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1、交换原理与技术,第一章 绪论,点点通信与网络通信,一对用户之间通信采用点点通信，多对用户之间互相通信采用网络通信 多用户之间采用点点通信的方式浪费通信资源 交换设备可以连接任意一对输入输出端口,电信网的结构,本地网,长途网,互联网的结构,交换机的组成,交换网络:提供任意输入与输出端口之间可控制的连接控制器：实现交换网络的路由控制，配置路由表，控制交换网络中的交叉节点开关。面向连接的交换中控制器完成信令的收发处理，无连接的交换中实现路由协议、建立路由表接口：交换机对外提供服务的桥梁，实现接收、发送进出交换机的数据，完成外部数据格式到交换数据格式的转换，完成定时与同步，外部数据进出交换网络的存储。
2、根据连接外界设备的种类，分为模拟接口、数字接口；用户接口、中继接口；各种速率、各种应用的接口.,交换机的性能指标,交换容量：交换机能够提供的最大吞吐量。设端口数N=8，每端口速率R=10Gb/s。交换容量C=80G阻塞率：交换机内部资源（内部交换线路、缓存器）全部被占用的概率时延：信令处理与转发分组的时延交换机中的差错率：信号窜扰、软件缺陷引入的差错接口类型：能够连接外部设备、提供服务的种类、数量可靠性：交换机无故障运行的时间。交换机中的关键设备（微处理器、交换网络）通常冗余备份的方法提高可靠性,通信网的分类（二）,电路交换网络：电信网 通信之前通信双方互通控制信息，预留通信资源 通信全过程分
3、为建立连接、用户信息传送、拆除并释放连接三个阶段 通信双方在通信期间始终占有通信资源（业务信道、交换设备、信令信道），信道利用率低 通信时延恒定、一般通信时延小分组交换网络：互联网、ATM 通信双方只有在传送分组时才占用通信资源，信道利用率高 虚电路：通信之前建立连接，互通控制信息，可以预留资源 数据报：通信之前不建立连接，不预留资源 分组在网络中排队时延不固定，端到端通常存在时延抖动,第二章 交换理论基础,泊松过程,呼叫产生具有独立增量性：在互不相交的时间段中呼叫的产生是相互独立的在t时间内发生k个呼叫，即在n个 区间内产生k个呼叫的概率为 为t时间内的平均呼叫数 泊松过程是一种齐次马尔可夫
4、过程,指数分布,设随机变量X的概率密度函数为 则称随机变量X服从参数为 的指数分布指数分布的分布函数为呼叫到达服从泊松分布时，呼叫间隔服从指数分布。在时间t内没有发生呼叫的概率为 呼叫间隔X的分布函数为.,电路交换系统中的话务量（二）,A表示流入话务量强度，表示单位时间中产生的呼叫次数。S表示呼叫平均占用时间，一条入线的话务量强度用a表示，则有流入的总话务量强度A=Na。一天中最繁忙的60分钟内的话务量称“忙时话务量”A或a分别为N条入线或单条入线在呼叫平均占用时长内流入的呼叫数a 是单条入线被占用的概率（占用时间百分数）A是N条入线中同时被占用的平均数,电路交换系统中的话务量（三）,表示m个
5、服务器的完成话务量强度，为单位时间内完成服务的呼叫数。表示单个服务器的完成话务量强度，m个服务器完成的总话务量强度 或 分别为m个服务器或单个服务器在呼叫平均占用时长内完成服务的平均呼叫数 是单个服务器忙的概率 是m个服务器中同时被占用的平均数 一个损失非常小的系统，完成话务量强度近似等于流入话务量强度，在工程计算中笼统地使用“话务量”,电路交换系统中的呼损,明显损失制系统和等待时间有限的等待制系统中的服务质量用呼损率衡量呼损率分为按呼叫计算的呼损率，按时间计算的呼损率和按负载计算的呼损率、为 内损失的呼叫次数和产生的呼叫次数、为 内损失的话务量和流入的话务量 为 内所有服务设备全部阻塞的时间
6、,生灭过程,生灭过程是一种特殊的奇次马式过程，系统的状态只能向相邻状态转移,电路交换中服务器被占用的概率,当服务器个数大于用户数时，采用二项分布计算当服务器个数少于用户数时，用恩格赛特分布计算当服务器个数少于用户数且用户数无穷大时采用爱尔兰分布计算当服务器个数和用户数都趋于无穷大时采用泊松分布计算,服务设备的占用概率恩格塞特分布,服务设备的占用概率爱尔兰分布,适用于呼叫源数为无穷大，服务设备数量有限（，m有限或Nm）的情况,呼损率爱尔兰呼损公式,m一定，话务量越大，呼损 越大。呼损一定，话务量越 越大，需要的服务器越多 m足够大时，A与m近似线性5eA50e 时,第三章 电路交换网络结构及工作
