作者：张中荃
出版社：人民邮电出版社
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现代交换技术(第3版)试读：
第3版前言
数字程控交换机是公用电话网、移动电话网、综合业务数字网中的关键设备，在电信网中起着非常重要的作用。同时，随着人们对信息需求的日益扩大，以ATM、IP技术为基础的新的宽带网络正在迅速建设和发展。利用ATM与IP融合的技术构造Internet的骨干传送网，可以克服阻碍网络扩展的局限因素，并可大幅度地提高性能。因此，掌握程控交换机的基本原理，理解宽带交换技术及其相关概念，对从事通信工程的技术人员来说是十分必要的。
由于技术发展很快，需要讲述的内容很多，但限于篇幅，不可能将所有内容都进行详细叙述，因此，本书以程控交换、ATM交换、MPLS交换到软交换的技术发展为线索，重点介绍程控交换技术和MPLS交换技术，简述移动交换的技术特点、ATM交换的基本机理和软交换技术。本书是在《现代交换技术》（第2版）教材多年教学应用的基础上，通过删除部分内容，合并部分章节，将新技术成果融入各相关章节中，并结合作者多年教学的心得和体会修订而成的。主要修订思路如下：修改完善各相关章节内容；删除了第6章中ATM网络信令一节，将其核心内容在分层技术中介绍；把软交换技术作为单独一章进行编写，以便适应软交换技术应用日益增强的需要；同时增加了IMS技术及其应用介绍。
全书共分10章。前5章主要介绍程控交换技术和移动交换技术。首先从人们较为熟悉的电话通信入手，引入交换的基本概念和电话交换信令方式，并对各类交换技术进行了比较；然后介绍数字交换网络、用户电路、用户集线器、中继器、信号部件、控制系统等硬件组成，重点讨论T型时分接线器、S型接线器、多级时分交换网络、信号音产生等工作原理和用户电路BORSCHT功能；接下来介绍呼叫处理的基本原理、程序的执行管理、系统的诊断与维护等软件组成，重点分析讨论用户摘挂机的识别原理、脉冲识别原理及计数、位间隔识别原理、双音频收号原理、时间表的工作原理以及设计；最后简要介绍移动交换中的控制原理、位置登记、越区切换、漫游、网络安全等关键技术和接口信令。后5章主要介绍宽带交换技术。从介绍ATM交换技术、IP与ATM融合的技术模型入手，重点介绍多协议标记交换（MPLS）技术，包括 MPLS 的网络体系结构、工作原理、标记分发协议（LDP）和标记交换路径（LSP）、MPLS技术的工程应用（流量工程、QoS机制、虚拟专用网）等相关内容；然后介绍软交换技术，包括软交换的基本概念、网络结构、相关协议和应用，最后简要介绍IMS技术和光交换技术。
本书观点独到、语句精练、论述清楚、内容丰富、紧跟潮流，以期为21世纪的科学技术发展和人才培养贡献绵薄之力。
本书主要有以下几个特点。（1）内容安排独具匠心。以交换技术发展为线索，将交换技术的过去、现在和将来有机地编排在一起，使学生通过本书的学习对当代各种交换技术有一个全面的认识与了解。（2）知识层次深浅得当。在本书的编写过程中，力求做到内容新颖、概念准确、知识全面、由浅入深，注重基本概念和基本原理。（3）注重实用技术，提倡创新能力。以典型集成电路为例，介绍专用集成电路的应用方法，促进学生对基本原理的理解和创新能力的培养。（4）文笔通俗流畅，可读性好。作者力求以通俗易懂的语言将枯燥的理论知识娓娓道来，以提高学生的阅读兴趣和阅读效率。
本书由张中荃主编，参加编写的还有谢国益、王凯、王宏伟、田八林、韩悦、何益新、王程锦，全书由张中荃教授统稿和修改。由于编者水平所限，书中难免存在错误和不当之处，敬请读者斧正。编者2013年4月第1章交换技术概述
通信网是由用户终端设备、传输设备和交换设备组成的。它由交换设备完成接续，使网内任一用户可与其他用户通信。数字程控交换机是数字电话网、移动电话网及综合业务数字网中的关键设备，在通信网中起着非常重要的作用。为了更好地掌握交换技术的相关知识，本章从交换的基本概念入手，介绍交换节点的基本功能、交换技术的分类和发展，并通过对不同交换方式的比较，使读者能准确理解交换的概念。在本章的最后介绍交换信令方式。1.1 交换的基本概念1.1.1 交换的引入
通信的目的是实现信息的传递。自从1876 年Bell A.G.发明电话以来，一个电信系统至少应由终端和传输介质组成，如图1-1所示。终端将含有信息的消息（如语音、文本、数据、图像等）转换成可被传输介质接收的电信号，并将来自传输介质的电信号还原成原始消息。传输介质则是把电信号从一个地点传送到另一地点。这种仅涉及两个终端的通信称为点对点通信。图1-1 点对点通信系统
当存在多个终端时，人们希望其中任意两个终端之间都可以进行点对点通信。在用户数量很少时，可以采用个个相连的方法（称为全互连方式），再加上相应的开关控制即可实现，如图1-2所示。此时，若用户数为N，互连线对数为N(N−1)/2，如N=8，则互连线需要28对。这种连接方式存在下列缺点：互连线对数随终端数的平方增加；终端间距离较远时，需要大量的长途线路；为保证每个终端与其他终端相接，每个终端都需要有N−1个线路接口；当增加第N+1个终端时，必须增设N对线路。因此，这种全互连方式是很不经济的，且操作复杂，当N较大时，这种互连方式无法实用化。于是，引入了交换设备（也称交换机或交换节点），所有用户线都接至交换机上，由交换机控制任意用户间的接续，如图1-3所示。图1-2 用户个个相连图1-3 交换节点的引入
由此可见，实现通信必须要有3个要素，即终端、传输和交换。
电话交换是电信交换中最基本的一种交换业务。它是指任何一个主叫用户的信息，可以通过通信网中的交换节点发送给所需的任何一个或多个被叫用户。
当电话用户分布的区域较广时，就需设置多个交换节点，交换节点之间用中继线相连，如图1-4所示。
当交换的范围更大时，多个交换节点之间也不能做到个个相连，而要引入汇接交换节点，如图1-5所示。可以推想，长途电话网中的长途交换节点一般要分为几级，形成逐级汇接的交换网。图1-4 采用多个交换节点图1-5 采用汇接交换节点1.1.2 交换节点的基本功能
交换节点可控制以下的接续类型。
