第3章-现代通信网及其交换技术

电路交换示意图
电路交换的特点
优点
时延小 对用户透明 吞吐量
缺点
必须有一个呼叫建立的过程（时延较大） 专供通信的双方使用，占用固定的带宽，信道带 宽的利用率低，特别是不适合具有突发性的计算 机数据的传输。
电路交换不能适应网络发展的需求。
电路交换的分类
空分交换(Space-Division Switching)
汇接局 端局
本地网 用户 图3-2 我国电话网的分级结构 用户
电话网
组网要求 要在分级网的每一层次上，在传输成本和交 换成本之间折衷 在本地网中，设置交换中心可以大大减少连 接各个用户的线路 考虑交换中心覆盖范围与交换中心总数间的 折衷 设置多级的长途交换中心，可以减少相距较 远的交换中心之间的直接线路数，从而减少了 中继线的成本，需要大容量的长途交换机
第1帧 1 2 3 4 输出 K
交换网络
第M帧 1 2 3 4 K 时间
注 ：
表示某一个用户的数据 ；
表示另一个用户的数据 。
图3-15 异步时分复用示意图
异步时分复用过程
在异步时分复用系统中，如果有n条输入线路，帧 内就至多需要m个时间片，其中m小于n；动态分 配时间片的能力以及时间片数和输入线路数的较 低比率降低了浪费。
分组交换示意图
分组交换原理
分组的概念是1967年由英国的国家物理实验室NPL提出 的。 分组的概念以及分组交换网络在现代通信网中占有非 常重要的地位。 分组=分组头+信息包 用户数据被切分成多个信息包，每个包加上分组头， 形成分组。
分组交换的特点
与报文交换的区别
处理的数据单元的长度不同，一段长报文需要被分割、 装配成多个较短的数据单元，这些单元就是分组。
交换矩阵来实现 可实现多级交换网络 交换容量受限制
时分交换(Time-Division Switching)
时隙交换TSI:Time-Slot Interchange
实现结构之一——空分交换
所谓空分交换，是指输入链路按空间分布来 安排所需要的输出链路 。
点到多点连接 m输入
n输出 纵横制空分交换示意图
报文交换不适合于实时性要求高的业务
2．分组交换（Packet Switching）
A 传输时延 传 输 整 个 报 文 的 端 到 分组1 分组2
B
C
D
交换节点
端 总 时 延
分组1 分组3 传播时延 分组2 分组1 分组3 分组2 分组3
存储—转发时延
分组交换的好 处是“管道化” (Pipelining)
时隙
顺序写入缓冲
时隙
输入时隙1中的数字为5，表明需要在输出帧中的时 隙5内，从缓冲器的第1号存储区间中读出信息。
3.2 数据网与分组交换
3.2.1 电路交换不适合计算机通信
传输效率很低（计算机数据是突发性和间歇式 出现在传输线路上的） 建立电路的呼叫过程时延太长 难以适应计算机和各种终端传输速率不一致等 情况 难以实施差错控制措施 存在呼叫损失现象
异步复用、标记交换与虚电路
同步时分复用
分配给每个终端数据源的时隙是固定的，不管该终端 是否有数据发送，属于该终端的时隙都不能被其他终 端占用，从而造成信道容量的浪费。
第1帧 1 2 3 4 K 第M帧 1 2 3 4 K 时间
125μs 图3-13 单条通信链路上的时分复用
1 2 3 4 125μs
报文交换
报文交换是以报文作为传送单元，由于报文长度差 异很大，长报文可能导致很大的时延，并且对每个 节点来说缓冲区的分配也比较困难，为了满足各种 长度报文的需要并且达到高效的目的，节点需要分 配不同大小的缓冲区，否则就有可能造成数据传送 的失败。 实际应用 报文交换主要用于传输报文较短、实时性要求较低 的通信业务，如公用电报网。报文交换比分组交换 出现的要早一些，分组交换是在报文交换的基础 上，将报文分割成分组进行传输，在传输时延和传 输效率上进行了平衡，从而得到广泛的应用。
多路复用 多路复用 频分复用 波分复用 时分复用 码分复用 频分复用 波分复用 时分复用 码分复用 同步 同步 异步 异步
时分多路复用
时分多路复用是一个数字化过程，当传输介质的 数据速率容量大于发送和接收设备所需要的数据 速率时就可以采用它。 利用时间分片方式来实现传输信道的多路复用， 将传输媒体分成不同的周期，每个周期再分成不 同的时间片，将每个时间片分给固定的用户使用。
