交换与路由

本章节主要介绍：典型网络分类，组网、节点交换等

典型网络分类

业务网	主要提供业务	节点交换设备	节点交换技术
公用电话交换网(PSTN)	普通电话业务 POTS	数字电话程控交换机	电路交换
分组交换网(CHINAPAC)	X.25 低速数据业务<64 kbit/s	分组 X.25 交换机	分组交换
帧中继网(CHINAFRM)	租用虚拟电路(局域网互连等)	帧中继交换机	快速分组交换
数字数据网(DDN,CHINADDN)	数据专线业务 N×64 kbit/s~2 Mbit/s	数字交叉连接复用设备	电路交换
综合业务数字网(N-ISDN)	窄带综合业务	ISDN 交换机	电路交换 分组交换
互联网	数据 IP 电话	路由器	分组交换
ATM 网	数据	ATM 交换机	ATM 交换
智能网(IN)	智能业务	业务控制点(SCP) 业务交换点(SSP)	电路交换
移动通信网	移动话音 移动数据	移动交换机	电路交换 分组交换

网络的基本技术要素

1. 网络结构
2. 网状网（格状网）：效率高、管理复杂、成本高
3. 分级网：效率低、管理简单、成本低
4. 编号计划：来识别身份，有等长制、不等长制
5. 计费方式：按次计费、包月、详细记账、混合等
6. 路由选择
7. 流量控制
8. ...

交换的定义

交换设备是通信网络的重要组成部分，决定通信网络的类型。

交换的引入：点到点、全互联网、通信网

交换基本功能：在任意一个入线和任意一出线之间建立连接

时分复用方式

时间分割，将一条高速数字信道分成若干低速数字信道，一帧的若干时隙，按顺序编号，编号相同的时隙成为一个子信道，传递同一话路的信息，速率恒定。（位置化信道）

统计时分复用

将需传输的信息分成小块（分组），附加标记。同一路信号可以 占用一帧中不同的时间位置，各路信号由标记加以区分。（标志化信道）

电路交换

通信前建立连接，通信后拆除连接，通信期间，不管是否有信息传送，连接始终保持。

基于同步时分复用方式，连接为物理连接。

优点： 实时性好，只要允许建立连接，就可保证通信质量。

缺点： 固定分配带宽，资源利用率低，灵活性差

分组交换

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。

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)。

优点： 资源利用率高，共享信道。

缺点： 有时延，实时性差，不能保证通信质量。

OSI 模型

物理层：比特流透明传输 数据链路层：邻居传输，封装为数据帧 网络层：端到端通信，分组，封装为包 传输层：进程到进程通信，封装为报文 规划层和表示层（略冗余）：解决用户信息的语法，通常不使用 应用层：确定进程之间通信语义

各类协议与OSI关系

• 电路交换和电话网、移动通信网相当于OSI模型的第一层，即物理层交换，无需使用协议；
• 使用X.25协议的低速分组交换数据网，相当于OSI模型的低三层，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模型的低二层：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模型的低二层，但比帧中继还简化；
• 以太网协议也使用OSI模型的低二层，但它的数据链路层比较复杂；
• IP网使用OSI模型的低四层协议。

连接方式对比

无连接：不需要事先建立连接，独立寻路，是分组交换

面向连接：有建立、拆除过程，需要始终保持

无连接时延低，但可能丢失，通信质量不高，可能有乱序、丢包、重复

物理连接：同步时分复用

逻辑连接：统计时分复用

半永久连接：手动建立专线，实时性强

交换式连接：按需建立连接，利用率高

PVC: 半永久虚连接

SVC: 交换式虚连接

交换系统

连接、接口、信令/协议、控制

信令: 通信系统的控制指令，它可以在指定的终端之间建立临时的通信信道，并维护网络本身的正常运行。

随路信令：通过话路一同传输，早期方式

共路信令：通过单独的连接线连接信令设备

我国使用的 7 号信令是共路信令。

协议：事先约定好的规则，规定所传送信息的格式、时序等问题。

协议的三个要素：

• 语法：指用户信息和控制信息的结构和格式
• 语义：指需要发出何种控制信息，完成何种动作及如何应答。
• 同步：指事件实现顺序的说明。

电话交换机

控制子系统 + 话路子系统

话路子系统功能： BORSCHT七项功能

• 馈电 B(Battery Feeding)
• 过压保护 O(Over Voltage Protection)
• 振铃 R(Ringing)
• 监视 S(Supervision)
• 编译码和滤波 C(CODEC & Filters)
• 混合电路（二/四线转换） H(Hybrid Circuit)
• 测试 T(Test)