① 本局接续：本局用户线之间的接续。
② 出局接续：在用户线与出中继线之间的接续。
③ 入局接续：在入中继线与用户之间的接续。
④ 转接接续：在入中继线与出中继线之间的接续。
为完成上述的交换接续，交换节点必须具备如下最基本的功能。
① 能正确接收和分析从用户线或中继线发来的呼叫信号。
② 能正确接收和分析从用户线或中继线发来的地址信号。
③ 能按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号。
④ 能控制连接的建立。
⑤ 能按照所收到的释放信号拆除连接。1.2 交换技术分类
众所周知，通信所传输的消息有多种形式，如符号、文字、数据、语音、图形、图像等。根据不同的通信形式，交换技术有着多种不同的分类方法。按照传输信号方式分类，可以分为模拟交换和数字交换；按照接续控制方式分类，可以分为布控交换和程控交换；按照传输信道的占用方式分类，可以分为电路交换和分组交换；按照传输带宽分配方式分类，可以分为窄带交换和宽带交换。下面就按照不同的分类方式，介绍各种交换技术的基本概念。1.2.1 模拟交换与数字交换
通信所传输的消息虽然有多种形式，但大致可归纳成两种类型：连续消息和离散消息。连续消息指消息的状态是随时间连续变化的，如强弱连续变化的语音等。离散消息指消息的状态是可数的或离散的，如符号、文字、数据等。通常，将连续消息和离散消息分别称为模拟消息和数字消息。
1．模拟信号和数字信号
对应于两种不同类型的消息，可以有两种信号形式。对应于模拟消息的是模拟信号，对应于数字消息的是数字信号，如图1-6所示。图1-6 模拟信号和数字信号（1）模拟信号
模拟信号是指代表消息的信号及其参数（幅度、频率或相位）随着消息连续变化的信号，如图 1-6（a）所示。这里，“模拟”两字的含义是指用电参量（如电压、电流）的变化来模拟信息源发送的消息，如电话信号就是语音声波的电模拟，它是利用送话器的声/电变换功能，把语音声波压力的强弱变化转变成语音电流的大小变化。（2）数字信号
数字信号是指信号幅度并不随时间作连续的变化，而是取有限个离散值的信号。通常用两个离散值（“0”和“1”）来表示二进制数字信号，如图1-6（b）所示。电报通信用5位而计算机通信用7位“0”和“1”的组合来表示传送的数据和控制字符就是这种形式的信号。
需要指出的是，模拟信号和数字信号虽然是两种不同的信号形式，但它们在传输过程中是可以相互转换的。
2．模拟通信和数字通信（1）模拟通信
以模拟信号为传输对象的传输方式称为模拟传输，而以模拟信号来传送消息的通信方式称为模拟通信。图1-7所示为简单的模拟通信系统模型，信息源输出的是模拟信号。调制解调器分别起着发信机和收信机的作用，它们实质上是一种信号变换器，对信号进行各种变换，使其适合于传输媒质的特性；经过调制器调制的信号仍然是一种连续信号，称之为已调信号；解调器则对已调信号进行反变换，使其恢复成调制前的信号形式。在某些场合，未经调制的模拟信号也可以直接在信道上传输，通常称这种原始信号为基带信号，所以模拟通信系统又有基带模拟通信系统和调制模拟通信系统之分。在模拟通信中，传输信号的频谱比较窄，信道利用率较高；但也存在明显的缺点，诸如抗干扰能力弱、保密性差、设备不易大规模集成以及不适应计算机通信飞速发展的需要等。图1-7 模拟通信系统模型（2）数字通信
以数字信号为传输对象的传输方式称为数字传输，以数字信号来传送消息的通信方式称为数字通信。如果信息源输出的是模拟信号，可以通过取样、量化、编码等数字化处理后，以数字信号的形式进行通信。图1-8所示为数字通信系统的模型。图中信源编码器的作用是把信息源输出的模拟信号进行数字化处理，转变成数字信号，它具有提高数字信号传输有效性的作用。信道编码器的作用是将信源编码器输出的数字信号（码序列）按照一定的规则人为地加入多余码元，以便在接收端发现错码或纠正错码，从而提高通信的可靠性。调制器和解调器仅对采用模拟传输的数字通信系统才有用，其作用和模拟通信系统中所述的类似。信道译码器的作用在于发现和纠正信号传输过程中引入的差错，消除信道编码器所加入的多余码元。信源译码器是把数字信号还原为模拟信号。图1-8 数字通信系统模型
数字通信与模拟通信相比，具有抗干扰性强、保密性好、设备易于集成化，以及便于使用计算机技术进行处理等优点；其主要缺点是所用的信道频带比模拟通信所用的信道频带宽得多，降低了信道的利用率。但随着信道性能的改善，这一问题会逐渐得到解决。
3．模拟交换和数字交换
要完成两个不同用户间的通信，交换起着关键性的作用。（1）模拟交换
以模拟信号为交换对象的交换称为模拟交换，传输和交换的信号是模拟信号的交换机称为模拟交换机。在模拟交换机中，交换网络的交换功能是通过交叉接点矩阵提供的，通过控制交叉接点的闭合来完成输入线和输出线的连接。（2）数字交换
以数字信号为交换对象的交换称为数字交换，传输和交换的信号是数字信号的交换机称为数字交换机。在数字交换机中，话路部分交换的是经过脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）的数字化信号，交换网络采用的是数字交换网络（Digital Switch Network， DSN）。1.2.2 布控交换与程控交换
布控就是布线逻辑控制（Wired Logic Control，WLC），布控交换是利用逻辑电路进行控制的一种交换方式。步进制、机动制、纵横制等机电制交换机都是布控交换机。
程控就是存储程序控制（Stored Program Control，SPC），程控交换是利用计算机软件进行控制（即存储程序控制）的一种交换方式。程控交换包括模拟程控交换和数字程控交换。模拟程控交换是指其控制部分采用存储程序控制（SPC）方式的模拟交换。数字程控交换是指采用存储程序控制（SPC）方式的数字交换。1.2.3 电路交换与分组交换
1.2.3.1 电路交换
1．传统的电路交换