3.2.4 异步复用、标记交换与虚电路
复用技术 在复用系统中，n个设备共享一条链路。复用器 将这些流量组合成一个单独的传输流（多合 一），多路分解器接受并分解成原来的几个独立 传输流（一分多）导向所期望的设备。
复用技术分类
信号通过三种基本技术进行复用：频分复用、时分复用和 波分复用。时分复用又分为同步时分复用和异步时分复用。
分组交换两种交换机制
数据报（无连接方式）
每个分组独立处理，独自选择在网络中传输的路由
虚电路（面向连接方式）
首先要建立链路，所有分组均在这个连接上进行传 送，帧顺序和路径都是确定的。
电路交换与分组交换
3．快速分组交换（Fast Packet Switching）
（1）大大缩短分组的长度。例如异步传输模式（ATM） （2）尽量简化或取消在低层次上对数据单元的差错控制、 流量控制和路由选择等操作，提高数据传输与交换效率。 而对数据可靠性的要求，则由端到端的较高层协议来保证。 （3）为了保留电路交换的面向连接的特点，可利用虚电 路及虚通道方式来实现端到端面向连接的数据传输。 （4）充分利用超大规模集成电路以及并行处理和分布式 控制等技术，以硬件结构来实现节点交换机的交换模块和 协议控制模块。 帧中继 ATM
电话网与电路交换
电路交换
电路交换的概念
全连通网
星型网
定义：指交换系统为通信的双方寻找并建立一条 全程物理通路，以供双方传输信息，直到信 息交换结束
3.1.2 电路交换基本原理
A 拨号及有关 处理时间 呼叫建立时 延 传播时延 B C D 交换节点 寻找输出 线路时间 呼叫处理时 间
信息传输
释放连接
1．报文交换（Message Switching）
A 传输时延 传播时延 端 到 端 报 文 时 延 存储—转发时延 报文 B C D 交换节点
报文
报文
报文交换示意图
报文信息
报文的起始标志和报文长度 有效数据的开始标志 数据的源端地址 控制信息 报文编号
端到端时延
传输时延、传播时延和存储-转发时延 存储-转发时延：排队等待时间、存入中间节点的处理 时间和从存储器送到输出链路的处理时间
存在问题： 当输入、输出链路 数目增加时， 交换网络的交叉点 个数将按链路数的 闭合交叉点平方关系增长， 控制结构复杂化。
空分多级交换矩阵（可以减少交叉点数量）
m=16 k条 m╳l l=2个 交换单元 m╳l m╳l l=3个 交换单元 m╳l
m╳l
m× n l ≥ m + n −1
m╳l m╳l
分组交换的优点
“管道化”优势，提高传输效率 时延大大低于报文交换 差错控制更有效，提高通信效率 减少拥塞，提高网络可靠性 分配优先权
分组的处理
目的节点收到分组后作如下处理：
卸掉分组头部和校验序列，得到分组数据，写入缓冲器 根据分组编号检查构成一个完整报文的所有分组是否到 齐 若报文的所有分组到缓冲器，则进行报文重组；否则， 等待其他分组到达 报文组装完成后，通知用户接收此报文；同时向发送方 返回一个确认信息。
异步时分复用
在同步时分复用系统中，由于时间片是预分配的 和固定的，每当一台设备不发送时，对应的时间 片就是空的并且浪费了通路带宽。 异步时分复用就是为避免这种浪费而设计的，这 里异步的含义是可变的。在异步时分复用中所有 输入线路的速率之和可能比链路容量大。
异步复用
第1帧 1 2 3 4 输入 时间 K 第M帧 1 2 3 4 K
3.2.3 从报文交换到分组交换
根据交换数据单元长度的不同，存储-转发交换主要 有两种实现方式:
报文交换（message switching） 分组交换（Packet Switching）
报文：包含了将要发送的完整的数据信息，其长度 很不一致；（电子邮件/文本文件/应答信息等） 分组：一段长的报文，可被分割、装配成多个较短 的数据单元，每个单元称为分组（packet）
异步复用
异步复用
又称统计时分多路复用，允许动态地分配时隙，如果 某个终端不发送信息，则其他的终端可以占用该时隙。 异步时分多路复用可以为更多的用户服务，即用户终 端数可以比时隙数多，当所有时隙全部被占用而仍有 新用户终端需要分配时隙时，就得采取排队或竞争的 方法。 异步复用需要比较复杂的寻址和控制能力，需要有保 存输入排队信息的缓冲器，一般用微处理机来解决， 因此，设备费用较高。 异步复用技术通常用于基带局域网，是计算机通信网 分时系统的基础。
