作者：张轶
出版社：人民邮电出版社有限公司
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现代交换原理与技术试读：
前言
无论在繁华的现代大都市，还是经济高速发展的北上广地区；无论是人潮如织的祖国内地，还是边陲口岸、广袤戈壁；无论春秋冬夏、寒来暑往，还是风霜雨雪、斗转星移；信息交换正为全人类服务着，帮助人们跨越时间与空间的鸿沟。
在信息技术的浪潮中，网络世界发生着翻天覆地的变革，以固定电话网络为代表的电信网、以计算机网络为代表的数据网络、以蜂窝网络为代表的移动无线网络，正进行着彼此之间的互联互通、相互融合。数字程控交换机拥有非常成熟的技术，并且是电信网、移动网、综合业务数字网的核心部件，起着关键作用。同时，随着人与人之间沟通方式的转变，以及对信息量需求的与日俱增，以IP网络和分组技术为基础的宽带数据网络正以迅猛的速度建设和发展着。
正因为交换技术发展日新月异，新的架构、新的技术非常丰富，而又受到篇幅的限制，不可能将方方面面的知识点都覆盖到，因此本书的结构设计是在基本原理和技术的基础上，尽可能将应用最为广泛的交换技术包含进来。具体来说，本书的结构内容包括三个大的部分——基础篇、实践篇、未来篇。在第一部分的基础篇中，第1章首先介绍了交换技术的产生背景、交换技术的基本原理与特性、电信网和数据交换网，以及各自的工作方式和层次模型，然后对交换技术的发展与演进做了概述，分析了交换机的各个功能子模块，介绍了目前市场上常见品牌的交换设备。第2章从话务基本理论出发，对交换系统的概率模型做了概要性描述，其次是关于服务质量和话务负载能力的讨论，并对交换机内部的典型交换单元做了介绍。
第二部分为实践篇，在第3章重点讲解了电路交换方式和公用电话交换网的硬件部分，与此相对应，电话交换网的软件设计部分则在第4章中详细介绍，包括软件的组成、程序的执行和管理等。第5章讲述了随路信令和共路信令，重点介绍7号信令的框架和相关配置。第6章介绍了各类分组交换方式，包括以太网交换方式、帧中继、ATM交换，最后介绍了分组交换网络的相关性能。第7章重点介绍非连接的IP交换技术和标签交换方式，具体包括几种典型的路由算法、高性能路由器的架构，以及MPLS。
第三部分为未来篇，包括智能网络交换、软交换和下一代网络，以及移动交换。具体来说，第8章介绍了智能业务交换，包括概念模型、固定智能网络和移动智能网络。第9章介绍下一代网络，包括基于软交换技术的NGN，软交换的相关设备、SIP协议、软交换的组网和路由问题。第10章介绍在移动通信网络中起关键作用的移动交换技术，包括蜂窝网络结构、切换与漫游、移动应用等。第11章介绍光交换技术与光网络，包括光纤通信的关键技术、光交换中的交换单元与交换机制、自动交换光网络的体系架构与光路由、以及光交换网络的未来演进方向。
针对应用型高等院校信息类专业的教学特点，以及交换技术这门课程学习的实际需要，本教材具有以下特点，主要表现在以下几个方面。
1.系统完整。全书从通信网的角度将原理、技术与实际应用紧密结合。
2.突出重点。各类交换技术与相应网络有机结合，由产生的背景出发，有取有舍，将主流技术呈现给读者。
3.理论联系实际。在理论知识介绍的基础上，对实际性能配置加以补充。
4.知识融合与交叉。可读性强，知识点连成网络，便于记忆和理解。
5.编写人员均为各高校教学与科研的一线教师，且从教多年，讲授过包括交换技术、数据网络、通信原理在内的多门专业课程，对相关领域有较强的把握能力，且能将各自的研究方向与专业有机融合，形成重基础、强应用的特色教材。
本书主要由张轶完成，在编写过程中，得到了武汉纺织大学电子与电气工程学院领导与同仁的大力支持，同时，通信工程教研室给予了具有建设性的建议，感谢武汉纺织大学科技处、教务处领导的大力支持，感谢湖北省教育厅项目资助（No.17Q091）以及武汉纺织大学校基金的资助（No.155028），特别感谢人民邮电出版社在整个出版过程中付出的努力，以及为本教材的顺利出版付出的辛勤劳动。
为了配合教师授课，本书配备了多媒体PPT课件、电子教案，以及授课计划，可免费提供给任课教师教学使用。
由于通信技术与计算机网络的发展迅速，加之作者本身教学与研究水平的局限，书中的错误及信息的滞后在所难免，敬请广大读者在使用过程中批评指正。编者2017年7月第一部分 基础篇第1章 交换技术概述
本章作为全书的基础部分，主要介绍交换技术的基本概念及基本特征。首先说明通信网的工作方式、协议及分层模型，然后从交换发展的背景出发，理解交换的根本作用，以及交换技术在通信网络中的地位，最后从技术角度讲述目前的一些主要交换方式，包括模拟交换方式与数字交换方式、分布交换方式与程控交换方式、分组交换方式与电路交换方式、宽带交换方式与窄带交换方式等。同时，对交换机的主要工作参数进行简要描述，包括服务质量指标、可靠性，以及性能参数。1.1 交换技术的基本概念
谈到交换，从广义上讲，任何数据的转发都可以叫做交换，但是，传统的、狭义的第二层交换技术，仅包括数据链路层的转发。本节将说明为什么需要交换技术和交换设备，并描述了交换的作用及基本特征。1.1.1 交换技术的引入
通信（交换信息）的目的是在信息的源节点和目的节点之间传送信息，源节点和目的节点对应的就是各种通信终端，比如2个用户要想通话，最简单的就是各拿1个电话机，用1条通信线路连接起来，就可以实现最基本的通信，如图1-1所示。图1-1 用1条通信线路连接的话音链路
当信息以电信号的形式传送时，由此构成的就是电信系统，1个电信系统至少应当由发送或接收信息的终端和传输信息的媒介组成，终端将包含信息的消息，如声音、数据、图像、视频等，转换成可以被传输媒介接收的电信号，同时，将来自传输媒介的电信号还原成原始消息，传输媒介则把电信号从一个地点传送到另一个地点，这种只涉及2个终端的通信，被称为点对点通信。典型的点到点通信系统如图1-2所示。