电路交换（Circuit Switching，CS）是指固定分配带宽（传送通路），连接建立后，即使无信息传送也占用电路的一种交换方式。电路交换是最早出现的一种交换方式，如最早的人工电话的电话交换机采用的就是电路交换方式。电路交换是一种实时交换，当任一用户呼叫另一用户时，应立即在这两个用户间建立电路连接；如果没有空闲的电路，呼叫就不能建立而遭受损失，故应配备足够的连接电路，使呼叫损失率（简称呼损率）不超过规定值。电路交换的基本过程包括呼叫建立阶段、信息传送（通话）阶段和连接释放阶段，如图1-9所示。图1-9 电路交换的基本过程
传统电路交换的特点是：采用固定分配带宽，电路利用率低；要预先建立连接，有一定的连接建立时延，通路建立后可实时传送信息，传输时延一般可以不计；无差错控制措施，对于数据交换的可靠性没有分组交换高；用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加，但不影响已建立的呼叫。因此，电路交换适合于电话交换、文件传送、高速传真，不适合突发（Burst）业务和对差错敏感的数据业务。
2．多速率电路交换
多速率电路交换（Multi-Rate Circuit Switching，MRCS）是基于传统电路交换的一种改进方式，它可以对不同的业务提供不同的带宽，包括基本速率（例如8kbit/s或64kbit/s ）及其整数倍；在节点内部的交换网络及其控制上可以采用两种方法来实现多速率交换的要求，即采用多个不同速率的交换网络和采用一个统一的多速率交换网络。多速率电路交换具有以下缺点：基本速率较难确定；速率类型不能太多，否则很难实现，仍缺乏灵活性；固定带宽分配，不适应突发业务的要求；控制较复杂等。
3．快速电路交换
快速电路交换（Fast Circuit Switching，FCS）是电路交换的又一种形式，是为了克服传统电路交换中固定分配带宽的缺点和提高灵活性而提出的。快速电路交换的基本思路是只在信息要传送时才分配带宽和有关资源，并快速建立通道，用户没有信息传输时则释放传输通道。其具体过程是：在呼叫建立时，用户请求一个带宽为基本速率的某个整数倍的连接，有关交换节点在相应路由上寻找一条适合的通道；此时并不建立连接和分配资源，而是将通信所需的带宽、所选的路由编号填入相关的交换机中，从而“记忆”所分配的带宽和去向，实际上只是建立了“虚电路”（Virtual Circuit，VC），或称为逻辑连接（Logical Connection，LC）；当用户发送信息时，通过呼叫标识可以查到该呼叫所需带宽和去向，才激活虚电路，迅速建立物理连接。由于快速电路交换并不为各个呼叫保留其所需带宽，因此，当用户发送信息时并不一定能成功地激活虚电路，会引起信息丢失或排队时延。
1.2.3.2 分组交换
为了克服电路交换中各种不同类型和特性的用户终端之间不能互通、通信电路利用率低以及有呼损等方面的缺点，提出了报文交换的思想。报文交换的基本原理是“存储—转发”。在报文交换中，信息的格式是以报文为单位的，包括报头（发信站地址、终点收信站地址及其他辅助信息组成）、正文（传输用户信息）和报尾（报文的结束标志，若报文长度有规定，则可省去此标志）三部分。报文交换的主要缺点是时延大，且时延的变化也大，不利于实时通信；需要有较大的存储容量。
分组交换（Packet Switching，PS）采用了报文交换的“存储—转发”方式，但不像报文交换那样以报文为单位交换，而是把用户所要传送的信息（报文）分割为若干个较短的、被规格化了的“分组”（Packet）进行交换与传输。每个分组中有一个分组头（含有可供选路的信息和其他控制信息）；分组交换节点采用“存储—转发”方式对所收到的各个分组分别处理，按其中的选路信息选择去向，发送到能够到达目的地的下一个交换节点。
1．分组交换中的相关概念（1）通信线路的资源共享
分组交换的最基本思想就是实现通信资源的共享。现有通信线路（模拟信道和数字信道）具有一定的传输能力，而数据终端对实际通信速率的要求随着应用的不同，差别是很大的，经济有效地使用通信线路的方法就是组合多个低速的数据终端共同使用一条高速的线路，也就是多路复用。从如何分配传输资源的观点来考虑，多路复用方法可以分为两类：预分配（预分配复用或固定分配）资源法和动态分配（或统计时分复用）资源法。（2）交织传输
在预分配复用方式下，每个用户传输的数据都在特定的子信道中流动，接收端很容易把它们区分开来。在统计时分复用方式下，各个用户数据在通信线路上互相交织传输，因此不能再用预先分配时间片的方法把它们区分开来。为了识别来自不同终端的用户数据，可将交织在一起的各种用户数据在发送到线路上之前，先给它们打上与终端（或子信道）有关的“标记”，通常是在用户数据之前加上终端号或子信道号，这样在接收端就可以通过识别用户数据的“标记”把它们清楚地分开。
用户数据交织传输的方式有3种：比特交织、字节或字符交织和分组（或信息块）交织。比特交织的优点是时延最小，但是每一个用户数据比特都要加“标记”，传输效率很低，一般不采用。分组（或信息块）交织的传输效率最高，因增加的“标记”信息与用户数据相比所占比例很小；但是它可能引起比较大的时延，且该时延随着通信线路的数据传输速率的提高而减小。字节交织的性能（时延和传输效率）介于比特交织与分组交织之间，计算机和数据终端常常以字节（或字符）为单位发送和接收数据，因而可以采用字节交织方式。通常，中高速线路适用于采用分组交织方式，低速线路适用于采用字节交织方式。（3）分组的形成
从上述分析可知，把一条实在的线路分成许多逻辑上的子信道，将线路上传输的数据组附加上逻辑信道号，就可以让来自不同数据源的数据组在一条线路上交织传输，接收端很容易将它们按逻辑信道号区分开来，实现了线路资源的动态分配。为了提高复用的效率，将数据按一定长度分组，每一个分组中包含了一个分组头，其中包含所分配的逻辑信道号和其他控制信息，这种数据组就称为分组（Packet）。（4）分组的交换图1-10 分组交换的时延图1-11 报文交换的时延
分组交换是将报文分成多个分组来独立传送，收到一个分组即可以发送，减少了存储的时间，因而分组交换的时延小于报文交换，如图1-10和图1-11所示。分组长度的确定是一个重要的问题，分组长度缩短会进一步减少时延而增加开销（每个分组都有分组头），分组长度加大会减少开销但会增加时延。通常，分组长度的选择要兼顾到时延与开销这两个方面。