虚电路
将上面方式赋予每条链路上的标记级连起来，那么构 成的这样一条逻辑通路称为虚电路（VC），并且称各 条链路上的标记为逻辑信道（LC）。
虚电路和逻辑信道的关系
3.2.5 电路交换与分组交换的比较
比较特性 传输通路性质 通路的使用 数据传输单元 通路的初始建立 通路的维持 节点上的存储 节点上的时延 数据速率适应性 对过载的反应 链路利用率 链路带宽分配 额外开销 计费方式 物理的 专用的 报文 要求呼叫建立 一次通信期间维持 不要求 几乎无时延 单一速率 呼损 低 固定 传输期间无额外开销 按时间 电路交换 逻辑的 共享的 分组或报文 不要求（虚电路除外） 不维持（虚电路除外） 存储一个分组或报文 存储转发时延 多速率 存储（虚呼叫阻塞），时延增加 高 动态 分组头的开销 按分组数 分组交换
第三章 现代通信网及其交换技 术
重点掌握： 电路交换与分组交换的基本原理； 二种交换技术的各自特点及优缺点
现代通信网交换技术
我们通常将网络节点以某种转接方式来实现数据通路接 续的技术称为交换；
电路交换---提供实时语音业务 分组交换---提供非实时数据业务 随着宽带综合通信网的出现
提供语音、wenku.baidu.com据、图像相结合的综合服务成为可能
K
交换网络 输入 输出
1 2 3 4 125μs
K
图3-14 同步传输模式示意图
同步时分复用-帧
帧由时间片的一个完整循环组成，包括分配给每个发送设 备的一个或者多个时间片。在具有n条输入线路的系统 中，每一帧至少有n个时间片，分配给某个设备的时间片 在帧中的位置是固定的。
同步时分复用-同步
由交替过程可知，多路复用器和多路信号分离器 之间的同步是一个主要问题；如果它们之间失去 同步，则属于某一通道的位可能会被错误的通道 所接收。 由于这个原因，通常在每帧的开始增加一个或多 个同步位，帧同步位按照某种模式变化，使分离 器与输入流同步，以准确的分离时间片。
数字信号服务分级体系
标记交换与虚电路
标记交换
在源节点发送信息前，先发送一个请求与目的节点建 立连接的信号，其中必定包含源地址和目的地址信息。 源节点把这些信息转换成某个标记发送出去。该标记 在一个交换网络中必须事先约定，才能被网络节点识 别。这样中间交换节点在收到建立连接请求的信号后 将检查其中的标记来识别目的节点。如MPLS
m╳l m╳l
m╳l m╳l
m╳l
m× m
l ≥ 2m − 1
m╳l 第一级 第二级 (a)
m╳l 第三级
m╳l 第一级 第二级 (b)
m╳l 第三级
用三级交换单元的互连构造交换网络
实现结构之一——时分交换
所谓时分交换，是指输入链路按时间顺序来安排所 需要的输出链路。 又称为时隙交换。
待映射的输出时隙号 输入帧 4 0 5 1 7 2 0 3 1 4 3 5 2 6 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 虚线表示输入/输出连接 时分交换示意图 缓冲器 4 5 7 0 1 3 2 6 m项的时隙映射表 3 0 4 1 6 2 排序从缓冲读出 输出帧 5 3 0 4 1 5 7 6 2 7
固定比特率 可变比特率
电路交换
多速率 电路交换
快速 电路交换
信元交换
快速 分组交换
帧中继
帧交换
分组交换
通信网可能采用的交换方式
3.1 电话网与电路交换
3.1.1 电话网的分级结构
采用本地接入、长途中继和国际出入的分级结构
国际网
国际出入口局 一级交换中心 二级交换中心
长途网
三级交换中心 四级交换中心
3.2.2 存储—转发机制
存储-转发机制：
不需要通过呼叫建立起物理的端到端的接续通路，而是以 接力方式将用户数据在交换节点之间逐段地传送，直到到 达目的地。
适合计算机通信的特点：
（1）提高链路带宽或节点中的缓冲器等网络资源的利用 率 （2）提高系统的可靠性 （3）便于用户对高层信息资源的共享 （4）便于计算机处理 （5）减少信息的重传 主要优点：提供可共享的网络资源 缺点：引入交换时延