现代交换原理总结

在通信领域中，所谓交换，就是在通信网上，负责在通信的源和目的终端之间建立通信信道传送通信信息的机制（控制）。

三要素：交换设备、传输设备、终端设备

交换的基本功能是在任意的入线和出线之间建立连接

交换单元是构成交换网络的最基本的部件

在交换系统中完成交换这一基本功能的部件就是交换网络（或交换结构 Switching Fabric），它是交换系统的核心。

交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的。

交换单元是构成交换网络的最基本的部件。

在交换单元内部，要建立任意入线和任意出线之间的连接，就在每条入线和每条出线之间都各自接上一个开关，所有开关就构成了交换单元内部的开关阵列

空间交换单元也称为空间接线器（Space Switch），简称为 S单元 或 S接线器

控制存储器按照输入复用线配置，即控制每条输入复用线上应该打开的交叉点开关。

控制存储器按照输出复用线配置，即控制每条输出复用线上应该打开的交叉点开关。

相对于空间交换单元而言，时分交换单元的内部只存在一条唯一的通路，该通路由输入复用线上各子信道分时共享，通常人们根据时分交换单元内这个唯一的公共通路是存储器还是总线，将时分交换单元划分为两种类型：共享存储器型交换单元和共享总线型交换单元。

共享存储器型交换单元：

共享总线型交换单元：

对于时间接线器，通常按照其控制存储器存储的内容是输出话音在话音存储器中的存储地址，还是输入话音在话音存储器中的存储地址，把控制存储器对话音存储器的控制方式分为输出控制方式和输入控制方式。

在输出控制方式下，时间接线器入复用线来的信息按照时隙号顺序写入话音存储器相对于的单元中，即第 i 路时隙的 8 bit 话音存入话音存储器地址为 i 的单元。

通过例子理解：把入复用线上的 TS0、TS1、TS2、TS3 分别交换到出复用线上的 TS3、TS2、TS1、TS0

前半周期写入，后半周期读出（SM）

前半周期写入，后半周期读出（CM）

工作方式可以总结为：顺序写入，控制读出

在输入控制方式下，当入复用线上第 i 个时隙到来时，接线器从控制存储器第 i 个单元读出一个地址 j，该地址是话音存储器存储的 i 时隙信息的地址，随后接线器把输入复用线上第 i 个时隙的信息存储在话音存储器的 j 单元，对于出复用线来说，当第 j 个时隙到来时，话音存储器 j 单元的信息被顺序读出。

通过例子理解：把入复用线上的 TS0、TS1、TS2、TS3 分别交换到出复用线上的 TS3、TS2、TS1、TS0

前半周期读出，后半周期写入（SM）

前半周期写入，后半周期读出（CM）

工作方式可以总结为：控制写入，顺序读出

交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络。 交换网络的三个基本要素是： 交换单元、不同交换单元间的拓扑连接和控制方式。

交换网络按拓扑连接方式可分为：单级交换网络、多级交换网络

单级交换网络是由一个或者多个位于同一级的交换单元所构成的交换网络，即需要交换的信息从交换网络入线到交换网络出线只经过一个交换单元，并且当同一级有多个交换单元构成时， 不同交换单元的入线与出线之间可建立连接。

多级交换网络通常称为多级互连网络（MIN : Multistage Interconnection Network），需要交换的信息从交换网输入端到交换网输出端需要经过多个交换单元。

如果一个交换网络中的交换单元可以分为 K 级，顺序命名为第 1，2，…，K 级，并且满足：

所有入线都只与第1级交换单元连接

所有第 1 级交换单元都只与入线和第 2 级交换单元连接

所有第 2 级交换单元都只与第 1 级和第 3 级交换单元连接

依此类推，所有第 K 级交换单元都只与第 K-1 级和出线连接

则称这样的交换网络为多级交换网络，或 K 级交换网络。

交换网络的阻塞是指从交换网络不同输入端来的信息在交换网络中交换时发生了对同一公共资源争抢的情况，这时在竞争资源中失败的信息就会被阻塞，直到这个公共资源被释放。

阻塞的两种情况： 内部竞争、出线竞争

不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。

不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中直接或对已有的连接重选路由来建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。

指一个给定的网络存在着固有的阻塞可能，但又可能存在着一种精巧的选路方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新安排网络中已建立起来的连接。