分组交换的主要优点是：第一，为用户提供了在不同速率、不同代码、不同同步方式、不同通信控制协议的终端之间能够相互通信的灵活的通信环境；第二，采用逐段链路的差错控制和流量控制，出现差错可以重发，提高了传送质量和可靠性；第三，利用线路动态分配，使得在一条物理线路上可以同时提供多条信息通路。
分组交换的缺点是：由于协议和控制复杂，信息传送时延大，通常只用于非实时的数据业务。
2．虚电路和数据报
分组交换可提供虚电路（Virtual Circuit，VC）和数据报（DataGram，DG）两种服务方式。所谓虚电路方式，就是在用户数据传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送，最后通过呼叫分组来拆除虚电路。
虚电路不同于电路交换中的物理连接，而是逻辑连接。虚电路并不独占线路，在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，也就是建立多个逻辑连接，以达到资源共享。但是从另一方面看，虽然只是逻辑连接，毕竟也需要建立连接，因此不论是物理连接还是逻辑连接，都是面向连接的方式。虚电路有两种：交换虚电路（Switching Virtual Circuit，SVC）和永久虚电路（Permanent Virtual Circuit，PVC）。前述通过用户发送呼叫请求分组来建立虚电路的方式称为SVC。如果应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，就不需要在呼叫时临时建立虚电路，而可直接进入数据传送阶段，称之为PVC。
不需要预先建立逻辑连接，而是按照每个分组头中的目的地址对各个分组独立进行选路的分组交换称为数据报方式。这种不需要建立连接的方式，称为无连接方式。图1-10所示可理解为采用数据报方式的分组交换的时延，如果是虚电路方式，还应增加呼叫建立阶段和清除阶段。
下面是虚电路与数据报的比较。（1）分组头
数据报（DG）方式的每个分组头要包含详细的目的地址，而虚电路（VC）方式由于预先已建立逻辑连接，分组头中只需含有对应于所建立的虚电路的逻辑信道标识即可。（2）选路
VC 方式预先有建立过程，有一定的处理开销，但一旦虚电路建立，在端到端之间所选定的路由上的各个交换节点都具有映像表，存放出入逻辑信道的对应关系，每个分组到来时只需查找映像表，而不用进行复杂的选路。当然，建立映像表也要有一定的存储器开销。DG方式则不需要有建立过程，但对每个分组都要独立地进行选路。（3）分组顺序
VC 方式中，属于同一呼叫的各个分组在同一条虚电路上传送，分组会按原有顺序到达终点，不会产生失序现象。DG 方式中，由于各个分组是独立选路的，可以从不同的路由转送，有可能引起失序。（4）故障敏感性
VC 方式对故障较为敏感，当传输链路或交换节点发生故障时可能引起虚电路的中断，需要重新建立。DG 方式中，各个分组可选择不同路由，对故障的防卫能力较强，从而可靠性较高。（5）应用
VC 方式适用于较连续的数据流传送，其持续时间显著地大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。DG方式则适用于面向事务的询问/响应型数据业务（突发业务）。
3．路由选择
路由选择是指选择从源点到达终点的信息传送路径。分组能够通过多条路径从源点到达终点，这是分组交换网的重要特征之一，因此，选择什么路径最合适就成了交换机必须解决的问题。分组交换网不论是采用虚电路方式还是采用数据报方式，都需要确定网络的路由选择方案，所不同的是虚电路方式是为每一次呼叫寻找路由，在一次呼叫之内的所有分组都沿着由路由选择软件确定的路径通过网络；而数据报方式是为每一个分组寻找路由。路由选择方法通常有扩散式路由法、查表路由法和虚电路路由表法3种。（1）扩散式路由法
扩散式路由法是指分组从原始节点发往与它相邻的每个节点，接收该分组的节点检查它是否已经收到过该分组，如果已经收到过，则将它抛弃；如果未收到过，则该节点便把分组再发往其所有相邻的节点（除了该分组来源的那个节点之外）。这样，一个分组的许多拷贝便尝试着通过各种可能的路径到达终点，其中总是有一个分组以最小的时延首先到达终点，此后到达的该分组的拷贝将被终节点抛弃。
扩散式路由方法的路由选择与网络的拓扑结构无关，即使网络严重故障或损坏，只要有一条通路存在，分组也能到达终点，因此分组传输的可靠性很高。但是其缺点是分组的无效传输量很大，网络的额外开销也大，网络中业务量的增加还会导致排队时延的加大。（2）查表路由法
查表路由法是在每个节点中使用路由表，它指明从该节点到网络中的任何终点应当选择的路径。分组到达节点之后按照路由表规定的路径前进，分组从一个节点前进到另一个节点可以有多个路由，其中可以区分出主用路由和备用路由，或者是第 1，2，3…路由。分组首先选择第1路由前进，如果网络故障或通路阻塞则自动（或人工）选择第2 ，3…路由。路由表是根据网络拓扑结构、链路容量、业务量等因素和某些准则（如最短距离原则、时延最小原则等）计算建立的。
查表路由法与网络结构参数有关，它又分为最短距离法和最小时延法。最短距离法是分组经过的中继线数越少越好，这样会使分组的时延减小；但是当许多分组都按照这一原则蜂拥到某些路径上的时候，将导致分组的队列变长而且时延加大。最短距离法主要依赖于网络的拓扑结构，因网络结构不经常变化，故这种路由表的修改也不很频繁，因而有时也称查表路由法为静态路由表法。最小时延法依据的是网络结构（相邻关系）、中继线速率和分组队列长度，因分组队列长度是一个经常变化的因素，当某条线路上的分组队列较长时，计算该线路上的时延也较大，按路由原则将导致一些分组绕道。这种随着网络的数据流或其他因素的变化而自动修改路由表的方法称为自适应路由法（或动态路由法）。（3）虚电路路由表法
