第1章 概論

1.1 交換與通信網(wǎng)

1.1.1 交換機的引入

信息需要從一個地方傳送到另一個地方才能體現(xiàn)出它的價值。如何準(zhǔn)確而經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)信息的傳輸，這就是通信。所以，通信即是指按約定的規(guī)則傳送信息。

從廣義上說，無論采用什么方法，使用何種媒介，只要將信息從一地傳送到另一地，均可稱為通信，如古代的烽火報警、驛站傳書，近代的郵政、電話通信及數(shù)據(jù)通信等。由“通信”到“電信”，僅僅一字之差，卻牽動了一場革命，拉開了通信技術(shù)發(fā)展的帷幕，今天我們所說的通信，通常是指電通信，信息以電磁波形式進(jìn)行傳輸，即電信。

一個電信系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)由發(fā)送或接收信息的終端和傳送信息的傳輸媒介組成，如圖1-1所示。終端將包含信息的消息，如話音、數(shù)據(jù)、圖像等，轉(zhuǎn)換成適合傳輸媒介傳輸?shù)碾娦盘枺瑫r將來自傳輸媒介的電信號還原成原始消息；傳輸媒介則負(fù)責(zé)把電信號從一地傳送到另一地。這種只涉及兩個終端的通信系統(tǒng)稱為點對點通信系統(tǒng)。

當(dāng)存在多個終端，并希望它們中的任何兩個都能進(jìn)行點對點通信時，最直接的方法是把所有的終端兩兩相連，如圖1-2所示。這樣的連接方式稱為全互連方式。

全互連是一種最簡單、最直接的組網(wǎng)方式，但存在下列問題：

（1）連接線對的數(shù)量隨終端數(shù)的平方增加，當(dāng)存在 N 個終端時，需要的連接線對數(shù)為N(N-1)/2；

（2）當(dāng)這些終端相距很遠(yuǎn)時，需要大量的長途線路；

（3）增加第N+1個終端時，必須增設(shè)N對線路；

（4）每個終端都與其他終端相連，需要配置很多線路接口。

因此，在實際應(yīng)用中，全互連組網(wǎng)僅適用于終端數(shù)目少、地理位置較集中、可靠性要求很高的場合。

上述問題將隨著用戶數(shù)量的增加而變得更加突出。為此，可以考慮在用戶分布較集中的地區(qū)安裝一臺設(shè)備，把每個用戶的終端（如電話機）或其他設(shè)備用各自專用的線路連接到這臺設(shè)備上，如圖1-3所示。這臺設(shè)備相當(dāng)于一個開關(guān)（Switch），當(dāng)任意兩個用戶需要通信（交換信息）時，該設(shè)備可以立即將這兩個用戶之間的通信線路連通（稱為“接續(xù)”），讓用戶進(jìn)行通信。當(dāng)用戶通信完畢后，該設(shè)備又可以立即把兩個用戶之間的連接線斷開。由此可見，這臺設(shè)備能夠完成任意兩個用戶之間的信息交換任務(wù)，所以稱之為交換設(shè)備或交換機，也可稱為交換節(jié)點。有了交換設(shè)備，N個用戶只需要用N對連接線就可以滿足通信要求了，這顯然可以大大降低線路的投資費用。這里，雖然增加了交換設(shè)備的費用，但由于它的利用率很高，相比之下，總的投資費用將下降，特別是當(dāng)用戶數(shù)很大時更是如此。

根據(jù)IEEE（電子和電氣工程師協(xié)會）的定義，交換機的作用是在任意選定的兩條用戶線之間建立和（而后）釋放一條通信鏈路。換句話說，交換機應(yīng)能為連接到本機的任意兩個用戶之間建立一條通信鏈路，并能隨時根據(jù)用戶要求釋放該鏈路。

引入交換設(shè)備后，用戶之間的點對點通信就可由交換式通信網(wǎng)來提供。交換機最早用于電話通信。最簡單的通信網(wǎng)僅包含一臺交換機，如圖1-3所示。每個用戶（電話機或通信終端）通過一條專用的用戶環(huán)線（簡稱用戶線）與交換機中的相應(yīng)接口相連接。實際的用戶線常是一對絞合的塑膠線，線徑在0.4～0.7mm之間。

1.1.2 交換式通信網(wǎng)

