现代交换原理与技术(第2版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：陈永彬 等编著

出版社：人民邮电出版社

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现代交换原理与技术(第2版)试读：

第2版前言

本书为第2版，内容较新，强调主流技术，紧跟技术发展。所选内容主要涉及目前我国电信行业使用的主要设备和技术，在内容阐述上具有一定的前瞻性，注重对网络的融合和下一代网络技术的介绍。本书重点介绍了各种交换技术的背景、原理和主要技术及设备；主要内容涉及交换的基本概念、原理，网络基本理论，各种主流交换技术及其应用。

本书以语音通信和数据通信及其网络融合为主线，对电路交换技术、分组交换技术、ATM交换技术、电信工程设计及综合布线技术进行详细阐述，同时，第2版增加了交换单元与交换网络相关内容，从应用的角度对华为C&C08交换机软硬件进行了详细阐述，增加了习题种类和数量，便于学生巩固已学知识。在本书修订过程中，为了学生更好地拿到程控交换机务员岗位证书，针对培训大纲要求，增加了C&C08相关内容，这样就将职业资格认证考试内容融为一体，便于提升学生的工程素养。

交换的概念是伴随电话的出现而产生的，随着科技的发展，交换技术也从传统的电路交换、报文交换、分组交换发展到以ATM、IP为核心的宽带交换，同时，在软交换和光交换技术方面也取得了重大成就。

交换的实质就是将输入用户的信息根据用户意愿转移到输出端口，以达到经济、快速并满足服务质量要求的信息转移目的。自从电话交换机发明以来，交换技术也从承载单一业务的电路交换、报文交换等窄带交换技术发展到承载多种业务的宽带交换技术，并向NGN方向发展。

现代各种交换技术从本质上讲，是通信技术与计算机技术结合的产物。现代各种交换系统实质上是一个由计算机控制的完成信息处理、存储和转移任务的应用系统。

现有的通信网，无论是局域网还是广域网，绝大多数都是交换式通信网。现代交换机具有强大的信息交换能力、信息处理能力和出色的稳定性，同时解决了网络智能化问题，增强了网络的实用性和灵活性，降低了组网成本，提高了网络性能。从通信网络的发展可以看出，通信网的演进离不开交换技术的突破，交换是网络的核心，网络是信息传送的平台。在交换与网络共同支撑的信息社会的基础设施中，电路交换技术、ATM交换技术以及路由器与IP交换技术都发挥了极其重要的作用。

本书在编写过程中注重选材，概念清楚，思路明晰，力求使本书内容丰富新颖、图文并茂，具有系统性、先进性和实用性。

本书是作者在总结20余年从事通信工程实践和科研工作的基础上，结合多年教学、教改经验，并大量参阅了国内外有关文献，在原有讲稿的基础上编写而成的。它既有国内外专家知识精华的浓缩，也包含作者多年专业知识的积累，希望能给读者带来一些启迪和帮助。为了便于教学和学习，在书中各章中增设了内容提要、重点难点和小结，并附有各种题型的练习，这样有利于学生提纲挈领地学习和巩固所学知识。

本书的第1章、第2章、第3章、第5章、第7章、第8章由陈永彬编写，第9章和第10章由王飞编写，第4章由宋海英编写，第6章由李传学编写，第11章由蔡方凯编写。全书由陈永彬主编，蔡方凯主审。

由于编者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。编者2013年3月

第1章 绪论

1.1 交换与通信网

在古老的传说中，神能超越时空屏障，把任何事物看得清清楚楚，听得明明白白，这就是我们常说的“千里眼”、“顺风耳”。如今，随着通信技术的发展和广泛应用，我们人人都已成为“千里眼”、“顺风耳”。

世界上最早的通信手段出现在中国商周时代，周幽王“烽火戏诸侯”就是古代通信的一种形式。公元968年，我们的祖先就发明了一种叫“竹信”的东西，它被认为是今天电话的雏形，可见我们的祖辈是何等聪明。而现代的通信手段最早出现在欧洲，1793年，法国查佩兄弟俩在巴黎和里尔之间架设了一条230km长的以接力方式传送信息的托架式线路，这就是电报的雏形。【相关知识】 “竹信”就是用一根绳子连接两个小竹筒，在竹筒的一方可以听见另一方小声说话。

1.1.1 点对点通信系统

通信（Communication），是指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上说，通信双方或多方在不违背各自意愿的情况下，无论采用何种方法，使用何种媒介，只要是将信息从一地传送到另一地，均可称为通信。

由“通信”到“电信”，一字之差，却牵动了一场革命，拉开了人类信息彼此沟通和飞速发展的帷幕，我们今天常说的通信，通常是指电通信，简称电信（Telecommunication），电信具有迅速、准确、可靠等特点，且几乎不受时间、地点、空间、距离的限制，因而得到了飞速发展和广泛应用。

通信技术是研究如何将信源产生的信息，通过传输媒介高效、安全、迅速、准确地传送给受信者的技术。

1.通信的发展

从古代的通过驿站快马接力、飞鸽传书、击鼓、烽火报警、符号、身体语言等方式进行信息传递，到今天的固定电话、电视、卫星、移动电话、互联网，甚至视频电话等各种现代通信方式，通信技术发生了天翻地覆的变化。

人类用电来传送信息的历史是由电报开始的，1837年9月4日，莫尔斯制造出了一台电报机。电报机的发报装置是由电键和一组电池组成；按下电键，便有电流通过，按的时间短些表示点信号，按的时间长些表示“划”信号。电报机的收报机装置较复杂，它是由一只电磁铁及有关附件组成的；当有电流通过时，电磁铁便产生磁性，这样由电磁铁控制的笔也就在纸上记录下点或横线。当时，这台发报机的有效工作距离为500m。之后，莫尔斯又对这台发报机进行改进。1844年5月24日，在华盛顿国会大厦联邦最高法院会议厅里，莫尔斯再次对改进后的电报进行发/收试验，传送了“上帝创造了何等的奇迹！”这短短一句话，从而正式拉开了具有现代意义的电信序幕。