七项功能的名称需要了解

T 时间接线器

话音存储器：存储用户语音数据，分时隙储存，实时变化

控制存储器：指定发送对象编号，用来排序，可以辅助交换时隙顺序。对于一个用户，通信过程内不变化，储存的类似于连接信息

时间 T 接线器(Time)：控制存储器为输入编号序列

输出控制方式：顺序写入到话音储存器、控制读出

输入控制方式：控制写入到话音储存器，顺序读出

S 空间接线器

也称为 S 接线器 (Space)

通过储存器来分配出入线，注意，其与时隙分配无关

入线为索引，称为输入控制

出线为索引，称为输出控制，可以避免冲突，所以用的较多

交换网络结构

TST 交换网络结构：输出控制 T，输出控制 S，输入控制 T

同时对称交换，成对出现，两者差半帧

交换过程

主叫用户 摘机，发起摘机信号

程控交换机 发送拨号音

主叫用户 发送号码 （若程控交换机知道被叫忙，向主叫用户发送忙音）

程控交换机 回铃音（彩铃播放）给主叫用户 + 振铃（来电铃音）发送给被叫

被叫用户 发送摘机信号

开始通信

任意一方发起挂机信号

程控交换机发起催挂音给另一方

另一方发起挂机信号，通信结束

sequenceDiagram
    participant 主叫用户
    participant 程控交换机
    participant 被叫用户

    Note over 主叫用户,被叫用户: 拨打电话流程
    主叫用户 ->> 程控交换机: 摘机（发送摘机信号）
    程控交换机 -->> 主叫用户: 返回拨号音
    主叫用户 ->> 程控交换机: 拨号（发送被叫号码）
    程控交换机 ->> 程控交换机: 分析号码并检查被叫状态
    alt 被叫空闲
        程控交换机 ->> 被叫用户: 发送振铃信号
        程控交换机 -->> 主叫用户: 返回回铃音
        被叫用户 ->> 程控交换机: 摘机应答
        程控交换机 -->> 主叫用户: 停止回铃音，建立连接
        程控交换机 -->> 被叫用户: 停止振铃，建立连接
        Note over 主叫用户,被叫用户: 双方通话中...
    else 被叫忙
        程控交换机 -->> 主叫用户: 返回忙音
    end

    Note over 主叫用户,被叫用户: 挂断流程（主叫先挂）
    主叫用户 ->> 程控交换机: 挂机（发送挂断信号）
    程控交换机 ->> 被叫用户: 发送忙音/挂断信号
    被叫用户 ->> 程控交换机: 挂机（确认断开）

呼叫处理程序

做用户扫描、信令扫描、数字分析、路由选择、通路选择、输出驱动

智能网 IN

智能网，IN 1992年由CCITT标准化

800 业务，增加了前往 SCP 查询的过程，提供增值业务

• 业务交换点SSP：呼叫处理和业务交换功能。接受SCP发来的控制命令。一般以原有的数字程控交换机为基础，配以软硬件和7号信令网的接口。
• 业务控制点SCP：是智能网的核心功能部件，存储用户数据和业务逻辑。 IN中的所有业务控制功能都集中在SCP中。
• 信令转接点STP：转接7号信令。用于沟通SSP和SCP之间的信号联络。
• 业务生成环境SCE：根据需求生成业务逻辑，实现新业务的便捷开发。
• 智能外设IP，业务管理系统SMS