7、原理,话音的同步时分复用E1帧结构,空分交换网络单节点交换器,空分交换器(Crossbar),1,2,n,m,1,2,crosspointenabled,crosspoints,交叉开关矩阵,cross,bar,开关接通保持时间：一个呼叫，电路交换一个分组，分组交换一个突发，突发交换,3,开关数nm,空分交换网络clos网络,Clos网络中每个第一级交换器与每个第二级交换器都相连，任何一条入线和任何一条出线之间存在n条通路当中间级交换器的数目一定大时，只要一对入线和出线空闲，网络内部就一定存在一条通路连接入线与出线。称为无阻塞当入线与出线之间存在多条通路时，需要依靠路由算法选择一条通路,第一、
8、第二级称为发散级，第三级称为混合级,空分交换网络clos网络（二）,Clos网内部严格无阻塞条件：rn+j-1（第一级m个nr交换器，第二级r个mk交换器，第三级k个rj交换器）,Stage1,Stage3,交换器i,交换器k,1,1,n,j,j-1忙,n-1忙,Stage 2,无阻塞的极端情况：rn+j-1,去往其他交换器,来自其他交换器,网络阻塞率,一对入线与出线都空闲，网络内部没有空闲路径来连接它们，称为交换网络阻塞使用概率线性图法来分析阻塞率：网络内部的链路占用互相独立，每条链路上的负载都相同。图3.3中的内部链路占用概率为m=A/（mn），A为网络承担的话务量。图3.4的阻塞率等于内
9、部链路同时全忙的概率,Clos网络每条内部链路阻塞率为,一条通路忙的概率,所有通路全忙的概率,时分交换网络 T交换器,时间交换器完成时分多路复用信号的时隙交换时隙交换要依靠存储器完成。把时隙i交换到时隙j，首先把多路复用信号中的时隙i的信号写入储存器，再在时隙j的位置输出根据对存储器读写的控制，T交换器分为顺序写入控制读出和控制写入顺序读出,时分交换网络 T交换器（二）,话音存储器存储每个时隙的话音信号，控制存储器存储读或写话音存储器的地址。话音存储器和控制储存器中的存储单元数等于入线和出线上的时隙数,时分交换网络 S交换器,S交换器不能把一个时隙交换到另一个时隙，只能在一个时隙把一条入线连接
10、到一条出线,多级时分交换网络 TST,单一的T交换器不能构成容量很大的网络，大容量网络需要采用多级交换器。多级交换器可以完成任何一条入线时隙到任何一条出线时隙的交换,多级时分交换网络STS,时分交换网络的时-空等效：T交换器,每个时隙对应一个话路，T交换器完成串行时分多个话路的交换，等效于一个空分交换器并行完成多话路的交换（在等效的空分交换器中，一条入/出线上，是一条话路）,时分交换网络的时-空等效：S交换器,完成K个时隙交换的S交换器等效于K个空分交换器，每个空分交换器完成一个时隙入线与出线的交换,多级时分交换网络的时-空等效及阻塞率计算,T交换器等效的空分交换器的32根出线，代表32个时隙
11、，S交换器等效于32不同时隙的空分交换器。T交换器的每根出线，连接到不同S交换器上使用概率线图法计算空分交换网络的阻塞率。网络的阻塞率等于一对输入/输出线的通路全部被阻塞的概率,第四章 电路交换控制,中国五级电话网络结构,C1：大区中心，我国有六个采取网状结构,C2：省中心,C3：地区中心,C4：县中心,C5:端局,C1局以下逐级汇接，并辅以一定数量的直达路由,电话网中路由选择方案,路由选择遵循由近及远的方案,计算机自动计费系统,交换机输出原始数据，计算机存储和统计话费,交换机输出数据包括：主、被叫号码，呼叫开始时间，通话持续时间，使用的中继线号，账号，通话的服务种类,电信网的传输系统,电信网
12、的传输分为有线和无线两大类。有线的传输媒介为双股电缆、同轴电缆、光纤。无线传输包括微波和卫星宽带光纤传输构成电信网的主干网，广泛采用SDH（同步数字体系）。无线传输是有线传输的补充，可以覆盖偏远、人烟稀少的地区中继传输的传输方式采用数字传输或模拟传输。使用数字传输时采用TDM将话路进行复用，使用模拟传输时，采用FDM进行复用数字传输又分为基带传输和载波传输,电信网的同步（一）,通信网的同步包括帧同步与位同步位同步是正确接收信息的关键，帧同步决定从哪里开始解释接收的比特流,接收与发送时钟不一致时引入的错误,电信网的同步（二）,减小交换机间时钟频率不一致而引入错误的方法是采用“水池”法,模拟用户接
