；(b)異步時分復(fù)用1.2交換原理1.2.1交換節(jié)點的功能結(jié)構(gòu)通信網(wǎng)由終端、交換機(jī)和傳輸系統(tǒng)組成。終端只是信息產(chǎn)生的源點或接收信息的目的點。傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳送信息。網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)雜控制只能由交換機(jī)來完成，因此，交換機(jī)的性能決定了網(wǎng)絡(luò)的性能。

無論何種交換機(jī)，在通信網(wǎng)中均完成如下功能：

(1)接入功能：完成用戶業(yè)務(wù)的集中和接入，通常由各類用戶接口和中繼接口完成。

(2)交換功能：指信息從通信設(shè)備的一個端口進(jìn)入，從另一個端口輸出。這一功能通常由交換模塊或交換網(wǎng)絡(luò)完成。

(3)信令功能：負(fù)責(zé)呼叫控制及連接的建立、監(jiān)視、釋放等。(4)其它控制功能：包括路由信息的更新和維護(hù)、計費、話務(wù)統(tǒng)計、維護(hù)管理等。雖然具體交換技術(shù)的實現(xiàn)受到業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方式的限制，但實現(xiàn)交換的基本成分均包含路由表、轉(zhuǎn)發(fā)表(可選)、交換模塊(分為空分型、共享存儲器型和總線型等)和相關(guān)控制信令(路由信息交換信令、轉(zhuǎn)發(fā)表的建立控制信令、局間端到端的連接建立信令等)，見圖1.11。圖1.11交換節(jié)點的功能結(jié)構(gòu)(a)面向連接；(b)無連接

1.路由表終端、交換機(jī)和傳輸線之間的連接形式多種多樣。如果用線表示傳輸線，用點表示終端或交換機(jī)，那么用點和線的組合就可以描述網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。線型、星型、網(wǎng)型、環(huán)型、樹型是幾種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是這幾種基本結(jié)構(gòu)的組合。交換機(jī)要正確完成指定的交換功能，基本的前提是網(wǎng)絡(luò)中的每一個交換節(jié)點都必須擁有當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。為便于敘述，我們將交換節(jié)點中存儲的到網(wǎng)絡(luò)中每一個目的地的路由信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為“路由表”，交換節(jié)點依靠它進(jìn)行尋址選路。

路由表可以靜態(tài)設(shè)置，如電話網(wǎng)中的路由表和ITUATM網(wǎng)中的路由表是以局?jǐn)?shù)據(jù)的形式人工輸入的，輸入前已根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)考慮了冗余路由。這種情況下，交換節(jié)點之間可以不使用路由協(xié)議。路由表也可以動態(tài)創(chuàng)建，如無連接的Internet就是根據(jù)路由協(xié)議來交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，?chuàng)建轉(zhuǎn)發(fā)的路由表的。

2.轉(zhuǎn)發(fā)表在無連接網(wǎng)絡(luò)中，由于每一個分組都攜帶目的地網(wǎng)絡(luò)地址，交換節(jié)點只需要根據(jù)路由表就可以完成從入端口到出端口的交換。在面向連接網(wǎng)絡(luò)中，連接建立階段傳遞的控制數(shù)據(jù)中包含目的地地址，沿途交換節(jié)點以目的地地址為關(guān)鍵字，查找路由表，就可以確定到指定目的地相應(yīng)入端口的信息應(yīng)該交換到哪一個出端口，交換節(jié)點同時將該信息保存到一張數(shù)據(jù)表中，以維持網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的連接狀態(tài)，這張表就是轉(zhuǎn)發(fā)表。在用戶數(shù)據(jù)傳輸階段，用戶數(shù)據(jù)無需攜帶目的地地址，交換節(jié)點將根據(jù)已經(jīng)建立好的轉(zhuǎn)發(fā)表實現(xiàn)快速的數(shù)據(jù)交換。

實際上，轉(zhuǎn)發(fā)表記錄的是一個交換節(jié)點當(dāng)前維持的連接在該交換節(jié)點實現(xiàn)交換時要走的內(nèi)部通道信息。根據(jù)交換實現(xiàn)技術(shù)的不同，轉(zhuǎn)發(fā)表的內(nèi)容和物理形式也不相同。在廣域網(wǎng)中，對于CL型的網(wǎng)絡(luò)，由于每個節(jié)點無需創(chuàng)建并維持連接狀態(tài)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只需一張路由表就可以完成轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)；而CO型的網(wǎng)絡(luò)則需要兩張表：路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表。其中，路由表建立的是交換機(jī)之間的連接，而轉(zhuǎn)發(fā)表控制交換機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。轉(zhuǎn)發(fā)表通過管理系統(tǒng)或信令協(xié)議來創(chuàng)建。通過管理系統(tǒng)創(chuàng)建的轉(zhuǎn)發(fā)表，一般提供永久或半永久連接；而通過信令協(xié)議創(chuàng)建的轉(zhuǎn)發(fā)表，支持動態(tài)交換型連接。

3.交換模塊交換功能是交換系統(tǒng)最重要的基本功能之一。完成這一基本功能的部件是交換模塊，也叫交換網(wǎng)絡(luò)(switchingnetwork)。如果不考慮交換網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，那么交換網(wǎng)絡(luò)對外的特性是一組入線和一組出線。N條入線和N條出線組成的交換網(wǎng)絡(luò)用N×N表示。對于數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)，每一條入線和出線均是時分復(fù)用線。交換網(wǎng)絡(luò)的作用是將任意入線的信息交換到指定出線去。交換網(wǎng)絡(luò)的工作原理見圖1.12。圖1.12交換網(wǎng)絡(luò)的工作原理1.2.2基本交換單元交換網(wǎng)絡(luò)由基本交換單元構(gòu)成?；窘粨Q單元有如下幾種：空分陣列、共享總線型交換單元和共享存儲器型交換單元。