由交換機構(gòu)建通信網(wǎng)的一個突出優(yōu)點是很容易組成大型網(wǎng)絡(luò)。例如，當(dāng)終端數(shù)目很多，且分散在相距很遠(yuǎn)的不同地區(qū)時，可以用交換機組成如圖1-4所示的通信網(wǎng)。網(wǎng)中直接連接電話機或終端的交換機稱為本地交換機或市話交換機，相應(yīng)的交換局稱為端局或市話局；僅與其他交換機連接的交換機稱為匯接交換機。當(dāng)交換機相距很遠(yuǎn)，必須用長途線路連接時，這種情況下的匯接交換機也稱為長途交換機。交換機之間的線路稱為中繼線。顯然，長途交換設(shè)備僅涉及交換機之間的通信，而市內(nèi)交換設(shè)備則既涉及交換機之間的通信，也涉及與用戶終端之間的通信。類似地，本地匯接交換機也可只涉及交換機之間的通信。圖1-4中，用戶交換機常稱為PBX（Private Branch Exchange），用于集團(tuán)內(nèi)部通信。當(dāng)PBX具有自動交換能力時，又稱為PABX（Private Automatic Branch Exchange）。

按需實現(xiàn)任意入線與任意出線之間的互連是交換機最基本的任務(wù)。從交換機完成用戶之間通信的不同情況來看，交換機應(yīng)能控制以下4種接續(xù)。

本局接續(xù)：指在交換機范圍內(nèi)各用戶線之間的接續(xù)。

出局接續(xù)：指用戶線與出中繼線之間的接續(xù)。

入局接續(xù)：指入中繼線與用戶線之間的接續(xù)。

轉(zhuǎn)接接續(xù)：指入中繼線與出中繼線之間的接續(xù)。

為了完成上述各種類型的接續(xù)，交換機必須具備以下最基本的功能：

① 為了能正確發(fā)現(xiàn)和判斷用戶的呼叫請求，交換機必須能正確接收和分析來自用戶線或中繼線的呼叫信號；

② 為了能正確發(fā)現(xiàn)和判斷是哪一個用戶發(fā)出的呼叫請求，交換機必須能正確接收和分析來自用戶線或中繼線的地址信號；

③ 為了能正確與呼叫用戶給定的目標(biāo)用戶進(jìn)行接續(xù)，交換機必須能按目的地址進(jìn)行選路，以及在中繼線上轉(zhuǎn)發(fā)信號；

④ 能控制交換機內(nèi)端口之間連接的建立；

⑤ 能按照收到的釋放信號要求拆除連接。

在計算機局域網(wǎng)中也有被稱為LAN Switch的交換機，俗稱網(wǎng)絡(luò)交換機。LAN Switch的基本任務(wù)就是將來自輸入端口的數(shù)據(jù)包根據(jù)其目的地址轉(zhuǎn)發(fā)到輸出端口，只要目的地址不變，出、入端口之間的對應(yīng)關(guān)系就保持不變，相當(dāng)于建立了端口之間的連接。因此，LAN Switch和電話交換機具有類似的功能。

1.通信網(wǎng)的定義

對于通信網(wǎng)的定義，從不同的角度可以得出不同的觀點。從用戶的角度看，通信網(wǎng)是一個信息服務(wù)設(shè)施，甚至是一個娛樂服務(wù)設(shè)施，用戶可以利用它獲取信息、發(fā)送信息、參與娛樂等；而從工程師的角度看，通信網(wǎng)則是由各種軟硬件設(shè)施按照一定的規(guī)則互連在一起，完成信息傳遞任務(wù)的系統(tǒng)。工程師希望這個系統(tǒng)應(yīng)該可管、可控、可運營。因此，我們給通信網(wǎng)下一個通俗的定義：通信網(wǎng)是由一定數(shù)量的節(jié)點（包括端系統(tǒng)、交換機）和連接這些節(jié)點的傳輸系統(tǒng)有機地組織在一起的，按照約定的規(guī)則或協(xié)議完成任意用戶間信息交換的通信體系。用戶使用它可以克服空間、時間等障礙來進(jìn)行有效的信息交換。

在通信網(wǎng)上，信息的交換可以在兩個用戶之間進(jìn)行，在兩個計算機進(jìn)程之間進(jìn)行，還可以在用戶和設(shè)備之間進(jìn)行。交換的信息包括用戶信息（如話音、數(shù)據(jù)、圖像等）、控制信息（如信令信息、路由信息等）和網(wǎng)絡(luò)管理信息三類。由于信息在網(wǎng)上通常以電或光信號的形式進(jìn)行傳輸，因而現(xiàn)代通信網(wǎng)也稱為電信網(wǎng)。通信網(wǎng)要解決的是任意兩個用戶間的通信問題，由于用戶數(shù)目眾多、地理位置分散，并且需要將采用不同技術(shù)體制的各類網(wǎng)絡(luò)互連在一起，因此通信網(wǎng)必然涉及到組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、編址、選路、控制、管理、接口標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)成本、可擴(kuò)充性、服務(wù)質(zhì)量保證等一系列在點對點通信系統(tǒng)中原本不是問題的問題，這些因素增加了設(shè)計一個實際通信網(wǎng)的復(fù)雜度。

