第2章 数据交换技术

第2章数据交换技术2.1电路交换的基本原理2.2分组交换的基本原理2.3ATM交换的基本原理2.4多协议标签交换基本原理2.5软交换2.1电路交换的基本原理2.1.1电路交换概述数据通信时，需要通信的两个终端设备通过传输介质直接连接在一起是不现实的，一般是通过有中间节点的网络来把数据从源设备发送到目标设备，这些中间节点不关心数据的内容，只提供一个交换设备，用这个交换设备把数据从一个节点传到另一个节点直至目的地。在多个数据终端设备之间，为任意两个终端设备建立数据通信临时互连通路的过程称为数据交换。电路交换是最早出现的交换方式，电话交换网是使用电路交换技术的典型例子，包括最古老的人工电话交换和当前先进的数字程控交换，都普遍采用电路交换方式。一、电路交换的概念以电路联接为目的的交换方式是电路交换(CircuitSwitching)，电话网络中就是采用这种交换技术。电路交换中，在需要通信时，通信双方动态建立一条专用的通信线路，在通信的全部时间内，通信双方始终占用端到端的固定传输带宽,供用户进行信息的传输。二、电路交换的过程电路交换技术与电话交换机类似，其特点是进行数据传输之前，首先由用户呼叫，在源端与目的端之间建立起一条适当的信息通道，用户进行信息传输，直到通信结束后才释放线路。电路交换通信的基本过程可分为建立线路、数据传输、线路释放三个阶段，如图2.1所示。图2.1电路交换过程1、建立线路阶段在传输任何数据之前，要先经过呼叫过程建立一条端到端的线路，由发起方站点向某个终端站点（响应方站点）发送一个请求，该请求通过中间节点传输至终点。如果中间节点有空闲的物理线路可以使用，则接收请求，分配线路，并将请求传输给下一中间节点，整个过程持续进行，直至终点，如图2.2所示。图2.2建立线路阶段2、数据传输电路交换连接建立以后，数据就可以从源节点发送到中间节点，再由中间节点交换到终端节点。电路连接是全双工的，数据可以在两个方向传输。这种数据传输有最短的传播延迟，并且没有阻塞的问题，除非有意外的线路或节点故障而使电路中断，但要求在整个数据传输过程中，建立的电路必须始终保持连接状态。3、线路释放当站点之间的数据传输完毕，执行释放电路的动作。该动作可以由任一站点发起，释放线路请求通过途经的中间节点送往对方，释放线路资源。被拆除的信道空闲后，就可被其他通信使用。三、电路交换的特点1、在通信开始时要首先要建立连接。2、一个连接在通信期间始终占用该电路，即使该连接在某个时刻没有数据传送，该电路也不能被其他连接使用，因此电路利用率较低。3、交换机对传输的数据不作处理（透明传输），对交换机的处理要求比较简单，对传输中出现的错误不能纠正，不能保证数据的准确性。4、连接建立以后，数据在系统中的传输时延基本上是一个恒定值。2.1.2电路交换原理一、时分交换与时分接线器时分交换是时分多路复用的方式在交换上的应用。交换系统通常包括若干条PCM复用线，每条复用线又可以有若干个串行通信时隙，用TS表示。时分交换是交换系统中PCM复用线上时间片的交换，即时隙的交换，如图2.3所示。图2.3时隙交换示意图1、T接线器的功能完成在同一条复用线上的不同时隙之间的交换，也就是将T接线器中输入复用线上某个时隙的内容交换到输出复用线上的指定时隙。2、T接线器的结构T接线器主要由话音存储器（SM）和控制存储器（CM）组成。SM和CM都包含若干个存储器单元，SM存储用户的话音信号，CM存储处理机控制命令字，控制命令字的主要内容用来指示写入或读出的话音存储器地址。3、T接线器的工作方式T接线器有两种工作方式：一种是时钟写入，控制读出，也称为读出控制方式；一种是控制写入，时钟读出，也称为写入控制方式。（1）读出控制方式图2.4T接线器的读出控制方式（2）写入控制方式图2.5T接线器的写入控制方式二、空分交换与空分接线器空分交换完成两条复用线之间话音信息的交换，可以实现扩大交换容量的目的。空分交换通过空分接线器来完成，也称S接线器。