1.空分陣列

1)一般結(jié)構(gòu)空分陣列由一組入線、一組出線以及連接入線和出線的開關(guān)(交叉點)組成，因此也叫開關(guān)陣列，見圖1.13。在交換單元內(nèi)部，要建立任意入線和任意出線之間的連接，只需通過控制開關(guān)的閉合就可實現(xiàn)，因此控制簡單，容易實現(xiàn)。圖1.13空分陣列2)主要特點

(1)開關(guān)陣列的交叉點數(shù)是交換單元的入線數(shù)和出線數(shù)的乘積。當(dāng)入線數(shù)和出線數(shù)增加時，交叉點數(shù)目會迅速增加，因此開關(guān)陣列適合構(gòu)成較小的交換單元。

(2)當(dāng)某條入線和與其連接的所有出線間的一行開關(guān)部分或全部處于接通狀態(tài)時，開關(guān)陣列很容易實現(xiàn)多播和廣播功能。同樣，若某條出線對應(yīng)的一列開關(guān)部分或全部接通，若干條入線同時接至一條出線，則必然產(chǎn)生出線沖突，所以一列開關(guān)只能有一個處于接通狀態(tài)。

2.共享總線型交換單元

1)一般結(jié)構(gòu)共享總線型交換單元包括入線控制部件、出線控制部件和總線三部分。交換單元的每條入(出)線經(jīng)各自的入(出)線控制部件與總線相連。總線按時隙輪流分配給各個入線控制部件和出線控制部件使用，分配到總線的輸入部件將輸入信號送到總線上，見圖1.14。圖1.14共享總線型交換單元的一般結(jié)構(gòu)2)主要特點入線控制部件的功能是接收入線信號，將信號的格式進(jìn)行相應(yīng)變換，然后放在緩沖存儲器中，并在分配給該部件的時隙上把收到的信息送到總線上。出線控制部件的功能是檢測總線上的信號，并把屬于自己的信息讀入一個緩沖存儲器中，再將信號格式做相反變換，形成出線信號送出?？偩€包括多條數(shù)據(jù)線和控制線。數(shù)據(jù)線用于在入線控制部件和出線控制部件間傳送信號。控制線用于控制各入線控制部件以獲得時隙和發(fā)送信息，并控制出線控制部件讀取屬于自己的信息。

總線時隙分配要按一定的規(guī)則。最簡單也最常用的規(guī)則是：不管各入線控制部件是否有信息，只是按順序把時隙分給各入線。比較復(fù)雜但效率較高的規(guī)則是：只在入線有信息時才分配給入線時隙。因此共享總線型交換單元既可以用于同步交換也可以用于存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換，這取決于時隙分配原則。

3.共享存儲器型交換單元

1)一般結(jié)構(gòu)共享存儲器型交換單元的一般結(jié)構(gòu)如圖1.15所示。它的核心部件是存儲器，它被分成N個區(qū)域，N個輸入數(shù)字信號分別存入N個不同區(qū)域，再分別讀出以實現(xiàn)交換。圖1.15共享存儲器型交換單元的一般結(jié)構(gòu)2)工作方式

(1)入線緩沖。若存儲器中的N個區(qū)域是和各路輸入信號一一對應(yīng)的，即第1路輸入信號送到第1個存儲區(qū)域(編號為0)，第2路輸入信號送到第2個存儲區(qū)域(編號為1)等等，則稱交換單元是入線緩沖的。

(2)出線緩沖。若存儲器中的N個區(qū)域是和各路輸出信號一一對應(yīng)的，即第1個存儲區(qū)域(編號為0)的數(shù)據(jù)作為第1路輸出信號，第2個存儲區(qū)域(編號為1)的數(shù)據(jù)作為第2路輸出信號等等，則稱交換單元是出線緩沖的。共享存儲器型交換單元既可用于同步交換也可用于存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換，但它們的具體實現(xiàn)有所不同。1.2.3交換機(jī)的物理結(jié)構(gòu)圖1.16交換機(jī)的組成框圖

用戶通過用戶線連接到交換系統(tǒng)的用戶接口，交換局間通過中繼線連接中繼接口。根據(jù)傳輸線上的信號不同，用戶接口和中繼接口又有模擬和數(shù)字之分。通過用戶或中繼接口可以將來自不同終端(如電話機(jī)、計算機(jī)等)或其它交換機(jī)的各種傳輸信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的交換機(jī)內(nèi)部工作信號，并按信號的性質(zhì)分別將信令傳送給控制系統(tǒng)，將消息傳送給交換網(wǎng)絡(luò)。除話音業(yè)務(wù)接口外，交換機(jī)還有維護(hù)接口，用來連接維護(hù)中心，對交換機(jī)進(jìn)行集中的操作、管理和維護(hù)(OAM)。

操作是指在具體安裝一臺交換機(jī)時，對交換機(jī)所做的配置和狀態(tài)控制。操作員應(yīng)能通過“操作”功能了解交換機(jī)安裝的各類接口和參數(shù)，各接口線所對應(yīng)的地址和電話號碼以及整個交換機(jī)安裝了多少個終端和中繼線接口等。管理是對通信網(wǎng)中的業(yè)務(wù)量的控制以及路由表的維護(hù)，同時也負(fù)責(zé)日常話務(wù)量統(tǒng)計，通話時間記錄及計費等工作。維護(hù)包括對交換機(jī)故障的檢測、故障的定位和修復(fù)。