虚电路方式是对一次呼叫确定路由，路由选择是在节点接收到呼叫请求分组之后执行的，在此之后到达的数据分组将沿着由呼叫请求分组建立的路径通过网络。也就是说，在网络中存在一个端到端的虚电路路由表，该表分散在各节点中，指明了虚电路途径的各节点的端口号和逻辑信道号（Logical Channel Number，LCN）之间的链接关系，同一条线两端的端口号可以不同，但是与同一条虚电路相对应的LCN必须相同。有了这个虚电路路由表，数据分组可以快速地找到输出方向，虚电路方式的分组传输时延比较小。虚电路路由表的内容随着呼叫的建立而产生，随着呼叫的清除而消失，是随呼叫而动态变化的。
虚电路的重连接（Reconnect）是由以虚电路交换方式工作的网络提供的一种功能。在网络中，当由于线路或设备故障而导致虚电路中断时，与故障点相邻的节点能够检测到该故障，并向源节点和终节点发送清除指示分组，该分组中包含了清查工作的原因和诊断码。当源节点交换机接收到该清除指示分组之后，就会发送新的呼叫请求分组，而且将选择新的替换路由与终节点建立新的连接。所有未被证实的分组将沿新的虚电路重新发送，保证用户数据不会丢失，终端用户感觉不到网络中发生了故障，只是出现暂时性的分组传输时延加大的现象。如果新的虚电路建立不起来，那么网络的源节点和终节点交换机将向终端用户发送清除指示分组。
1.2.3.3 帧交换
通常的分组交换是基于X.25协议的。X.25包含了3层：第一层是物理层，第二层是数据链路层，第三层是分组层，它们分别对应于开放系统互连（Open System Interconnection， OSI）参考模型的下三层，每一层都包含了一组功能。而帧交换（Frame Switching，FS）则只有下面两层，没有第三层，简化了协议，加快了处理速度。
帧交换是以一种帧方式（Frame Mode）来承载业务（Bearer Service）的，在数据链路层以上以简化的方式来传送和交换数据单元。通常，在第三层传送的数据单元称为分组，在第二层传送的数据单元称为帧（Frame）。所以，帧方式是将用户信息流以帧为单位在网络内传送。
帧交换与传统的分组交换比较有两个主要特点：一个是帧交换是在第二层（链路层）进行复用和传送，而不是在分组层；另一个是帧交换将用户面与控制面分离，而通常的分组交换则未分离。用户面（User Plane）提供用户信息的传送，控制面（Control Plane）则提供呼叫和连接的控制，主要是信令（Signaling）功能。
1.2.3.4 快速分组交换
快速分组交换（Fast Packet Switching，FPS）可理解为尽量简化协议，只具有核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式。有时，FPS是专指异步转移模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）交换，但广义的FPS包括帧中继（Frame Relay，FR）与信元中继（Cell Relay，CR）两种交换方式，信元中继为 ATM 所采用。实际上，ATM 是源自FPS和异步时分交换的。
帧中继是典型的帧方式。与帧交换比较，帧中继进一步简化了协议，非但不涉及第三层，连第二层也只保留了链路层的核心功能，如帧的定界、同步、透明性以及帧传输差错检测等。帧中继只进行差错检验，错误帧被丢弃，不再重发。帧中继采用 ITU-TQ.922 建议的链路层接入协议LAPF的一个子集，对应于数据链路层的核心子层，称为数据链路核心（DL-Core）协议。帧中继采用可变长度帧，其数据传输采用数据链路连接标识符（Data Link Connection Identifier，DLCI）来指明信息传输通道，DLCI 被填入交换机的路由表中，并没有分配网络资源。只有当数据在终端用户之间传输时，才在相邻交换节点之间或端局节点和终端之间快速分配传输资源。帧中继可适应突发信息传送，很适用于局域网（Local Area Network，LAN）的互连。1.2.4 窄带交换与宽带交换
传统的电话交换和数据交换分别适合于语音和 2Mbit/s 以下的数据交换，提供的业务速率限定为64kbit/s 或n×64kbit/s（n=2～30）的业务交换，这种方式称为窄带交换。
20世纪80年代初期以来，随着宽带业务的发展及其业务发展的某些不确定性，迫切要求找到一种新的交换方式，因而产生了以异步转移模式（ATM）为代表的宽带交换方式，包括IP交换、IP/ATM集成交换、标记交换、帧中继交换、光交换等新的交换方式。1.3 交换技术的发展1.3.1 电话交换技术的发展
1．机电式电话交换
自从 1876 年Bell A.G.发明电话以后，为适应多个用户之间电话交换的要求，在 1878年就出现了第一部人工磁石电话交换机。磁石电话机要配有干电池作为通话电源，并用手摇发电机发送交流的呼叫信号。后来又出现了人工共电交换机，通话电源由交换机统一供给，共电电话机中不需要手摇发电机而由电话机直流环路的闭合向交换机发送呼叫信号。共电式交换机比磁石式交换机有所改进，但由于仍是人工接线，接续速度慢，用户使用也不方便。
在1892 年开通的第一部自动交换机是由Strowger A.B.于1889 年发明的步进制史端乔式自动交换机。用户通过话机的拨号盘发出的直流脉冲信号，可以控制交换机中电磁继电器与上升旋转型选择器的动作，从而完成电话的自动接续。步进制的得名是源于选择器的上升和旋转是逐步推进的。从此，电话交换由人工时代开始迈入自动化的时代，这是第一个有意义的转变。史端乔式自动交换机最先在美国开通，不久又出现了德国西门子式自动交换机。这些交换机虽然在选择器结构、电路性能等方面有所改进，但其共同特点仍然是由用户话机发出的脉冲信号直接控制交换机的步进选择动作，因此还是属于步进制的直接控制方式。
稍后，开始引入间接控制的原理，用户的拨号脉冲由交换机内的公用设备记发器接收和转发，以控制接线器的动作。采用了记发器，可以译码，增加了选择的灵活性，而且也可以不按十进制工作。旋转制选择器中的弧刷是做弧形的旋转动作，升降制是做上升下降的直线动作，可统称为机动制。
不论是步进制还是机动制，选择器均需进行上升和/或旋转的动作，噪声大，易于磨损，通话质量欠佳，维护工作量大。
