数字交换技术
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1946年第一台存储程序控制的电子计算机的诞生 ，对现代科学技术起到了划时代的作用，震撼着 各个领域。这一新技术也使得人们有可能在电子 交换技术中引入“存储程序控制”这一概念。
20世纪60年代初期以来，脉冲编码调制(PCM)技术 成功地应用在传输系统中，各国都开始了研制 PCM信息的交换系统。1970年法国首先在拉尼翁 开通了第一台数字交换系统E10，开始了数字程控 交换的新时期。
9
交换设备可以在需要时，将这两个用户的 通信线路连通。当两个用户通信完毕，将 两个用户间的连线就断开。
有了交换设备，对N个用户只需要N对线就
可以满足要求。使线路的投资费用大大降 低，尽管增加了交换设备的费用，但它的 利用率很高，相比之下、总的投资费用将 下降。
10
根据电子和电气工程师协会(IEEE)的定义： 交换机应能在任意选定的两条用户线之间 建立和(而后)释放—条通信链路。换句话说 ，任一终端均可请求交换机在本用户线和 所需用户线之间建立一条通信链路，并能 随时令交换机释放该链路。
而每个终端需要N-1个线路接口。 (4)增加第N+1个终端时，必须增设N对线路。
7
图1全互连方式示意图
图2交换方式示意图
8
这些问题将随着用户数量增加而增加，这 是多终端通信的N2问题。
为解决这个问题，可以设想，在用户分布 密集曲中心安装一个设备。把每个用户的 终端设备都用各自专用的线路连接在这个 设备上，这就是交换设备，如图2所示。
36
1.4.4 ATM 新一代可以适合各种不同业务的多媒体通
信的交换和复用技术，显然必须综合电路 交换和分组交换的优势，可以支持高速和 低速的实时业务，具有高效的网络运营效 率。这就是ITU—T给出的新一代的交换和 复用技术-异步转移模式(ATM)。
37
ATM方式具有4项基本特点。 (1)采用ATM信元复用方式
21
1.3 数据交换 1)数据通信和话音通信的区别 (1)通信对象不同
数据通信实现的是计算机和计算机之可以 及人和计算机之间的通信，而电话通信是 实现人和人之间的通信。 (2)传输可靠性要求不同 一般而言数据通信的比特差错率必须控制 在10-6以下，而话音通信比特差错率可高到 10-3。
22
(3)通信的平均持续时间和通信建立请求响应 不同 根据美国国防部对27000个数据用户进行统 计，90％的用户数据通信时间在50s以下。 而相应电话通信的持续平均时间在5min左 右，由此决定数据通信的信道建立时间要 求也要短，通常应该在1．5s左右。而相应 的电话通信过程的建立一般在15s左右。
数字交换技术
教科书
现代交换原理（第三版）金惠文 陈建亚 纪红 电子工业出版社 2011.2
2
参考书
程控数字交换与交换网（第二版） 叶敏 北京邮电大学出版社 2003
ATM 交换技术 陈锡生 人民邮电出版社 2000.4
全光网络 张宝富等编著 人民邮电出版社 2001.12
多协议标记交换技术 冯径等 人民邮电出版 社 2002.1
26
(4)可靠性高。每个分组在网络中传输时可以 在中继线和用户线上分段进行差错校验， 使信息在分组交换网络中传输的比特差错 率大大降低，一般可以达到10-10以下，由于 “分组”在分组交换网中传输的路由是可 变的，当网中的线路或设备发生故障时， “分组”可以自动地避开故障点选择一条 新的路由，而通信不会中断。
11
1.1.2交换的基本过程 1837年发明了电报，它是以数字信号的形式
传递信息。 1876年贝尔发明了电话，它是将语音变成模
拟的电信号进行传输，从而实现了双方在 两地之间的对话。随着电话用户的增加， 就发明了交换机。 1878年出现了磁石式人工电话交换机。
12
人工电话交换机的交换过程体现了交换的 基本过程。
24
分组交换
采用了“存储—转发”方式，把报文裁成许多比较 短的、被规格化了的“分组”(Packet)进行交换和传 输。由于分组长度较短。具有统一的格式，便于 在交换机中存储和处理，“分组”进入交换机后只 在主存储器中停留很短的时间，进行排队处理， 一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换 机或用户终端，“分组”穿过交换机或网络的时间 很短(“分组”穿过一个交换机的时延为毫秒级)，能 满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性 要求。
输时延固定不变； (2)信息以数字信号形式在数据通路中“透明
”传输，交换机对用户的数据信息不存储 、分析和处理，交换机在处理方面的开销 比较小，对用户的数据信息也不需要附加 许多用于控制的信息，信息的传输效率比 较高。