实现多个用户之间的通信，最简单、最直接的方式就是两两互相连接。这样的一种连接方式称为全互连方式。全互连方式很简单，也很直接，但存在下列问题。（1）连接线对的数量随终端数的平方增加，当存在N个终端时，需要的连接线对数为：N(N-1)/2。图1-2 点到点通信系统（2）当这些终端分别位于相距很远的两地时，两地之间需要大量的长途线路。（3）当增加到第N+1个终端时，必须增设N对线路。（4）每个终端都有N-1对线与其他终端相连接，因而，每个终端都需要有N-1个线路接口。
全互连方式结构如图1-3所示。图1-3 具有6个终端的全互连方式结构示意图
随着用户数量的增加，上述问题将会变得更加突出，为此，可以考虑在用户分布密集的中心安装1台设备，把每个用户的电话机或其他终端设备，用各自专用的线路连接到这台设备上，从而，使得这台设备相当于1个开关，当任意2个用户需要通信时，该设备可以立即将这2个用户之间的通信线路连通（称为“接续”），让用户进行通信，当用户通信完毕后，该设备又可以立即把2个用户之间的连接线断开。
引入交换设备之后的网络连接如图1-4所示。图1-4 基于交换设备的网络连接示意图
这台设备能够完成任意2个用户之间交换信息的任务，所以称之为交换设备或交换机，也可以看成是1个交换节点。当引入交换设备后，用户之间的通信方式就由点对点通信，转变为通信网，也即常说的交换式通信网络。1.1.2 交换的作用
根据国际组织IEEE的定义，交换机的作用是在任意选定的2条用户线之间，建立和释放1条通信链路。换句话说，交换机应能为连接到本机的任意2个用户之间建立1条通信链路，并能随时根据要求释放该链路。
最基本的通信网仅包含1台交换机，每个用户（电话机或通信终端）通过1条专用的用户环线（简称用户线），与交换机中的相应接口相连接，实际应用的用户线是1对绞合的塑胶线，如图1-5所示。图1-5 用户通过1台交换机互连组成通信网
在由1台交换机组成的通信网结构中，每个通信终端通过1对专门的用户环线，连到交换机的线路接口，交换机负责监测各个用户状态。需要时，在2个用户之间建立和释放通信连路。但是当用户多时，连接管理复杂性急剧上升，并且用户分布区域较大时，用户线的投资代价占主要部分。1.1.3 交换机的基本特征
交换机（switch）意为“开关”，是1种用于电（光）信号转发的网络设备，它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供电信号通路，最常见的交换机是以太网交换机，其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。
交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。
从广义上来看，网络交换机分为2种：广域网交换机和局域网交换机。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台。而局域网交换机则应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。从规模应用上又可分为企业级交换机、部门级交换机和工作组交换机等。各厂商划分的尺度并不是完全一致的，一般来讲，企业级交换机都是机架式，部门级交换机可以是机架式（插槽数较少），也可以是固定配置式，而工作组级交换机为固定配置式（功能较为简单）。1.2 交换式通信网
利用多台交换机组成的通信网络，汇接交换机互连多个端局交换机，用于疏导本交换区各交换机之间的互通业务，端局交换机连接用户终端，用户交换机在信令方式上相当于用户电话机。1.2.1 公共交换电信网
交换节点的基本功能是，实现任意入线与任意出线之间的互连，这是交换系统最基本的功能，交换节点可以控制包括本局接续、出局接续、入局接续，以及转接接续在内的4种接续类型。（1）本局接续：指在本局范围内各用户线之间的接续。（2）出局接续：指用户线与出中继线之间的接续。（3）入局接续：指入中继线与用户线之间的接续。（4）转接接续：指入中继线与出中继线之间的接续。
多台交换机组成的公共交换电信网如图1-6所示。图1-6 多台交换机组成的通信网
用户环路常以模拟方式传送300～3400Hz话音信号，数据链路采用PCM时分复用，每个用户占用64kbit/s带宽，常以2Mbit/s或更高速率的复用群传送话音/数据，信令网是专门用来传送各交换机之间的通信操作指令，以及维护信令的数据通信的分组交换网络。
节点是构成网络的核心，因此，交换设备是通信网的核心，其基本作用是为网络中的任意用户构建通话连接。交换节点的功能包括监视功能、信令功能、连接功能，以及控制功能。（1）监视功能：发现和判断用户的呼叫请求。（2）信令功能：接收和分析地址信号，按目的地址选路，并转发信号。（3）连接功能：按需实现任意端口之间的信息传送。（4）控制功能：控制连接的建立与释放。
终端包括电话、传真、计算机、视频终端和PBX等，它们是信息的产生者和使用者，主要功能如下。（1）用户信息的处理：用户信息的发送和接收，将信息转换成适合传输的信号及相应的反变换。（2）信令信息的处理：产生和识别连接建立、业务管理等控制信息。
传输系统（transmission system）为信息传送提供通道，并实现网络节点的互连，包括线路接口、传输媒介、交叉连接设备等。
传输系统的主要目标是提高物理线路的利用率。传输系统通过采用复用技术，如频分复用、时分复用、码分复用、波分复用等技术的同时，为保证交换节点正确接收和识别传输的数据流，交换节点必须与传输系统协调一致，保持帧同步和位同步，并遵守相同的传输技术体制（如SDH、WDM）等。
业务节点（service node）包括业务控制点（SCP）、智能外设（IP）、语音信箱（VMS），以及因特网上各种服务器等，由连接在网络边缘的计算机、数据库系统组成，所实现的功能包括以下几方面。（1）实现独立于交换节点的控制逻辑。（2）实现对交换节点业务控制。（3）提供智能化、个性化、差异化服务。