纵横制交换机的出现，是电话交换技术进入自动化以后具有重要意义的转折点。纵横制最先在瑞典和美国获得较广泛的应用，有代表性的是瑞典开发的ARF、ARM、ABK等系列和美国先后于1938年、1943年和1948年开通的l号、4号和5号纵横制交换机。日本也研制了系列化的产品，并有所改进和提高，如C400和C460用于市话，C63和C82用于长话， C410则具有集中用户交换机（Centrax）功能。法国和英国也都研制了自己的纵横制交换机，如法国的潘特康特型、英国的5005型等。我国从20世纪50年代后期也致力于纵横制的研制，并陆续定型和批量生产。主要型号有用于市话的HJ921型，用于长话的JT801型，HJ905型和HJ906型则属于用户交换机。
纵横制的技术进步主要体现在两个方面：一是采用了比较先进的纵横接线器，杂音小、通话质量好、不易磨损、寿命长、维护工作量减少；另一个是采用公共控制方式，将控制功能与话路设备分开，使得公共控制部分可以独立设计，功能增强，灵活性提高，接续速度快，便于汇接和选择迂回路由，可以实现长途电话交换自动化。因此，纵横制远比步进制、机动制先进，而且更重要的是，公共控制方式的实现孕育着计算机程序控制方式的出现。
步进制、机动制和纵横制都属于机电式自动交换。从20世纪初到20世纪50年代，机电式电话交换技术的发展日臻完善。在话路接续方面，从笨重、结构复杂的选择器发展到动作轻巧、比较完善的纵横接线器；在控制方式上，从十进制直接控制（Direct Control）逐步发展到间接控制（Indirect Control），以至完全的公共控制（Common Control）方式。
2．模拟程控交换
1965年，美国开通了世界上第一个程控交换系统，在公用电信网引入了程控交换技术，这是交换技术发展中具有更为重大意义的转折点。从此，各国纷纷致力于程控交换系统的研制。世界上较具代表性的模拟程控交换系统有美国的1ESS，2ESS，3ESS和1EAX，日本的D10，D20和D30，法国的E11，德国的EWS系列，瑞典的AXE10，加拿大的SP-1，荷兰的PRX-205，国际电话电报公司（ITT）的梅特康特型。
相对于机电式自动交换而言，程控交换的优越性概括如下。（1）灵活性大，适应性强
程控交换方式可以适应电信网各种网络环境、性能要求和变化发展，在诸如编号计划、路由选择、计费方式、信令方式、终端接口等方面，都具有充分的灵活性和适应性。（2）能提供多种新服务性能
程控交换方式主要依靠软件提供多种新服务性能，如缩位拨号、热线、闹钟服务、呼叫等待、呼叫前转、会议电话等。（3）便于实现共路信令
共路信令（即公共信道信令）是在交换系统的控制设备之间相连的信令链路上传送大量话路的信令，控制设备必须进行高速的处理。显然，只有在采用了程控交换方式以后，才能促进共路信令的实现与发展。（4）操作维护管理功能的自动化
使用软件技术，可以使交换系统的操作维护管理自动化，并增强其功能，提高质量。例如，硬件的自动测试与故障诊断、话务数据的统计分折、用户数据与局数据的修改等功能，都是机电式交换所无法比拟的。此外，程控交换还可适应集中的维护操作中心和网络管理系统的建立和发展。（5）适应现代电信网的发展
现代电信网要不断开发新业务，要与计算机技术和计算机通信密切结合，因此，作为电信网的交换节点的程控化，显然是现代电信网发展的基础条件之一。
3．数字程控交换
20世纪70年代开始出现数字程控交换，到20世纪80年代初期，数字程控交换在技术上已日趋成熟，众多型号的数字程控交换系统纷纷推出，例如，阿尔卡特的 E10，贝尔电话设备制造公司（BTM）的S1240，AT&T的4ESS和5E5S，爱立信的AXE10（全数字化），西门子的EWSD，北方电讯的DMS，富士通的FETEX-150，日本电气（NEC）的NEAX-61，以及ITATEL和UT-10等系统。其中，1970年的E10A和1976年的4ESS是最早推出的市话和长话数字交换机；1980 年推出的 DMS-100 是最早的全数字市话交换机；1982 年开通的S1240 和 5ESS 是最早的分布式控制系统，前者基于功能分担，后者基于容量分担（话务分担）；稍后推出的UT-10则对呼叫处理实现更完全的分布式控制。
数字程控交换在发展的初期，有些系统由于成本和技术上的原因，曾采用过部分数字化，即选组级数字化而用户级仍为模拟型，编译码器也曾采用集中的共用方式，而非单路编译码器。随着集成电路技术的发展，很快就采用单路编译码器和全数字化的用户级。
数字程控交换普遍采用7号共路信令方式，这就是说，一方面从随路信令发展为共路信令，另一方面又从适用于模拟网的6号共路信令发展为适合于数字网的7号共路信令。
随着微处理机技术的迅速发展，数字程控交换普遍采用多机分散控制方式，灵活性高，处理能力增强，系统扩充方便而且经济。在软件方面，除去部分软件要注重实时效率和为了适应硬件要求而用汇编语言编写以外，其他软件普遍采用高级语言，包括C语言、CHILL语言和其他电信交换的专用语言。对软件的要求不再是节省空间开销，而是可靠性、可维护性、可移植性和可再用性，使用了结构化分析与设计、模块化设计等软件设计技术，并建立和不断完善了用于程控交换软件开发、测试、生产、维护的支撑系统。
我国虽然起步较晚，但由于起点较高，在20世纪80年代中后期到90年代初相继推出了HJD04、C&C08、ZXJ10、SP30等大型数字程控交换系统，这些数字程控交换系统在我国电信网中的比重逐步增加，有些还出口到国外，使我国的数字程控交换技术和产业跻身于世界先进的行列。
相对于模拟程控交换而言，数字程控交换显示了以下的优越性：体积小，节省机房面积；交换网络容量大、速度快、阻塞率低、可靠性高；便于采用数字中继，可灵活组网，与数字中继配合不需要模数转换，便于构成综合数字网（Integrated Digital Network，IDN）；能适合综合业务数字网（Integrated Service Digital Network，ISDN）的发展。
4．POTS交换节点的发展趋势