单通路交换网络：任一条入线和出线之间只存在唯一的一条通路

多通路交换网络：任一条入线和出线之间存在多条通路

时分交换网络：时分结构的基本特征是所有的输入与输出端口分时共享单一的通信通路，具有时隙交换功能。

空分交换网络：空分结构的基本特征是可以在多对输入端口与输出端口间同时并行地传送信息，具有空间交换的功能。

CLOS网络是指为了降低多级交换网络的成本，长期以来人们一直在寻找一种交叉点数随入线、出线数增长较慢的交换网络，其基本思想是采用多个较小规模的交换单元按照某种连接方式连接起来形成多级交换网络。

通过例子来理解：要构造 100 X 100 的交换网络

为了减少交叉点总数而同时具有严格的无阻塞特性，CLOS C. 很早就提出一种多级结构，推出了严格无阻塞的条件，这就是著名的 CLOS 网络。3 级 CLOS 网络应用广泛，除特别说明，一般 CLOS 网络也指 3 级 CLOS 网络。

一个 N X N 3 级 CLOS 网络的基本结构如下图，N 为入线、出线数。

严格无阻塞：任意入线到任意出线在任何情况下都可连接

3 级 CLOS 严格无阻塞网络条件：m ≥ 2n-1 或 r2 ≥ m1 + n3 - 1

推导过程如下：如果要确立一条从 a --> b 的信息交换通路，那么最不利的情况是：第 1 级与 a 相连的交换单元中除去 a 之外所有剩余的 n-1 条入线均处于忙状态，并且所有的 n-1 条输出线都连接到第 2 级不同的交换单元上；最后 1 级与 b 相连的交换单元除b以外所有的 n-1 条输出线也处于忙状态，并且对于第 2 级来说需要另外的 n-1 个交换单元，且这些交换单元都要有一条出线连接到与 b 相连的交换单元上。那么在最坏情况下，共需要 (n-1)+(n-1)=2(n-1) 个可供选择的第2级交换单元，这时为了确保链路无阻塞，完成 a–>b 的信息交换，至少还应存一条空闲链路，即中间级交换单元要有 (n-1)+(n-1)+1=2n-1 个。

可重排无阻塞：只要对已有连接进行重排， 就能保证任意入线到任意出线可连接。

3 级 CLOS 可重排无阻塞网络条件：m ≥ n 或 r2 ≥ Max(m1, n3)

其中 n=10，严格无阻塞时，应有 m ≥ 2n-1 = 19

TST 网络是电话交换系统中经常使用的一种3级网络，由两级 T 接线器与一级 S 接线器组合而成，能够完成不同复用线上的不同时隙内的信息交换。

T 接线器：时分，采用 PCM

S 接线器：空分

TST 交换网络结构如图，它具有 32 条双向时分复用线，且每条时分复用线上由 32 个时隙，编号相同的入线和出线共同组成一条双向时分复用线。TST 交换网络的第 1 级有 32 个 T 接线器，第 2 级为一个 32 x 32 的 S 接线器，第 3 级由 32 个 T 接线器组成，分别连在每一条输出线上。

在上图中，第 1 级 T 接线器采用的是输出控制方式，第 3 级 T 接线器采用的是输入控制方式（当然第 1 级和第 3 级的控制方式也可以调换），而对于第 2 级 S 接线器采用何种方式均可。

1）双向通路的建立

交换网络一般建立双向通路（A–>B 方向和 B–>A 方向），为减少选路次数，简化控制，可使两个方向的内部时隙具有一定的对应关系，通常可相差半帧，俗称反相法，即：

设：Nf = 一帧的时隙数 Na = A 到 B 方向的内部时隙数（任选一个入线 x 和出线 y 都空闲的内部时隙） Nb = B 到 A 方向的内部时隙数（应用反相法求得） 则：Nb = Na + Nf / 2

2）阻塞特性

TST 网络完全无阻塞的条件：m（内部时隙数） = 2n（输入时隙数）

3）控制方式

第 1 级 T 接线器和第 3 级 T 接线器一般采用不同控制方式，第 2 级 S 接线器采用何种方式均可。

基于 banyan 的交换网络是具有多级结构的交换网络，它覆盖范围较广，包含许多子类。

L 级 banyan：任何输入到输出之间的通路都经过 L 级

规则 banyan : L 级 banyan 网络中，构成网络的所有交换单元都相同

矩形 banyan：规则 banyan 的每个交换单元入线数和出线数都相等

不规则 banyan：各个交换单元不全相同

banyan 网络由若干个 2 X 2 的最小交换单元（也称为交叉连接单元）构成，交叉连接单元是具有 2 条入线和 2 条出线的电子开关元件，有 5 种工作状态，如下图