基本业务的呼叫建立、执行控制在交换节点实现，但很多新的电信业务则转移到业务节点中。1.2.2 数据交换网
在多个数据终端设备（DTE）之间，数据交换是在任意2个终端设备之间，建立临时的数据通路的过程。
数据交换可以分为：电路交换、报文交换和分组交换。电路交换原理与电话交换原理基本相同，电路交换所存在的问题是电路的利用率低，双方在通信过程中的空闲时间，电路资源不能得到充分利用。
报文交换的原理是当发送方的信息到达交换节点时，先存放在外存储器中，待中央处理机分析报头，确定转发路由，并在与此路由相应的输出电路上进行排队，等待输出。一旦电路空闲，立即将报文从外存储器取出后发出，这就提高了这条电路的利用率。报文交换虽然提高了电路的利用率，但报文经存储转发后会产生较大的时延。
分组交换也是一种存储转发交换方式，但与报文交换不同，它是把报文划分为一定长度的分组，以分组为单位进行存储转发，这就不但保留了报文交换方式提高电路利用率的优点，同时克服了时延大的缺点。1.2.3 通信网的类型及工作方式
通信网是将一定数量的节点（包括端系统、交换机）和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按照约定的规则或协议完成任意用户间信息交换的通信体系，用户使用它可以克服空间、时间等障碍进行有效的信息交换。
通信网的类型按照信号方式、服务区域、业务类型、服务对象、活动方式等划分，可以包括不同的类别。（1）按信号方式划分：分为模拟通信网和数字通信网。（2）按服务区域划分：分为本地/长途或LAN/MAN/WAN。（3）按业务类型划分：分为电话通信网（PSTN、PLMN）、数据通信网（X.25、FR、Internet）。（4）按服务对象划分：可以分为公用通信网和专用通信网。（5）按活动方式划分：可以分为固定通信网和移动通信网。
在通信网中，网络将信息由信源传送至信宿具有2种工作方式：面向连接（connection oriented，CO）、无连接（connectionless，CL）。面向连接型节点和无连接型节点的结构如图1-7所示。图1-7 面向连接型节点和无连接型节点的结构示意图
面向连接网络依赖发送方和接收方之间的通信和阻塞，以管理双方的数据传输，网络系统需要在发送数据之前，先建立连接的一种特性，面向连接网络类似于电话系统，在开始通信前必须先进行1次呼叫和应答。
面向连接的服务（connection-oriented service）就是通信双方在通信时，要事先建立1条通信线路，其过程包括建立连接、使用连接和释放连接3个过程。
无面向连接服务（connectionless service），是不要求发送方和接收方之间的会话连接，发送方只是简单地开始向目的地发送数据分组，此业务不如面向连接的方法可靠，但对于周期性的突发传输很有用，系统不必为发送传输到的目的端，以及从其中接收传输的系统保留状态信息，无连接网络提供最小的服务，仅仅是连接，无连接服务的优点是通信比较迅速，使用灵活方便，连接开销小，但可靠性也相对较低，不能防止报文的丢失、重复或失序，适合于突发数据量业务。1.2.4 通信网协议及分层模型
通信协议（protocol）是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。通过通信信道和设备互连起来的、多个不同地理位置的数据通信系统，要使其能协同工作，实现信息交换和资源共享，它们之间必须具有共同的语言，交流什么、怎样交流及何时交流，都必须遵循某种互相都能接受的规则，这个规则就是通信协议。
协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义、连接方式、信息发送和接收的时序，从而确保网络中数据顺利地传送到确定的地方。
在计算机通信中，通信协议用于实现计算机与网络连接之间的标准，网络如果没有统一的通信协议，信息传递就无法识别，通信协议是通信各方事前约定的通信规则，可以简单地理解为，各计算机之间进行相互会话所使用的共同语言，2台计算机在进行通信时，必须使用通信协议。
通信协议主要由以下3个要素组成。（1）语法：即如何通信，包括数据的格式、编码和信号等级（电平的高低）等。（2）语义：即通信内容，包括数据内容、含义，以及控制信息等。（3）定时规则（时序）：即何时通信，明确通信的顺序、速率匹配和排序。
分层通信体系结构的基本概念，是将通信功能分为若干个层次，每一个层次完成一部分功能，各个层次相互配合共同完成通信的功能。
每一层只和直接相邻的2层打交道，它利用下一层提供的功能，向高一层提供本层所能完成的服务。
每一层是独立的，隔层都可以采用最适合的技术来实现，每一个层次可以单独进行开发和测试，当某层技术进步发生变化时，只要接口关系保持不变，则其他层不受影响。
每一层实现相对独立的功能，下层向上层提供服务，上层是下层的用户，各个层次相互配合共同完成通信的功能。
将网络体系进行分层就是把复杂的通信网络协调问题进行分解，再分别处理，使复杂的问题简化，以便网络的理解及各部分的设计和实现。协议仅针对某一层，为同等实体之间的通信制定，易于实现和维护，灵活性较好，结构上可分割。
OSI七层参考模型如图1-8所示。图1-8 OSI七层参考模型
传输控制协议是局域网中常用的通信协议簇（transport control protocol/internet protocol，TCP/IP）的历史应当追溯到Internet的前身—ARPAnet时代，为了实现不同网络之间的互连，美国国防部于1977年到1979年间制定了TCP/IP体系结构和协议，TCP/IP是由一组具有专业用途的多个子协议组合而成的，这些子协议包括TCP、IP、UDP、ARP、ICMP等，TCP/IP凭借其实现成本低、在多平台间通信安全可靠，以及可路由性等优势迅速发展，并成为Internet中的标准协议。