19
(3)信息的编码方法和信息格式由通信双方协 调，不受网络的限制。
电路交换的主要缺点是： (1)电路的接续时间较长。当传输较短信息时
31
事实上随着技术的发展和人们需求的增加 还会出现更多的新业务。分析上面的业务 可以看到，信息传输的媒体方式从单一话 音传输向话音、数据、文本、图形、动画 和图像、视频复合的多媒体信息转化。由 于信息多媒体化导致新一代业务传输具有 与传统话音或文本数据所不同的传输特性 。
32
(1)各种业务信息的传输要求具有不同的速 率，具有不同的突发性。
(2)各种业务传输具有不同的误差要求和延 时要求。
为此人们提出许多改进方案，下面首先介 绍电路交换和分组交换的改进方案。
33
1.4.2 快速电路交换 为了使电路交换的概念扩展到具有波动和 突发性的业务传输的应用场合，人们提出 了快速电路交换的核心思想是在有信息传 送时快速建立通道，如果用户没有数据传 输则释放传输通道。发送数据，同时必须 在较短的时间内完成端到瑞的链路的建立 ，要求网络有高速的计算能力。
25
分组交换的主要优点是：
(1)向用户提供了不同速率、不同代码、不同 同步方式、不同通信控制协议的数据终端 之间能够相互通信的灵活的通信环境。
(2)在网络轻负载情况下，信息的传输时延较 小，而且变化范围不大，能够较好地满足 计算机交互业务的要求。
(3)实现线路动态统计复用，通信线路(包括中 继线路和用户环路)的利用率很高，在一条 物理线路上可以同时提供多条信息通路。
23
(4)通信过程中信息业务量特性不同 统计资料表明，电话通信双方讲话的时间平 均各占一半，一般不会出现长时间信道中 没有信息传输。而计算机通信双方处于不 同的工作状态传输数据速率是非常不同的 。系统进行远程遥测和遥控，传输速率一 般只在30b／s以下；如果用户希望获取大量 文件，则一般传输速率在100kb／s～1Mb／ s是让人满意的。
34
1.4.3 快速分组交换—帧中继 (1)帧中继中取消了X 25协议规定网络节点之
间、网络节点和用户设备之间每段传输链 路上的数据差错控制， (2)帧中级数据传输基本数据单元是帧，去掉 了有关进行链路差错控制的帧中的域。
35
(3)帧中继数据传输采用数据链路连接标识符 (DLCI)，作为网络传输数据信道标志、类 似于分组交换虚电路中的逻辑信道号的概 念，因此说帧结构格式中包含路由选择的 信息。
27
(5)经济性好。信息以“分组”为单位在交换 机中存储和处理，不要求交换机具有很大 的存储容量，降低了网内设备的费用。对 线路的动态统计时分复用也大大降低了用 户的通信费用。分组交换网通过网络控制 和管理中心(NMC)对网内设备实行比较集中 的控制和维护管理，节省维护管理费用。
28
分组交换的主要缺点是：
，通信通道建立的时间可能将大于通信时 间，网络利用率低。 (2)电路资源被通信双方独占，电路利用率低 。
20
(3)通信双方在信息传输、编码格式、同步方 式、通信协议等方面要完全兼容。这就限 制了各种不同速率、不同代码格式、不同 通信协议的用户终端直接的互通。
(4)有呼损，即可能出现由于对方用户终端设 备忙或交换网负载过重而呼叫不通。
3
本课程的教学
讲授交换技术的基本概念 讲授现代交换技术的基本原理 讲授现代交换技术的系统结构
4
第1章 概论
交换技术是通信网技术的重要组成部分， 交换技术的发展与通信网的发展是分不开 的。
通信网主要包括交换节点、传输线路与终 端设备。
即交换技术与终端业务、传输技术必须相 适应。
5
1.1交换的概念与交换基本过程 1.1.1交换的概念 通信的目的是实现信息的传递。 当存在多个终端，且希望它们中的任何两
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(2)技术实现复杂。分组交换机要对各种类 型的“分组”进行分析处理，为“分组” 在网中的传输提供路由，并且在必要时自 动进行路由调整，为用户提供速率、代码 和规程的变换，为网络的维护管理提供必 要的报告信息等，要求交换机要有较高的 处理能力。
30
1.4 宽带交换技术 1.4.1电信业务和媒体传输特性 在20世纪80年代后期逐步出现了一些新的 电信业务，具体有： 智能用户电报(Teletex)、可视图文 (Videotext)，遥测(Tetemetry)、监视 (Surveillance)和告警(A1arm)、电子邮件 (Electronic mail)、可视电话(Video Phone)和 电视会议(Video Conference)、图文电视 (Telex)、视频点播(VOD—Video on Demond)。
个都可以进行点对点通信时，最直接的方 法是把所有终端两两相连，如图1所示。这 样的一种连接方式称为全互连式。
