第2章-交换单元与交换网络

2.1引言2.2交换单元2.3交换网络第2章交换单元与交换网络本章教学重点同步时分复用信号和统计时分复用信号交换单元的数学描述介绍各种主要的交换单元空分交换单元空分接线器共享存储器型交换单元T接线器总线型交换单元数字交换单元简要介绍常用的交换网络CLOS网络及无阻塞交换网络TST、DSN、BANYAN网络2用数学模型分析交换单元TST交换网络CLOS网络及无阻塞交换网BANYAN网络本章教学难点34本章要求掌握交换单元的基本概念、分类、特性和数学描述方法了解各种交换单元的结构及工作原理掌握几种重要而典型的交换单元了解交换网络的概念、交换网络的三要素、交换网络的组织结构熟悉几种常用的交换网络、多级网络内部阻塞的概念，构成无阻塞交换网络的条件初步了解几种常用交换网络的组合特性及工作原理2.1引言交换网络中的信号形式是数字的、时分复用信号.电路交换采用同步时分复用信号分组交换和ATM交换采用统计时分复用信号什么是同步时分复用信号和统计时分复用信号？2.1引言频率频率时间时间a时分复用示意图b频分复用示意图信道1信道2信道n信道２信道１信道n2.1引言1.同步时分复用将时间划分为基本的时间单位帧，一帧分成若干时隙，时隙顺序编号，所有帧中编号相同的时隙成为一个子信道，一个子信道传输一个话路信号。*子信道的速率是恒定的。同步时分复用的来由：话音信号的频率300HZ～3400HZ，采样频率为8HZ，即采样周期为125us，采样值是8位二进制编码，8位二进制占用的时间相对于125us很少，为了提高利用率，将125us分成若干时隙，不同用户的采样值占用不同的时隙进行传输。因为子信道在每一帧时间轴上的位置是固定的，所以称为同步时分复用。同步时分复用信道又称位置信道，是通过时间轴上的位置来区分子信道（话路）的。2.1引言2.统计时分复用信息按分组先存储再发送,每个分组附加标志码,各个分组占用不同的时隙;但标志相同的分组属于一个用户,将它们所占用的信道容量看成一个子信道,这种复用方式称为统计时分复用.特点:先存储再发送,信息速率高的用户所占的信道容量大,且所占信道容量随着信息的多少动态变化,取消了帧概念,统计时分复用信道又称标志信道,是通过标志来区分各子信道的.2.1引言2.1引言对两种时分复用信号的比较。203021001223入线出线20130123（b）统计时分复用信号的交换0123123入线出线（a）同步时分复用信号的交换0复用信号的交换示意图只携带用户信息,不指定出线地址不仅携带用户信息还有出线地址同步时分复用信号的交换统计时分复用信号的交换※统计时分复用的显著优点是按照用户的需要动态地分配信道容量。一个用户信息速度高时，占的信道容量大，当它的信息速度变低的时候，它占的信道容量也随之减小。※分组交换的统计复用时分信号使用的分组长度不相等，因此子信道速率不固定，不适于采用硬件交换单元。ATM交换的统计时分复用信号使用的分组长度相等（信元）适于采用硬件交换单元，故ATM交换速度快。2.1引言实现任意入线与出线之间的互连是交换的基本功能。按照交换方式要求，节点内互连网络可以提供实连接或虚连接。节点内互连网络又称为交换网络（交换机构）。交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的。2.1引言交换网络有：空分、时分数字、模拟节点交换网络具有一定的拓扑结构。（选择在满足交换方式、容量和服务质量要求的情况下，获得高性能、低成本、便于扩充与控制的拓扑结构。）2.1引言2.2.1交换单元及其数学描述交换单元是构成交换网络的基本部件。按照一定的拓扑结构和控制方式，由多个交换单元即可构成交换网络。对称交换单元（M=N）全连接交换单元部分连接交换单元（一）基本概念···M×N交换单元···入线出线控制端状态端12M12N交换单元如何建立信息传送通道（连接）任意的入线和出线之间建立连接。