TCP/IP的参考模型如图1-9所示。图1-9 TCP/IP四层参考模型
TCP/IP已经成为局域网中的首选协议，在操作系统（如Windows7、Windows XP、Windows Server2003等）中已经将TCP/IP作为其默认安装的通信协议。1.3 交换技术的发展与演进
从1876年贝尔发明电话（点到点人工接续方式），以及1878年发明第一台交换机开始，电话交换已经从电路交换方式发展到了分组交换和包交换的阶段，但整个交换是从电路交换方式发展起来的。
其中，电路交换方式的整个发展经历了3个阶段：人工交换阶段、机电式自动交换方式阶段、电子式自动交换方式阶段。下面分别介绍几种典型的交换技术的发展，并从这几种交换技术不同阶段的发展过程中，体会交换的本质思想和实现原理。
特别是人工交换阶段，虽然它很原始，功能很简单，但它却最能直观地反映出交换的本质思想，通过对人工交换的学习，既可以理解交换的原理，也可以了解交换的起源。1.3.1 交换技术的发展阶段
1876年贝尔发明电话，基于人工接续实现了点到点连接，1889年发明步进制交换机，随后，出现了机动制交换机（用硬件控制接续过程），1932年出现纵横制交换机，第二次世界大战后，长途网络实现自动化，1965年AT&T推出第1台程控交换机，实现空分开关模拟交换。1970年首先在法国拉尼翁，开通第1台数字程控交换机，开创了数字化语音网络新时期（用程序控制接续）。
数据网络和分组交换，始于20世纪70年代，CCITT建立了1个称作X.25的标准协议，ISO通过了OSI七层框架协议，为世界上任何计算机间通信提供了条件，Internet技术、路由器、IP技术，现已成为NGN的技术基础。
宽带交换技术主要用来交换大块数据业务和视频业务，快速电路交换和帧中继，用于解决数据分组交换的节点处理速度问题。ATM交换是将数据组装成定长的短分组，利用电路交换机制实现高速数据交换。基于IP交换的多协议标记交换（MPLS），是IP技术和ATM交换相结合的产物。
随着光器件及波分复用技术的发展和不断成熟，光交换技术已经成为实现NGN的一项核心技术，当前分为空分机制的光路交换（ODX）、时空结合的光突发交换（OBS），只完成光层交换。
软交换技术是将呼叫控制和业务处理分离，采用开放式结构，方便新业务的开发和部署。软交换也称作呼叫代理、媒体网关控制器，是实现传统程控交换机“呼叫控制”功能的实体。1.3.2 电路交换技术的发展
电路交换（circuit switching，CS）是通信网中最早出现的一种交换方式，也是应用最普遍的一种交换方式，主要应用于电话通信网中，完成电话交换。
1891年3月10日，阿尔蒙·B·史端乔获得了发明“步进制自动电话接线器”的专利权。1892年11月3日，用史端乔发明的接线器制成的“步进制自动电话交换机”，在美国印第安纳州的拉波特城投入使用，这便是世界上第一个自动电话局。
1919年，瑞典的电话工程师帕尔姆格伦和贝塔兰德发明了一种自动接线器，叫做“纵横制接线器”，并申请了专利。1929年，瑞典松兹瓦尔市建成了世界上第一个大型纵横制电话局，拥有3500个用户。“纵横制”的名称来自纵横接线器的构造，它由一些纵棒、横棒和电磁装置构成，控制通过电磁装置的电流，可吸动相关的纵棒和横棒动作，使得纵棒和横棒在某个交叉点接触，从而实现接线的工作。
1965年5月，美国贝尔系统的1号电子交换机问世，它是世界上第一部开通使用的程控电话交换机。1970年，法国开通了世界上第一部程控数字交换机，采用时分复用技术和大规模集成电路。随后世界各国都大力开发。进入20世纪80年代，程控数字电话交换机开始在世界上普及。
程控数字交换与数字传输相结合，可以构成综合业务数字网，不仅实现电话交换，还能实现传真、数据、图像通信等的交换。程控数字交换机处理速度快，体积小、容量大，灵活性强，服务功能多，便于改变交换机功能，便于建设智能网，向用户提供更多、更方便的电话服务。因此，它已成为当代电话交换的主要制式。
电话通信的过程是：首先摘机，听到拨号音后拨号，交换机找寻被叫，向被叫振铃同时向主叫送回铃音，此时表明在电话网的主被叫之间已经建立起双向的话音传送通路；当被叫摘机应答，即可进入通话阶段；在通话过程中，任何一方挂机，交换机会拆除已建立的通话通路，并向另一方送忙音，提示挂机，从而结束通话。
从电话通信过程的描述可以看出，电话通信分为3个阶段：呼叫建立、通话、呼叫拆除。电话通信的过程，即电路交换的过程，因此，相应的电路交换的基本过程可分为连接建立、信息传送和连接拆除3个阶段。1.3.3 IP交换技术概述
1996年，美国Ipsilon公司提出了一种专门用于在ATM网上传送IP分组的技术，称之为IP交换（IP switch）。
它只对数据流的第1个数据包进行路由地址处理，按路由转发，随后按已计算的路由在ATM网上建立虚电路VC，以后的数据包沿着VC以直通（cut-through）方式进行传输，不再经过路由器。
采用IP交换技术可以将数据包的转发速度提高到第2层交换机的速度，IP交换基于IP交换机，可被看作是由IP路由器和ATM交换机组合而成，其中的“ATM交换机”去除了所有的ATM信令和路由协议，并受“IP路由器”的控制。1.3.4 标记交换技术
标签交换（tag switching）是由Cisco公司于1996年提出的，它是一种利用附加在IP数据分组上的标签（tag）进行快速转发的IP交换技术。
由于标签短小，所以根据标签建立的转发表也就很小，这样可以快速简便地查找转发表，从而大大提高了数据分组的传输速度和转发效率。
标记交换网络包含3个成分：标记边缘路由器、标记交换机和标记分发协议。标记边缘路由器位于标记交换网络的边缘，包含完整3层功能的路由设备，它们检查到来的分组，在转发给标记交换网络前打上适当的标记，当分组退出标记交换网络时删去该标记。作为具有完整功能的路由器，标记边缘路由器也可应用于增值的第3层服务，如安全、记费和QoS分类。标记边缘路由器不需要特别的硬件，它作为Cisco软件的1个附加特性来实现，原有的路由器可以通过软件升级具有标记边缘路由器的功能。