电报（Telegraph）是一种以符号（点、划）传送信息的方式，即所谓的数字方式。电报的基本原理是：把英文字母表中的字母、标点符号和空格按照出现的频度排序，然后用点和划的组合代表这些字母、标点和空格，使频度最高的符号具有最短的点划组合；“点”对应于短的电脉冲信号，“划”对应于长的电脉冲信号；这些信号传给对方时，接收机把短的电脉冲信号翻译成“点”，把长的电脉冲信号转换成“划”；译码员根据这些点划组合就可以译成英文字母，从而完成了通信任务。

19世纪30年代之后，人们开始探索用电磁现象来传送音乐和话音的方法，1876年，美国人贝尔发明了电话。1877年，在波士顿设的第一条电话线路沟通了查尔斯·威廉斯先生的各工厂和他在萨默维尔私人住宅之间的联系。同年，有人第一次用电话给《波士顿环球报》发送了新闻消息，从此开始了公众使用电话的时代。

2.点对点通信系统“电信”是什么？国际电联的定义是：使用有线电、无线电、光或其他电磁系统的通信。

通信的目的是实现信息的传递。我们通常把信息的发生者称为信源，信息的接收者称为信宿，传播信息的媒介称为载体，信源和信宿之间的信息传输的途径与设备称为信道。在电信系统中，信息是以电信号或光信号的形式传输的。完成信息传递的通信系统至少应由终端和传输媒介组成，如图 1.1所示。终端将含有信息的消息（如电报、话音、图像、计算机数据等）转换成传输媒介能接受的信号形式，同时将来自于传输媒介的信号还原成原始消息；传输媒介则把信号从一个地点传送至另一个地点。我们通常将这种仅涉及两个终端和传输媒介的通信方式称为点对点通信，因此构成的系统称为点对点通信系统。图1.1 点对点通信系统

3.全互连方式

随着社会生产的发展，人们相互之间需要进行远距离信息交流，而且人数日益增多，当用户数量增加时，要实现用户间相互通信，最直接的方法是把所有终端两两相连，如图1.2所示。图1.2 用户间全互连方式

从图 1.2 实现通信的方式可以看出，它采用的方法是通过通信线路使所有终端两两相连来实现信息的传递，我们称这种通信方式为全互连方式。可以看出，在全互连方式中，线路投资成本高，繁杂的线路架设制约了该技术的发展，且随着用户数的增加和用户之间距离的延长，网络建设成本迅速膨胀，用这种方式实现信息传递存在如下缺点。（1）线路投资成本高。当存在N个终端时需要N(N-1)/2条线对。（2）终端设备需要的接口数量多。当存在N个终端时，每个终端需要N-1条线与其他终端相连，因此需N-1个接口。（3）实用化程度低。当N值较大且距离较远时，需要大量的传输线路，因此全互连方式无法实用化。（4）管理维护不方便。由于每个用户处的线对和接口较多，操作使用极不方便，管理、维护也非常困难。

因此，在实际应用中，全互连方式仅适合终端数目较少，地理位置相对集中，且可靠性要求较高的场合。

1.1.2 交换与交换设备

我们知道，全互连方式随着用户数的增加和距离的延长，问题越来越突出。为解决这些问题，可以设想在用户分布密集的中心安装一个设备，每个用户都用一条线对（用户线）与该设备相连，如图1.3所示。图1.3 用户间通过交换设备连接

这样，任意两个用户需要通话时，主叫方先通知给设备，然后由该设备通知被叫方，并在设备的内部将主/被叫之间的线路连通，以便双方通信；在通话完毕后，为了让设备资源（绳路）能被其他用户使用，主叫方或被叫方需再通知设备将双方的连接拆除，这种方式称为交换，完成交换的设备称为交换设备。

可以看出，交换设备的作用就是在需要通信的用户之间建立连接，通信完毕拆除连接，这种设备就是我们今天常说的电路交换机（Switch）。有了电路交换机，每个用户只需一对线对就可以满足信息传递要求，采用这种方式实现多个终端之间互通，使得线路的投资费用大大降低，用户线的维护也变得简单容易。

通过交换设备实现通信的系统，除了需要终端和传输线路外，还需要交换设备。尽管这种系统增加了交换设备的费用，但由于交换设备的利用率很高，节省了大量的通信线路投资，当终端数量很多且分布距离较远时，总的投资和管理费用大大下降。

1.1.3 通信网

我们知道，最简单的通信系统就是点对点通信，但这不能称为通信网。通信网是一种使用交换设备和传输设备将地理上分散的终端设备互连起来实现信息交换的系统。也就是说，有了交换系统，才能使某一地区内任意两个终端用户相互接续，才能组成通信网。

我们将采用交换设备完成信息传递的网络称为交换式通信网，可以看出，交换式通信网的一个重要优点是便于容纳更多的用户，节省线路资源，降低网络组建成本。因此，交换式通信网的一个重要优点就是便于组建大型网络，该技术一直沿用至今。

通信网由用户终端设备、交换设备和传输设备组成。在固定电话网中，交换设备间的传输线称为中继线路（简称中继线），用户终端设备至交换设备的传输线称为用户线路（简称用户线）。

1.最简单的通信网

最简单的通信网（Communication Network）仅由一台交换机组成，如图 1.4 所示。每个通信终端通过一条专门的用户线与交换机中的相应接口连接，实际中的用户线常是一对绞合的塑胶线，线径在0.4mm～0.7mm。

根据电气电子工程师学会（IEEE）的定义，交换机应能在任意选定的两个用户线之间建立和释放一条通信链路。也就是说，交换机就是在通信网中根据用户的需要，在主叫与被叫之间建立连接和拆除连接的设备。