6
全互连式存在下列一些缺点： (1)当存在N个终端时需用线对数为N(N—1)／
2，即线对数量随终端数的平方增加。 (2)当这些终端分别位于相距很远的两地时，
两地间需要大量的长途线路。 (3)每个终端都有N-1对线与其他终端相接，因
13
可以看出，为了完成交换功能，交换机必须具有 用户间通话的话路系统，这就是用户线、绳路、 塞孔、信号灯等设备。除此之外，还必须有相当 于控制系统进行接续的话务员。
14
图3 人工交换机
15
1.1.3交换机的发展过程最早的自动电话交
换机是在1892年由美国人史端乔创造的步进制自 动电话交换机。 德国西门子发明了由用户话机的拨号脉冲直接控 制交换机的接线器动作直接控制方式自动交换机 。 以后又出现了旋转制和升降制的交换机。它们是 以“记发ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ”为标志的间接控制方式的交换机。 1919瑞典工程师比图兰得(Betulander)和帕尔默格林 (Palmgren)发明了纵横制自动电话交换机，这种接 线器将过去的滑动摩擦方式的接点改成了压接触 ，从而减少了磨损，提高了寿命。
20世纪80年代后期，逐步出现了新的电信业务， 随之出现了新的交换技术。
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1. 2 电路交换 世界上第一代电话交换机采用的是空分电
路交换方式，利用接点等开关元件构成电 路交换网络。随着数字通信与PCM技术的 迅速发展，采用PCM方式的数字交换网络 得到广泛的应用。
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电路交换的主要优点： (1)信息的传输时延小，对一次接续而言，传
(1)由网络附加的传输信息较多，对长报文 通信的传输效率比较低。除此之外，我们 还要设计许多不包含数据信息的控制分组 ，用它们来实现数据通路的建立、保持和 拆除，并进行差错控制以及数据流星控制 等，可见，在交换网内除了有用户数据传 输外、还有许多辅助信息在网内流动，对 于较长的报文来说，分组交换的传输效率 就不如电路交换和报文交换的高。
在ATM中采用固定长度的分组(53个字节)， 称为信元(cell)。ATM是按信元进行统计复 用的，在时间上没有固定的复用位置。 (2)ATM采用面向连接并预约传输资源的方式 工作。
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(3)在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制 和流量控制，而将这些工作推到了网络的 边缘。
如图3所示。每个用户的话机通过用户线接到交换 机的用户塞孔上，每个用户塞孔上都装置一个信 号灯。在交换机上还配备了一定数量的塞绳和插 塞，用来连接用户塞孔，这种塞绳和插塞称为绳 路，在绳路上连有通话机键、话终信号机键和送 铃流的机键。在人工电话交换机中，通话的接续 由话务员完成。话务员通过耳、目、口来接受用 户的呼叫信息，经过大脑的思维活动进行分析判 断，再通过人的神经系统控制“手”去进行接续 操作。
1946年第一台存储程序控制的电子计算机的诞生 ，对现代科学技术起到了划时代的作用，震撼着 各个领域。这一新技术也使得人们有可能在电子 交换技术中引入“存储程序控制”这一概念。
20世纪60年代初期以来，脉冲编码调制(PCM)技术 成功地应用在传输系统中，各国都开始了研制 PCM信息的交换系统。1970年法国首先在拉尼翁 开通了第一台数字交换系统E10，开始了数字程控 交换的新时期。
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交换设备可以在需要时，将这两个用户的 通信线路连通。当两个用户通信完毕，将 两个用户间的连线就断开。
有了交换设备，对N个用户只需要N对线就
可以满足要求。使线路的投资费用大大降 低，尽管增加了交换设备的费用，但它的 利用率很高，相比之下、总的投资费用将 下降。
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根据电子和电气工程师协会(IEEE)的定义： 交换机应能在任意选定的两条用户线之间 建立和(而后)释放—条通信链路。换句话说 ，任一终端均可请求交换机在本用户线和 所需用户线之间建立一条通信链路，并能 随时令交换机释放该链路。
而每个终端需要N-1个线路接口。 (4)增加第N+1个终端时，必须增设N对线路。
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图1全互连方式示意图