用于公用电话交换网（Public Switched Telephone Network，PSTN）的电话交换系统提供的是普通电话业务（Plain Old Telephone Service，POTS）。数字程控交换适应了电信网数字化的发展，为了进一步适应电信网综合化、智能化、个人化的发展，自20世纪80年代中期以来，数字程控交换节点的功能在POTS的基础上不断增强，主要有以下3个方面。
① 增强为窄带综合业务数字网中的交换节点：在POTS交换系统中增加必要的硬件和软件，可以增强为窄带综合业务数字网（Narrow band-ISDN，N-ISDN）的交换节点。
② 增强为智能网中的业务交换点：智能网（Intelligent Network，IN）可以在POTS的基础上提供很多先进的智能网业务，POTS 交换系统通过功能增强可以成为智能网中的业务交换点（Service Switching Point，SSP）。
③ 增强为移动网中的移动交换局：实现终端移动性以至个人移动性的个人化是电信网发展的又一主要方向，移动交换中心（Mobile Switching Center，MSC）实际上是在数字程控交换平台上增加无线接口和相应的移动交换性能。1.3.2 分组交换技术的发展
1．早期的研究和试验
1964 年8 月，Baran P．在以分布式通信为题的一组兰德（Land）公司的研究报告中，首先提出了后来称之为分组交换的有关概念。这一研究是为了建立安全的军事通信系统而作出的，包括分布式的分组交换、数字微波和加密能力，但这一计划未能实现。在1962—1964 年期间，美国国防部高级研究计划局（Advanced Research Projects Agency，ARPA）对通过广域计算机网链接分时计算机系统产生了强烈的兴趣，亦未付诸实施，但激励了后继的研究工作。
在英国国家物理实验室（National Physical Laboratory，NPL）工作的Davies D．于1965年构想了存储转发分组交换系统的原理，并于1966年6月的建议中提出了“分组（Packet）”这一术语，用来表达在网络中传送的128byte的信息块，1967年10月公开发表了NPL关于分组交换的建议。尽管分组交换显示了不少优点，但通信界仍然难以接受，使得英国在几年内并未建设多节点的分组交换网。Davies则在NPL实现了具有单一分组交换节点的局部网。
Roberts L．G．于1964 年11 月提出计算机网的重要性以及需要新的通信系统来支持。他于1967年1月加入美国国防部高级研究计划局后促进了计算机网的研究工作，1967年6月发布了ARPAnet的计划，用专线将多个节点的小型计算机互连，每个计算机可用作分组交换和接口设备。至1969年11月，具有4个节点的ARPAnet已有效地运行，并且很快地扩展，至1971年4月支持23个主计算机，1974年6月支持62个主机，1977年3月支持111个主机。ARPAnet的一个重要特性是完全分布式，对每个分组采用基于最小时延的动态选路算法，并考虑了链路的利用率和队列长度。ARPAnet的成功运行，表明动态分配和分组交换技术可以有效地用于数据通信。
1972 年10 月，在第 1 届计算机通信国际会议（International Computer Communication Conference，ICCC）上。分组交换首次进行公开演示。在会议地点装设了一个ARPAnet的节点，具有约40个接入终端。在20世纪70年代，动态分配技术在不少专用网中进行了试验，如SITA，TYMNET，CYCLADES，RCP和EIN等网络，这些网络采用了不同的分组长度和选路方法，包括虚电路方式和数据报方式。RCP是法国邮电部门的分组试验网，用作公用分组交换网的试验床。
2．分组交换公用数据网
ARPAnet和一些专用分组交换网的试验，促进了分组交换进入公用数据网，形成分组交换公用数据网（Packet Switched Public Data Network，PSPDN）。20 世纪70年代前期，不少国家的邮电部或通信运营公司宣布了各自的公用分组交换网的计划，如英国的 EPSS，美国的Telenet，法国的TRANSPAC，加拿大的DATAPAC等。
在1974—1975年间，已有5个独立的公用分组网在建设之中，于是产生了接口标准化的要求，从而在 1976 年3 月制定了著名的原 CCITT（Consultative Committee of International Telegraph and Telephone，国际电报电话咨询委员会）的X.25 协议。在这以后，又陆续制定了其他有关的协议，如X.28、X.29及X.75等。
作为第一个公用分组网，美国的Telenet于1975年8月运行。开始时只有7个互连的节点，到1978年4月增加到187个节点，使用了79部分组交换机，为美国156个城市服务，并与14个国家互连。X.25建议产生后，Telenet即采用X.25协议。
1971年，英国的EPSS和加拿大的DATAPAC均宣称投入运行；另外在美国，TYMNET也开始提供公用数据业务。DATAPAC于1978年实现了与Telenet的互连。法国的TRANSPAC于1978年运行，日本、德国、比利时等国家的公用分组网此后也相继开放了公用数据业务。这些公用分组网均基于X.25协议，可以兼容。随着这些公用分组网的运行，分组交换技术得到广泛的应用和发展。
3．分组交换系统的分代
从技术发展来看，分组交换系统大致可以划分为三代。（1）第一代分组交换系统
第一代分组交换系统实质上是用计算机来完成分组交换功能。它将存储器中某个输入队列中的分组转移到某个输出队列中，典型的代表如ARPAnet中所用的分组交换系统。不久，在系统中增设了前端处理机（Front End Processor，FEP），执行较低级别的规程，如链路差错控制，以减轻主计算机的负荷。在第一代系统中，分组吞吐量受限于处理机的速度，一般每秒只有几百个分组，这与当时传输链路的速率基本适配。（2）第二代分组交换系统