2.網(wǎng)絡(luò)工作方式

在通信網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)將信息由信源傳送至信宿具有兩種工作方式：面向連接（CO，Connection Oriented）方式和無連接（CL，Connectionless）方式。這兩種方式可以比做鐵路交通和公路交通。鐵路交通是面向連接的，如從北京到南京，只要鐵路信號提前往沿線各站一送，道岔一合（類似交換），火車就可以從北京直達(dá)南京，一路暢通，準(zhǔn)時到達(dá)。公路交通是無連接的，汽車從北京到南京一路要經(jīng)過許多立交或岔路口，在每個路口都要進(jìn)行選路，遇見道路擁塞時還要考慮如何繞行，如果擁塞較多就會影響運輸：或者延誤時間，或者貨物受到影響，時效性（通信中稱為服務(wù)質(zhì)量）難以得到保證。

（1）面向連接網(wǎng)絡(luò)

面向連接網(wǎng)絡(luò)的工作原理如圖1-5所示。假定A站有三個數(shù)據(jù)分組要送到C站，A站首先發(fā)送一個“呼叫請求”消息到節(jié)點l，要求網(wǎng)絡(luò)建立到C站的連接。節(jié)點1 通過選路確定將該請求發(fā)送到節(jié)點2，節(jié)點2 又決定將該請求發(fā)送到節(jié)點3，節(jié)點3 決定將該請求發(fā)送到節(jié)點6，節(jié)點6 最終將“呼叫請求”消息投送到C站。如果C站接受本次通信請求，就響應(yīng)一個“呼叫接受”消息到節(jié)點6，這個消息通過節(jié)點3、2和1原路返回到A站。一旦連接建立，A站和C站之間就可以經(jīng)由這條連接（圖中虛線所示）來傳送（交換）數(shù)據(jù)分組了。A站需要發(fā)送的三個分組依次通過連接傳送，各分組傳送時不再需要選擇路由。因此，來自A站的每個數(shù)據(jù)分組，穿過節(jié)點1、2、3、6，而來自C站的每個數(shù)據(jù)分組穿過節(jié)點6、3、2、1。數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，A、C任意一站均可發(fā)送一個“釋放請求”消息來終止連接。

面向連接網(wǎng)絡(luò)建立的連接可以分為兩種：實連接和虛連接。用戶通信時，如果建立的連接由一段接一段的專用電路級聯(lián)而成，無論是否有信息傳送，這條專用連接（專線）始終存在，且每一段占用恒定的電路資源，那么這種連接就叫實連接（如電話交換網(wǎng)）；如果電路的分配是隨機的，用戶有信息傳送時才占用電路資源（帶寬根據(jù)需要分配），無信息傳送就不占用電路資源，對用戶信息采用標(biāo)記進(jìn)行識別，即連接（邏輯上的）的各段鏈路使用標(biāo)記統(tǒng)計占用線路資源，那么這樣一段段串接起來的標(biāo)記連接叫虛連接（如分組交換網(wǎng)）。顯而易見，實連接的資源利用率較低，而虛連接的資源利用率較高。

（2）無連接網(wǎng)絡(luò)

無連接網(wǎng)絡(luò)的工作原理如圖1-6所示。同樣，如果A站有三個數(shù)據(jù)分組要送往C站，A站直接將分組1、2、3按序發(fā)給節(jié)點1。節(jié)點1為每個分組獨立選擇路由。在分組1到達(dá)后，節(jié)點1得知輸出至節(jié)點2的隊列短于至節(jié)點4的，于是將分組1放入輸出至節(jié)點2的隊列。同理，對分組2的處理方式也是如此。對于分組3，節(jié)點1發(fā)現(xiàn)當(dāng)前輸出到節(jié)點4的隊列最短，因此將分組3放在輸出到節(jié)點4的隊列中。在通往C站的后續(xù)節(jié)點上，都做類似的選路處理。這樣，每個分組雖然都包含同樣的目的地址，但并不一定走同一路由。另外，分組3 先于分組2到達(dá)節(jié)點6也是完全可能的，因此，這些分組有可能以不同于它們發(fā)送時的順序到達(dá)C站，這就需要C站重新對分組進(jìn)行排列，以恢復(fù)它們原來的順序。

上述兩種工作方式的主要區(qū)別如下：

① 面向連接網(wǎng)絡(luò)對每次通信總要經(jīng)過建立連接、傳送信息、釋放連接三個階段；而無連接網(wǎng)絡(luò)并不為每次通信過程建立和拆除連接。

② 面向連接網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點必須為每一個呼叫選路，一旦路由確定連接即建立，路由中各節(jié)點需要為接下來進(jìn)行的通信維持連接的狀態(tài)；而無連接網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點必須為每個傳送的分組獨立選路，但節(jié)點中不需要維持連接的狀態(tài)。

③ 用戶信息較長時，采用面向連接方式通信效率較高；反之，無連接方式要好一些。