通過計費接口，可以將交換機(jī)采集到的原始通話數(shù)據(jù)，如通話開始和結(jié)束時間，發(fā)、收雙方電話號碼等信息送到存儲器或計費中心，計費中心按通話距離、通話時長、優(yōu)惠時段和費率等計算通話費用并形成交費話單。交換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)各入/出線上信號的傳遞和交換。交換機(jī)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)通道(如TS16)可以傳送交換機(jī)內(nèi)部的管理信息或處理機(jī)之間的通信信息。在控制系統(tǒng)控制下，交換機(jī)收發(fā)信令，完成交換接續(xù)、日常維護(hù)、話務(wù)統(tǒng)計、測量、計費和設(shè)備的管理以及系統(tǒng)輸入、輸出等所有的控制功能。1.3交換技術(shù)分類1.3.1業(yè)務(wù)特點

1．信息相關(guān)程度不同數(shù)字信號由二進(jìn)制“0”和“1”的組合編碼表示。對于語音碼組，傳輸中如果一個比特發(fā)生錯誤，不會影響它的語義，如果出現(xiàn)多個錯誤，根據(jù)前后語義的相關(guān)性，也可以推斷出其含義。但如果一個數(shù)據(jù)碼組在傳輸中發(fā)生一個比特錯誤，則在接收端可能會被理解成為完全不同的含義。特別對于銀行、軍事、醫(yī)學(xué)等關(guān)鍵事務(wù)處理，發(fā)生的毫厘之差都會造成巨大的損失。一般而言，數(shù)據(jù)通信的比特差錯率必須控制在10-8以下，而話音通信比特差錯率可到10-3。2．時延要求不同有些業(yè)務(wù)要求比特流以很小的時延和時延抖動(抖動是指信息的不同部分到達(dá)目的地時具有不同的時延)到達(dá)對端，這類業(yè)務(wù)叫實時業(yè)務(wù)。其典型的例子是64kb/s的語音和可視電話業(yè)務(wù)。對于電話業(yè)務(wù)，端到端時延不能大于25ms(ITU-TG.164)，否則需要加上回波抵消器。即使在有回波抵消器的情況下，時延也不能大于±500ms，否則交互式的會話將變得十分困難。與話音業(yè)務(wù)相比，大多數(shù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對時延并不敏感。

3．信息突發(fā)率不同突發(fā)率是業(yè)務(wù)峰值比特率與平均比特率的比值。突發(fā)率越大，表明業(yè)務(wù)速率變化越大。不同的業(yè)務(wù)在平均比特率和突發(fā)率方面都有不同的特征，見表1.1。表1.1幾種業(yè)務(wù)的平均比特率和突發(fā)率

語音的突發(fā)性主要來自突發(fā)的講話和寂靜，典型情況下這二者各占50%的時間，平均比特率大約為32kb/s，一般不會出現(xiàn)長時間信道中沒有信息傳輸?shù)那闆r。而如果計算機(jī)通信雙方處于不同的工作狀態(tài)時，數(shù)據(jù)傳輸速率是大不相同的。如批量數(shù)據(jù)傳送的突發(fā)性很高，因為在讀出磁盤的一些連續(xù)扇區(qū)后，必須移動磁頭才能讀下一組連續(xù)扇區(qū)。綜上所述，語音、數(shù)據(jù)等不同的通信業(yè)務(wù)具有不同的特點，因而在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展過程中形成了不同的交換方式。已出現(xiàn)的多種交換方式見圖1.17。圖1.17交換技術(shù)分類1.3.2電路交換電路交換是最早出現(xiàn)的一種交換方式，也是電話通信使用的交換方式。電話通信要求為用戶提供雙向連接以便進(jìn)行對話式通信，它對時延和時延抖動敏感，而對差錯不敏感。因此當(dāng)用戶需要通信時，交換機(jī)就在收、發(fā)終端之間建立一條臨時的電路連接，該連接在通信期間始終保持接通，直至通信結(jié)束才被釋放。通信中交換機(jī)不需要對信息進(jìn)行差錯檢驗和糾正，但要求交換機(jī)處理時延要小。交換機(jī)所要做的就是將入線和指定出線的開關(guān)閉合或斷開。交換機(jī)在通信期間提供一條專用電路而不做差錯檢驗和糾正，這種工作方式稱為電路交換CS(CircuitSwitching)。電路交換是一種實時的交換。1．電路交換的過程圖1.18電路交換的過程

2．電路交換的特點電路交換采用同步時分復(fù)用和同步時分交換技術(shù)，它具有的特點是：

(1)整個通信連接期間始終有一條電路被占用，即使在寂靜期也是如此。信息傳輸時延小。

(2)電路是“透明”的，即發(fā)送端用戶送出的信息通過節(jié)點連接，毫無限制地被傳送到接收端。所謂“透明”是指交換節(jié)點未對用戶信息進(jìn)行任何修正或解釋。

(3)對于一個固定的連接，其信息傳輸時延是固定的。

(4)固定分配帶寬資源，信息傳送的速率恒定。

但是采用電路交換方式傳送數(shù)據(jù)也有以下缺點：

(1)所分配的帶寬是固定的，造成網(wǎng)絡(luò)資源的利用率降低，不適合突發(fā)業(yè)務(wù)傳送。

(2)通信的傳輸通路是專用的，即使在沒有信息傳送時別人也不能利用，所以采用電路交換進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的效率較低。

(3)通信雙方在信息傳輸速率、編碼格式、同步方式、通信規(guī)程等方面要完全兼容，這使不同速率和不同通信協(xié)議之間的用戶無法接通。

(4)存在著呼損。由于通信線路的固定分配與占用方式會影響其它用戶的再呼入，因此造成線路利用率低。電路交換適合于電話交換、文件傳送、高速傳真業(yè)務(wù)使用，但它不適合突發(fā)業(yè)務(wù)和對差錯敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用。

