第1章 概論

1.1 交換與通信網

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出它的價值。如何準確而經濟地實現信息的傳輸，這就是通信。所以，通信即是指按約定的規則傳送信息。

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、電話通信及數據通信等。由“通信”到“電信”，僅僅一字之差，卻牽動了一場革命，拉開了通信技術發展的帷幕，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行傳輸，即電信。

一個電信系統至少應當由發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、數據、圖像等，轉換成適合傳輸媒介傳輸的電信號，同時將來自傳輸媒介的電信號還原成原始消息；傳輸媒介則負責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稱為點對點通信系統。

當存在多個終端，并希望它們中的任何兩個都能進行點對點通信時，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、最直接的組網方式，但存在下列問題：

（1）連接線對的數量隨終端數的平方增加，當存在 N 個終端時，需要的連接線對數為N(N-1)/2；

（2）當這些終端相距很遠時，需要大量的長途線路；

（3）增加第N+1個終端時，必須增設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，在實際應用中，全互連組網僅適用于終端數目少、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安裝一臺設備，把每個用戶的終端（如電話機）或其他設備用各自專用的線路連接到這臺設備上，如圖1-3所示。這臺設備相當于一個開關（Switch），當任意兩個用戶需要通信（交換信息）時，該設備可以立即將這兩個用戶之間的通信線路連通（稱為“接續”），讓用戶進行通信。當用戶通信完畢后，該設備又可以立即把兩個用戶之間的連接線斷開。由此可見，這臺設備能夠完成任意兩個用戶之間的信息交換任務，所以稱之為交換設備或交換機，也可稱為交換節點。有了交換設備，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，特別是當用戶數很大時更是如此。

根據IEEE（電子和電氣工程師協會）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，并能隨時根據用戶要求釋放該鏈路。

引入交換設備后，用戶之間的點對點通信就可由交換式通信網來提供。交換機最早用于電話通信。最簡單的通信網僅包含一臺交換機，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線（簡稱用戶線）與交換機中的相應接口相連接。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

由交換機構建通信網的一個突出優點是很容易組成大型網絡。例如，當終端數目很多，且分散在相距很遠的不同地區時，可以用交換機組成如圖1-4所示的通信網。網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。當交換機相距很遠，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，長途交換設備僅涉及交換機之間的通信，而市內交換設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），用于集團內部通信。當PBX具有自動交換能力時，又稱為PABX（Private Automatic Branch Exchange）。

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

本局接續：指在交換機范圍內各用戶線之間的接續。

出局接續：指用戶線與出中繼線之間的接續。

入局接續：指入中繼線與用戶線之間的接續。

轉接接續：指入中繼線與出中繼線之間的接續。

為了完成上述各種類型的接續，交換機必須具備以下最基本的功能：

① 為了能正確發現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 為了能正確發現和判斷是哪一個用戶發出的呼叫請求，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用戶進行接續，交換機必須能按目的地址進行選路，以及在中繼線上轉發信號；

④ 能控制交換機內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。

在計算機局域網中也有被稱為LAN Switch的交換機，俗稱網絡交換機。LAN Switch的基本任務就是將來自輸入端口的數據包根據其目的地址轉發到輸出端口，只要目的地址不變，出、入端口之間的對應關系就保持不變，相當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.通信網的定義

對于通信網的定義，從不同的角度可以得出不同的觀點。從用戶的角度看，通信網是一個信息服務設施，甚至是一個娛樂服務設施，用戶可以利用它獲取信息、發送信息、參與娛樂等；而從工程師的角度看，通信網則是由各種軟硬件設施按照一定的規則互連在一起，完成信息傳遞任務的系統。工程師希望這個系統應該可管、可控、可運營。因此，我們給通信網下一個通俗的定義：通信網是由一定數量的節點（包括端系統、交換機）和連接這些節點的傳輸系統有機地組織在一起的，按照約定的規則或協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、時間等障礙來進行有效的信息交換。

在通信網上，信息的交換可以在兩個用戶之間進行，在兩個計算機進程之間進行，還可以在用戶和設備之間進行。交換的信息包括用戶信息（如話音、數據、圖像等）、控制信息（如信令信息、路由信息等）和網絡管理信息三類。由于信息在網上通常以電或光信號的形式進行傳輸，因而現代通信網也稱為電信網。通信網要解決的是任意兩個用戶間的通信問題，由于用戶數目眾多、地理位置分散，并且需要將采用不同技術體制的各類網絡互連在一起，因此通信網必然涉及到組網結構、編址、選路、控制、管理、接口標準、建設成本、可擴充性、服務質量保證等一系列在點對點通信系統中原本不是問題的問題，這些因素增加了設計一個實際通信網的復雜度。

2.網絡工作方式

在通信網中，網絡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南京，一路暢通，準時到達。公路交通是無連接的，汽車從北京到南京一路要經過許多立交或岔路口，在每個路口都要進行選路，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（通信中稱為服務質量）難以得到保證。

（1）面向連接網絡

面向連接網絡的工作原理如圖1-5所示。假定A站有三個數據分組要送到C站，A站首先發送一個“呼叫請求”消息到節點l，要求網絡建立到C站的連接。節點1 通過選路確定將該請求發送到節點2，節點2 又決定將該請求發送到節點3，節點3 決定將該請求發送到節點6，節點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，就響應一個“呼叫接受”消息到節點6，這個消息通過節點3、2和1原路返回到A站。一旦連接建立，A站和C站之間就可以經由這條連接（圖中虛線所示）來傳送（交換）數據分組了。A站需要發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站的每個數據分組，穿過節點1、2、3、6，而來自C站的每個數據分組穿過節點6、3、2、1。數據傳送結束后，A、C任意一站均可發送一個“釋放請求”消息來終止連接。

面向連接網絡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）；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，對用戶信息采用標記進行識別，即連接（邏輯上的）的各段鏈路使用標記統計占用線路資源，那么這樣一段段串接起來的標記連接叫虛連接（如分組交換網）。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）無連接網絡

無連接網絡的工作原理如圖1-6所示。同樣，如果A站有三個數據分組要送往C站，A站直接將分組1、2、3按序發給節點1。節點1為每個分組獨立選擇路由。在分組1到達后，節點1得知輸出至節點2的隊列短于至節點4的，于是將分組1放入輸出至節點2的隊列。同理，對分組2的處理方式也是如此。對于分組3，節點1發現當前輸出到節點4的隊列最短，因此將分組3放在輸出到節點4的隊列中。在通往C站的后續節點上，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到達節點6也是完全可能的，因此，這些分組有可能以不同于它們發送時的順序到達C站，這就需要C站重新對分組進行排列，以恢復它們原來的順序。

上述兩種工作方式的主要區別如下：

① 面向連接網絡對每次通信總要經過建立連接、傳送信息、釋放連接三個階段；而無連接網絡并不為每次通信過程建立和拆除連接。

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

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。