2.由多台交换机组成的通信网

自从1876年美国人贝尔发明电话以来，人类就可以利用电信号进行远距离语音传送，实现通信双方在两地之间的通话。

话音是人类进行信息交流的主要方式，电话通信由于其实用性迅速得以普及，这是电路交换技术产生的基础。随着电话用户数量的增加，为了降低通信网的投入以及营运成本，1878年出现了磁石电话交换机。随着用户数量的增加及分布区域的扩大，要实现所有用户之间能相互通信，由一台交换机覆盖所有用户而组建的通信网不是最经济的网络结构。于是出现了由多台交换机组成的通信网，如图1.5所示。因此，通信中交换的概念源于电话交换。图1.4 由一台交换机组成的通信网图1.5 由多台交换机组成的通信网

在多台交换机组成的通信网中，直接连接电话机或其他终端的交换机称为本地交换机或市话交换机，相应的交换局称为端局或市话局；仅与各交换机连接的交换机称为长途交换机。交换机之间的线路称为中继线，用户终端与交换机之间的连线称为用户线。显然，长途交换机仅涉及交换机之间的通信，而市内交换机，包括用户小交换机（PBX），既涉及交换机之间的通信，又涉及交换机与终端的通信。

由多台交换机组成的通信网可以实现地理位置分散的多个用户之间的通信。要实现全球用户之间的通信，需要由若干交换机组成的大型通信网才能实现。因此，广域网是由若干交换设备、传输设备和终端设备按照一定的拓扑结构组成的复杂通信系统。

3.几个概念（1）用户小交换机（PBX）：直接连接话机或终端的交换机。用户小交换机的中继线与市话交换机用户线相连。PBX常用于一个集团的内部。PBX的每一条中继线对于市话交换机只相当于一个普通的电话机用户线，只是话务量较大。由于公共电话网只负责接续到用户线，进一步从PBX到话机的接续常需要由人工完成，或采用特殊的“直接拨入”（DID）设备。（2）自动用户小交换机（PABX）：用户小交换机具有自动交换能力时，称为自动用户小交换机。（3）本地交换机或市话交换机：直接连接用户交换机、用户电话机或终端的交换机。相应的交换局称为端局或市话局。（4）汇接交换机：仅与各交换机连接的交换机。当各交换机距离很远时，也称为长途交换机。（5）长途交换机：在通信网中，能够实现长途交换功能的交换机称为长途交换机。

1.1.4 通信网的工作方式

在由多台交换机组成的通信网中，信息在网络中由信源传送到信宿时，网络有两种工作方式：面向连接（CO，Connection Oriented）和无连接（CL，Connectionless）。

1.面向连接网络（1）面向连接网络的工作原理

面向连接网络的工作原理如图1.6所示。例如，信源A有3个数据块要送到信宿B，其工作过程是信源A首先发送一个“呼叫请求”消息到交换机1，要求将信息送到目的地（信宿B）。交换机一通过其路由表确定将该消息发送到交换机2，交换机2又决定将该消息发送到交换机3，交换机3又决定将该消息发送到交换机6，交换机6最终将“呼叫请求”消息传送到信宿B。如果信宿B准备接受这些数据块的话，它就发出一个“呼叫接受”消息到交换机6，这个消息通过交换机3、交换机2和交换机1送回到信源A。这样，各交换机在信源A和信宿B之间建立一条供信息传输的通路（连接），信源和信宿之间就可以经由这条建立的连接（图 1.6 中黑体线所示）来交换数据块了。此后的每个数据块都经过这个连接来传送，不再需要选择路由。因此，来自信源的每个数据块，穿过交换机1→2→3→6进行传送，而来自信宿的每个数据块穿过交换机6→3→2→1进行传送。数据传送结束后，由任意一端用一个“清除请求”消息来终止这一连接。图1.6 面向连接网络的工作方式（2）连接种类

在实际通信过程中，面向连接网络建立的连接有两种：实连接和虚连接。

① 实连接。用户通信时，如果建立的连接无论是否有用户信息传递，这条连接始终存在，且每一段占用恒定的电路资源，连接之间没有信息传送时，其电路资源也不能够被其他用户使用，这个连接就称为实连接，电路交换技术就是采用实连接方式。

② 虚连接。如果电路资源的分配是随机的（动态的），用户有信息传送时才占用电路资源（带宽根据需要分配），无信息传送就不占用电路资源，对用户的识别改用标志，即一条连接使用相同标志，统计占用电路资源，我们将这种为了传送信息把一段又一段线路资源串接起来的标志连接称为虚连接，分组交换的虚电路方式和ATM交换技术采用的都是虚连接方式。显然，实连接的电路资源利用率低，而虚连接的电路资源利用率高。

2.无连接网络

下面说明无连接网络是如何实现信息传送的，如图1.7所示。图1.7 无连接网络的工作方式

例如，信源有3个数据块要送到信宿，它把地址信息附加到数据块内，将数据块1、2、3一连串地发送给本地交换机 1。交换机 1 将到达的数据块放入存储器中停留很短时间，进行排队处理，根据数据块地址信息进行路由选择，一旦确定了新的路由，就很快将数据块输出。假设在对数据块1、2进行处理时，交换机1得知交换机2的队列短于交换机4，于是它将数据块1、2排入交换机2的队列，但对数据块3进行处理时，交换机1发现现在到交换机4的队列最短，因此将数据块3排在交换机4的队列中。在以后通往信宿路由的各节点上都做类似的处理。这样，每个数据块虽都有同样的目的地址，但并不遵循同一路由。由于路由不同，数据块3有可能先于数据块1、2到达节点6。为了正确接收信息，就需要目的交换机重新对用户数据块进行排序，以恢复它们原来的顺序。

为了方便理解面向连接方式和无连接方式，我们将通信网与直观的交通网比较。交换设备相当于道路交汇处，无连接方式相当车辆从甲地到乙地时，在道路交汇处由驾驶员选择路线，只有道路空闲时，车辆才能通过，因此在许多道路交汇处需要停靠，在不同质量路段运行速度不一，有时遇见道路拥塞时，还要考虑如何绕道走，时效性较差。面向连接相当于直达列车，车辆从甲地到达乙地的线路，首先计划好并确定，直达列车在运行期间的确定线路，其他任何车辆不能使用，保持一路畅通，实时性强，类似于面向连接的通信方式。