1、S接线器的基本功能完成在不同复用线之间同一时隙内容的交换，也就是将某条输入复用线上某个时隙的内容交换到指定的输出复用线的同一时隙。2、S接线器的组成S接线器主要由控制存储器（CM）和交叉矩阵两部分组成3、S接线器的工作方式根据控制位置不同，S接线器有输出和输入两种控制方式。（1）输入控制方式按照输入复用线来配置CM，即每一条输入复用线有一个CM，由这个CM来决定输入PCM线上各时隙的信码，要交换到哪一条输出PCM复用线上去图2.6S接线器的输入控制方式（2）输出控制方式按照输出复用线来配置CM。图2.7S接线器的输出控制方式三、T-S-T形数字交换网络T接线器只能完成同一条复用线不同时隙之间的交换，而S接线器只能完成不同复用线相同时隙之间的交换。对于大规模的交换网络，必须既能实现同一复用线不同时隙之间的交换又能实现不同复用线之间的时隙交换。把T接线器和S接线器按照不同顺序组合起来就可以构成较大规模的数字交换网，如T-S-T型的数字交换网络。1、T-S-T形交换网的组成假设输入复用线与输出复用线各有10条，T-S-T形交换网的组成如图2.8所示。两侧各有10个T接线器，左侧为输入，右侧为输出，中间由S接线器的10×10的交叉矩阵将它们连接起来。图2.8T-S-T交换网的组成2、TST的交换原理2.1.3程控数字电话交换系统电话通信是最常见的采用电路交换的通信形式，电话交换技术经历了早期的人工交换、机电交换和电子交换阶段，目前已经发展到了以计算机程序控制为主的程控数字电话交换系统。程控数字交换机的接续速度快、声音清晰、质量可靠、体积小、容量大、灵活性强，是当今电话交换系统的主流技术。程控数字电话交换系统由硬件和软件两大部分组成。一、程控数字交换机的硬件基本组成图2.10程控数字交换系统硬件组成框图1、话路部分话路部分的主要任务是根据用户拨号状况，实现用户之间数字通路的接续，它由数字交换网络和一组外围电路组成。外围电路包括用户电路、中继电路、扫描器、网络驱动器和信令设备。2、控制部分控制部分由中央处理器、程序存储器、数据存储器、远端接口和维护终端组成，其主要任务是根据外部用户与内部维护管理的要求，执行控制程序，以控制相应硬件实现交换及管理功能。二、程控数字交换机的软件基本组成程控数字交换机的软件由程序模块和数据两个部分组成。程序模块分为脱机程序和联机程序两部分。脱机程序主要用于开通交换机时的系统硬件测试、软件调试以及生成系统支持程序；联机程序是交换机正常开通运行后的日常程序，一般包括系统软件和应用软件两部分，如图2.11所示。图2.11程控数字交换系统软件组成框图系统软件主要用于系统管理、故障诊断、文件管理和输入输出设备管理等。应用软件直接面向用户，负责交换机所有呼叫的建立与释放，具有较强的实时性和并发性。呼叫处理程序是组成应用软件的主要部分，根据扫描得到的数据和当前呼叫状态，对照用户类别、呼叫性质和业务条件等进行一系列的分析，决定执行的操作和系统资源的分配。运行维护程序用于存取、修改一些半固定数据，使交换机能够更合理有效的工作。程控数字交换机的数据部分包括交换机既有的和不断变化的当前状态信息。三、程控交换机的主要性能指标1、系统容量系统容量指的是用户线数和中继线数，二者越多，说明容量越大。容量的大小取决于数字交换网的规模。2、呼损率呼损率是指未能接通的呼叫数量与呼叫总量之比。呼损率越低，说明服务质量越高。一般要求呼损率不能高于2%～5%。3、接续时延用户摘机后听到拨号音的时延，称为拨号音时延；拨号之后，听到回铃音的时延，称为拨号后时延。它们统称为接续时延。4、话务负荷能力话务负荷能力是指在一定的呼损率下，交换系统忙时可能负荷的话务量。话务量反映的是呼叫次数和占用时长的概念，以二者的乘积来计量:话务量=C×t若t以小时为单位，则话务量为小时·呼，称为爱尔兰（Erl）5、呼叫处理能力呼叫处理能力用最大忙时试呼叫次数来表示（BHCA）。它是衡量交换机处理能力的重要指标。6、可靠性和可用性可靠性指的是交换机系统可靠运行不中断的能力，通常采用中断时间及可用性指标来衡量。