标记交换机是标记交换网络的核心。所谓标记，是短的、固定长度的标签，使标记交换机能用快速的硬件技术做简单快速的表查询和分组转发。标记可以位于ATM信元的VCI域，IPv6的flow label域在2层和3层头信息之间，这使得标记交换可用于广泛的介质之上，包括ATM连接、以太网等。
标记分发协议提供了标记交换机与标记交换机，或标记边缘路由器交换标记信息的方法。标记边缘路由器和标记交换机，用标准的路由协议（如BGP、OSPF）建立它们的路由数据库。相邻的标记交换机和边缘路由器，通过标记分发协议，彼此分发存贮在标记信息库（TIB）中的标记值。1.3.5 软交换的发展
软交换的概念最早起源于美国，当时在企业网络环境下，用户采用基于以太网的电话，通过一套基于PC服务器的呼叫控制软件（call manager或call server），实现PBX（private branch exchange，用户级交换机）功能（IP PBX）。对于这样一套设备，系统不需单独铺设网络，而只通过与局域网共享就可实现管理与维护的统一。
软交换国际论坛（international soft switch consortium，ISC）的成立更加快了软交换技术的发展步伐，软交换相关标准和协议得到了IETF、ITU-T等国际标准化组织的重视。ISC成立于1999年5月，是一个非盈利性的工业组织，其主要宗旨是通过开放的成员政策和标准协议，促进世界范围内多厂商软交换设备的兼容性和“无缝”的互操作性。
作为专门从事软交换体系研究的公认的权威性国际组织，ISC倡导将开放的结构和多厂商互操作性用于下一代的语音、图像和数据解决方案，分为Application、Architecture、Carriers、Device Control、Legal Intercept、Marketing、Session Management和SIP 8个工作组。
ISC成员主要包括系统供应商和业务提供商，其中包括一些著名的设备厂商，如阿尔卡特、思科、爱立信、富士通、诺基亚、北电、NTT和朗讯等，我国的中兴公司、华为公司和网络与交换标准研究所等也都是该组织的会员。
通过提供工业界最大的论坛，对软交换的组成和功能进行标识、讨论和定义，并通过其成员间的合作促进下一代多媒体通信网络的普遍采用。
软交换技术的基本框架结构、主要功能、性能、应用范围等方面已经基本确定，具体表现在如下几个方面。（1）在结构方面，软交换采用分层结构模型，所有设备之间通过标准接口互通，提供基于策略的OSS和通用业务平台，并支持平面组网方式。（2）在功能方面，软交换完成呼叫处理、协议适配、媒体接入、网络资源管理、业务代理、互连互通、策略支持等功能，并支持业务编程。（3）在性能方面，软交换满足电信级设备要求，在处理能力、高负荷话务量、冗余备份、动态切换、呼叫保护等方面都达到了指定标准。（4）在覆盖范围方面，软交换定位于NGN，当前主要是解决现有通信网络，如PSTN、PLMN、IN、因特网和CATV等的融合问题，并和3G协同，最终完成在骨干包交换网中提供综合多媒体业务。1.3.6 光交换技术应用与发展
每当提到烽火台，大家就会自然而然地想到长城，一旦发现敌情，便立刻发出警报：白天点燃掺有狼粪的柴草，使浓烟直上云霄；夜里则燃烧加有硫磺和硝石的干柴，使火光通明，以传递紧急军情。
1960年7月世界上第一台红宝石激光器出现了，1961年9月由中国科学院长春光学精密机械研究所研制成功中国第一台红宝石激光器。
20世纪60年代，实验室用氦——氖气体激光器进行了传送电视信号和20路电话的实验，到20世纪80年代初，激光通信已进入应用发展阶段。
宽带城域网（BMAN）是我国信息化建设的热点，DWDM（密集波分复用）的巨大带宽和传输数据的透明性，是当今光纤应用领域的首选技术。然而，MAN等具有传输距离短、拓扑灵活和接入类型多等特点，如照搬主要用于长途传输的DWDM，必然成本过高；同时早期DWDM对MAN等灵活多样性也难以适应。
面对这种低成本的城域范围的宽带需求，CWDM（粗波分复用）技术应运而生，并很快应用该技术研制生产了实用性的设备。对光通信来说，其技术基本成熟，而业务需求相对不足，以被誉为“宽带接入最终目标”的FTTH为例，其实现技术EPON已经完全成熟，但由于普通用户上网需要的带宽不高，使FTTH的商用只限于一些试点地区。
但是，在2006年，随着IPTV等三重播放业务开展，运营商提供的带宽已经不能满足用户对高清晰电视的要求，随之FTTH的部署也提上了日程。
ASON对传输网络控制灵活，可为企业客户提供个性化服务，不少运营商为发展和维系企业客户，大力投资建设ASON。
未来传输网络的最终目标，是构建全光网络，即在接入网、城域网、骨干网完全实现“光纤传输代替铜线传输”，骨干网和城域网已经基本实现了全光化，部分网络发展较快的区域，也实现了部分接入层的光进铜退。1.3.7 宽带交换技术与国家战略
2013年8月17日，中国国务院发布了“宽带中国”战略实施方案，部署未来8年宽带发展目标及路径，意味着“宽带战略”从部门行动上升为国家战略，宽带首次成为国家战略性公共基础设施。1.“宽带中国”战略及实施方案
宽带网络是新时期我国经济社会发展的战略性公共基础设施，发展宽带网络对拉动有效投资和促进信息消费、推进发展方式转变和小康社会建设具有重要支撑作用。从全球范围看，宽带网络正推动新一轮信息化发展浪潮，众多国家纷纷将发展宽带网络作为战略部署的优先行动领域，作为抢占新时期国际经济、科技和产业竞争制高点的重要举措。近年来，我国宽带网络覆盖范围不断扩大，传输和接入能力不断增强，宽带技术创新取得显著进展，完整产业链已初步形成，应用服务水平不断提升，电子商务、软件外包、云计算和物联网等新兴业态蓬勃发展，网络信息安全保障逐步加强，但我国宽带网络仍然存在公共基础设施定位不明确、区域和城乡发展不平衡、应用服务不够丰富、技术原创能力不足、发展环境不完善等问题，亟需得到解决。