第二代分组交换系统采用共享媒体将前端处理机互连，计算机主要用于虚电路的建立，不再成为系统中的瓶颈。共享媒体可以是总线型或环型，用于FEP之间分组的传送。共享媒体采用时分复用方式，每个时刻只能传送1个分组，因此吞吐量将受到介质的带宽限制。为此可采用并行的媒体，设置多重总线或多重环。
第二代分组交换系统在20世纪80年代得到了充分的发展，如AT&T的1PSS，阿尔卡特的DPS2500，西门子的EWSP，北方电讯的DPN-100等系统，吞吐量达到每秒几万个分组。比较完善的第二代分组交换系统的设计目标和技术特征如下：
① 高度模块化和多处理机分布式控制结构；
② 容量和应用系列化的系统结构；
③ 适应各种终端接口和网间接口；
④ 先进的处理机和高速处理能力。（3）第三代分组交换系统
第三代分组交换系统则用空分的交叉矩阵来取代共享媒体这一瓶颈。交叉矩阵一直是电话交换和并行计算机系统感兴趣的研究领域。通常是用较小的基本交换单元来构成多级互连网络，增强并行处理功能，可以大大提高吞吐量。实际上，第三代分组交换已进入快速分组交换的范畴。1.3.3 ATM交换技术的发展
1．早期的研究
20世纪80年代初以来，随着宽带业务的逐步发展及其业务发展的某些不确定性，迫切要求找到一种新的交换方式，能兼有电路交换与分组交换的优点。1983年出现的快速分组交换（Fast Packet Switching，FPS）和异步时分（Asynchronous Time Division，ATD）交换的结合，导致了ATM交换方式的产生。
1983年，美国贝尔实验室提出了FPS的原理，研制了原型机，FPS源自分组交换，减少了链路层协议的复杂性，以硬件来实现协议的处理，从而大大提高了速度。同年，法国Coudreuse J．P.提出了ATD交换的概念，并在法国电信研究中心研制了演示模型。ATD源自同步时分（Synchronous Time Division，STD）交换，采用标记复用。
FPS和ATD的概念提出以后，很多设备制造公司、邮电管理部门和标准化组织很快就表示了强烈的兴趣，许多公司均进行了深入的研究、模拟和试验。例如，1984年即报道了Starlite宽带交换机。
ATD与FPS由于发展的背景不同，存在着一些差异。
① ATD源自STD，位于开放系统互连模型OSI的第一层，从而控制头的功能减到最小，只用来识别呼叫连接；FPS则从PS发展而来，控制头中含有其他功能，这些功能在ATD中移到了高层。
② ATD 采用固定长度的分组，信息域长度为 8～32byte；FPS 为可变长度帧，平均约100byte。
③ ATD用于数据、视频和语音的综合交换，侧重于视频；FPS则主要用于高速数据的传送和交换。
1985年以来，原CCITT也开始了这种新交换方式的研究，开始称之为新传送模式。在1987年的原CCITT第18研究组会议上，决定采用信元来表示分组。其中重要的研究课题是采用固定长度信元还是可变长度信元，以及如何规定信元的长度和信头的长度。这些问题与带宽的使用效率、交换速度和实现的复杂性以及网络性能等重要因素均有密切关系。原CCITT第18研究组在1988年的会议上决定采用固定长度的信元，定名为ATM，并认定 ATM 用作宽带综合业务网（Broad band-ISDN，B-ISDN）的复用、传输和交换的模式。1990年，原CCITT第18组制订了关于ATM的一系列协议，并在以后的研究中不断地深入和完善。
2．公用ATM交换网
从20世纪80年代后期到20世纪90年代初期，不少计算机领域和通信领域的厂商致力于ATM技术的研究和ATM交换系统的开发。首先推出的是吞吐量在l0Gbit/s以下的一些小容量ATM交换机，用于计算机通信网。随着宽带业务的发展和ATM技术的逐渐成熟。ATM交换技术的应用开始从专用网扩大到公用网，其标志是公用网大容量 ATM 交换系统的纷纷推出和一些公用ATM宽带试验网的运行。（1）公用ATM宽带试验网
1994年8月投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内采用ATM 和SONET（Synchronous Optical NETwork）的公用ATM宽带网，被看做未来国家基础信息设施的雏型，用于远程教学、远程医疗、商务、司法、行政管理等领域，可以支持ATM信元中继业务、交换型多兆比特数据业务、帧中继业务以及电路仿真业务。
在欧洲，由法国、德国、英国、意大利、西班牙等国发起的泛欧 ATM 宽带试验网，于1994年11月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个国家，是覆盖面较广的ATM试验网。
在亚洲，日本也建设了ATM宽带试验网，在东京、大阪、京都等地设置了ATM主交换机，进行局域网（LAN）互连、高清晰度电视（High Difinition Television，HDTV）和多媒体业务等试验。我国在北京、上海、广州等地也建设了 ATM 宽带试验网，并将实现互连和扩展到其他城市。目前，ATM宽带信息网已在部分城市之间建成并投入应用。（2）公用ATM交换系统
公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为40～160Gbit/s，应能支持各种接口、业务和连接类型。随着宽带信令标准的日益完善，除去永久虚连接（Permanent Virtual Connection，PVC）以外，应能提供交换虚连接（Switch Virtual Connection， SVC）。公用网ATM交换系统还应具有能保证服务质量的业务流控制功能。
已推出的公用网ATM交换系统有富士通的FETEX-150、爱立信的AXD301和ESP等。我国的中兴、华为、上海贝尔等公司均推出了ATM交换系统。
3．研究热点与展望（1）ATM交换结构
自从提出ATM的概念以来，ATM交换结构就一直是研究重点之一，包括拓扑结构、缓冲方式、控制机理、性能分析等。到目前为止，关于ATM交换结构的有关技术已基本成熟，但一些新的研究进展仍不
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