3．多速率電路交換電路交換方式建立的連接只有一種傳送速率，常見的為64kb/s。為了滿足不同業(yè)務(wù)的帶寬需要，出現(xiàn)了多速率電路交換MRCS(Multi-RateCircuitSwitching)。多速率電路交換仍然采用固定分配帶寬資源的方法。與電路交換不同的是，這種交換資源的分配不是一個等級，而是多個等級。因此，實現(xiàn)多速率交換的一個關(guān)鍵問題是確定基本速率(基本帶寬資源)?；舅俾识ǖ玫停荒軡M足高帶寬業(yè)務(wù)的需要；基本速率定得高，對低帶寬業(yè)務(wù)會造成浪費。另外多速率的類型也不能太多，否則控制復(fù)雜，難以實現(xiàn)。多速率電路交換技術(shù)是窄帶綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)N-ISDN(NarrowbandIntegratedServicesDigitalNetwork)使用的交換技術(shù)。1.3.3分組交換

1．報文交換報文交換(messageswitching)是根據(jù)電報的特點提出來的。電報的交換傳輸基本上只要求單向連接，一般也允許有一定的延遲，但如果傳輸中有差錯，必須改正以確保信息正確。因此報文的傳送不需要提供通信雙方的實時連接，但每個交換節(jié)點要有糾錯、檢錯功能。1)報文交換原理報文交換的基本工作原理如圖1.19所示。交換機(jī)把來自用戶的報文先暫時存在交換節(jié)點內(nèi)排隊等候，待交換節(jié)點出口上線路空閑時，就轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點，這種方式叫存儲—轉(zhuǎn)發(fā)(storeandforward)交換，報文在下一節(jié)點再存儲—轉(zhuǎn)發(fā)，直至到達(dá)目的節(jié)點。在該方式中，信息是以報文為單位傳輸?shù)摹榱吮ＷC報文的正確傳送，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點必須具有信息處理、存儲和路由選擇功能。圖1.19報文交換原理示意圖2)報文交換特點報文交換的優(yōu)點是：

(1)報文交換不需要事先建立連接，并且可采用多路復(fù)用，因此不獨占信道，從而可大大提高線路的利用率。

(2)用戶不需要叫通對方就可發(fā)送報文，無呼損。

(3)容易實現(xiàn)不同類型終端之間的通信，輸入/輸出電路速率及電碼格式可以不同。

報文交換的主要缺點是：

(1)當(dāng)長報文通過交換機(jī)存儲并等待發(fā)送時，會在交換機(jī)中產(chǎn)生較大時延，不利于實時通信。

(2)要求交換機(jī)有高速處理能力及大的存儲容量，增加了設(shè)備費用。報文交換適用于公共電報及電子信箱業(yè)務(wù)。

2．分組交換報文交換傳輸時延大，不能滿足實時性的要求，為此人們進(jìn)行了一些探索，提出了分組交換的概念。

1)分組交換原理分組交換PS(PacketSwitching)把一份要發(fā)送的數(shù)據(jù)報文分成若干個較短的、按一定格式組成的分組(packet)，然后采用統(tǒng)計時分復(fù)用將這些分組傳送到一個交換節(jié)點。交換節(jié)點仍然采用存儲—轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。分組具有統(tǒng)一格式并且長度比報文短得多，便于在交換機(jī)中存儲及處理。分組在交換機(jī)的主存儲器中停留很短時間，一旦確定了新的路由，就很快被轉(zhuǎn)發(fā)到下一個節(jié)點機(jī)。分組通過一個交換機(jī)(節(jié)點)的平均時延比報文要小得多。

分組交換技術(shù)是在早期的低速、高出錯率的物理傳輸線基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為了確保數(shù)據(jù)可靠傳送，交換節(jié)點要運行復(fù)雜的協(xié)議，以完成差錯控制和流量控制等主要功能。由于鏈路傳輸質(zhì)量太低，逐段鏈路的差錯控制是必要的。支持分組交換的協(xié)議有多種，根據(jù)協(xié)議的不同，分組交換網(wǎng)絡(luò)可以是面向連接的，也可以是無連接的。面向連接的分組網(wǎng)絡(luò)提供虛電路VC(VirtualCircuit)服務(wù)，無連接的分組網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)報DG(Datagram)服務(wù)。2)分組交換的特點分組交換存在如下優(yōu)點：

(1)由于采用“存儲—轉(zhuǎn)發(fā)”，可以實現(xiàn)不同速率、不同代碼及同步方式、不同通信規(guī)程的用戶終端間的通信。

(2)采用統(tǒng)計時分復(fù)用技術(shù)，多個用戶共享一個信道，通信線路利用率高。

(3)由于引入逐段差錯控制和流量控制機(jī)制，使傳輸誤碼率大為降低，網(wǎng)絡(luò)可靠性提高。

分組交換也存在以下缺點：

(1)技術(shù)實現(xiàn)復(fù)雜。分組交換機(jī)要提供存儲—轉(zhuǎn)發(fā)、路由選擇、流量控制、速率及規(guī)程轉(zhuǎn)換狀態(tài)報告等，要求交換機(jī)具有較好的處理能力，所以軟件較為復(fù)雜。

(2)網(wǎng)絡(luò)附加的傳輸控制信息較多。由于需要把報文劃分成若干個分組，每個分組頭又要加地址及控制信息，因此降低了網(wǎng)絡(luò)的有效性。