根据《2006～2020年国家信息化发展战略》《国务院关于大力推进信息化发展和切实保障信息安全的若干意见》（国发〔2012〕23号）和《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》的总体要求，特制定《“宽带中国”战略及实施方案》，旨在加强战略引导和系统部署，推动我国宽带基础设施快速健康发展。2.发展目标
到2020年，我国宽带网络基础设施发展水平与发达国家之间的差距大幅缩小，国民充分享受宽带带来的经济增长、服务便利和发展机遇。宽带网络全面覆盖城乡，固定宽带家庭普及率达到70%，3G/LTE用户普及率达到85%，行政村通宽带比例超过98%。城市和农村家庭宽带接入能力分别达到50Mbit/s和12Mbit/s，发达城市部分家庭用户可达1 Gbit/s。宽带应用深度融入生产生活，移动互联网全面普及。技术创新和产业竞争力达到国际先进水平，形成较为健全的网络与信息安全保障体系。“宽带中国”发展目标与发展时间规划如表1-1所示。表1-1 “宽带中国”发展目标与发展时间规划续表
2015年11月16日，由工业和信息化部主办的“互联网+”协同制造与创业创新发展论坛在深圳举行。“互联网+”为未来产业和技术创新的相互促进并支撑经济发展带来了新的成长空间，作为最重要的信息基础设施，宽带支撑着物联网、云计算等高新技术产业的发展，工信部未来将进一步加大“宽带中国”战略的实施力度。1.4 交换方式的分类
世界的发展是飞速的。回首过去，现在的中国不管在哪个方面都有着重大的突破，同时也证明了中国是不可小视的。例如，北斗系统全球组网首颗卫星发射成功、“长征六号”首飞“一箭多星”、自主研制的大型客机C919首架机正式下线、剪接体高分辨率三维结构获解析、首次发现外尔费米子、攻克细胞信号传导重大科学难题、首次发现相对论性高速喷流新模式、首个自驱动可变形液态金属机器问世、“永磁高铁”牵引系统通过首轮线路试验考核、“天宫二号”空间实验室发射升空，等等。
在日常生活中，当人们提到通信时，自然会想到传递消息最常用、最方便和最快捷的QQ、微信、朋友圈、网络红包、在线支付、电话、E-mail、手机等通信方式。在这些通信方式中，是用电信号作为载体传递消息，因而称之为电信。这些产生、传输电信号和在接收端把它恢复为原本消息的设备的总体，就构成了一个通信系统。
由此可以看出通信在生活中的重要性，它带来了各种各样的消息，如果有一天它消失了，不敢想象世界会变成怎样。
本节将对各种交换方式做简要介绍，包括模拟交换方式与数字交换方式、分布交换方式与程控交换方式、分组交换方式与电路交换方式，以及宽带交换方式与窄带交换方式等。1.4.1 模拟交换方式与数字交换方式1.模拟信号与数字信号
模拟信号是指用连续变化的物理量所表达的信息，如温度、湿度、压力、长度、电流、电压等，通常又将模拟信号称为连续信号，它在一定的时间范围内可以有无限多个不同的取值，而数字信号是指在取值上是离散的、不连续的信号。
实际过程中的各种物理量，如摄像机拍摄的图像、录音机录下的声音、车间控制室所记录的压力、转速、湿度等等都是模拟信号，数字信号是在模拟信号的基础上经过采样、量化和编码而形成的。
具体地说，采样就是把输入的模拟信号按适当的时间间隔，得到各个时刻的样本值；量化是把经采样测得的各个时刻的值，用二进码制来表示；编码则是把量化生成的二进制数排列在一起，形成顺序脉冲序列。
模拟信号传输过程中，先把信息信号转换成波动电信号（因此叫“模拟”），再通过有线或无线的方式传输出去，电信号被接收下来后，通过接收设备还原成信息信号。
不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：模拟数据（模拟量）一般采用模拟信号（analog signal），例如，用一系列连续变化的电磁波（如无线电与电视广播中的电磁波），或电压信号（如电话传输中的音频电压信号）来表示；数字数据（数字量）则采用数字信号（digital signal），例如，用一系列断续变化的电压脉冲（如可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0），或光脉冲来表示。
当模拟信号采用连续变化的电磁波表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；而当模拟信号采用连续变化的信号电压表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路（例如，电话网、有线电视网）传输，当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲表示时，则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能把信号从1个节点传到另1个节点。
模拟信号和数字信号之间可以相互转换，模拟信号一般通过脉码调制（pulse code modulation，PCM）方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如，采用8位编码可8将模拟信号量化为2=256个量级。
数字信号一般通过对载波进行移相（phase shift）的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，在计算机广域网中，实际传送的则既包括二进制数字信号，也包括由数字信号转换得到的模拟信号，但是更普遍并具有发展前景的是数字信号。2.模拟系统与数字系统
模拟系统是一种以模拟信号传输信息的通信方式，非电信号（如声、光等）输入到变换器（如送话器、光电管），使其输出连续的电信号，且电信号的频率或振幅等随输入的非电信号而变化。