3.面向连接网络和无连接网络的主要区别（1）面向连接网络用户的通信总要经过建立连接、信息传送和拆除连接3个阶段，连接的建立需要一个时间过程；而无连接网络不为用户的通信过程建立和拆除连接。（2）面向连接网络中的每一个交换机为每一个呼叫选路，交换机中需要有维持连接的状态表；而无连接网络中的每一个交换机为每一个传送的信息选路，交换机不需要维持连接的状态表。（3）用户信息较长时，采用面向连接的通信方式效率高；反之，使用无连接的方式要好一些。

1.1.5 交换技术有关术语介绍

电路（Circuit）就是在通信系统中两个终端之间（有时需通过一个或多个交换节点）为了完成信息传递而建立的通信路径。

物理（实）电路：物理电路是终端设备之间为了传送信息而建立的一种实连接，终端之间可通过这种连接收/发信息。当某一时间段某条物理电路没有信息传送时，线路的传输能力不能为其他终端服务。因此，物理电路具有资源独占的特点。

虚电路：虚电路是终端设备之间为了传送信息而建立的一种逻辑连接，终端之间可通过这种连接收/发信息。但是，当某一时间段某条虚电路没有信息传送时，线路的传输能力可以为其他终端服务。因此，虚电路可提高线路资源利用率。虚电路这一术语用于描述共享的电路，其共享不被该电路的用户所知。【相关知识】“虚电路”这个术语源于计算机体系结构，当我们操作计算机时，最终用户感到计算机具有比实际配置大的内存。这种另外的“虚拟”内存实际上是硬盘上的存储空间。虚电路（以及虚拟存储器）的特征是看得见，摸不着。

为了便于理解，我们对包括“虚拟”在内的一些术语进行比较，如图 1.8 所示，以便我们进一步理解这些术语，同时会感到很有趣。图1.8 交换技术常用术语比较

1.1.6 信息传送模式

信息在通信网中的传送方式称为传送模式，它包括信息的复用、传输和交换方式。复用方式和传输方式对交换方式有很大影响，复用方式在前面的课程中已经学过，因此本节将介绍信息传送模式，通信网中的信息传送模式分为同步传送模式（STM，Synchronous Transfer Mode）和异步传送模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）两种。

1.同步传送模式

同步传送模式是采用同步时分复用（STDM，Synchronous Time-Division Multiplexing）、传输和同步时分交换（STDS，Synchronous Time-Division Switching）的技术。

所谓时分复用，就是采用时间分割的方法，把一条高速数字信道分成若干条低速数字信道，构成同时传输多个低速数字信号的信道。

同步时分复用是指将一个时间段划分为若干基本时间单位，我们将这个时间段称为帧，基本时间单位称为时隙。通常，一帧的时长是固定的（常见的为125μs），我们对帧中划分的时隙按顺序编号。所有复帧中编号相同的时隙称为一个子信道，该信道是恒定速率的，具有周期出现的特点。一个子信道传递一路信息。这种信道由帧中的位置确定，故称为位置化信道，因为根据它在时间轴上的位置，就可以知道是第几路信道，如图1.9（a）所示。

对同步时分复用信号的交换，实际上是对信息所在位置的交换，即时隙的内容在时间轴上的移动，称为同步时分交换。

同步时分复用的优点是，在通信网中，通信双方一旦建立连接，该连接的服务质量便不会受网络中其他用户的影响。但是为了保证连接所需带宽，必须按信息最大速率分配信道资源。这一点对恒定比特率业务没有影响，但对可变比特率业务会有影响，它会降低信道利用率。图1.9 两种复用方式比较

2.异步传送模式

异步传送模式采用异步时分复用（ATDM，Asynchronous Time-Division Multiplexing）、传输和异步时分交换（ATDS，Asynchronous Time-Division Switching）技术。

异步时分复用是指我们同样将一个时间段分为若干基本时间单位，每个基本时间单位仍称为时隙，并给每个时隙一个编号，该编号代表一个线路资源，每个子信道用编号来区分。同时将需要传送的信息分成很多小段，并对每段附加标志码，称其为分组。标志码指明分组从哪里来，到哪里去，来自同一用户信息分组的标志码相同。分组在线路中采用统计（动态）资源分配方式占用时隙编号，也就是说，各个分组在复接时，可以使用任何时隙（子信道）。这样子信道就可以用标志码表示，我们把用标志码标识的信道称为标志化信道。这时，一个子信道中的信息与它在时间轴上的位置（即时隙）没有必然联系。将这样的子信道复用技术称为异步时分复用（也叫统计时分复用），如图1.9（b）所示。

对异步时分复用信号的交换，实际上就是按照每个分组信头中的路由标记，将其分发到出线，这种交换方式叫异步时分交换（也叫“存储——转发”交换）。

异步时分复用的优点是能统计地、动态地占用信道资源。在连接建立并给连接分配带宽时，异步传送模式与输出业务流速率无关，可以不按最大信息速率分配带宽。在相等的信道前提下，ATM比STM接纳的连接数更多。

1.1.7 信息网络的分类及其业务特点

1.信息网络的分类

目前，现代通信网建有各种类型的信息网络，我们可以从不同的角度对其进行分类。（1）按信息传递方式划分，有：

同步传送模式（STM）的综合业务数字网（N-ISDN）；

异步传送模式（ATM）的宽带综合业务数字网（B-ISDN）等。（2）按业务划分，有：

电话网——主要业务为电话、图文传真及低速数据、慢速图像等；

电报网——主要业务为电报和低速数据；

有线电视（CATV）网——主要业务为视频（电视）信号及语音、数据；

计算机网络——主要业务为计算机数据及分组语音、图像等。（3）按管理体制划分，有：

公用网——是向社会公众开放的通信网，主要包括公用电话交换网（PSTN，Public Switched Telephone Network）、公用数据网（PDN，Public Data Network）及因特网（Internet）等；

