【正文】 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 引言 交換的有關(guān)概念 主要的幾種交換方式及其原理 交換機(jī)典型的組成原理 交換機(jī)的控制原理 ATM交換機(jī) IP交換機(jī) 光交換機(jī) 移 動 交 換 機(jī) 習(xí)題 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 引 言 最早的交換機(jī)是人工操作的，稱為人工電話交換機(jī)。人工電話交換機(jī)有兩種，一種是磁石式電話交換機(jī)，用戶首先用手搖發(fā)電機(jī)發(fā)出呼叫信號，使相應(yīng)的用戶接口電路上的指示燈亮。話務(wù)員發(fā)現(xiàn)后，將自己的話路與呼叫者的話路接通，問明被叫者后，選定一條空閑繩路，然后將鈴流發(fā)生器與被叫話路接通。被叫方摘機(jī)，指示燈亮后，話務(wù)員拆斷鈴流，接通繩路，使發(fā)話、受話雙方通話。通話結(jié)束后，用戶掛機(jī)，接口指示燈滅，話務(wù)員拆除繩路，完成一次通話過程。另一種是共電式電話交換機(jī)，話務(wù)員的操作基本上同磁石式交換機(jī)一樣，不同的是通話電源由電話局集中供電。人工交換機(jī)因其容量小、接續(xù)速度慢、需設(shè)話務(wù)員等缺點(diǎn)，現(xiàn)已被淘汰或僅用在某些特殊場合。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 1889年 ， 美國人史端喬發(fā)明了第一臺無需話務(wù)員接線的步進(jìn)式自動交換機(jī) ， 并在三年后投入了使用 。 此后 ， 隨著技術(shù)的發(fā)展 ， 交換機(jī)的自動控制方式先后主要經(jīng)歷了機(jī)電制 、 布控制和程控制三代 。 機(jī)電制控制系統(tǒng)的接續(xù)過程是依靠對步進(jìn) (侍服 )電機(jī)等的控制來完成的。在布控系統(tǒng)中，存在許多由繼電器或電子器件構(gòu)成的控制單元電路，接續(xù)中所需的邏輯功能是通過適當(dāng)設(shè)計(jì)這些控制單元之間的布線來完成的。機(jī)電制和布控制交換機(jī)中的控制系統(tǒng)所采用的器件和電路都較簡單，它們的功能通常僅限于基本的呼叫接續(xù)處理。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 機(jī)電制和布控制交換機(jī)的典型代表是縱橫制交換機(jī) ，縱橫制交換機(jī)采用縱橫接線器作為話路接續(xù)部件 ， 采用間接控制方式 ， 把話路設(shè)備和控制設(shè)備完全分開 。 這種設(shè)計(jì)思想是電話交換技術(shù)上的重大發(fā)展 。 縱橫制交換機(jī)的組成方式為后來程控交換機(jī)的出現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ) 。 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用 ，人們開始將計(jì)算機(jī)作為交換機(jī)的控制部分 ， 以預(yù)先編制好的程序來控制話路接續(xù)部分的工作 ， 這也就出現(xiàn)了程控交換機(jī) 。 與機(jī)電式布控交換機(jī)相比 ， 程控交換機(jī)在接續(xù)速度 、靈活性等方面 ， 都有了極大的提高 。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 受當(dāng)時(shí)電子器件和集成電路技術(shù)的限制 ， 開始的程控交換機(jī)是空分程控交換機(jī) ， 即它的控制部分是存有交換程序的計(jì)算機(jī) ， 而話路接續(xù)部分仍然采用機(jī)電式接線器或空分電子接線器 ， 組成空分模擬交換網(wǎng)絡(luò) ，以交換模擬話音信號 。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 早期的通信網(wǎng)是模擬網(wǎng)絡(luò)，通過模擬信號來表示話音和數(shù)據(jù)。后來，在傳輸線路上產(chǎn)生了數(shù)字傳輸系統(tǒng)，并逐步由數(shù)字傳輸系統(tǒng)來取代模擬傳輸系統(tǒng)，而這時(shí)的交換系統(tǒng)仍然是模擬交換系統(tǒng)。模擬交換系統(tǒng)和數(shù)字傳輸系統(tǒng)連接時(shí)，要進(jìn)行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是不得已而為之的。隨著傳輸系統(tǒng)數(shù)字化比例的增大，就越顯示出模擬交換系統(tǒng)與數(shù)字傳輸系統(tǒng)連接時(shí)在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上的種種不足，也就更迫切地需要能直接交換數(shù)字信號的交換系統(tǒng)。隨著集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，我們把脈碼調(diào)制 PCM技術(shù)應(yīng)用到交換領(lǐng)域中，在程控交換機(jī)的話路接續(xù)部分采用大規(guī)模集成電路組成的數(shù)字交換網(wǎng)絡(luò)，直接交換 PCM數(shù)字信號，這也就出現(xiàn)了時(shí)分?jǐn)?shù)字交換機(jī)，標(biāo)志著交換技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字交換的時(shí)代。