模拟通信与数字通信相比，模拟通信系统设备简单，占用频带窄，但通信质量、抗干扰能力和保密性能等不及数字通信。从长远观点看，模拟通信已经逐步被数字通信所替代。
模拟通信的优点是直观且容易实现，但存在以下几个缺点。（1）保密性差。模拟通信，尤其是微波通信和有线明线通信，很容易被窃听，只要收到模拟信号，就容易得到通信内容。（2）抗干扰能力弱。电信号在沿线路的传输过程中，会受到来自外界的和通信系统内部的各种噪声干扰，噪声和信号混合后难以分开，从而使得通信质量下降。线路越长，噪声的积累也就越多。数字信号与模拟信号的区别不在于该信号使用哪个波段（C、KU）进行转发，而在于信号采用何种标准进行传输。如：亚卫2号C波段转发器上是我国省区卫星数字电视节目，它所采用的标准是MPEG-2-DVBS。（3）设备不易大规模集成化。（4）不适于飞速发展的计算机通信要求。
模拟通信的信道只能采用频分多路复用，在诸多的线性调制方式中，振幅调制的单边带调制，具有频谱利用率和调制效率高的优点，因而模拟载波系统的组群均采用这种调制方式，以载波组群作为基带信号进行二次调制，则可采用其他线性调制方法。
模拟传输系统的配套交换设备，如未经适当的模数转换，即应采用空分交换设备，早期的电话网就是模拟通信网。
模拟通信可直接用于电话通信，但受到传输模拟信号的金属电缆和明线频带的限制，且空分交换难以实现模拟复用，同时，当网络容量不断扩大，非话业务迅速增长，以及话音信号已能实现数字化的条件下，以大容量、数字化、时分复用为特征的数字传输系统和程控数字交换设备，已取代模拟系统向数字网过渡。
数字信号与模拟信号不同，它是一种离散的、脉冲有无的组合形式，是负载数字信息的信号，电报信号就属于数字信号，现在最常见的数字信号是幅度取值只有2种（用0和1代表）的波形，称为“二进制信号”，“数字通信”是指用数字信号作为载体来传输信息，或者用数字信号对载波进行数字调制后再传输的通信方式。1.4.2 分组交换方式与电路交换方式
以电路连接为目的的交换方式是电路交换方式，电话网中就是采用电路交换方式，打电话时，首先是摘下话机拨号，拨号完毕，交换机就知道了要和谁通话，并为双方建立连接，等一方挂机后，交换机就把双方的线路断开，为双方各自开始一次新的通话做好准备。因此，可以体会到，电路交换的动作，就是在通信时建立（即连接）电路，通信完毕时拆除（即断开）电路。至于在通信过程中双方传送信息的内容，与交换系统无关。
电路交换的工作特点如下。（1）信息传送的最小单位是时隙。（2）面向连接。（3）同步时分复用。（4）信息传送无差错控制。（5）基于呼叫损失的流量控制。（6）信息具有透明性。（7）独占性。
电路交换常与分组交换进行比较，其主要不同之处在于：分组交换的通信线路并不是专用于源端与目的端之间的信息传输，在要求数据按先后顺序且以突发方式快速传输的情况下，使用分组交换是较为理想的选择。1.4.3 宽带交换方式与窄带交换方式
窄带信道运载的信号是以PCM一次群速率（2 048kbit/s或1 544kbit/s）为限的数字信号，而这种速率的数字信号已能表达多种的自然信息，如话音、文字、数据和图像等，因此窄带ISDN交换可以支持综合的通信和信息处理业务。
按照CCITT建议，窄带ISDN应该具备电路交换能力、分组交换能力、非交换能力和公共信道信令能力，这些能力都可以看成是窄带综合业务交换的功能。
在窄带ISDN网络中，电路实际上是经过连接的信道，而并不是线路，一条信道只是线路上的一个特定时隙，连接信道的工作只是将一条信道上的信号全部搬运到另一条信道上去，而不改变信号内容，窄带ISDN的电路交换原理和数字电话网中的交换原理是完全相同的，电路交换方式控制简单，信息传送时延小，但是信道的传送能力往往得不到充分利用，因为，电路交换是利用电路连接的方式来实现信息传递，这种电路连接在整个通信期间都需要保持。
分组交换的特点是将需要传送的信息分割成小段，每段加上标签，注明收信人地址，包装成分组（包），然后将分组逐个送入网络，独立地进行传递，分组到达目的地后，经过组装恢复成原来的信息。分组交换方式不需要电路连接，仅在传送分组时才占用信道，因此可以充分利用网络资源，但是分组交换控制比较复杂，信息传送时延较大。
公共信道信令能力，是为了实现交换而必须具备的信令处理和传送能力，公共信道信令是窄带ISDN采用的一种信令方式，它的特点是将控制信令和话音信息分开，在不同的信道中传送，每条信令信道控制一群话音信道工作。
窄带ISDN中无论是用户和网络之间，还是网络内部的交换机之间，或者用户和用户之间，一律采用公共信道信令方式，这种方式可以增加信令的种类，提高信令传送的速率和可靠性。
由于窄带ISDN是在数字电话网的基础上发展起来的，窄带综合业务交换在很大程度上沿用了数字电话交换技术，即以64kbit/s速率的电路交换为主。
凡是速率低于64kbit/s的用户信息，都要先适配成64kbit/s速率，然后进行传输和交换，而对于高于64kbit/s的信道，可以用多个64kbit/s信道组合实现，采用分组交换方式时，分组也以统计复用方式插入64kbit/s信道进行传送。
窄带ISDN的用户与网络之间的接口上有B、D、H 3种类型的信道，它们的速率和用途如表1-2所示。表1-2 B、D、H信道的速率
ISDN用户可以用2种速率接入网络：一种是基本速率144kbit/s，包含2条B信道和1条16kbit/s的D信道（2B+D）：另一种是一次群速率（2048kbit/s或1544kbit/s），通常包含30或23条B信道以及1条64kbit/s的D信道（30B+D或23B+D）。
一次群速率也可分配给若干个H0信道，或由H0和B混合使用，如一次群速率不再分割，则作为单一的H1或H2信道使用，窄带综合业务交换的基本任务，就是根据用户的需要来连接信道，或处理这些信道内的分组数据，将其送到目的地。
