电路交换与分组支换

       从一百多年前最早应用于电话网的电路交换技术开始,发展到现在,已出现了多种交换技术,如典型的电路交换、分组交换、快速电路交换、快速分组交换、ATM交换、光交换等。
一、交换节点中传送的信号
交换节点
       交换节点中传送什么样的信号,与使用的交换技术密切相关。按照信号的基本形式可分为电信号和光信号。电信号又分为模拟信号和数字信号,目前使用较多的是采用时分多路复用技术的数字信号。数字信号主要有两种,即同步时分复用信号和统计时分复用信号(或称异步时分复用)。不同的信号对交换有不同的要求,其交换与传送需选用最适合自己的交换技术,如光信号的传送需经过光交换,而电信号的传送则需经过电交换。
1. 同步时分复用信号
       所谓时分复用,就是采用时间分割的方法,把一条高速数字信道分成若干低速数字信道,构成同时传输多个低速信号的子信道。
       而同步时分复用是指将时间划分为基本时间单位,1帧占用时长为125摩。每帧分成若干个时隙,并按顺序编号,所有帧中编号相同的时隙成为一个子信道,该信道是恒定速率的,一个子信道传递一个话路的信息。这种信道也称为位置化信道,因为根据它在时间轴上的位置,可知是第几个话路。对同步时分复用信号的交换实际是话路所在位置的交换,即时隙的内容在时间轴上的移动。
2. 统计时分复用信号
       把需要传送的信息分成很多小段,称为分组。每个分组前附加标志码,标志要去哪个输出端,即路由标记。各个分组在输入时使用不同时隙,虽然使用不同时隙,但标志码相同的分组属于一次接续。所以,把它们所占的信道容量看做一个子信道,这个子信道可以是任何时隙。这样把一个信道划分成了若干子信道,称为标志化信道。这时,一个信道中的信息与它在时间轴上的位置(即时隙)没有必然联系。将这样的子信道合成为一个信道用的复用器,称为统计复用器。统计复用器中必须有一个存储器把接收到的信息按先后顺序分组发送.称为统计复用。所以,对统计时分复用信号的交换实际上就是按照每个分组信息前的路由标记.将其分发到出线。
图5对两种时分复用信号进行了简单的比较。
两种时分复用信号的比较
图5    两种时分复用信号的比较示意图
二、 电路交换与分组支换
1. 电路交换
       电路交换(CS,CircuitSwitching)的基本过程包括呼叫建立阶段、信息传送(通话)阶段和连接释放阶段,如图6所示。
      电路交换的主要特点可概括为:
       •  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,且对通信信息不作处理,也无差错控制措施; 
电路交换过程
图6  电路交换过程
      •  基于同步时分复用方式,连接为物理连接;
      •  实时交换,基于呼叫损失制,只要允许建立连接,就可保证通信质量,过负荷时呼损率增加;
      •  固定分配带宽,资源利用率低,灵活性差;
      •  一般用于电话交换,但也可用于数据交换,用于数据交换时一般速率低于9.6kbit/s;
      •  当节点使用电路交换技术时,可构成电话网(PSTN)、数字数据网(DDN)、移动通信网等。
2. 分组交换
       虽然话音通信使得人们之间信息交流变得非常方便,但是从20世纪60年代开始至今,数据通信占据了越来越重要的地位。尽管数据通信和话音都是以传送信息为通信目的.但是两者仍有不同之处。
(1)通信对象不同
       数据通信实现的是计算机和计算机之间以及人和计算机之间的通信,而电话通信则是实现人和人之间的通信。计算机之间的通信过程需要定义严格的通信协议和标准,而电话通信则无须这么复杂。
(2)传输可靠性要求不同
       数据信号使用二进制“0”和“1”的组合编码表示,如果一个码组中的一个比特在传输中发生错误,则在接收端可能会被理解成为完全不同的含义。特别对于银行、军事、医学等关键事务处理时,发生的毫厘之差都会造成巨大的损失。一般而言,数据通信的比特差错率必须控制在10-以下,而话音通信比特差错率则低于ICT'即可。
(3)通信的平均持续时间和通信建立请求响应不同根据美国国防部对27000个数据用户进行统计,大约25%的用户数据通信持续时间在Is以下,50%的用户数据通信持续时间在5s以下.90%的用户数据通信持续时间在50s以下。而相应电话通信的持续平均时间在5min左右。统计资料显示,99.5%以上的数据通信持续时间短于电话平均通话时间。由此决定数据通信的信道建立时间要求也要短,通常应该在1.5s左右;而相应的电话通信过程的建立一般在15s左右。
(4)通信过程中信息业务量特性不同
统计资料表明,电话通信双方讲话的时间平均各占一半,即对于数字PCM话音信号平均速率大约为32kbit/s,一般不会出现长时间信道中没有信息传输;而计算机通信双方处于不同的工作状态,传输数据速率是非常不同的。例如,系统进行远程遥测和遥控,那么速率一般只在30bit/s以下;用户以远程终端方式登录远端主机.信道上传输的数据是用户用 键盘输入的,每秒钟的输入速率为20〜300bit/s,而相应的主机速率则在600-10000bit/s;如果用户希望获取大量文件,则一般传输速率在100kbit/s〜1Mbit/s的范围是让人满意的。
         由上述分析可以看到,必须选择合适的数据交换方式构造数据通信网络,以满足高速传输数据的要求。最初人们开始进行数据通信时利用电路交换的电话网络,速率较低,满足了当时对数据通信的要求;后来又使用了基于存储转发的报文交换(MessageSwitching)技术,但其时延变化较大;在此基础上,开始使用分组交换(PS,PacketSwitching)技术,分组交换技术是最适于数据通信的交换技术。分组交换与报文交换的比较示于图4.7中。