(3)信息從一端傳送到另一端，穿越網(wǎng)絡(luò)越長，分組時延越大。這種傳統(tǒng)的分組交換主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信，很難應(yīng)用于實時多媒體業(yè)務(wù)。1.3.4幀中繼幀中繼FR(FrameRelay)是以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)的高速分組交換技術(shù)，它對目前分組交換中廣泛使用的X.25通信協(xié)議進(jìn)行了簡化和改進(jìn)，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)取消了差錯控制和流量控制，將逐段的差錯控制和流量控制處理移到網(wǎng)外端系統(tǒng)中實現(xiàn)，從而縮短了交換節(jié)點的處理時間。這是因為光纖通信具有低誤碼率的特性，所以不需要在鏈路上進(jìn)行差錯控制，而采用端對端的檢錯、重發(fā)控制方式。這種簡化了的協(xié)議可以方便地利用VLSI技術(shù)來實現(xiàn)。

這種高速分組交換技術(shù)具有很多優(yōu)點：可靈活設(shè)置信號的傳輸速率，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源提高傳輸效率；可對分組呼叫進(jìn)行帶寬的動態(tài)分配，因此可獲得低延時、高吞吐率的網(wǎng)絡(luò)特性；速率可在64kb/s～45Mb/s范圍內(nèi)。幀中繼適用于處理突發(fā)性信息和可變長度幀的信息，特別適用于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)互連。1.3.5ATM交換

ATM是ITU-T(國際電聯(lián)電信部)確定的用作寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)B-ISDN(BroadbandIntegratedServicesDigitalNetwork)的復(fù)用、傳輸和交換模式。信元是ATM特有的分組單元，話音、數(shù)據(jù)、視頻等各種不同類型的數(shù)字信息均可被分割成一定長度的信元。它的長度為53字節(jié)，分成兩部分：5字節(jié)的信元頭含有用于表征信元去向的邏輯地址、優(yōu)先級等控制信息；48個字節(jié)的信息段用來裝載不同用戶的業(yè)務(wù)信息。任何業(yè)務(wù)信息在發(fā)送前都必須經(jīng)過分割，封裝成統(tǒng)一格式的信元，在接收端完成相反操作以恢復(fù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)原來的形式。通信過程中業(yè)務(wù)信息信元的再現(xiàn)，取決于業(yè)務(wù)信息要求的比特率或信息瞬間的比特率。ATM具有以下技術(shù)特點：

(1)ATM是一種統(tǒng)計時分復(fù)用技術(shù)。它將一條物理信道劃分為多個具有不同傳輸特性的邏輯信道提供給用戶，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的按需分配。

(2)ATM利用硬件實現(xiàn)固定長度分組的快速交換，具有時延小、實時性好的特點，能夠滿足多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

(3)ATM是支持多種業(yè)務(wù)的傳遞平臺，并提供服務(wù)質(zhì)量QoS(QualityofService)保證。ATM通過定義不同ATM適配層AAL(ATMAdaptationLayer)來滿足不同業(yè)務(wù)傳送性能的要求。(4)ATM是面向連接的傳輸技術(shù)，在傳輸用戶數(shù)據(jù)之前必須建立端到端的虛連接。所有信息，包括用戶數(shù)據(jù)、信令和網(wǎng)管數(shù)據(jù)都通過虛連接傳輸。

(5)信元頭比分組頭更簡單，處理時延更小。

ATM支持語音、數(shù)據(jù)、圖像等各種低速和高速業(yè)務(wù)，是一種不同于其它交換方式、與業(yè)務(wù)無關(guān)的全新交換方式。1.3.6計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用的交換技術(shù)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以共享資源和交換信息為目的。從服務(wù)范圍看，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為局域網(wǎng)LAN(LocalAreaNetwork)、城域網(wǎng)MAN(MetropolitanAreaNetwork)和廣域網(wǎng)WAN(WideAreaNetwork)。本書主要介紹LAN和WAN中使用的交換技術(shù)。早期的LAN網(wǎng)絡(luò)為共享傳輸介質(zhì)的以太網(wǎng)或令牌網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中使用總線型交換網(wǎng)絡(luò)、半雙工方式進(jìn)行通信。當(dāng)用戶數(shù)增多時，每個用戶的帶寬變窄，而且極易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)沖突，引起網(wǎng)絡(luò)阻塞。解決這一問題的傳統(tǒng)方法是在網(wǎng)絡(luò)中加入2端口網(wǎng)橋，即采用網(wǎng)絡(luò)分段技術(shù)。在一個較大的網(wǎng)絡(luò)中，為保證響應(yīng)速度，往往要分割出數(shù)十個甚至數(shù)百個網(wǎng)段，這使整個網(wǎng)絡(luò)的成本增加，網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和管理更復(fù)雜。

局域網(wǎng)交換技術(shù)是在多端口網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上于20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的，它是一種改進(jìn)了的局域網(wǎng)橋。與傳統(tǒng)的網(wǎng)橋相比，它能提供更多的端口(4～88)，端口之間通過空分交換網(wǎng)絡(luò)直連或采用存儲—轉(zhuǎn)發(fā)交換技術(shù)。局域網(wǎng)交換機(jī)的引入，簡化了大型LAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了沖突和帶寬窄的問題。傳統(tǒng)LAN與交換式LAN的對比見圖1.20。圖1.20傳統(tǒng)LAN和交換式LAN(a)傳統(tǒng)LAN；(b)交換式LAN