对于同步时分复用信号（实连接）对于统计复用信号（虚连接）（二）内部通道······入线出线12M12N（a）同步时分复用信号···入线出线12M12N···2NN1121122NN（b）统计复用信号2.1交换单元集中型：M＞N，也称为集中器。扩散型：M＜N，也称为扩展器。分配型：M=N，也称为分配器。（三）交换单元的分类12M······1N入线出线(a)集中型1M······1N入线出线(b)扩散型入线1M······1N出线(c)分配型2.2.1交换单元及其数学描述（三）交换单元的分类2.2.1交换单元及其数学描述有向交换单元：当信息经过交换单元时只能从入线进出线出，具有唯一确定的方向。无向交换单元：交换单元的每条线既可入也可出，其入线数必等于出线数。出线0N-1入线0M-1MXN有向交换单元…..…..入线/出线0N-1N无向交换单元2.2.1交换单元及其数学描述连接特性是交换单元的基本特性，它反映了交换单元入线到出线的连接能力，通常我们用连接集合和连接函数来描述交换单元的连接特性连接集合：入线集合：T={0,1,2,…,M-1}出线集合：R={0,1,2,…,N-1}定义：t∈T，即t是T的一个元r∈Rt，Rt是R的一个子集，r是Rt的一个元。则集合c={t,Rt}为一个连接。•若r∈Rt，Rt中只含有一个元，则称该连接为点到点连接。•若r∈Rt，Rt中含有多个元，则称该连接为一点到多点连接。•若一个交换单元可以提供点到多点的功能，但Rt≠R，则称其具有同发功能；若Rt=R，则该交换单元具有广播功能。（四）连接与连接函数一个交换单元的连接同时可有多个，这就构成了交换单元的连接集合：C={c0,c1,c2,…}其中：起点集Tc={t;t∈ci,ciC}终点集Rc={r;r∈Rt,Rtci,ciC}连接和连接集合是对应于某一时刻的!连接集合的数目越多，连接能力就越强!（四）连接与连接函数（四）连接与连接函数连接函数一个连接函数对应一种连接，连接函数表示相互连接的入线编号和出线编号之间的一一对应关系，即存在连接函数f，入线x与出线f(x)相连接，0≤x≤M-1，0≤f(x)≤N-1。连接函数实际上也反映了入线编号构成的数组和出线编号构成的数组之间的置换关系或排列关系，故连接函数也被称作置换函数或排列函数。函数表示形式x表示入线编号（二进制表示），f(x)表示连接函数。排列表示形式即输入输出对应表示形式t0，t1，…，tn-1r0，r1，…，rn-1图形表示形式（四）连接与连接函数1.直线连接：函数表示：I(xn-1xn-2…x1x0)=xn-1xn-2…x1x0排列表示（N=4）：0，1，2，30，1，2，3图形表示（N=4）：12312300（四）连接与连接函数2、交叉连接：排列表示（N=4）：0，1，2，31，0，3，2图形表示（N=4）：00123123（四）连接与连接函数函数表示：E(xn-1xn-2…x1x0)=xn-1xn-2…x1x0间隔交叉连接第K位位值不同的入线与出线之间的连接。Ck(xn-1xn-2…xk…x1x0)=xn-1xn-2…xk…x1x00012312300123123N=4k=1N=4k=0（四）连接与连接函数①均匀洗牌连接均匀洗牌连接(均匀洗牌置换)具体实现方法是：将入线二进制地址编号循环左移1位作为出线地址编号。均匀洗牌连接，将出线一个隔一个地从头至尾地分成相等的两部分，将这两部分首尾相接，使之达到理想的一张隔一张的均匀洗牌效果。然后，按序将出线依次与入线连接。函数表示式为δ(x2x1x0)=x1x0x2当N=8时，连接函数为假设当N=8时，连接函数为排列形式为图形表示为0，1，2，3，4，5，6，70，2，4，6，1，3，5，701234567出线号01234567入线号N=8时的均匀洗牌连接均匀洗牌连接子洗牌连接---将全部入线及相应出线分成若干个子部分，每一个子部分独立完成均匀洗牌连接。