电路交换业务是窄带ISDN业务的主体，CCITT建议了8种标准的窄带ISDN电路交换方式承载业务（运载信息的业务），分别如下。（1）64kbit/s不受限制数字信息传送业务。（2）64kbit/s数字话音传送业务。（3）64kbit/s，3.1kHz音频信号传送业务（这是为电话网中，经调制解调器入网的低速数据终端接入ISDN而设计的业务）。（4）话音和64kbit/s不受限制数字信息交替传送业务。（5）2×64kbit/s不受限制数字信息传送业务。（6）384kbit/s不受限制数字信息传送业务。（7）1 536kbit/s不受限制数字信息传送业务。（8）1 920kbit/s不受限制数字信息传送业务。
宽带交换具有的特点包括如下。（1）适用于实时交换和非实时交换。（2）采用新的路由选择方法，如ATM交换中，按信头标记选择路由。（3）支持不同速率的业务，可以提高速率，也可以降低速率。（4）支持多媒体通信业务。（5）适用于未来的通信网络。（6）传输可靠性高，适用性强，传输效率高。1.5 交换机的构成与各模块的功能
电信网与互联网尽管有许多不同点，但它们都是由许多节点及节点之间的传输链路构成的，而节点又分为端节点和中间节点。
中间节点的功能是交换，由交换机实现，交换机是一种多输入多输出设备，其基本任务是根据用户的要求，将信息从输入端口转发到指定的输出端口。为此，交换机一般由交换网络、控制器和接口3大部分组成。
交换网络执行交换机的传送面功能，从原理上看，最基本的交换网络是一个交叉接点（Crossbar）矩阵，它提供任意输入与输出之间的可控制的连接。例如，一个4×4的交叉接点矩阵，每个接点的开关有2种状态：交叉连接（cross）或平行连接（bar）。如果要使第m条输入线与第n条输出线连通，那么，只要令相应交叉点的开关处于平行连接状态，而让这2条线上的其他开关保持交叉连接状态即可。
在实际的交换网络中，可能是单个的crossbar交换器或交换单元，也可能是由许多交换单元组成的多级交换网络，对于分组型的交换网络而言，在交换单元的输入端或输出端，还可能设有缓冲器。
控制器（controller）执行交换机的控制面功能，控制器的基本任务是控制上述交换网络各开关的状态，对于面向连接的交换方式，它必须具有信令功能，即接收、处理和发送信令，以实现呼叫连接控制的全过程，包括连接的建立、维持和释放等过程。对于非连接的交换方式，它的基本功能是实现路由控制，包括路由表的建立和更新、路由表的查找、路由协议的实现等；在确定了到达分组的路由之后，再去控制交换网络的开关，将分组引导到正确的输出端口。
接口（interface）是交换机与各种传输链路的界面，是交换机对外服务的窗口。由于接入交换机和边缘交换机的接口，包括用户线接口和中继线（干线）接口，而用户线包括模拟用户线和数字用户线，数字用户线又有多种不同的速率和不同的传输协议，因此需要多种接口，以实现相应的适配功能，核心交换机的接口种类相对简单，只需要有中继线接口，但要求高速处理。1.5.1 交叉开关矩阵
交换网络中各开关状态的保持时间，对于采用不同技术体制的交换机是大不相同的，对空分电路交换而言，交叉开关的保持时间等于1个呼叫的持续时间，大约几秒至几百秒；对数字同步时分电路交换而言，交叉开关的保持时间等于1个时隙（通常是1个字节）的持续时间；对分组交换来说，交叉开关的保持时间等于1个分组的持续时间；对ATM交换来说，交叉开关的保持时间等于一个信元的持续时间。
交换矩阵（switching matrix）是背板式交换机上的硬件结构，用于在各个线路板卡之间实现高速的点到点连接，交换矩阵提供了在插槽之间的各个点到点连接的同时转发数据包的机制。
交换矩阵（交换网板）也称为Crossbar芯片，是一种带有多个超高速率接口的硬件芯片，用于数据处理芯片之间数据的高速转发，或高端交换机跨线卡的数据转发。初期的以太网交换构建在共享总线的基础上，共享总线结构所能提供的交换容量有限，一方面是因为共享总线不可避免内部冲突；另一方面共享总线的负载效应，使得高速总线的设计难度相对较大。
随着交换机端口对“独享带宽”的渴求，这种共享总线的结构很快发展为共享内存结构，后来又演进为业界最为先进的Crossbar结构，在Crossbar结构中，其交换矩阵（交换网板）完全突破了共享带宽限制，在交换网络内部消除了带宽瓶颈，不会因为带宽资源不够而产生阻塞。
交换架构的演进分为总线型交换架构、Crossbar+共享内存架构、分布式Crossbar架构，基于总线结构的交换机又分为共享总线和共享内存型总线2大类。1.共享内存结构的交换机
共享内存结构的交换机使用大量的高速RAM来存储输入数据，同时依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接，由核心引擎检查每个输入包以决定路由。这类交换机设计上比较容易实现，但当交换容量扩展到一定程度时，内存操作会产生延迟。另外，在这种设计中，由于总线互连的问题，增加冗余交换引擎相对比较复杂，所以，交换机如果提供双引擎，要做到非常稳定相对比较困难。
早期在市场上推出的网络核心交换机通常都是单引擎，尤其是随着交换机端口的增加，由于需要的内存容量更大，速度也更快，中央内存的价格变得很高，交换引擎会成为性能实现的瓶颈。2.Crossbar+共享内存架构的交换机
随着网络核心交换机的交换容量从几十个Gbit/s发展到几百个Gbit/s，一种称之为Crossbar的交换模式逐渐成为网络核心交换机的首选，Crossbar（即Crosspoint）被称为交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵，它能很好地弥补共享内存模式的一些不足。
首先，Crossbar实现相对简单，共享交换架构中的线路卡到交换
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