图2交换方式示意图
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这些问题将随着用户数量增加而增加，这 是多终端通信的N2问题。
为解决这个问题，可以设想，在用户分布 密集曲中心安装一个设备。把每个用户的 终端设备都用各自专用的线路连接在这个 设备上，这就是交换设备，如图2所示。
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1.4.4 ATM 新一代可以适合各种不同业务的多媒体通
信的交换和复用技术，显然必须综合电路 交换和分组交换的优势，可以支持高速和 低速的实时业务，具有高效的网络运营效 率。这就是ITU—T给出的新一代的交换和 复用技术-异步转移模式(ATM)。
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ATM方式具有4项基本特点。 (1)采用ATM信元复用方式
21
1.3 数据交换 1)数据通信和话音通信的区别 (1)通信对象不同
数据通信实现的是计算机和计算机之可以 及人和计算机之间的通信，而电话通信是 实现人和人之间的通信。 (2)传输可靠性要求不同 一般而言数据通信的比特差错率必须控制 在10-6以下，而话音通信比特差错率可高到 10-3。
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(3)通信的平均持续时间和通信建立请求响应 不同 根据美国国防部对27000个数据用户进行统 计，90％的用户数据通信时间在50s以下。 而相应电话通信的持续平均时间在5min左 右，由此决定数据通信的信道建立时间要 求也要短，通常应该在1．5s左右。而相应 的电话通信过程的建立一般在15s左右。
数字交换技术
教科书
现代交换原理（第三版）金惠文 陈建亚 纪红 电子工业出版社 2011.2
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参考书
程控数字交换与交换网（第二版） 叶敏 北京邮电大学出版社 2003
ATM 交换技术 陈锡生 人民邮电出版社 2000.4
全光网络 张宝富等编著 人民邮电出版社 2001.12
多协议标记交换技术 冯径等 人民邮电出版 社 2002.1
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(4)可靠性高。每个分组在网络中传输时可以 在中继线和用户线上分段进行差错校验， 使信息在分组交换网络中传输的比特差错 率大大降低，一般可以达到10-10以下，由于 “分组”在分组交换网中传输的路由是可 变的，当网中的线路或设备发生故障时， “分组”可以自动地避开故障点选择一条 新的路由，而通信不会中断。
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1.1.2交换的基本过程 1837年发明了电报，它是以数字信号的形式
传递信息。 1876年贝尔发明了电话，它是将语音变成模
拟的电信号进行传输，从而实现了双方在 两地之间的对话。随着电话用户的增加， 就发明了交换机。 1878年出现了磁石式人工电话交换机。
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人工电话交换机的交换过程体现了交换的 基本过程。
24
分组交换
采用了“存储—转发”方式，把报文裁成许多比较 短的、被规格化了的“分组”(Packet)进行交换和传 输。由于分组长度较短。具有统一的格式，便于 在交换机中存储和处理，“分组”进入交换机后只 在主存储器中停留很短的时间，进行排队处理， 一旦确定了新的路由，就很快输出到下一个交换 机或用户终端，“分组”穿过交换机或网络的时间 很短(“分组”穿过一个交换机的时延为毫秒级)，能 满足绝大多数数据通信用户对信息传输的实时性 要求。
输时延固定不变； (2)信息以数字信号形式在数据通路中“透明
”传输，交换机对用户的数据信息不存储 、分析和处理，交换机在处理方面的开销 比较小，对用户的数据信息也不需要附加 许多用于控制的信息，信息的传输效率比 较高。
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(3)信息的编码方法和信息格式由通信双方协 调，不受网络的限制。
电路交换的主要缺点是： (1)电路的接续时间较长。当传输较短信息时
31
事实上随着技术的发展和人们需求的增加 还会出现更多的新业务。分析上面的业务 可以看到，信息传输的媒体方式从单一话 音传输向话音、数据、文本、图形、动画 和图像、视频复合的多媒体信息转化。由 于信息多媒体化导致新一代业务传输具有 与传统话音或文本数据所不同的传输特性 。