连接函数为:子洗牌连接假设当N=8时，连接函数为δ(x2x1x0)=x2x0x1均匀子洗牌均匀子洗牌排列形式为图形表示为0,1,2,3,4,5,6,70,2,1,3,4,6,5,701234567出线号01234567入线号N=8时的均匀子洗牌连接逆均匀洗牌连接逆均匀洗牌连接逆匀洗牌连接是均匀洗牌连接的逆函数，两者的入线和出线正好互换了位置,即逆洗牌是将入线二进制地址编号循环右移1位作为出线地址编号。函数表示式为逆均匀洗牌连接排列形式为图形表示为假设当N=8时，连接函数为δ(x2x1x0)=x0x2x101234567出线号01234567入线号N=8时的逆均匀洗牌连接蝶式连接变换实现时，其图形形状如蝴蝶，这种连接是将入线二进制地址编号的最高位与最低位互换位置作为出线地址编号。①蝶式连接(蝶式置换)函数表示式为蝶式连接(蝶式置换)排列形式为β(x2x1x0)=x0x1x2N=8时，蝶式连接函数图形表示为01234567出线号01234567入线号N=8时的蝶式连接蝶式连接(蝶式置换)②子蝶式连接子蝶式连接-----将全部入线及相应出线分成若干个子部分，每一个子部分独立完成蝶式连接。子蝶式连接函数表示式为排列形式为图形表示为N=8时的子蝶式连接β(x2x1x0)=x2x0x101234567出线号01234567入线号N=8时的子蝶式连接子蝶式连接容量：所有入线同时传送的总信息量。接口：接口标准的规定。功能：点到点、同发或广播；质量：连接建立情况（成功率、速率），信息传输损伤（时延、衰减、噪声）。···M×N交换单元···入线出线控制端状态端12M12N（五）交换单元的性能交换单元是如何完成交换的?交换单元内部是什么?结构如何?有何特性?前面讨论了外部特性及其数学描述。我们将目光移到交换单元的内部。主要内容：最基本的的交换单元是开关阵列－－即用各种各样的开关构成的交换单元。空间交换单元交换单元可以分为空分交换单元与时分交换单元。空分交换单元也称为空间交换单元，一般来说，空间交换单元是由空间上分离的多个小的交换部件或开关部件按照一定的规律连接构成的。从空间交换单元的内部来看，其入线到出线之间存在着多条通路，所有的这些通路可以并行的传送信息，也就是说从不同入线上来的信息可以并行的交换到不同的出线上去。1.开关阵列（空分交换单元）在每条入线和每条出线之间，各自接上一个开关，所有的开关就构成了交换单元内部的开关阵列。使用开关建立或拆除任意入线和任意出线之间的连接。(1)基本原理开关阵列开关阵列开关阵列中开关的两种状态断开状态接通状态入线出线入线出线入线与出线没有相连单向开关：一般用于有向交换单元。双向开关：一般用于无向交换单元。┆┆┆┆入线出线01M－1N－101M×N有向交换单元┄┄┆┆01M－1入线01N－1出线（a）M×N有向矩形开关阵列┄┄┆┆01M－1入线01N－1出线（b）M×N无向矩形开关阵列开关阵列的拓扑结构1、在入线与出线上的每个交叉点都有一个开关，且开关为单向开关；2、总共需要M×N个开关；3、把入线i与出线j交叉点的开关记为Kij。01M-101N-1......入线出线（a）M×N有向交换单元01N-1...信息端（b）N无向交换单元01K-101L-1输入端输出端（c）K×L无向交换单元(K+L=N)......01M-101N-1...入线出线M×N有向交换单元的开关阵列实现一个M×N无向交换单元的开关阵列实现所示。由图可知，M×N无向交换单元的开关阵列与M×N有向交换单元的开关阵列的实现结构完全相同，所不同的只是其信息端是双向传送信息的并且所使用的开关为双向的。01M-101N-1...输入信息端输出信息端M×N无向交换单元的开关阵列实现全连接交换单元和部分连接交换单元01N-101N-1入线出线01N-101N-1入线出线45全连接交换单元每条入线都能够与每条出线相连接部分连接交换单元:每条入线只能与部分出线相连接01M-1入线出线入线0M-1出线入线0N-1出线01N-1入线出线多路选择器