从 banyan 的任一输入端口引出的一组通路形成了二分支树，级数越多，分支越多，级数 k = log2N，N = 总入线数或出线数，即 2k=N。

自选路由，即给定出线地址，不用外加控制命令，就可选到出线。可以使用对应于出端号的二进制码的选路标签来自动选路。

banyan 的构成具有一定的规律，可以采用有规则的扩展方法将较小容量的 banyan 扩展成较大规模

构造方法如下：

已有 N X N 的 BANYAN 网络，需构成 2N X 2N 的 BANYAN 网络，则可用 2 组 N X N， 再加上一组 N 个 2X2 交换单元构成。将 N 个 2X2 交换单元的入线作为该网络的入线，将每个 2X2 交换单元的出线分别与第一组的 N X N 和第二组的 N X N 的相连， 2 组 N X N 的出线即为网络的出线。

banyan 的任一入端到任一出端之间，具有 1 条且仅有一条通路。

banyan 是具有内部竞争的有阻塞网络。

为了满足 banyan 网络的无阻塞条件，可以在 banyan 网络前加入排序网络——batcher 网络，构成 batcher-banyan 网络（B-B 网络）。

该网络也简称为 B-B 网，是由 BATCHER 排序网和 BANYAN 网组成，它成功地避免了 BANYAN 网络的内部阻塞，这是目前 ATM 交换机使用较多的一种网络。BATCHER 排序网是由 2X2 的比较器（BATCHER 比较器）构成的。

为了减少或消除 banyan 的内部阻塞，提高吞吐率，除了构成 B-B 网络之外，还可以构成基于 banyan 的各种多通路网络。

多平面 banyan 网络也称为复份型 banyan 网络

benes 网络是著名的多通路网络， 具有可重排无阻塞的特点。

K = 2log2N - 1

可以看出， Benes 网络实际上相当于两个 banyan（banyan与反转banyan）的背对背相连， 并将中间相邻两级合并为 1 级。 由于每个 banyan 有 log2N 级， 因此 Benes 网络共有 2log2N - 1 级。

benes 网络的构成也有一定的规律。 使用 2X2 交换单元的 N X N benes 网络的构成方法为：两侧各有 N/2 个 2X2 交换单元， 中间为两个 N/2 X N/2 的子网络， 每个交换单元以一条链路连到每个子网络；再将中间子网络按上述方法继续分解，直到中间子网络就是 2X2 交换单元为止。

汇接方式主要有去话汇接、来话汇接、来去话汇接、主辅汇接等。

极性保护：交换机向用户提供直流电，该电路保证：无论外部 a、b 线极性如何，内部电路 c、d 的极性固定

通话设备（送话、受话、 2/4 变换、消侧音）

——模拟话音信号通过用户线送给交换机

转换设备（叉簧）：挂机时，将外线与振铃电路接通，等待呼入；摘机时，将外线与拨号电路、通话设备接通。

——可通过直流回路的通断表明用户的摘挂机状态

信号设备（拨号、振铃） ——振铃电路： 接受交换机送来的 25Hz 铃流进行振铃 ——音频拨号电路： 每个号码为双音频组合，通过 DTMF 发号器送给交换机

BORSCHT

实现任意两个用户间的语音交换。 即：任意母线上任意时隙间的交换

共享存储器、开关阵列、共享总线，及其组合、级连网络。针对电话交换的业务特点，交换网络的控制方式上又有其具体特点。

内部时隙与外部时隙的换算关系如下：

（外部时隙）PCMi 上的时隙 TSj （内部时隙）TS号 j * PCM线总数 m + PCM号 i

程控交换机运行的特点是业务量大，实时性和可靠性要求高，因此程控交换软件要具有较高的实时效率，能处理大量的呼叫，而且能保证通信业务不间断。（实时性，并发性，业务不间断性，通用性）