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(1)各种业务信息的传输要求具有不同的速 率，具有不同的突发性。
(2)各种业务传输具有不同的误差要求和延 时要求。
为此人们提出许多改进方案，下面首先介 绍电路交换和分组交换的改进方案。
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1.4.2 快速电路交换 为了使电路交换的概念扩展到具有波动和 突发性的业务传输的应用场合，人们提出 了快速电路交换的核心思想是在有信息传 送时快速建立通道，如果用户没有数据传 输则释放传输通道。发送数据，同时必须 在较短的时间内完成端到瑞的链路的建立 ，要求网络有高速的计算能力。
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分组交换的主要优点是：
(1)向用户提供了不同速率、不同代码、不同 同步方式、不同通信控制协议的数据终端 之间能够相互通信的灵活的通信环境。
(2)在网络轻负载情况下，信息的传输时延较 小，而且变化范围不大，能够较好地满足 计算机交互业务的要求。
(3)实现线路动态统计复用，通信线路(包括中 继线路和用户环路)的利用率很高，在一条 物理线路上可以同时提供多条信息通路。
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(4)通信过程中信息业务量特性不同 统计资料表明，电话通信双方讲话的时间平 均各占一半，一般不会出现长时间信道中 没有信息传输。而计算机通信双方处于不 同的工作状态传输数据速率是非常不同的 。系统进行远程遥测和遥控，传输速率一 般只在30b／s以下；如果用户希望获取大量 文件，则一般传输速率在100kb／s～1Mb／ s是让人满意的。
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1.4.3 快速分组交换—帧中继 (1)帧中继中取消了X 25协议规定网络节点之
间、网络节点和用户设备之间每段传输链 路上的数据差错控制， (2)帧中级数据传输基本数据单元是帧，去掉 了有关进行链路差错控制的帧中的域。
35
(3)帧中继数据传输采用数据链路连接标识符 (DLCI)，作为网络传输数据信道标志、类 似于分组交换虚电路中的逻辑信道号的概 念，因此说帧结构格式中包含路由选择的 信息。
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(5)经济性好。信息以“分组”为单位在交换 机中存储和处理，不要求交换机具有很大 的存储容量，降低了网内设备的费用。对 线路的动态统计时分复用也大大降低了用 户的通信费用。分组交换网通过网络控制 和管理中心(NMC)对网内设备实行比较集中 的控制和维护管理，节省维护管理费用。
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分组交换的主要缺点是：
，通信通道建立的时间可能将大于通信时 间，网络利用率低。 (2)电路资源被通信双方独占，电路利用率低 。
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(3)通信双方在信息传输、编码格式、同步方 式、通信协议等方面要完全兼容。这就限 制了各种不同速率、不同代码格式、不同 通信协议的用户终端直接的互通。
(4)有呼损，即可能出现由于对方用户终端设 备忙或交换网负载过重而呼叫不通。
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本课程的教学
讲授交换技术的基本概念 讲授现代交换技术的基本原理 讲授现代交换技术的系统结构
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第1章 概论
交换技术是通信网技术的重要组成部分， 交换技术的发展与通信网的发展是分不开 的。
通信网主要包括交换节点、传输线路与终 端设备。
即交换技术与终端业务、传输技术必须相 适应。
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1.1交换的概念与交换基本过程 1.1.1交换的概念 通信的目的是实现信息的传递。 当存在多个终端，且希望它们中的任何两