专用网——是指机关、企事业单位自建或利用公用资源在逻辑上建立一个仅供本部门内部使用的通信网，如用户小交换机（PBX）、虚拟用户交换机（Centrex）、校园网等。（4）按交换方式划分，有：

电路交换（CS，Circuit Switching）——适用于双向、实时的语音交换与非突发性数据等信息交换；

报文交换（MS，Message Switching）——适用于报文信息的传送；

分组交换（PS，Packet Switching）——适于计算机分组数据信息的交换，如PDN、LAN等。（5）按服务范围划分，有：

长途网；

本地网；

广域网；

城域网；

局域网。（6）按收信者是否运动划分，有：

移动通信网；

固定通信网。（7）按拓扑结构划分，有：

星型；

总线型；

环型；

网状型；

混合型。（8）按技术层次划分，有：

业务网——指向用户提供通信业务的网络，包括固定电话网、移动电话网、IP 电话网、数据通信网、智能网、综合业务数字网（ISDN）等；

传送网——指数据信息传送网络，由传输线路和传输设备组成，它是通信基础网络，包括PDH传送网、SDH传送网和WDM传送网；

支撑网——指为业务网和传送网提供支撑的网络，它保障通信网络的正常运行和通信业务的正常提供，包括N0.7信令网、数字同步网和电信管理网。（9）按传输媒介划分，有：

有线通信——是指传输媒介为导线（架空明线、电缆、光缆及波导等）形式的通信，其特点是媒介看得见、摸得着；

无线通信——是指传输消息的媒介是看不见、摸不着（如电磁波）类型的通信。通常，有线通信亦可进一步再分类，如明线通信、电缆通信、光缆通信等；无线通信常见的形式有短波通信、微波通信、卫星通信、散射通信和移动通信等。

2.信息网络业务的特点

随着科学技术的发展，电信业务从早期的电报、电话发展到数据、图形、图像、动画等多媒体信息的传送。由于信息多媒体化，导致新一代业务传送具有与传统业务不同的传输特性。（1）各种业务信息的传输要求具有不同的速率。

如视频信号的传输速率就有较大的跨度，在进行质量较低的慢扫描可视通信时，每3s传输一幅画面需要的传输速率为 14.4kbit/s，但如果传输的是高清晰度电视（HDTV）数据信号，需要传输速率大约为20Mbit/s。同样是数据的传输，例如远程登录、Internet访问，由于用户在许多时间处于键盘操作和信息阅读阶段，利用电路方式将会导致较低的信道利用率。（2）各种业务信息的传输要求具有不同的突发率。

突发率是业务峰值比特率与平均比特率的比值。突发率越大，表明业务速率变化越大。不同的业务在平均比特率和突发率方面都有不同的特征，见表1.1。可以看出，高清晰度电视、语音的突发率低，交互式数据的突发率高。（3）各种业务信息的传输具有不同的误差要求。

数字信号由二进制“0”和“1”的编码表示。对于语音码组，传输中如果1bit发生错误，不会影响它的语义，如果小部分内容失真较大，根据前后语义的相关性，也可以推断其含义。但对于有些类型的数据，如计算机通信、银行业务、军事密码，如果一个码组在传输中发生1bit差错，则在接收端可能被理解成完全不同的含义。特别对于军事、医学、银行等关键事务处理，发生的毫厘之差都会造成巨大-3的损失。一般而言，话音通信比特差错率可达10，而数据通信的比-8特差错率必须控制在10以下。表1.1 几种业务的平均比特率和突发率（4）各种业务信息的传输具有不同的时延要求。

有些业务要求有很小的时延，这类业务叫实时业务，如 64kbit/s 的话音和可视电话业务。而大多数数据业务对时延并不敏感，如电子邮件、信息下载。（5）各种业务信息的传输具有不同的抖动要求。

有些业务要求有很小的时延抖动（抖动是指信息的不同部分到达目的地时具有不同的时延）到达对端。实时业务要求传送抖动较小，而数据业务对抖动几乎没有什么要求。

综上所述，不同的通信业务具有不同的特点，因而在网络发展过程中形成了不同的交换技术。

1.2 交换技术

交换设备是通信网的重要组成部分，从通信资源分配的角度来看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路资源的一种运作。当然，这也是一门技术，称为交换技术。交换技术可以说是网络时代的核心技术，交换机具有强大的寻址能力，不仅解决了网络智能化的问题，也促进了网络的发展。

1.2.1 交换技术分类

交换技术从传统的电话交换技术发展到包括综合业务交换技术在内的现代交换技术，经历了人工交换、机电交换和电子交换（程控数字交换、分组交换、宽带交换）3 个阶段。交换方式主要有电路交换、报文交换、分组交换和宽带交换，如图1.10所示。图1.10 交换技术分类

1.2.2 电路交换技术

电路交换（CS，Circuit Switching）是指终端之间通信时，通信一方通过网络交换设备给另一方发出呼叫，另一方接受呼叫后，交换机就在收、发端之间建立一条临时的电路连接，该连接在整个通信期间始终保持接通，直到通信结束才释放。这种工作方式称为电路交换。

电路交换是最早出现的一种交换方式，电话交换就是电路交换方式的一个典型应用。电路交换技术是一种主要适用于实时业务的通信技术，它在双方通信前需要建立专用的连接通路，如果没有空闲的线路资源，连接就不能建立，通信就不能进行，也就是存在呼损；电路交换所分配的带宽是固定的，在连接建立后，即使无信息传送，也要占用信道带宽，所以电路利用率比较低。但电路交换的最大优点是实时性好，特别适合话音业务。