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 數(shù)字交換機(jī)的誕生不但使電話交換跨上了一個(gè)新的臺階，而且對開通非電話業(yè)務(wù)提供了有利條件。在數(shù)字交換機(jī)上既能進(jìn)行電路交換，又能進(jìn)行分組交換，而且能實(shí)現(xiàn)話音和非話業(yè)務(wù)等多種業(yè)務(wù)通信，組成綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)。這表明交換技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)新的世紀(jì)，人們早已將交換概念的內(nèi)涵擴(kuò)展了，其外延也一直延伸至廣義的信息交換。交換的概念不僅涉及對延時(shí)敏感的話音，而且包含數(shù)據(jù)交換和視頻交換，也就是說，現(xiàn)在的交換概念不再是電路交換，也不完全是分組交換，而是信息交換。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 由于數(shù)據(jù)信息的傳遞采用分層的概念來考慮，因而相應(yīng)的信息交換也引入了分層交換的概念，即我們經(jīng)常聽到的各種交換的新名詞，如第二層交換、第三層交換、第四層交換。其實(shí)，最基本的交換還是第一層，即物理層的交換，傳統(tǒng)電話交換系統(tǒng)就是采用這種交換。在其他層的交換實(shí)際上是一種軟交換 (Soft Switching)或虛擬交換 (Virtual Switching)。 第二層交換起始于 1993年，當(dāng)時(shí)的交換機(jī)運(yùn)行在數(shù)據(jù)鏈路層，它可以訪問 MAC(介質(zhì)訪問層 )地址，作出幀轉(zhuǎn)發(fā)的決策，同時(shí)構(gòu)筑自己的轉(zhuǎn)發(fā)表。第二層交換機(jī)的應(yīng)用使網(wǎng)絡(luò)帶寬得以提高，并為傳輸圖像、音頻等信號提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 但是隨著網(wǎng)絡(luò)日新月異的發(fā)展，多協(xié)議網(wǎng)絡(luò)成為主流，連接多個(gè)子網(wǎng)成為十分普遍的現(xiàn)象，但第二層交換機(jī)難以滿足網(wǎng)絡(luò)對功能的要求。在這種情況下，多協(xié)議路由器成為構(gòu)筑高級網(wǎng)絡(luò)的主要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工具，但路由器除了硬件支撐外，其“復(fù)雜的處理與強(qiáng)大的功能”主要是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的，這必然使得它成為網(wǎng)絡(luò)瓶頸，同時(shí)，價(jià)格也更高。到了 1997年，情況開始發(fā)生變化，路由交換機(jī)出現(xiàn)了，它引進(jìn)了對第二層幀處理進(jìn)行優(yōu)化的 ASIC專用集成電路，可以根據(jù)一臺外部路由器所創(chuàng)建的路由表以線速傳輸 IP信息流。同時(shí)，傳統(tǒng)路由器的使用使傳統(tǒng)協(xié)議得到支持，路由速度有了較大的提高。不久以后，真正意義上的第三層交換機(jī)的出現(xiàn)使數(shù)據(jù)傳輸速度明顯提高，同時(shí)它還支持多種路由協(xié)議。在其新的 ASIC中內(nèi)置了幀處理器，可以完成網(wǎng)絡(luò)層的部分功能，使 ASIC更加靈活、易擴(kuò)展。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 第二層與第三層交換在解決局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的帶寬及容量問題上發(fā)揮了很好的作用 ， 但這還不夠 ， 還有許多性能有待實(shí)現(xiàn) ， 這正是為什么會出現(xiàn)第四層交換的原因 。第二層交換連接用戶和網(wǎng)絡(luò) ， 在子網(wǎng)中指引業(yè)務(wù)流；第三層交換或路由器將數(shù)據(jù)包從一個(gè)子網(wǎng)傳到另一個(gè)子網(wǎng)；第四層交換將包傳到終端服務(wù)器 。 第四層交換是網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的重要因素 ， 它使得服務(wù)器容量隨網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加而增加 。 可以這樣說，如果第二層交換是網(wǎng)橋的再現(xiàn)，第三層交換是路由的實(shí)現(xiàn)，第四層交換可以根據(jù)專門的應(yīng)用進(jìn)行流量排隊(duì)，這為基于正規(guī)的服務(wù)質(zhì)量機(jī)制提供了一條更可靠的操作途徑。所以第四層交換也叫作“會話交換機(jī)”。