局域網(wǎng)交換機(jī)仍然采用廣播式分組通信方式，這會導(dǎo)致廣播風(fēng)暴，因此又引入了路由器。路由器將不同的LAN互連，可以隔離廣播風(fēng)暴。路由器具有路由選擇功能，可以為跨越不同LAN的流量選擇最適宜的路徑，可以繞過失效的網(wǎng)段進(jìn)行連接，還可以進(jìn)行不同類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)異種網(wǎng)絡(luò)互連。路由器將很多個分布在各地的計算機(jī)局域網(wǎng)互連起來構(gòu)成廣域網(wǎng)，可以實現(xiàn)更大范圍的資源共享，見圖1.21。如今最大的廣域網(wǎng)是因特網(wǎng)(Internet)，它使用TCP/IP協(xié)議。圖1.21廣域網(wǎng)的組成

路由器的連接是借助公共傳輸網(wǎng)絡(luò)(如電信網(wǎng))實現(xiàn)的。公共傳輸網(wǎng)絡(luò)基本可以分成三類：一類是電路交換網(wǎng)絡(luò)，主要是公共交換電話網(wǎng)PSTN(PublicSwitchTelephoneNetwork)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN(IntegratedServiceDigitalNetwork)；一類是分組交換網(wǎng)絡(luò)，主要是X.25分組交換網(wǎng)和幀中繼等；還有一類是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)DDN(DigitalDataNetwork)和光纖傳送網(wǎng)。路由器使用無連接的分組交換技術(shù)。它的工作是檢查進(jìn)入的數(shù)據(jù)包，將其目標(biāo)地址與路由表中的項目相比較，如果是直接相連子網(wǎng)的站點，則路由器將其轉(zhuǎn)發(fā)到目的地；否則，查詢相應(yīng)的路由表，選擇合適的路由通過物理網(wǎng)絡(luò)將其送到鄰接的路由器。

傳統(tǒng)的路由器對每個要轉(zhuǎn)發(fā)的分組進(jìn)行大量的處理，因此要求傳統(tǒng)的路由器具有豐富的功能，要能夠同時支持多種協(xié)議，具有上百個可配置的參數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的分組過濾機(jī)制，增強(qiáng)對網(wǎng)絡(luò)的控制。這些豐富的功能通常是通過軟件獲得的。遺憾的是，隨著網(wǎng)絡(luò)中通信量的增加，軟件處理的速度越來越慢，擁擠成為突出問題。為了解決傳統(tǒng)路由器的瓶頸問題，人們引入了高速路由器。高速路由器采用多層交換技術(shù)，通過兩種獨立的方法解決瓶頸問題:

(1)基于硬件的轉(zhuǎn)發(fā)，加速轉(zhuǎn)發(fā)處理過程。提高路由器速度的方法是改變其結(jié)構(gòu)，將路由計算、控制等非實時任務(wù)用軟件來實現(xiàn)，分組轉(zhuǎn)發(fā)等實時工作用硬件實現(xiàn)，這樣轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組的速率達(dá)到了每秒數(shù)千萬個。

(2)基于流或標(biāo)簽的轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)通信的目標(biāo)地址優(yōu)化路由，使用較短的固定長度的標(biāo)簽對數(shù)據(jù)流進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，避免對分組的重復(fù)性選路。這兩種方法的優(yōu)點在于它們互相補(bǔ)充，可以配合使用來改善整個網(wǎng)絡(luò)的性能，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。已經(jīng)出現(xiàn)的多層交換技術(shù)有：第2層交換、第3層交換、第4層交換、ATM上的多協(xié)議互連MPOA(Muti-ProtocoloverATM)、標(biāo)簽交換TAG(TagSwitch)、多協(xié)議標(biāo)記交換MPLS(MultiProtocolLabelSwitching)等。1.3.7交換技術(shù)比較

1．電路交換、分組交換和ATM交換的比較交換系統(tǒng)的功能可以用兩種說法來描述。一種說法是，交換系統(tǒng)的功能是在入端和出端之間建立連接。按這種說法，可以把交換系統(tǒng)想像成一堆開關(guān)，當(dāng)需要把一個入端和一個出端連接起來的時候就搬動開關(guān)。另一種說法是，交換系統(tǒng)的功能是把入端的信息分發(fā)到出端上。按這種說法，可以把交換系統(tǒng)想像成一個大的信息轉(zhuǎn)運站，它接收入端上的信息，然后分門別類地分發(fā)到各個出端上。

以電路連接為目的的交換方式是電路交換方式。因此電路交換的動作就是在通信時建立電路，通信完畢斷開電路。至于通信過程中雙方是否在相互傳送信息，傳送了什么信息，都與交換系統(tǒng)無關(guān)。在計算機(jī)通信中，人機(jī)交互(從鍵盤輸入，顯示器輸出)時間長，空閑時間可高達(dá)90%以上，如果仍然采用電路交換是不能容忍的。人們認(rèn)為在數(shù)據(jù)交換領(lǐng)域，應(yīng)使用分組交換方式。

分組交換方式不是以電路連接為目的，而是以信息分發(fā)為目的的。因此信息傳送給交換機(jī)時要先經(jīng)過一番加工處理：分段、封裝、檢錯和糾錯、流量控制、反饋重發(fā)等，然后根據(jù)分組頭中的地址域和控制域，把一個個分組分發(fā)到各個出端上?？梢赃@樣說，電路交換是一種“粗放”的和“宏觀”的交換方式，它只管電路而不管在電路上傳送的信息。相比之下，分組交換比較“精微”和“細(xì)致”，它對傳送的信息進(jìn)行管理。ATM交換是一種改進(jìn)的快速分組交換技術(shù)。它對信息的管理不像分組交換那樣“精微”和“細(xì)致”。因為連接ATM交換機(jī)的是光纖傳輸線，其傳輸錯誤微乎其微，因此ATM網(wǎng)絡(luò)中取消了逐段的差錯控制和流量控制，ATM交換節(jié)點的控制自然也簡化了。為了滿足實時業(yè)務(wù)的要求，ATM也使用了一些電路交換中的方法。所以，ATM交換不僅僅是簡化控制，而是結(jié)合了電路交換和分組交換的優(yōu)點，產(chǎn)生的一種新的交換技術(shù)。綜上所述，我們可以得出結(jié)論：電路交換只閉合網(wǎng)絡(luò)開關(guān)，不處理信息，時延小，最適合實時業(yè)務(wù)，典型應(yīng)用是語音；分組交換處理每一個信息，差錯小，最適合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；ATM交換用于B-ISDN，適合現(xiàn)有和未來的所有業(yè)務(wù)。