电路交换适合于实时性要求强的业务，如话音通信、模拟视频传送、文件传送、高速传真业务等，但它不适合突发性强、业务量小和对差错敏感的数据通信业务。

1.2.3 报文交换技术

为了克服电路交换资源独占，通信线路利用率低，存在呼损，网络中各种不同类型和特性的用户终端之间不能相互通信的缺点，人们提出了报文交换。

1.报文交换过程

报文交换的基本原理是“存储——转发”。如图1.11所示，如果用户A要向用户B发送信息，用户A与用户B之间不需要事先建立连接通路，而只需用户A与交换机接通，由交换机暂时把用户A要发送的报文接收和存储起来，交换机根据报文中提供的用户B的地址确定报文在交换网络内的路由，并将报文送到输出队列上排队，等到该输出线空闲时，立即将该报文送到下一个交换机，依此方法，最后送到终点用户B。图1.11 报文交换网络

报文交换中信息的格式是以报文为基本单位的。一份报文包括3部分：报头或标题（由收/发信站地址及其他辅助信息组成）、正文（用户信息）和报尾（报文的结束标志，若报文的长度有规定，则可省去此标志）。

2.报文交换的特点（1）报文交换的主要优点

① 通信线路利用率高。报文交换中没有电路接续过程，报文以存储——转发方式在网内逐节点传输数据，可以多个用户同在一条链路上传送数据。而电路交换中，当用户占有交换电路后，即使该通路不传送数据，也不允许其他用户使用。

② 不同速率、不同类型的终端之间可以互通，不要求通信双方同时工作。由于报文交换采用存储——转发方式进行信息传递，只要到目的地方向的线路有空闲，报文就向目的地传送，线路资源动态分配，因此，报文交换技术使不同速率、不同类型的终端之间可以互通。

③ 无呼损。由于采用存储——转发方式，可将用户信息存储在交换机的存储器中，如果报文所要选用的路由示忙，则报文在该节点排队、等待，路由出现空闲立即传送。

④ 可节省终端操作人员的时间、可同发。由于采用存储——转发方式，用户信息存储在交换机的存储器中。同一报文可由交换机转发到许多不同的收信地址，即实现同报文通信。（2）报文交换的缺点

① 实时性要求不高。以报文为单位进行存储——转发，网络传输时延大。信息在交换节点需要选择路由，有时需要排队、等待，因而要引起时延，不能满足实时性要求高的通信。

② 对交换机存储器容量和速度提出了更高要求。由于采用存储——转发方式，报文交换机要有能力存储用户发送的报文，其中有的报文可能很长，同时在网络忙时，排队报文就多，报文交换机要有能力存储用户发送的报文；同时，随着网络负载的变化，信息传送时延变化也较大，有时需占用大量的交换机内存和外存。

③ 报文交换不适用于实时交互式数据通信。报文交换适用于公众电报和电子信箱业务。公用电信网中的电报自动交换就是报文交换的典型应用。

1.2.4 分组交换技术

电路交换技术由于资源独占不利于数据通信，而报文交换又因为以报文为单位，遇到长报文传送时，短报文在节点的等待时间较长，导致该技术的信息传送时延大，不能满足短报文用户要求。为了减少短报文在网络传送中的时延，如果将需要传送的长报文划分成若干段（分组），每段具有统一格式且长度比长报文短得多，则便于在交换机中存储及处理。分组在交换机中一旦确定了新的路由，就很快发送到下一个节点机，短报文的分组通过交换网络（节点）的平均时延比报文交换要短得多。

分组交换实质上是在“存储——转发”的基础上发展起来的。但分组交换与存储——转发式的报文交换不同之处在于：报文交换以报文为单位，而分组交换需要将用户传送的信息分割成若干个组（packet），并为其附上分组头，分组头中含有地址或其他控制信息。每个分组标识后，在一条物理线路上采用动态复用的技术，可以同时传送多个数据分组，资源利用率高。

分组交换采用的路由方式有数据报（Datagram）和虚电路（Virtual Circuit）两种。

1.数据报方式

数据报方式类似于报文传输方式，只是传输的分组很“短”。数据报方式将每个分组作为一份报文来对待，每个数据分组中都包含终点地址信息，分组交换机根据地址信息和网络状况为每一个分组独立地寻找路径，如果某条路径发生阻塞，它可以变更路由，因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点，在网络终点需要重新排序。

2.虚电路方式

虚电路方式类似于电路交换方式，只是这里建立的连接是“虚连接”。在虚电路方式中，两个终端设备在开始传输数据前，必须通过网络建立逻辑上的连接。即通过发送呼叫请求分组建立端到端的虚电路；一旦建立，同一呼叫的数据分组沿这一条虚电路传送；数据传输完毕，由清除分组拆除虚电路。由于分组交换采用统计复用技术，在网络中建立的是虚电路而非物理电路，在数据通信过程中，不像电路交换方式是透明传输的，它会受到网络负载的影响，分组可能在分组交换机中等待。虚电路方式的连接为逻辑连接，并不独占线路资源，在一条物理链路上可以建立多个虚电路，以达到资源共享的目的。虚电路方式资源利用率比电路交换方式的高，但实时性没有电路交换方式好，虚电路方式实际上是数据报方式和电路交换方式的一种折中方案。

1.2.5 宽带交换技术

宽带交换技术就是指支持传输比特速率高于2Mbit/s的交换技术。常用的宽带交换技术有快速电路交换、帧中继、ATM交换、IP交换、标记交换、软交换和光交换技术。

1.快速电路交换

通信双方在约定的信道中可以快速进行信息传输，从而满足实时通信，这是电路交换显著的优点，但是传统的基于语音通信的电话网在灵活性方面和网络传输效率方面存在着不足，电话网提供的传输速率为64kbit/s，不适合波动性业务和宽带业务，基于这一点，人们提出了改进的电路交换技术。

为了将电路交换的概念扩展到具有波动性和突发性的业务传输场合，人们提出了快速电路交换的设想，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，此时网络根据用户的申请寻找一条适合用户通信的通道，但是并不建立连接和分配资源，而是将通信所需要的带宽、所选的路由编号填入相关的交换机中，当用户传送信息时，网络迅速按照用户的申请分配通道完成信息的传输。这种方式的网络必须有能力快速测知信源是否发送数据，同时必须在较短的时间内完成端到端的链路建立，要求网络有高速的计算能力。