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 第四層交換技術(shù)利用第三層和第四層包頭中的信息來識別應(yīng)用數(shù)據(jù)流會話，這些信息包括 TCP/UDP端口號、標(biāo)記應(yīng)用會話開始與結(jié)束的“ SYN/FIN位以及 IP源 /目的地址。利用這些信息，第四層交換機(jī)可以做出向何處轉(zhuǎn)發(fā)會話傳輸流的智能決定。對于使用多種不同系統(tǒng)來支持一種應(yīng)用的大型企業(yè)數(shù)據(jù)中心、 Inter服務(wù)提供商或內(nèi)容提供商，以及在很多服務(wù)器上進(jìn)行復(fù)制操作的時(shí)候，第四層交換的作用就尤為重要了。第四層交換機(jī)是為高速 Intra而設(shè)計(jì)的，它支持 100 Mb/s或千兆位接口。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 由于網(wǎng)絡(luò)對速度的要求與日俱增，千兆位以太網(wǎng)開始成為許多單位擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的首選，這就給交換機(jī)提出了兼容性問題。同時(shí)， FDDI主干網(wǎng)的廣泛引入及 ATM技術(shù)的迅猛發(fā)展，也對交換機(jī)提出了一些新的要求，比如要求交換機(jī)要支持 MPOA(MultiProtocol Over ATM)協(xié)議等。另外，某些舊有的網(wǎng)絡(luò)僅適應(yīng)某種單一技術(shù)，在情況發(fā)生變化時(shí)，比如原有網(wǎng)絡(luò)要擴(kuò)容，或要架立新網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會因要解決兼容性問題而額外支出成本。為了減小支出，要求交換系統(tǒng)應(yīng)該能保證原有網(wǎng)絡(luò)可以與新網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無縫連接，并允許采用 PPP、幀中繼及 ATM等技術(shù)。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 在這種形勢下，交換技術(shù)也相應(yīng)發(fā)生了一些變化：高速第三層交換機(jī)替代了基于軟件的路由器，第四層交換機(jī)正在蓬勃興起。新的交換系統(tǒng)可以包含第二層交換、第三層交換、第四層交換甚至上至七層的任何一對一的交換，它具有十分強(qiáng)大的功能。新的交換系統(tǒng)使你可以建立一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)，結(jié)合強(qiáng)大的千兆網(wǎng)及 ATM核心交換與路由，實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)的交換，包括以太網(wǎng)交換、快速以太網(wǎng)交換、千兆以太網(wǎng)交換、令牌環(huán)交換、 FDDI交換、局域網(wǎng)到ATM的交換等。另外，它還能幫助實(shí)現(xiàn) ISDN的接入，對主干網(wǎng)的接力訪問等。這種新型數(shù)據(jù)交換技術(shù)的主要特點(diǎn)包括： 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) (1) 整合了多種交換設(shè)備 。 為了解決整合性問題 ， 采用 IEEE ， 可配置單交換機(jī) 、交換機(jī)堆棧或一組通過標(biāo)準(zhǔn)電纜相連的交換機(jī)的虛擬局域網(wǎng) VLan(Virtual Lan)， 還可跨多種交換機(jī) 、 任何工作站或服務(wù)器 ， 支持接口集合 。 (2) 整合了多媒體功能 。 新一代交換機(jī)將聲音 、 視頻與數(shù)據(jù)整合為一體 ， 使成本大幅度降低 ， 實(shí)現(xiàn)了聲音 、 視頻及數(shù)據(jù)的電路仿真 。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) (3) 增加了交換網(wǎng)的智能。智能化使交換網(wǎng)起到了更大的作用：可以收集動態(tài)變化的信息，自動翻譯 IP地址，自動地、動態(tài)地分配 IP地址；可以鑒定用戶，提供完全的用戶流動性，保持安全與 QoS(服務(wù)質(zhì)量 )政策；可以管理帶寬，使帶寬優(yōu)化，保護(hù)資源；還能智能地發(fā)布 Multicast(多路廣播 )信息，指導(dǎo)視頻廣播。 (4) 提高了安全性 。 新一代交換機(jī)集成了防火墻功能 ， 而且還可以保護(hù)系統(tǒng)的重要資源 ， 抵抗來自內(nèi)部的攻擊 。 (5) 提高了支持性 。 網(wǎng)管支持多種協(xié)議 ， 如 SNMP、 Tel等 ， 還支持 RS232端口訪問；支持堆疊 ， 堆疊后 ， 多臺交換機(jī)共享一個(gè)交換矩陣 ， 可以使數(shù)據(jù)流暢通無阻地通過交換機(jī) 。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) (6) 更加易于管理 ， 富有效率 。 新一代交換系統(tǒng)不僅提供優(yōu)質(zhì)的冗余管理和共享負(fù)載的能源供應(yīng) ， 并增加了 IP電話的應(yīng)用 ， 使交換時(shí)代由電話交換轉(zhuǎn)換為 IP交換 ， 交換網(wǎng)因此也變得更加有效 。 