分组交换与报文交换的比较
图7   分组交换与报文交换的比较
分组交换技术的主要特点可概括为
      • 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.有差错控制措施。
      • 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);资源利用率高,共享信道。
      • 有时延,实时性差,不能保证通信质量。
      • 一般用于数据交换,但也可用于分组话音业务。
      • 当节点使用分组交换技术,可构成分组交换网。传统分组交换使用的最典型的协议就是著名的X.25协议。
3、 快速电路交换
       为了克服电路交换固定分配带宽的缺点,提高灵活性,于1982年提出了改进的电路交换技术,即快速电路交换(FCS,FastCircuitSwitching)。
       快速电路交换的核心思想是在有信息传送时快速建立通道,如果用户没有数据传输则释放传输通道。具体过程是这样的:在呼叫建立时,用户请求一个带宽为基本速率的某个整数倍的连接,此时,网络根据用户的申请寻找一条适合用户通信的通道,但是并不建立连接和分配资源,而是将通信所需的带宽、所选的路由编号填入相关的交换机中,当用户传送信息时,网络迅速按照用户的申请分配通道完成信息的传输。这种方式网络必须有能力快速 
测知信源是否发送数据,同时必须在较短的时间内完成端到端的链路的建立,要求网络有高速计算的能力。
快速电路交换虽然也提高了带宽利用率,但控制复杂,灵活性又比不上快速分组交换,故未得到广泛应用。
4、快速分组交换
      快速分组交换(FPS.FastPacketSwitching)的基本思想是尽量简化协议,只具有核心的网络功能,以提供高速、高吞吐量、低时延的服务。FPS包括帧中继(FR,FrameRelay)与信元中继(CR.CellRelay)两种交换技术,信元中继为ATM所采用。实际上,ATM来源于FPS和异步时分交换,这部分内容会在后面的学习中介绍,这里仅讨论帧中继技术。
      通常的分组交换是基于X.25协议的。帧中继简化了X.25协议,只保留了一些核心功能,如帧的定界、同步、透明性以及帧传输差错检测等,而将差错重传校正、流量控制等功能取消。具体说,帧中继采用ITU-TQ.922建议,采用可变长度帧,提供面向连接业务,可适应突发信息的传送,适用于局域网的互连。
       需要指出,简化协议只提供核心的网络功能是有其背景基础的。一方面,高带宽、高传输质量的光纤系统的大量应用,为简化或取消差错控制和流量控制创造了条件;另一方面,终端系统日益智能化,例如,个人计算机的大量出现,具备了以端到端的方式进行一些复杂控制的能力,网络只提供公共的核心功能,反而增加了应用上的灵活性。
       当节点为帧中继交换机时,可构成帧中继网。
5、异步转移模式
       异步转移模式(ATM,AsynchronousTransferMode)是ITU-T(国际电联电信标准化部门,原为国际电报电话咨询委员会CCITT)确定用做宽带综合业务数字网(B-ISDN)的复用、传输和交换的模式。ATM交换具有综合电路交换和分组交换的优势,可以实现高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换,提供灵活的带宽分配,适应从很低速率到很高速率的宽带业务的交换要求,具有高效的网络运营效率交换和复用技术。
ATM交换的基本原理及特点可概括如下。
       (1) 基于统计时分复用。
       (2) 面向连接:ATM釆用面向连接的工作方式,即在用户信息传送前,先要有连接建立过程;在信息传送结束后,要拆除连接。当然,这不是物理连接,而是一种虚连接。
       (3) 固定长度信元:ATM交换是固定长度的信元中继。信元(Cell)实际上就是很短的分组,只有53个字节(Byte),其中开头5个字节称为信头(CellHeader),其余48个字节为信息域,或称为净荷(PayLoad)。釆用很短的信元可以减少交换节点内部的缓冲器容量以及排队时延和时延抖动。信元的长度固定,则有利于简化交换控制和缓冲器管理。
       (4) 信头简化:信头中包含控制信息的多少反映了交换节点的处理开销。因此要尽量使信头简化.以减少处理开销。ATM信元的信头功能有限,主要有虚连接的标识、优先级标志、信头的差错检验等功能,信头中的差错检验只针对信头本身。
       (5) 当节点使用ATM交换技术时,可构成ATM传送网和B4SDN网。以上介绍的是几种主要的节点交换技术的比较,如图8所示。
节点交换技术比较
图8    节点交换技术比较
6.光交换
        光交换也是一种宽带交换技术。光交换已经在信息传输中得到广泛的应用,而目前交换设备都是采用电交换机。因此光信号要先变成电信号才能送入到电交换机,从电交换机送出的电信号又要先变成光信号才能送上传输线路,如果是用光交换机,这些光电变换过程都可以省去了。
       除了减少光电变换的损伤外,釆用光交换可以提高信号交换的速度,因为电交换的速率受电子器件速度的限制,为此,光交换技术是未来发展的方向。

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