快速电路交换在实践中很少被应用。

2.帧中继

自20世纪80年代分组交换网投入运营以来，分组交换技术在不同终端互连、局域网互连等方面发挥了巨大作用，为数据通信网的发展做出了重要贡献。然而，到了80年代后期，由于电信网络及相关技术突飞猛进的发展演变，特别是计算机的广泛使用，使得分组交换网不能满足宽带数据业务需求，因此，人们开始探索高速分组交换技术。

由于光纤的出现，而且光纤的优点是其他传输介质无法比拟的，因此导致了通信干线迅速光纤化。光纤抗干扰能力强，信道产生的误码低，这为我们通过简化通信协议来减少中间节点对分组的处理，发展高速的分组交换机，以获得高的分组吞吐量和小的分组传输时延，发展快速分组交换（FPS，Fast Packet Switching）提供了可能，因此后来出现了快速分组交换技术，即帧中继（FR）和信元中继（ATM）。

快速分组交换可以理解为采用了尽量简化的协议，只具有核心网络的功能，可以提供高速、高吞吐量、低迟延的交换。

帧中继（FR，Frame Relay）是快速分组交换网的一种，它以X.25交换技术为基础，摒弃其中烦琐过程，改造了分组结构，获得了良好的性能。分组交换从源端到目的端的每一步中都要进行复杂的处理，在每一个中间节点都要对分组进行存储，并检查数据是否存在错误。

采用帧中继方式的网络中各中间节点没有网络层，并且数据链路层也只有一般网络的一部分（增加了路由功能），中间节点不进行差错控制，也无需回送确认帧。

3.ATM交换（1）ATM概念的提出

分组交换技术的广泛应用和发展，使得当时的网络环境中，出现了以传送语音业务为主的电路交换网（PSTN）和以传送数据业务为主的分组交换网（PSPDN）两大阵营共存的局面，语音业务和数据业务的分网传送，促使人们思考一种新的技术来兼具电路交换和分组交换的优势，并且同时向用户提供综合的业务（包括语音业务，数据业务，图形、图像业务等）服务。由此在20世纪80年代末，由CCITT提出了宽带综合业务数字网（B-ISDN）的概念，并提出了一种全新的技术异步传输模式（ATM）。（2）定义

ATM是异步传送方式（Asynchronous Transfer Mode）的简称，它是指以信元为单位，采用异步时分复用（ATDM，Asynchronous time-Division Multiplexing）、传输和异步时分交换（ATDS，Asynchronous Time-Division Switch）技术。

ATM的思想是：利用电路交换和分组交换在信息转移过程中的优势，尽量把交换的处理负担从交换机转移到通信的两端，以最大限度地减少交换机的处理时间，网络能够提供综合业务，给用户和网络操作者以最大的灵活性。CCITT（现ITU-T）在1988年11月通过的一系列建议文件中选择ATM作为B-ISDN的目标交换方式。（3）ATM交换的原理

ATM以信元为单位进行数字信息的交换和传输，信元具有固定长度，由5个字节的信头和48个字节的信息域共 53 个字节组成。ATM 技术无论传送何种信息，都以面向连接的方式在一条虚电路上传输，该虚电路是通过呼叫处理功能在用户间半永久地建立的。ATM的信息传送是异步的，信元在时间轴上没有固定的位置，信元流所载运的信息和时间之间没有任何联系。

ATM可根据用户信息的有无来分割信元，适应于任何速率的通信，可高速率地传输突发业务。依靠标志码（VCI/VPI）来区分各路信号，通过改变标志码来完成交换的任务。ATM 技术能够根据需要动态地分配有效容量，利用单一结构交换所有业务。（4）ATM的特点

ATM技术的一个突出特点是将面向连接机制与分组机制结合，在通信开始之前，需要根据用户的要求建立一定带宽的连接，但是该连接并不独占某个物理通道，而是和其他连接统计复用某个物理通道，同时所有的媒体信息，包括语音、数据和图像等信息都被分割并封装成固定长度的分组（信元）在网络中传送和交换。ATM技术的另一个突出特点是提出了保证QoS的完备机制，同时由于当时光纤已广泛使用，光纤提供了低误码率的传输通道，所以可以将流量控制和差错控制移到用户终端，网络只负责信息的交换和传送，从而使信息传输时延减少，使得ATM技术非常适合传送高速数据业务。

ATM交换技术采用统计复用、动态分配带宽、信元长度固定等方式进行交换，具有不依赖于业务类别、支持各种类型业务、高速率交换等特点，是目前一种先进的宽带交换技术。

从技术角度来讲，ATM几乎无懈可击。但是，ATM技术的复杂性导致了ATM交换机造价极为昂贵，并且在ATM技术上没有推出新的业务来驱动ATM市场，从而制约了ATM技术的发展，目前ATM交换机主要用在骨干网络中，主要利用ATM交换机的高速和QoS的保证机制，并且主要提供半永久连接。

4.计算机网络交换技术

计算机网络，就是利用通信设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式、网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。

局域网可分成3大类；一类是平时常说的局域网LAN；另一类是采用电路交换技术的局域网，称计算机交换机（CBX，Computer Branch Exchange或PBX，Private Branch Exchange）；还有一类是新发展的高速局域网（High Speed Local Network，HSLN）。

在LAN和WAN之间的是城市区域网（Metropolitan Area Network，MAN），简称城域网。MAN是一个覆盖整个城市的网络，但它使用LAN的技术。

局域网的特性主要涉及拓扑结构、传输媒体和媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）3项技术问题，其中最重要的是媒体访问控制方法。

环形或总线拓扑中，由于只有一条物理传输通道连接所有的设备，因此，连到网络上的所有设备必须遵循一定的规则，才能确保传输媒体的正常访问和使用。常用的媒体访问控制方法有：具有冲突检测的载波监听多路访问 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）、控制令牌（Control Token）和时槽环（Slotted Ring）3种技术。（1）网间连接器分类

