1.4 交换技术

1.4.1 电路交换

电路交换是最早出现的一种交换方式，也是固话通信和移动通信语音业务采用的交换方式。固话通信中交换机不需要对信息检错和纠错；移动通信的语音通信中交换机需要对语音信息检错和纠错，且固话和移动的语音通信都要求交换机处理时延要小。交换机所要做的就是将入线和指定出线的开关闭合或断开，这种工作方式称为电路交换（Circuit Switching，CS），电路交换技术的简易图解如图1.14（a）所示。

电路交换采用同步时分复用技术，它的特点是：

（1）整个通信连接期间（包括寂静期）始终占用电路，信息传输时延小；

（2）电路是“透明”的，即发送端用户送出的信息通过节点连接，毫无限制地传输到接收端，所谓“透明”是指交换节点未对用户信息进行任何修正或解释；

（3）固定分配带宽资源，信息传输的速率恒定。

电路交换方式有以下缺点：

（1）分配给用户的带宽固定，不适合突发业务传输；

（2）数据通信的效率较低；

（3）存在呼损。由于通信线路的固定分配与占用方式会影响其他用户的呼入，因此造成线路利用率低。

电路交换适用于电话交换、文件传输、高速传真业务，但不适用于突发业务和对差错敏感的业务。

电路交换方式建立的连接在固话通信中常见的传输速率为64kb/s。移动通信中不同的系统有不同的电路交换速率，如全球移动通信系统（G1oba1System for Mobi1e，GSM）的单用户速率为22.8kb/s，IS-136系统的单用户速率为13kb/s。

为了满足不同业务的带宽需要，出现了多速率电路交换（Mu1ti-Rate Circuit Switching， MRCS）。多速率电路交换仍然采用固定分配带宽资源的方法。与常规电路交换不同的是，这种交换资源的分配不是一个等级，而是多个等级。因此，实现多速率交换的一个关键问题是确定基本速率（基本带宽资源）。基本速率定得低，不能满足高带宽业务的需要；基本速率定得高，对低带宽业务来说是浪费。另外，多速率的类型也不能太多，否则控制复杂，难以实现。多速率电路交换技术的实例如窄带综合业务数字网（Narrowand-Intergated Service Digita1 network，N-ISDN）采用的2B+D接口。

1.4.2 分组交换

1.报文交换

报文交换（Message Switching，MS）是根据电报的特点提出来的。电报的交换传输基本上只要求单向连接，允许有一定的时延，但如果传输中有差错，必须纠正以确保接收的信息正确。因此报文的传输不需要提供通信双方的实时连接，但每个交换节点要有检错、纠错的功能。

（1）报文交换原理

报文交换技术的简易图解如图1.14（b）所示。交换机把来自用户的报文先暂时存在交换节点内排队等候，待交换节点出口空闲时，转发至下一节点，这种方式叫存储—转发（Store and Forward）交换，报文在下一节点再存储—转发，直至到达目的节点。该方式中，信息的传输以报文为单位。为了保证报文的正确传输，网络节点必须具有信息处理、存储和路由选择功能。

（2）报文交换特点

报文交换具有以下特点：

① 报文交换不需要事先建立连接；

② 容易实现不同类型终端之间的通信，输入/输出电路速率及电码格式可以不同。

报文交换的主要缺点是：

① 当长报文通过交换机存储并等待发送时，会在交换机中产生较大时延；

② 要求交换机有高速处理能力及大的存储容量，增加了设备费用。

报文交换适用于公共电报业务及电子信箱业务。

2.分组交换

由于报文交换传输时延大，为此人们提出了分组交换的概念。

（1）分组交换原理

分组交换技术的简易图解如图1.14（c）所示，分组交换（Packet Switching，PS）把一份要发送的数据报文分成若干较短的、按一定格式组成的分组（packet），然后采用统计时分复用将这些分组传输到一个交换节点。交换节点仍然采用存储—转发技术。分组具有统一格式并且长度比报文短得多，便于在交换机中存储和处理。分组在交换机的主存储器中停留很短时间，一旦确定了新的路由，很快就转发到下一个节点机。分组通过一个交换节点的平均时延比报文要小得多，从图1.14（b）和图1.14（c）很容易看出这一点。