识别并接收外部的处理请求和信号（摘机信号、挂机信号、所拨号码和超时信号等），生成事件

对用户线、中继线、信令设备进行监视和信号识别，生成相应事件放入队列，供其它程序取用。大多属于周期级程序。

输入处理程序需要完成的功能主要用五个：

检测和识别用户线上的摘机（直流回路接通）、挂机（直流回路断开）信号和用户拨号信号。

100 ~ 200 ms

设程控交换机摘挂机扫描程序的执行周期是 200ms，那么摘机识别就是在 200ms 的周期性扫描中找到从 “1” 到 “0” 的变化点，挂机识别就是在 200ms 的周期性扫描中找到从 “0” 到 “1” 的变化点。

目的：提高效率

输入处理得到的各种事件（当前状态、输入信息、用户数据、可用资源等），交由分析处理程序分析，以决定下一步的工作。它没有固定周期，属于基本级程序。

任务执行是指从一个稳定状态迁移到下一个稳定状态之前，根据分析处理的结果，处理及完成相关任务的过程。

输出处理程序输出各种命令，完成具体的动作。有些属于基本级程序，有些属于周期级程序。输出处理主要包括：

t = a + bN

t（系统开销）：时间资源的占用率。

a（固有开销）：与呼叫次数（话务量） 无关的系统开销， 如：任务调度和扫描开销。

b：处理一次呼叫的平均开销， 包括操作系统部分和呼叫处理部分开销。

N：呼叫次数。

bN（非固有开销）：处理所有呼叫的系统开销。

到达的话务负荷超过交换局的设计能力时， 称过负荷。

Juniper Network 公司推出的 IP 交换机，可用于 Internet 的骨干路由器、以太交换机、 ATM 交换机等。

路由部件（JUNOS）

路由查找部件（Packet Process）

线路卡（Line Card）

交换单元（Switch Fabric）

边缘路由，核心交换

用于分配 Label，建立 LSP

标签转发信息库 LFIB

由路由判决模块创建，保存于转发模块中，供转发打标分组使用。

包括多张表格

NHLFE——下一跳标签转发表目

ILM——输入标签映射

FTN——FEC 到 NHLFE 的映射

电话通信过程分为三个阶段：呼叫建立、通话、呼叫拆除。在呼叫建立和呼叫拆除过程中，用户和交换机之间、交换机和交换机之间都要交互一些控制消息，以协调相互的动作，这些控制消息称为信令。

用户信令：

局间信令：

信令通路与话路的分离为信令网的产生和独立提供了技术基础

电话用户部分 TUP：提供电话呼叫的控制信令，完成电话呼叫接续和控制；处理 SIF 中的 CIC，H0 H1 和信令信息。

信令网逻辑上独立于通信网， 专门用于传送信令的网。 是现代通信网的支撑网。物理上可以独立于通信网， 也可以与通信网融为一体。

略，通过抓包实验理解

漫游指的是用户于原先申请的电信公司所提供服务的网络以外，在其他电信业者甚至是国外的电信业者所提供的电信网络范围使用语音通话、数据传输等电信服务，以使通讯可以保持而不中断。

切换（又称越区切换、过区切换）是指移动台在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区，或是由于外界干扰而切换到另一条话音信道上的过程。

GSM 采用电路方式，提供 9.6/14.4kbps 的数据业务，但一个用户只能分配一个信道

是移动客户设备部分，分为手持机和车载台。包括移动终端（ME），和手机客户识别卡（SIM），即 SIM 储值卡。

由移动交换中心 MSC 控制，与 MS 进行通信的系统设备。主要完成无线发送接收和无线资源管理等功能。

主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能。

主要是对整个 GSM 网路内各种部件进行功能监视、状态报告、故障诊断和设备管理。

负责移动交换网络与固话网络（PSTN）的互联互通，需要进行呼叫接续控制（信令控制）和话音转发。

GPRS 按需动态占用资源，速率可达 171.2kbps

逻辑信道新增分组数据信道 PDCH，即采用电路交换 + 分组交换

GGSN : Gateway GPRS Support Node，起网关作用，功能类似 GMSC，提供 GPRS 和多种不同的数据网络的互连

SGSN : Service GPRS Support Node，记录移动台的当前位置信息，对其进行鉴权、移动性管理和路由选择，功能类似于 GSM 中的 MSC / VLR

PCU : Packet Control Unit，负责移动分组数据的组装和拆解

GPRS : General Packet Radio Service

PDN : Packet Data Network