两个网络之间要互连时，它们之间的差异可以表现在OSI七层模型中的任一层上。用于网络之间互连的中继设备称为网间连接器，按它们对不同层次的协议和功能转换，可以分为以下几类。

① 转发器（Repeater），在物理层间实现透明的二进制比特复制，以补偿信号衰减，用来延长网络传输距离。

② 网桥（Bridge），提供链路层间的协议转换，在局域网之间存储和转发帧，是链路层设备，它用来创建两个或多个LAN分段。

③ 路由器（Router），路由器从某个端口收到一个数据包，它首先把链路层的包头去掉（拆包），读取 IP 地址，然后查找路由表，若能确定下一步往哪送，则再加上链路层的包头（打包），把数据包转发出去；如果不能确定下一步的地址，则向源地址返回一个信息，并把这个数据包丢掉。因此，路由器属于网络层，用来连接不同的网络。

④ 网关（Gateway），又称网间连接器、协议转换器。网关在传输层上以实现网络互连，是最复杂的网络互连设备，仅用于两个高层协议不同的网络互连。网关既可以用于广域网互连，也可以用于局域网互连，是一种充当转换重任的计算机系统或设备。在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器。与网桥只是简单地传达信息不同，网关对收到的信息要重新打包，以适应目的系统的需求。同时，网关也可以提供过滤和安全功能。大多数网关运行在OSI 7层协议的顶层——应用层。（2）多层交换技术

① 一层交换技术。我们知道，第一层是OSI的物理层。1层交换机就是物理层设备，传统的电路交换就属于这一层。如程控电话交换机就属于一层交换机。

② 二层交换技术。第2层是OSI的数据链路层。二层交换机是数据链路层的设备，它能够读取数据包中的MAC地址信息并根据MAC地址来进行交换。

交换机内部有一个地址表，这个地址表标明了 MAC 地址和交换机端口的对应关系。当交换机从某个端口收到一个数据包，它首先读取包头中的源MAC地址，这样它就知道源MAC地址的机器是连在哪个端口上的，再去读取包头中的目的 MAC 地址，并在地址表中查找相应的端口，如果表中有与这个目的MAC地址对应的端口，则把数据包直接复制到这个端口上，如果在表中找不到相应的端口，则把数据包广播到所有端口上，当目的机器对源机器回应时，交换机又可以根据目的 MAC 地址与哪个端口对应，在下次传送数据时，就不再需要对所有端口进行广播了。

二层交换机就是这样建立和维护它自己的地址表。由于二层交换机一般具有很宽的交换总线带宽，所以可以同时为很多端口进行数据交换。如果二层交换机有N个端口，每个端口的带宽是M，而它的交换机总线带宽超过N×M，那么该交换机就可以实现高速交换。二层交换机对广播包是不做限制的，把广播包复制到所有端口上。目前，二层交换机一般都含有专门用于处理数据包转发的专用集成（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）芯片，因此转发速度可以做到非常快。

二层交换机采用了基于硬件的转发机制，能够转发各种数据链路层的协议，包括局域网中的以太网和高速令牌环网以及广域网（WAN）中通过VC交换的帧中继（FR）和异步转移模式（ATM）等，经典的LAN多端口网桥也属于这一层。该层支持简单的网络分段，并能令网络性能有明显的改善。

③ 三层交换技术。第3层是OSI的网络层。三层交换并非只使用第三层的功能，而是把第三层的路由选择与第二层的交换功能结合起来，实现了网络分组快速交换的设备。三层交换机并不是简单地把路由器设备的硬件及软件简单地叠加在局域网交换机上。

我们知道，网络层的主要任务是为分组寻找合适的路由。传统的路由器由于使用通用的CPU和软件来实现对数据报的转发，因而延迟比较大，转发的速度也比较慢，而第三层交换正是针对这个问题提出的。第三层交换机的目标在于要兼备两个特征，并通常采用专用集成电路将常用的软件功能固化在硬件之中，形成完备的路由器的子集。在未来的第三层交换机中，还将具备更多的功能，成为功能更加完备的路由器。例如，除了具有转发的功能外，还将具备自动划分数据流等级与服务等级的功能，以及提供某种形式的QoS等，这将是第三层交换机的另一个重要特征。

从20世纪90年代中期起，世界上各大公司都纷纷对第三层交换进行研究，并提出了许多不同的方案，推出了许多产品。比较有影响的有：Ipsilon 公司的 IP 交换，Cisco 公司的标记交换（TAG Switching），东芝公司的信元交换路由器（CSR，Cell Switching Router）和IBM公司的ARIS（Aggregate Route Based IP Switching），以及IETF的多协议标记交换（MPLS，Multi-Protocol Label Switching）等。【相关知识】

IETF是Internet工程任务组（Internet Engineering Task Force）的简写。成立于1985年，是一个松散的、自律的、志愿的民间学术组织，它是推动 Internet 标准规范制定的最主要的组织。（3）IP交换技术

IP交换（IP Switching）技术是一种将第二层交换功能和第三层路由功能结合起来的技术，是多层交换的另一种类型，与 CSR相类似，都是数据流驱动 IP交换的一种应用。也就是说，它们可以根据独立业务流到达的情况来安排交换机的资源，并通过标签分配和把数据流映射成 VC 上的信令信息实现交换的过程。这些都是独立于单个IP数据流进行的，保持了Internet模型的扩展性及在第三层按照逐级跳的方式对所有业务进行转发的形式，且引入了特定的控制协议，把IP数据流转移到端到端的直通路径。（4）标记交换技术

标记交换（TAG Switching）是处于交换边缘的路由器，将每个输入帧的第三层地址映射为简单的标记，然后把有标记的帧转化为ATM信元，再映射到VC上，在网络核心ATM交换机上进行标记交换，由路由器保存标记信息表（路由表），用以寻找第三层路由。最后，将标记信元送到目的地路由器上，由目的地路由器去掉信息标记，把信元转化成帧，送到最终的目的端。在这个过程中，通过交换标记（小的数据单元）和仅进行一次简单的标记查询，就可提高转发帧的

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