交换基本原理

            从一百多年前最早应用于电话网的电路交换技术开始，发展到现在，已出现了多种交换技术，如典型的电路交换、分组交换、快速电路交换、快速分组交换、ATM交换、光交换等。下面首先介绍两个非常重要的基本概念，即同步时分复用信号和统计时分复用信号，然后分别对各种交换技术的特点、应用及发展进行简要介绍。

交换节点中传送的信号

            交换节点中传送什么样的信号，与使用的交换技术密切相关。按照信号的基本形式可分为电信号和光信号。电信号又分为模拟信号和数字信号，目前使用较多的是采用时分多路复用技术的数字信号。数字信号主要有两种，即同步时分复用信号和统计时分复用信号(或称异步时分复用)。不同的信号对交换有不同的要求，其交换与传送需选用最适合自己的交换技术，如光信号的传送需经过光交换,而电信号的传送则需经过电交换。

1.同步时分复用信号

            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低速数字信道，构成同时传输多个低速信号的子信道。

而同步时分复用是指将时间划分为基本时间单位，1帧占用时长为125摩。每帧分成若干个时隙，并按顺序编号，所有帧中编号相同的时隙成为一个子信道，该信道是恒定速率的，一个子信道传递一个话路的信息。这种信道也称为位置化信道，因为根据它在时间轴上的位置，可知是第几个话路。对同步时分复用信号的交换实际是话路所在位置的交换，即时隙的内容在时间轴上的移动。

2.统计时分复用信号

            把需要传送的信息分成很多小段，称为分组。每个分组前附加标志码，标志要去哪个输出端，即路由标记。各个分组在输入时使用不同时隙，虽然使用不同时隙，但标志码相同的分组属于一次接续。所以，把它们所占的信道容量看做一个子信道，这个子信道可以是任何时隙。这样把一个信道划分成了若干子信道，称为标志化信道。这时，一个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。将这样的子信道合成为一个信道用的复用器，称为统计复用器。统计复用器中必须有一个存储器把接收到的信息按先后顺序分组发送.称为统计复用。所以，对统计时分复用信号的交换实际上就是按照每个分组信息前的路由标记.将其分发到出线。

图4.5对两种时分复用信号进行了简单的比较。

分组交换技术的主要特点可概括为：

•将需要传送的信息分成若干个分组，每个分组加控制信息后分发出去，采用存储转发方式.有差错控制措施。

•基于统计时分复用方式.可以不建立连接，也可建立连接，连接为逻辑连接(虚连接)；资源利用率高，共享信道。

•有时延，实时性差，不能保证通信质量。

•一般用于数据交换，但也可用于分组话音业务。

•当节点使用分组交换技术，可构成分组交换网。传统分组交换使用的最典型的协议就是著名的X.25协议。

3.快速电路交换

            为了克服电路交换固定分配带宽的缺点，提高灵活性，于1982年提出了改进的电路交换技术，即快速电路交换(FCS,FastCircuitSwitching)D

快速电路交换的核心思想是在有信息传送时快速建立通道，如果用户没有数据传输则释放传输通道。具体过程是这样的：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的建立,要求网络有高速计算的能力。快速电路交换虽然也提高了带宽利用率，但控制复杂，灵活性又比不上快速分组交换，故未得到广泛应用。

4,快速分组交换

            快速分组交换(FPS.FastPacketSwitching)的基本思想是尽量简化协议，只具有核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延的服务。FPS包括帧中继(FR,FrameRelay)与信元中继(CR.CellRelay)两种交换技术，信元中继为ATM所采用。实际上，ATM来源于FPS和异步时分交换，这部分内容会在后面的学习中介绍，这里仅讨论帧中继技术。通常的分组交换是基于X.25协议的。帧中继简化了X.25协议，只保留了一些核心功能，如帧的定界、同步、透明性以及帧传输差错检测等，而将差错重传校正、流量控制等功能取消。具体说，帧中继采用ITU-TQ.922建议，采用可变长度帧，提供面向连接业务，可适应突发信息的传送，适用于局域网的互连。需要指出，简化协议只提供核心的网络功能是有其背景基础的。一方面，高带宽、高传输质量的光纤系统的大量应用，为简化或取消差错控制和流量控制创造了条件；另一方面,终端系统日益智能化，例如，个人计算机的大量出现，具备了以端到端的方式进行一些复杂控制的能力，网络只提供公共的核心功能，反而增加了应用上的灵活性。当节点为帧中继交换机时，可构成帧中继网。

5.异步转移模式

            异步转移模式(ATM,AsynchronousTransferMode)是ITU-T(国际电联电信标准化部门，原为国际电报电话咨询委员会CCITT)确定用做宽带综合业务数字网(B-ISDN)的复用、传输和交换的模式。ATM交换具有综合电路交换和分组交换的优势，可以实现高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换，提供灵活的带宽分配，适应从很低速率到很高速率的宽带业务的交换要求，具有高效的网络运营效率交换和复用技术。

ATM交换的基本原理及特点可概括如下。

(1)基于统计时分复用。

(2)面向连接:ATM采用面向连接的工作方式，即在用户信息传送前，先要有连接建立过程；在信息传送结束后，要拆除连接。当然，这不是物理连接，而是一种虚连接。

(3)固定长度信元:ATM交换是固定长度的信元中继。信元(Cell)实际上就是很短的分组，只有53个字节(Byte),其中开头5个字节称为信头(CellHeader),其余48个字节为信息域，或称为净荷(PayLoad)。采用很短的信元可以减少交换节点内部的缓冲器容量以及排队时延和时延抖动。信元的长度固定，则有利于简化交换控制和缓冲器管理。