13、口（用户电路）,模拟用户接口包含七大功能（BORSCHT）B馈电 话机所需-48V直流电源由交换机提供O过压保护 保护交换机的内部电路不受雷电、工业高压破坏R振铃 向话机馈送铃流，用户摘机后切断铃流S监测 监测环路直流电流的变化，向控制系统送出摘、挂机信号和拨号脉冲信息C编解码 完成模拟话音和带内信令的PCM编解码H混合完成环线2线传输与交换网络4线传输之间的变换T试验 提供试验环线系统各个环节的工作状态,信令概述,电信网中为了能够在任意两个用户之间建立一条 话路，交换设备必须根据用户要求进行话路接续工作，把接续的进展情况和下一步要求送到另一个有关交换局或用户。这些用户与交换局、交换局与交换局
14、之间为建立话路和拆除话路而传送的信号称为信令。信令是交换机与交换机之间，交换机与用户之间交换的控制信息信令除了完成话路的接续的控制外，在维护中心与交换设备之间，交换设备与交换设备之间，还要传送通信网维护、管理和统计等信息，这些信息也属于信令。,信令的分类,按信令的工作区域分类，可分为用户线信令（终端信令）和局间信令用户线信令是用户话机和交换机之间的信令，反映用户话机的摘机和挂机状态；终端信令还包括用户话机发出的数字信号按照信令的传输方式分类，可分为随路信令和公共信道信令,No.7信令概述,No.7信令信息多种多样。监测信令、地址信令、操作信令（电信网的管理维护信令）等都可由No.7信令系统传送
15、No.7信令的信令容量比多频编码信令系统的信令容量大得多，为开放新业务及提高通信网的功效提供了有利条件No.7信令系统属于数据通信网络，符合计算机系统开放互连参考模型（OSI）No.7信令系统基本功能划分为两个部分：用户部分UP和消息传递部分MTP，MTP适用于不同UP，实现用户设备间可靠的信息传递，MTP分为三层：信令网功能、信令数据链路功能、信令数据链路,程控交换机的控制系统,使用计算机（微处理器）进行控制利用计算机的处理功能可以实现程控交换机运行、维护、管理的自动化、实时化，提高呼叫处理能力通过增加和改变软件，可以方便地对系统的组态、功能进行改变和调整，提高了系统的灵活性、可操作性方便增
16、添新业务，新功能，方便用户的使用,计算机控制系统的工作过程,接收外界信息分析并处理外界信息输出处理结果,程控交换机中程序的执行管理,程控交换系统中任务按照紧急性和实时要求不同分为三级故障级：硬件故障和电源报警的处理周期级：信令输入和呼叫处理等需要定时重复执行的进程，由时钟中断启动执行基本级：没有严格时间限制的进程，可以延迟执行，可以等待插空处理,程控交换机中程序的执行管理（二）,周期级进程依据周期表决定能否在一中断周期被执行,比特表的设置要保证进程的实时性要求和处理机负荷的均匀，尽量使比特表每行“1”的个数基本相等,第五章 分组交换,OSI七层参考模型,L7,L6,L5,L4,L3,L2,L1
17、,R,L1 物理层 L2 数据链路层 L3 网络层 L4 传输层 L5 会晤层 L6 表示层 L7 应用层,MSG,MSG,MSG,MSG,PKT,BIT,IS,FRAME,ES,ES,PDU,Peer to Peer Protocol,层间关系,互联网的参考协议-TCP/IP,ApplicationTransportInternetNetwork InterfacePhysical,应用层对应OSI第五、六、七层传送层与OSI模型第四层相似，但分为TCP和UDP两个协议，分别适合不同应用网际层协议称为IP，规定数据分组的格式 和转发机制网络接口层，规定数据帧的构成及传输物理层，对应于基本的网