交換技術(shù)在不斷地發(fā)展 ， 將來要發(fā)展到什么地步 ，現(xiàn)在還難以定論 。 總體上來說 ， 現(xiàn)代交換技術(shù)的發(fā)展趨勢如下： (1) 交換與傳輸相互滲透。隨著技術(shù)的發(fā)展和互相滲透，網(wǎng)絡(luò)、傳輸和交換之間的關(guān)系也更為緊密。例如，數(shù)字交叉連接系統(tǒng)含有交換功能，而當(dāng)代交換系統(tǒng)則大多含有內(nèi)部高速光纖連接和內(nèi)置光接口。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) (2) 電交換向光交換過渡。伴隨著光傳輸技術(shù)的發(fā)展，分組交換已成為寬帶網(wǎng)絡(luò)中的主要瓶頸問題，由于電子元件(特別是存儲器芯片 )本身的速度和整機(jī)制造工藝的限制，目前，高速路由交換設(shè)備的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳輸技術(shù)發(fā)展的需要，發(fā)展高速、大容量、具有服務(wù)質(zhì)量保證的分組交換設(shè)備是寬帶網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中必須解決的重大技術(shù)問題。目前，一方面各種新型高速分組交換設(shè)備在不斷涌現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)也在不斷發(fā)展；另一方面，光交換技術(shù)也逐漸顯示出其潛在的優(yōu)勢，它可以克服電子交換設(shè)備在速度和容量上的限制，具有極大的發(fā)展空間。但目前光交換技術(shù)離實(shí)用化尚有距離，可以預(yù)見，在一定的時(shí)間內(nèi)， ATM交換和 IP交換仍將是寬帶網(wǎng)絡(luò)的主要交換方式。然而，隨著光交換技術(shù)的發(fā)展，它必將成為未來的干線網(wǎng)絡(luò)的主要交換手段。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) (3) 未來的交換系統(tǒng)是一個(gè)綜合化 、 寬帶化和智能化的交換平臺 。 ISDN(包括 BISDN)業(yè)務(wù)的開拓和發(fā)展 、 Inter業(yè)務(wù)的不斷加強(qiáng) 、 本地網(wǎng)和接入網(wǎng)替代 DDN的要求及接入網(wǎng)永久連接帶寬的提出等 ， 促使交換網(wǎng)絡(luò)容量必須向大型化發(fā)展 。 (4) 傳統(tǒng)的話務(wù)理論面臨挑戰(zhàn) 。 目前 ， 交換機(jī)一般都采用固定集線比方式或者人工配置方式 ， 已很難適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求 。 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的上升使得沿用近百年的話務(wù)理論面臨著前所未有的挑戰(zhàn) 。 接入網(wǎng)的逐步推廣迫使交換平臺無法再用傳統(tǒng)的按用戶 、 中繼分群的配置方式 ， 因此 ， 應(yīng)考慮采用大線束動態(tài)集線比 。 同時(shí) ， 對話務(wù)處理能力的要求也將愈來愈高 。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) (5) 交換與業(yè)務(wù)的分離。智能網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)是最終將交換與業(yè)務(wù)控制分離。實(shí)踐證明，整個(gè)交換系統(tǒng) (或網(wǎng)絡(luò) )將演變?yōu)?IN的架構(gòu)形式，并使全網(wǎng)業(yè)務(wù)的研究、發(fā)展和提供與時(shí)代的要求相同步。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 交換的有關(guān)概念 接線器和接續(xù)網(wǎng) 一臺交換機(jī)通常由交換網(wǎng)絡(luò)、接口、控制系統(tǒng)三部分組成，它們之間的關(guān)系如圖 。接口的作用是將來自不同終端 (如電話機(jī)、計(jì)算機(jī)等 )或其他交換機(jī)的各種傳輸信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的交換機(jī)內(nèi)部工作信號，并按信號的性質(zhì)分別將信令傳送給控制系統(tǒng)，將消息傳送給交換網(wǎng)絡(luò)。交換網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)各入線與出線上信號的傳遞或接續(xù)?？刂葡到y(tǒng)則負(fù)責(zé)處理信令，按信令的要求控制交換網(wǎng)絡(luò)以完成接續(xù)，通過接口發(fā)送必要的信令，協(xié)調(diào)整個(gè)交換機(jī)的工作。 第 4章 現(xiàn)代交換技術(shù) 交換網(wǎng)絡(luò)又稱為接續(xù)網(wǎng)絡(luò)，它可由一個(gè)或多個(gè)接線器組成。接線器的工作原理可用圖 。接線器左邊是入線，右邊