数据交换方式分类

电路交换、报文交换、分组交换

分组交换传输

• 数据报方式: 无连接方式；不需要建立连接， 各分组按分组头中的地址信息， 自由选择路由到达终端 。

• 虚电路方式: 面向连接方式；但与电路交换不同， 它建立的是逻辑信道， 利用虚电路标识号传送分组 。

对比方面	虚电路服务	数据报服务
思路	可靠通信应当由网络来保证	可靠通信应当由用户主机来保证
连接的建立	必须有	不需要
终点地址	仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号	每个分组都有终点的完整地址
分组的转发	属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发	每个分组独立选择路由进行转发
当结点出故障时	所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作	出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化
分组的顺序	总是按发送顺序到达终点	到达终点时不一定按发送顺序
端到端的差错处理和流量控制	可以由网络负责，也可以由用户主机负责	由用户主机负责

路由选择

分组进入交换节点， 节点中央处理单元(CPU)对分组进行测试， 包括对分组网络层目的地址的检验， 在这个基础上， 分组被安排在正确的出线， 并进入相应的队列等待发送。由节点选择正确的出线的过程被称做路由选择功能。

路由分类：

按照能否根据网络状况的变化而动态调整可以分为静态（非自适应） 和动态（自适应） 两类

按照工作的模式可以分为集中式和分布式两类

流量控制

分组交换网的流量控制是指限制进入分组网的分组数量， 往往指在给定的发送端和接收端之间点对点通信量的控制。

如果不进行流量控制，会出现拥塞现象， 甚至造成死锁。

监测网络拥塞的主要指标有：

• 由于缺少缓冲空间而被丢弃分组的百分数；
• 平均队列长度；
• 超时重传分组数；
• 平均分组时延等。

ATM

异步转移模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）

基于统计复用，面向连接（虚连接），固定长度信元

本质是高速分组传送模式：

• 统计时分复用
• 端到端纠错

融合电路传送模式：

• 固定长度信元
• 面向连接
• 硬件交换网络

ATM是一种传递模式， 在这种模式中， 信息被分成信元来传递， 而包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期性地出现，因此这种传递模式是异步的。

信元结构

ATM 信元结构有两种：一种用在用户/网络接口，简称UNI信元；另一种用在网络内部接口，简称NNI信元。

各字段含义简述如下。

1. GFC：一般流量控制，4比特，在NNI中没有GFC。
2. VPI：虚通路标识，在UNI中为8 bit，在NNI中为12 bit。
3. VCI：虚信道标识，16 bit。
4. VPI和VCI：路由信息；
5. PTI：净荷类型，3 bit，可以指示8种净荷类型，其中4种为用户数据信息类型，3种为网络管理信息，还有1种目前尚未定义。
6. CLP：信元丢弃优先权，当传送网络发生拥塞时，首先丢弃CLP=1的信元。
7. HEC：信头差错控制码，HEC是一个多项式码，用来检验信头的错误。

UNI 上有 GFC，而 NNI 上没有

CLP 为优先级，例如关键帧可以标注为重要，不容易被抛弃

ATM层相当于OSI的数据链路层

交换过程

信头、链路翻译表

信头根据要发出的输出链路发生变化，是下一个链路对方的识别符，对方识别进行下一次转发

VPI VCI 两个包内的储存内容

信元交换: VP级和VC级，共两级交换层

例: VCC和VPC连接过程

• VP: 只改变VPI
• VC: VPI和VCI都变化

两级来加速交换

VC 交换机大多位于用户侧，与用户以 UNI 相连

VP 交换机是其他交换节点，与 VC 和其他 VP 以 NNI 相连

空分交换、时分交换、信头源交换

加入 BANYAN 网络：2x2 4x4 8x8 …

以太网

介质访问控制方式：CSMA/CD

IEEE 层级结构：数据链路层 + 物理层

数据链路层层级结构：

• 逻辑链路控制 LLC
• 媒体接入控制 MAC

数据帧结构：

同步码 + 帧定界符 + 以太网数据帧

共享型以太网系统构成

集线器 + 双绞线 + 网卡

演变为交换型以太网：

IP 网

详见 计算机网络笔记

路由器

路由器的基本硬件组成包括主控板、交换网板、线卡板、接口板和背板等

软交换

我国固定电话核心网已经切换为软交换网络，运行在 IP/ATM 网上

IMS 网络

• 与接入无关。
• 业务与控制分离。
• 归属服务控制。
• 用户数据与交换控制分离。
• 水平体系架构。
• 策略控制和QoS保证。

过程：认证、重认证、用户连接