18、络硬件，与OSI模型的第一层相同,INTERNET TCP/IP协议集,分组交换中路由的表示方法,源路由：分组头部携带路由信息,路由表：路由表中根据分组头部的目的地址或连接标识给出分组的下一个转发结点,路由协议,不同的路由算法基于不同的网络状态信息，进行路由计算Bellman-ford算法要知道相邻节点到目的节点的最短路径，本节点和相邻节点间的距离，由此计算本节点到目的节点的最短路径Dijkstra算法要知道整个网络的拓扑连接关系，每条链路的距离（权重）才能进行路由计算路由协议提供路由算法计算最短路由所需要的信息距离矢量路由协议提供Bellman-ford算法计算路由需要的信息，各个节点向相邻
19、节点传送本节点到目的节点的最短距离链路状态路由协议提供Dijksra算法计算路由所需的信息，每个节点把它与邻节点的拓扑连接关系向整个网络广播，所有节点由此可以知道网络的拓扑,Dijkstra 路由算法,第六章面向连接的快速分组交换,ATM：快速分组交换,简化协议，取消链路层的差错控制和流量控制 采用基于硬件实现的设计和并行处理 采用固定长度的小分组，易于采用硬件进行交换 采用面向连接的分组交换方式，不同的连接用不同的连接标识区分，使用固定长度的连接标识查找路由表，可以实现快速查找。由于建立了连接，因此可以实现资源预留，保证服务质量,ATM信元结构,VPI、VCI用于连接的标识，一个VP下面包含
20、多个VCPT用于区分信元是用户信息信元，还是OAM信元或RM信元，PT在用户信元中携带拥塞指示信息CLP标识信元丢失优先级，HEC对信头进行校验,ATM的协议参考模型,物理层负责通过物理媒质正确、有效的传送信元；ATM层负责信元的复用和交换；AAL层负责实现高层与ATM层的适配，以便用统一的ATM技术支持各种各样的业务与应用,ATM的Crossbar结构,ATM中的Clos网,Clos网络是个多路径网络，阻塞率低，需要依靠路由算法来选路。当中间级的数目足够多时，Clos无阻塞,ATM交换各种缓存方式的比较,第七章非连接型快速分组交换,IP协议的作用及网际层协议的组成,互联网是连接网络的网络，通
21、过使用IP协议，底层不同的网络可以互连互通。互联网上的主机进行通信时，感觉不到网络是异构的,在互联网的网际层，除了IP协议之外，还有配合IP协议的四个协议：地址解析协议ARP，逆地址解析协议RARP，控制报文协议ICMP，组管理协议IGMP,分类的IP地址,互联网中的每个主机都有一个全球唯一的标识，这个标识就是IP地址。IP地址由互联网名字与号码指派公司分配。IP地址=网络号，主机号 基本的IP分类地址每一类网络号与主机号字段，长度都是固定的,A类IP地址最多能标识272126个网络，每个网络最多可以有1600万个主机。B类地址可以标识16382个网络，每个网络最多可以连接64K个主机。C类地
22、址可以标识2百万个网络，每个网络最多可以接254个主机,无分类编址CIDR,IP地址面临的问题：1.B类地址1994年就分配完毕2.骨干网路由器中路由表表项数目急剧增长3.IPv4地址空间将被耗尽,IETF使用无分类编址CIDR解决前两个问题，使用IPv6解决第三个问题无分类编址可以使用各种长度的网络前缀（网络地址）IP地址:,CIDR采用斜线记法表示IP地址：128.14.46.34/20。斜线后的数字表示网络前缀,CIDR中的块地址的分配举例,互联网的路由协议,互联网由于路由器数量众多，许多机构不愿将自己机构内部网络结构公诸于众，所以采用分层次的路由选择策略，将网络划分为许多自治域（AS）
23、，一个自治域内部是连通的，由一个机构管辖自治域内部和自治域之间采用不同的路由协议,自治系统内部路由协议RIP,RIP计算出的最短路由，是最小跳数路由。RIP协议实现简单，但相邻路由器之间传递完整的路由表，传递的信息量大，收敛速度慢，不适合大规模的网络RIP协议对“坏消息”传递慢，对路由故障反应慢,自治系统内部路由协议OSPF,每个路由器向本自治域内的路由器广播链路状态信息，只有当链路状态发生变化时才广播这一信息，为了减小广播路由信息的开销，OSPF使用层次性的区域划分,上层主干区域用于连接下层区域，区域边界路由器知道其他区域的路由信息,路由器的基本结构,分组在输入端口中存储、进行路由查找。路由处理器处理路由协议，生成路由表，把路由表发到各个输入端口，输入端口根据路由表生成转发表，按照转发表给出的目的端口转发分组,交换网络负责将分组由输入端口转发到输出端口，交换网络可以是扩展性良好的网络,