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(2)技术实现复杂。分组交换机要对各种类 型的“分组”进行分析处理，为“分组” 在网中的传输提供路由，并且在必要时自 动进行路由调整，为用户提供速率、代码 和规程的变换，为网络的维护管理提供必 要的报告信息等，要求交换机要有较高的 处理能力。
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1.4 宽带交换技术 1.4.1电信业务和媒体传输特性 在20世纪80年代后期逐步出现了一些新的 电信业务，具体有： 智能用户电报(Teletex)、可视图文 (Videotext)，遥测(Tetemetry)、监视 (Surveillance)和告警(A1arm)、电子邮件 (Electronic mail)、可视电话(Video Phone)和 电视会议(Video Conference)、图文电视 (Telex)、视频点播(VOD—Video on Demond)。
个都可以进行点对点通信时，最直接的方 法是把所有终端两两相连，如图1所示。这 样的一种连接方式称为全互连式。
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全互连式存在下列一些缺点： (1)当存在N个终端时需用线对数为N(N—1)／
2，即线对数量随终端数的平方增加。 (2)当这些终端分别位于相距很远的两地时，
两地间需要大量的长途线路。 (3)每个终端都有N-1对线与其他终端相接，因
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可以看出，为了完成交换功能，交换机必须具有 用户间通话的话路系统，这就是用户线、绳路、 塞孔、信号灯等设备。除此之外，还必须有相当 于控制系统进行接续的话务员。
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图3 人工交换机
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1.1.3交换机的发展过程最早的自动电话交
换机是在1892年由美国人史端乔创造的步进制自 动电话交换机。 德国西门子发明了由用户话机的拨号脉冲直接控 制交换机的接线器动作直接控制方式自动交换机 。 以后又出现了旋转制和升降制的交换机。它们是 以“记发ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ”为标志的间接控制方式的交换机。 1919瑞典工程师比图兰得(Betulander)和帕尔默格林 (Palmgren)发明了纵横制自动电话交换机，这种接 线器将过去的滑动摩擦方式的接点改成了压接触 ，从而减少了磨损，提高了寿命。
20世纪80年代后期，逐步出现了新的电信业务， 随之出现了新的交换技术。
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1. 2 电路交换 世界上第一代电话交换机采用的是空分电
路交换方式，利用接点等开关元件构成电 路交换网络。随着数字通信与PCM技术的 迅速发展，采用PCM方式的数字交换网络 得到广泛的应用。
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电路交换的主要优点： (1)信息的传输时延小，对一次接续而言，传
(1)由网络附加的传输信息较多，对长报文 通信的传输效率比较低。除此之外，我们 还要设计许多不包含数据信息的控制分组 ，用它们来实现数据通路的建立、保持和 拆除，并进行差错控制以及数据流星控制 等，可见，在交换网内除了有用户数据传 输外、还有许多辅助信息在网内流动，对 于较长的报文来说，分组交换的传输效率 就不如电路交换和报文交换的高。
在ATM中采用固定长度的分组(53个字节)， 称为信元(cell)。ATM是按信元进行统计复 用的，在时间上没有固定的复用位置。 (2)ATM采用面向连接并预约传输资源的方式 工作。
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(3)在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制 和流量控制，而将这些工作推到了网络的 边缘。
如图3所示。每个用户的话机通过用户线接到交换 机的用户塞孔上，每个用户塞孔上都装置一个信 号灯。在交换机上还配备了一定数量的塞绳和插 塞，用来连接用户塞孔，这种塞绳和插塞称为绳 路，在绳路上连有通话机键、话终信号机键和送 铃流的机键。在人工电话交换机中，通话的接续 由话务员完成。话务员通过耳、目、口来接受用 户的呼叫信息，经过大脑的思维活动进行分析判 断，再通过人的神经系统控制“手”去进行接续 操作。