2．OSI與節(jié)點交換技術(shù)

OSI分層模型將一個物理實體完成的功能分成多個邏輯功能層，每一層具有不同的功能，多層功能的組合可完成整體功能。利用這種技術(shù)，可以將交換節(jié)點復(fù)雜而龐大的設(shè)計問題簡化為一些“單層”設(shè)計問題。OSI與各種交換技術(shù)之間的關(guān)系概述如下。電路交換完成的功能相當(dāng)于OSI模型的第1層，即在物理層交換，無需使用協(xié)議。使用X.25協(xié)議的傳統(tǒng)分組交換完成OSI模型的低3層功能，即包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)(分組)層的功能。數(shù)據(jù)鏈路層采用完全的差錯控制(包括對傳送信息的幀定位、差錯檢驗、差錯恢復(fù))，交換在第3層實現(xiàn)。由于其節(jié)點處理復(fù)雜，轉(zhuǎn)發(fā)信息速率最低。

幀交換完成OSI模型的低2層，即物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，并對數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行簡化，只完成數(shù)據(jù)鏈路層的核心功能(對傳送信息的幀定位和差錯檢驗)，交換在第2層實現(xiàn)。其節(jié)點復(fù)雜度比X.25低，轉(zhuǎn)發(fā)速率高于X.25網(wǎng)。

ATM協(xié)議完成相當(dāng)于OSI模型的低2層功能，網(wǎng)絡(luò)中的交換節(jié)點不再支持對用戶信息的任何差錯控制，交換在第2層實現(xiàn)。其節(jié)點復(fù)雜度最低，允許轉(zhuǎn)發(fā)速率最高。局域網(wǎng)交換也使用OSI模型的低2層，但它的數(shù)據(jù)鏈路層比較復(fù)雜，交換在第2層實現(xiàn)。傳統(tǒng)路由器使用OSI模型的低3層協(xié)議，交換在第3層實現(xiàn)。表1.2交換技術(shù)特點的比較1.4交換技術(shù)演進(jìn)1.4.1電路交換技術(shù)的演進(jìn)

1876年在BellA.G發(fā)明電話以后的很短時間里，人們就意識到應(yīng)該把電話線集中到一個中心節(jié)點上，這些中心點可以把電話線連接起來，這就誕生了最早的電話交換技術(shù)——人工磁石電話交換機(jī)。這種交換機(jī)的交換網(wǎng)絡(luò)就是一個接線臺，非常簡單，接線由人工控制。由于人工接續(xù)的固有缺點，如接續(xù)速度慢，接線員需日夜服務(wù)等，迫使人們尋求自動接續(xù)方式。

在1889年，StrowgerA.B．發(fā)明了第一個由兩步動作完成的上升旋轉(zhuǎn)式自動交換機(jī)，以后又逐步演變?yōu)閺V泛應(yīng)用的步進(jìn)制自動交換機(jī)。這種交換機(jī)的交換網(wǎng)絡(luò)由步進(jìn)接線器組成，主叫用戶的撥號脈沖直接控制交換網(wǎng)絡(luò)中步進(jìn)選擇器的動作，從而完成電話的接續(xù)，屬于直接控制(directcontrol，或叫分散控制)方式。步進(jìn)選擇器動作范圍大，帶來的直接后果是接續(xù)速度慢，噪音大。直接控制的方式導(dǎo)致組網(wǎng)和擴(kuò)容非常不靈活。

第一個縱橫交換機(jī)于1932年投入使用?？v橫交換機(jī)的交換網(wǎng)絡(luò)由縱橫接線器組成，與步進(jìn)接線器相比，器件動作范圍減小了很多，接續(xù)速度明顯提高。它采用一種稱為“記發(fā)器”的特殊電路實現(xiàn)收號控制和呼叫接續(xù)，是一種間接控制(indirectcontrol，也叫集中控制)方式。這種控制方式下的組網(wǎng)和容量擴(kuò)充靈活。第二次世界大戰(zhàn)后，當(dāng)整個長距離網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動化時，自動電話占據(jù)了統(tǒng)治地位。晶體管的發(fā)明刺激了交換系統(tǒng)的電子化，導(dǎo)致了20世紀(jì)50年代后期第一個電子交換機(jī)的出現(xiàn)。

隨著計算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，從20世紀(jì)60年代開始有了軟件控制的交換系統(tǒng)。如1965年，美國開通了世界上第一個用計算機(jī)存儲程序控制的程控交換機(jī)。由于采用了計算機(jī)軟件控制，用戶的服務(wù)性能得到了很大發(fā)展，如增加了呼叫等待、呼叫轉(zhuǎn)移以及三方通話功能等。模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的原理隨著脈沖編碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)的推出而被人們廣泛接受。20世紀(jì)70年代，電話語音被編碼后傳送，出現(xiàn)了數(shù)字程控交換機(jī)。由于計算機(jī)比較昂貴，因此采用了集中控制方式。

