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现代交换原理

北京邮电大学计算机科学与技术学院

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课程内容 交换概论 交换网络 程控数字电话交换与电话通信网 信令系统 分组交换与分组交换网 ISDN 交换技术与 N-ISDN ATM 交换技术与 B-ISDN IP 交换技术与下一代网络（ NGN ）

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参考书目《现代电信交换基础》

雷振明编著 人民邮电出版社

《 ATM 交换技术》

陈锡生编著 人民邮电出版社

《分组交换工程》

杜治龙编著 人民邮电出版社

《综合业务数字网》

程时端编著 人民邮电出版社

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一、交换概论

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1. 电信交换的基本概念2. 各种交换方式3. 电信交换系统的基本结构

本章主要内容

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终端 传输媒介 终端

电信号 电信号

信息 信息

点对点通信

在电信系统中，只有两个终端的通信称为点对点通信。

1 、电信交换的基本概念

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点对点通信举例

话音

数据

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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 ）

无交换的多个终端的通信

( 终端 =5 、线对数 =10)

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用户间通过交换设备连接

用户环线

交换设备

引入交换的终端间的通信

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多个交换节点组成的通信网

引入交换的终端间的通信

中继线

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所谓电信交换，就是在通信网上，负责在通信的源和目的终端之间建立通信信道传送通信信息的机制，也就是根据目的地，在源和目的终端之间传送通信信息。

电信交换的概念

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交换节点可控制的接续类型：

本局接续、出局接续、入局接续、转接接续

交换节点的基本功能

能按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号

能控制连接的建立与拆除

交换节点必须具备的基本功能： 能正确接收和分析从用户线或中继线发来的呼叫

信号、地址信号

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交换节点接续类型图示

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几个概念

交换 通信网 交换设备 传输设备

终端设备 用户线 中继线 出局呼叫

入局呼叫 本局呼叫 转接呼叫

主叫 被叫 主叫局 被叫局 端局

汇接局

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2 、各种交换方式

电路交换 报文交换 分组交换 帧中继 ATM 交换 IP 交换 光交换

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CTM-Circuit Transfer ModePTM-Packet Transfer ModeATM-Asynchronous Transfer Mode

各种交换方式

IP 交换

多速率电路交换

快速电路交换

ATM交换

帧中继

报文交换

电路交换

分组交换

光交换

PTMCTM

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交换节点 A 交换节点 B 交换节点 C

建立

传送

释放

电路交换的基本过程

电路交换 (Circuit Switching)

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要在通信的用户间建立专用的物理连接通路。（固定分配带宽）

对传送的信息无差错控制措施。

对通信信息不作处理 ( 信令除外 ) ，而是原封不动地传送，用作低速数据传送时不进行速率、码型的变换。

用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加，但不影响已建立的呼叫。

电路交换的特点

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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。

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。

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

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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（ 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（ PS： Packet Switching ）

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报文交换的时延 分组交换的时延

分组交换和报文交换比较

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虚电路 (VC：Virtual Circuit) 方式

数据报 (DG： Datagram) 方式

分组交换的两种方式

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所谓虚电路方式，就是在用户数据传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的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。

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。

虚电路

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数据报不需要预先建立逻辑连接，而是按照每个分组头中的目的地址对各个分组独立进行选路。

数据报

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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

虚电路与数据报的比较——分组头

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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——选路

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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—分组顺序

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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—故障敏感性

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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。

虚电路与数据报的比较——应用

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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。

分组交换协议

物理层

X.25 分组层

LAPB

1

2

3

物理层

网络层

数据链路层

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分组交换协议

X.75X.25

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RM

AM

RM

RM

RM

AM

AM

AM

AM

AM

AM

CHINAPAC 网络模型

AM

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银行提款机

CHINAPAC

银行主机ATM1

ATM2

POS1

ATMn

POS2

POSn

银行提款机与 CHINAPAC 的链接

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CHINAPAC

本地服务器

PC PC

路由器

本地服务器

PC PC

路由器

局域网互连

使用 CHINAPAC 实现网络互连

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接入 Internet

本地服务器

PC PC

路由器CHINAPAC

Internet

使用 CHINAPAC 接入 Internet

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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

帧中继（ Frame Relay）

37X.25 和帧中继处理流程比较

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CHINAFRN

本地服务器

PC PC

路由器

本地服务器

PC PC

路由器

PSPDN

PSPDN

帧中继的应用

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面向连接的电路交换和无连接的分组交换的主要区别体现在以下几个方面：

在交换形式上

在通路建立和网络资源分配上

在差错控制上

在业务流量控制上

呼叫损失制、呼叫延迟制

CTM 与 PTM 的比较

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在对信息的损伤方面电路交换具有较好的时间透明性分组交换具有较好的语义透明性

在支持多种业务方面分组交换有更大的灵活性，可实现多速率交换，并允许多种业务共享网络资源。

在交换速率方面电路交换可达到高速率的交换；而分组交换的交换速率受到了限制。

在设备的复杂性方面分组交换需要一套复杂的队列管理机制，而电路交换则需要复杂路由选择算法。

CTM 与 PTM 的比较

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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 (cell header) ，其余 48个字节为信息域，或称为净荷 (pay load) 。

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。

ATM 交换 -异步传送模式

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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 Connection) 。

ATM 交换

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异步时分交换 同步时分（时间位置、物理信道）

(STD： Synchronous Time Division)

异步时分（标记、物理信道）

(ATD： Asynchronous Time Division)

ATM 交换

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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。

ATM 交换

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IP over ATM 有两种模式：

叠加模型： CIP 、 LANE、 MPOA

集成模型： IP 交换、 Tag 交换、 MPLS

IP 交换

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电交换

光 电

光 电

光 电 光 电电 光

光 电电 光

光信号

光信号

光交换

光信号

光信号

光交换

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3、电信交换系统的基本结构

交换网络

控制系统

接口 接口

接口接口

用户线

中继线

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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

电信交换的基本技术

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交换设备

终端设备传输设备

4 、现代通信网技术综述

通信网的组成

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通信网的分层结构

骨干传送网接入网

传送网

应用层

SN1

业务网1

SNn

业务网n

……

业务网

CP

E/C

PN

支撑网

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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、数据等综合业务（ 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

业务网的种类（ 1 ）

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业务网的种类（ 2 ）电信网 通信业务 主要特点

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

宽带综合业务数字网（ 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

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电信网的支撑网 No.7 信令网

数字同步网

电信管理网（ TMN ）

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通信网的技术发展

通信技术数字化 通信业务综合 通信网络宽带化 通信服务个人化 网络管理智能化 网络互通融合化

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小结——电信交换概论

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