(4)信头简化：信头中包含控制信息的多少反映了交换节点的处理开销。因此要尽量使信头简化.以减少处理开销。ATM信元的信头功能有限，主要有虚连接的标识、优先级标志、信头的差错检验等功能，信头中的差错检验只针对信头本身。

            当节点使用ATM交换技术时，可构成ATM传送网和B4SDN网。以上介绍的是几种主要的节点交换技术的比较，如图4.8所示。

2.信息传递过程

下面对应用进程数据如何在开放系统互连环境中进行传递作进一步说明。图4.10所示为应用进程的数据是怎样一层接一层地传递的。这里为简单起见，省去了两个开放系统之间的节点，即省去了中继开放系统。图中着重说明的是应用进程的数据在各层之间传递过程中所经历的变化。

应用进程AP.先将其数据交给第7层。第7层加上若干比特的控制信息就变成了下一层的数据单元。第6层收到这个数据单元后，加上本层的控制信息，再交给第5层，成为第5层的数据单元。依次类推。不过到了第2层（数据链路层）后，控制信息分成两部分分别加到本层数据单元的首部和尾部，而第1层（物理层）由于是比特流的传送，所以不再加上控制信息。当这一串的比特流经网络的物理媒体传送到目的站时，就从第1层依次上升到第7层。每一层根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将剩下的数据单元上交给更高的一层。最后，把应用进程APa发送的数据交给目的站的应用进程APbo可以用一个简单的例子来比喻上述过程。有一封信从最高层向下传，每经过一层就包上一个新的信封。包有多个信封的信传送到目的站后，从第1层起，每层拆开一个信封后就交给它的上一层。传到最高层后，取出发信人所发的信交给收信用户。

虽然应用进程数据要经过如图4.10所示的复杂过程才能送到对方的应用进程，但这些复杂过程对用户来说，却都被屏蔽掉了，以致应用进程APa觉得好像是直接把数据交给了应用进程APho同理，任何两个同样的层次（如在两个系统的第4层）之间，也好像如同图4.10中的水平虚线所示的那样，可将数据（即数据单元加上控制信息）直接传递给对方,这就是所谓的“对等层”之间的通信。以前经常提到的各层协议，实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。

3.OSI与节点交换技术

简单地说，OSI模型与各种交换技术及由它们形成的各种业务网之间的关系可概括为：

•电路交换和电话网、数字数据网DDN以及移动通信网，相当于OSI模型的第1层,即物理层交换，无须使用协议；

•使用X.25协议的低速分组交换数据网，相当于OSI模型的低3层，即包括：物理层、数据链路层、网络（分组）层；

•帧中继及帧中继网相当于OSI模型的低2层：物理层和数据链路层，并对数据链路层进行了简化；

•ATM协议相当于OSI模型的低2层，但比帧中继还简化；

•以太网协议也使用OSI模型的低2层协议，但它的数据链路层比较复杂；

•IP网使用OSI模型的低4层协议。

值得特别注意的两个问题如下。

（1） OSI在实际中并没有得到真正的应用，几乎找不到有什么厂家生产出符合OSI标准的商用产品。因为其分成7层的结构显得太复杂，故不断地被简化。特别是上层结构，如会话层、表示层没有在实际中应用，传输层也只在IP网络的TCP/IP协议中使用。而且，随着未来网络的不断发展及功能需求的不断变化，分层结构还会进一步地简化。虽然这样，但其分层通信的思想还是融合在各种应用广泛的体系结构中，因而有必要对其有所了解。

（2） 协议体系结构通常定义的是各层应该提供的服务，或具有的功能，而不是规定如何实现这些功能，由厂家生产出来的符合标准的产品则提供这些功能。

无连接与面向连接

            前面讲述的交换技术指的是网络核心一交换设备中使用的交换技术。而网络技术（NetworkingMode）指任意用户之间通信时，在网络内各节点间实现其通信的方式。

            网络技术分为无连接和面向连接两大类。无连接指不需要事先建立连接就可进行通信的方式；而面向连接指通信前需要先建立连接，通信后要拆除连接，在通信期间，不管是否有信息传送，连接始终保持。

面向连接方式可分为面向物理连接和面向逻辑连接。前者建立和拆除的是物理连接;后者则是逻辑连接，也称为虚连接。对这两种连接的主要特点比较如下。

(1)物理连接

•基于同步时分复用信号；

•连接通过事先选好的固定的节点，即两个用户通过的由节点组成的路由确定；

•指定路由中任意两个节点间的物理通路确定，即一个通路就是一个选定的时隙。

(2)逻辑连接

•基于统计时分复用信号；

•连接通过事先选好的固定的节点，即两个用户通过的由节点组成的路由确定；

•指定路由中任意两个节点间的通路不是指定的时隙，而是逻辑通路.即一个通路就是一个选定的逻辑信道号。

            另外，按照连接建立和拆除的控制方式又分为半永久连接和交换式连接。半永久连接指连接由O&M功能来建立和拆除，也就是通常所说的专线方式；而交换式连接则指连接由信令功能来自动建立和拆除，当用户发起呼叫请求时，网络利用信令自动建立连接，呼叫结束时自动拆除，呼叫持续时间较短。此时，若连接为逻辑连接，则相应可称为半永久虚连接(PVC)和交换式虚连接(SVC)。有时为了方便起见，也可将半永久连接称为永久连接。