可用性是指系统正常运行时间占总运行时间的百分值。2.2分组交换的基本原理2.2.1分组交换概述一、分组交换的概念分组交换（PacketSwitching）的基本思想是：把用户要传送的信息分成若干个小的数据块，即分组，这些分组长度较短，并具有统一的格式，每个分组有一个分组头，包含用于控制和选路的有关信息。这些分组以存储转发的方式在网内传输，即每个交换节点首先对收到的分组进行暂时存储，分析该分组头中有关选路的信息，进行路由选择，并在选择的路由上进行排队，等到有空闲信道时转发给下一个交换节点或用户终端。二、分组交换的特点1、传输质量高2、可靠性高3、为不同种类的终端相互通信提供方便4、可以实现分组多路通信5、信息传送时延大6、要求分组交换机有比较高的处理能力比较项目电路交换分组交换信息形式既适用于模拟信号，也适用于数字信号只适用于数字信号连接建立时间平均连接建立时间较长没有连接建立时延传输时延提供透明的服务，信息的传输时延非常小，数据传输数率恒定在每个节点的调用请求期间都有处理延时，且这种延时随着负载的增加而增加。传输可靠性完全依赖于线路设置有代码检验和信息重发设施，此外还具有路径选择功能，从而保证了信息传输的可靠性。阻塞控制没有相关控制机制采用某种流量控制手段将报文分组从其相邻节点通过。表2.1电路交换与分组交换的比较2.2.2分组交换原理一、分组交换的传输方式可分为数据报方式和虚电路方式两种。1、数据报方式在数据报方式中，交换节点将每一个分组独立地进行处理，即每一个数据分组中都含有终点地址信息，当分组到达节点后，节点根据分组中包含的终点地址为每一个分组独立地寻找路由，因此同一用户的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，在网络的终点需要重新排队，组合成原来的用户数据信息，其示意图如图2.12所示。图2.12数据报方式示意图2、虚电路方式两终端用户在相互传送数据之前要通过网络建立一条端到端的逻辑上的虚连接，称为虚电路。一旦这种虚电路建立以后，属于同一呼叫的数据均沿着这一虚电路传送。当用户不再发送和接收数据时，清除该虚电路。在这种方式中，用户的通信需要经历连接建立、数据传输、连接拆除三个阶段，也就是说，它是面向连接的方式。图2.13虚电路方式示意图需要强调的是，分组交换中的虚电路和电路交换中建立的电路不同。在分组交换中，以统计时分复用的方式在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，两个用户终端之间建立的是虚连接；而电路交换中，是以同步时分方式进行复用的，两用户终端之间建立的是实连接。在电路交换中，多个用户终端的信息在固定的时间段内向所复用的物理线路上发送信息，若某个时间段某终端无信息发送，其它终端也不能在分配给该用户终端的时间段内向线路上发送信息。而虚电路方式则不然，每个终端发送信息没有固定的时间，它们的分组在节点机内部的相应端口进行排队，当某终端暂时无信息发送时，线路的全部带宽资源可以由其它用户共享。我们之所以称这种连接为虚电路，正是因为每个连接只有在发送数据时才排队竞争占用带宽资源。比较项目数据报虚电路连接的建立与释放无需连接建立和释放的过程需要连接建立和释放的过程数据报中的地址信息量每个数据报中需带较多的地址信息数据块中仅含少量的地址信息数据传输路径用户的连续数据块会无序地到达目的地，接受站点处理复杂用户的连续数据块沿着相同的路径，按序到达目的地，接受站点处理方便可靠性使用网状拓扑组建网络时，任一中间结点或者线路的故障不会影响数据报的传输，可靠性较高如果虚电路中的某个结点或者线路出现故障，将导致虚电路传输失效适用性较适合站点之间少量数据的传输较适合站点之间大批量的数据传输。表2.2数据报与虚电路比较二、分组交换过程图2.14分组交换原理示意图2.3ATM交换基本原理一、ATM的基本概念ATM是一种传送模式，在这一模式中用户信息被组织成固定长度的信元，信元随