數(shù)字程控交換在發(fā)展初期，有些系統(tǒng)由于成本和技術(shù)上的原因，曾采用過部分?jǐn)?shù)字化，即選組級數(shù)字化，而用戶級仍為模擬型的形式，編/譯碼器也曾采用集中的共用方式，而非單路編/譯碼器形式。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，很快就采用了單路編/譯碼器和全數(shù)字化的用戶級。微處理機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，使數(shù)字程控交換普遍采用多機(jī)分散控制方式，靈活性高，處理能力增強(qiáng)，系統(tǒng)擴(kuò)充方便而經(jīng)濟(jì)。

軟件方面，除去部分軟件要注重實時效率和/或為了與硬件關(guān)系密切而用匯編語言編寫以外，普遍采用高級語言，包括C語言、CHILL語言和其它電信交換的專用語言。對軟件的主要要求不再是節(jié)省空間開銷，而是可靠性、可維護(hù)性、可移植性和可再用性，使用了結(jié)構(gòu)化分析與設(shè)計、模塊化設(shè)計等軟件設(shè)計技術(shù)，并建立和不斷完善了用于程控交換軟件開發(fā)、測試、生產(chǎn)、維護(hù)的支持系統(tǒng)。數(shù)字程控交換機(jī)的信令系統(tǒng)也從隨路信令走向共路信令。

綜上所述，到了20世紀(jì)80年代中期，交換網(wǎng)絡(luò)已實現(xiàn)了從模擬到數(shù)字，控制系統(tǒng)從單級控制到分級控制，信令系統(tǒng)從隨路信令到7號共路信令的轉(zhuǎn)變。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，電路交換技術(shù)已非常完善和成熟，是目前網(wǎng)絡(luò)中使用的一種主要交換技術(shù)。傳統(tǒng)電話交換網(wǎng)中的交換局，GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)的移動交換局，窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(N-ISDN)中的交換局，智能網(wǎng)IN(IntelligentNetwork)中的業(yè)務(wù)交換點SSP(ServiceSwitchingPoint)均使用的是電路交換技術(shù)。1.4.2分組交換技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)60年代初期，歐洲RAND公司的成員PaulBaran和他的助手們?yōu)楸贝笪餮蠊s組織制定了一個基于話音打包傳輸與交換的空軍通信網(wǎng)絡(luò)體制，目的在于提高話音通信網(wǎng)的安全和可靠性。這個網(wǎng)絡(luò)的工作原理設(shè)想是：把送話人的話音信號分割成數(shù)字化的一些“小片”，各個小片被封裝成“包”，并在網(wǎng)內(nèi)的不同通路上獨立地傳輸?shù)侥康亩?，最后從包中卸下“小片”裝配成原來的話音信號送給受話人。這樣，在除目的地之外的任何其它終點，只能竊聽到支言片語，不可能是一個完整的語句。另外，由于每個話音小片可以有多條通路到達(dá)目的站，因而網(wǎng)絡(luò)具有抗破壞和抗故障能力。

第一次論述這種分組交換通信網(wǎng)絡(luò)體制的論文發(fā)表于1964年(P.Baranetal.，OnDistributedCommunications，Seriesof11reports，RandCoorp.SantaMonica，Ca.，Aug.1964)。可惜由于當(dāng)時的技術(shù)尤其是數(shù)字技術(shù)水平所限，并且對語音信號實現(xiàn)復(fù)雜處理的器件以及大型網(wǎng)絡(luò)的分組交換、路由選擇和流量控制等功能所要求的計算機(jī)還十分缺乏和昂貴，因而這種網(wǎng)絡(luò)體制未能實現(xiàn)。

第一個利用這個研究成果的是美國國防部的高級研究計劃局ARPA(AdvancedResearchProjectAgency)。當(dāng)時ARPA在全國范圍內(nèi)的許多大學(xué)和實驗室安裝了許多計算機(jī)，進(jìn)行大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用科學(xué)研究工作。由于時區(qū)、計算中心負(fù)荷、專用軟件、硬件等的差別，他們覺得需要一種能交換數(shù)據(jù)和共享資源的有效辦法。當(dāng)時世界上還沒有任何能實現(xiàn)資源共享的網(wǎng)絡(luò)，因此ARPA決定致力于開發(fā)一個網(wǎng)絡(luò)，把分組交換技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信。這就是1969年開始組建、1971年投入運營的ARPANET——世界上第一個采用分組交換技術(shù)的計算機(jī)通信網(wǎng)。

第一代的分組交換機(jī)由一臺主機(jī)和一臺接口信息處理機(jī)IMP(InterfaceMessageProcessor)組成，見圖1.22。主機(jī)將發(fā)送的報文分成多個分組，加上分組頭，為每一個分組獨立選路，然后將某個輸入隊列中的分組轉(zhuǎn)移到某個輸出隊列中并發(fā)往目的地。接收端作相反處理。IMP執(zhí)行較低級別的規(guī)程，例如鏈路差錯控制，以減輕主計算機(jī)的負(fù)荷。系統(tǒng)中的軟件也是ARPANET專用的。受計算機(jī)速度的限制，第一代分組交換機(jī)每秒只能處理幾百個分組。到1969年12月已經(jīng)有由4個節(jié)點組成的實驗性網(wǎng)絡(luò)被啟動。當(dāng)更多的IMP被安裝時，網(wǎng)絡(luò)增長的非?？?，并且很快覆蓋了全美國。圖1.22第一代分組交換系統(tǒng)

后來，IMP軟件被修改，允許終端直接連接到特殊的IMP即終端接口處理機(jī)(TIP)上，每臺IMP可以有多臺主機(jī)(為了