支持分组交换的协议有多种，根据协议的不同，分组交换网络可以是面向连接的，也可以是无连接的。面向连接的分组网络提供虚电路（Virtua1Circuit，VC）服务，无连接的分组网络提供数据报（Datagram，DG）服务。

（2）分组交换的优缺点

分组交换的优点包括：

① 采用“存储—转发”，可实现不同速率、不同代码、不同通信规程的用户终端间的通信。

② 采用统计时分复用技术，多个用户共享一个信道，通信线路利用率高。

分组交换的缺点包括：

① 技术实现复杂。分组交换机要提供存储—转发、路由选择、流量控制、速率及规程转换状态报告等，要求交换机具有较强的处理能力，所以软件较复杂。

② 网络附加的传输控制信息较多。由于需要把报文划分成若干个分组，每个分组头包含附加地址及控制信息，降低了网络的有效性。

③ 信息从一端传输到另一端，节点数越多，分组时延就越大。

1.4.3 帧中继

分组交换技术是在早期低速、高差错率的物理传输线路基础上发展起来的，为了确保数据可靠传输，交换节点要运行复杂的协议，以完成差错控制和流量控制等主要功能。由于最初的链路传输质量太低，逐段链路的差错控制是必需的。但如今，传输干线均采用光纤，不再要求网络的各节点实现流量控制和差错控制。

帧中继（Frame Re1ay，FR）是以分组交换技术为基础的高速分组交换技术，由网外的端系统实现差错控制和流量控制，缩短了交换节点的处理时间。这是因为光纤通信具有低误码率和大容量的特性，所以不需要在链路上进行差错控制和流量控制，而采用端对端的检错重发控制方式。这种简化了的协议可以方便地利用VLSI技术来实现。

帧中继适于处理突发性信息和可变长度帧的信息，特别适于计算机网络互连。

1.4.4 ATM交换

ATM是ITU-T确定的用做B-ISDN的复用、传输和交换模式。信元是ATM特有的分组单元，语音、数据、视频等各种不同类型的数字信息均可分割成一定长度的信元。它的长度为53字节，分成两部分：5字节的信头含有表示信元去向的逻辑地址、信息类型、优先级和检错纠错等控制信息，48字节的信息段用来装载用户的业务信息。任何业务信息在发送前都必须经过分割，封装成统一格式的信元，在接收端完成相反操作以恢复业务数据原来的形式。

AT M具有以下技术特点：

（1）ATM是一种统计时分复用技术。它将一条物理信道划分为多个具有不同传输特性的逻辑信道提供给用户，实现网络资源的按需分配。

（2）ATM利用硬件实现固定长度分组的快速交换，具有时延小、实时性好的特点，能满足多媒体数据传输的要求。

（3）ATM是支持多种业务的传输平台，并提供服务质量（Qua1ity of Service，QoS）保证。ATM通过定义不同ATM适配层AAL满足不同业务传输性能的需求。

（4）ATM是面向连接的传输技术，在传输用户数据之前必须建立端到端的虚连接。所有信息，包括用户数据、信令和网管数据都通过虚连接传输。

（5）信头比分组头更简单，处理时延更小。

AT M支持语音、数据、图像等各种低速和高速业务，是与业务无关的交换方式。

1.4.5 OSI模型各层的交换技术

OSI分层模型将一个物理实体完成的功能分成多个逻辑功能层，每一层具有不同的功能，多层功能的组合可完成整体功能。利用这种技术，可以将交换节点复杂而庞大的设计问题简化为“单层”的设计问题。OSI与各种交换技术之间的关系概述如下。

电路交换完成的功能相当于OSI模型的第1层，即在物理层交换，无须使用协议。

传统分组X.25协议完成OSI模型的低3层功能，即包括物理层、数据链路层、网络（分组）层的功能。数据链路层采用完全的差错控制（包括对传输信息的帧定位、差错检验、差错恢复），交换在第3层实现。当前，X.25协议已不再作为主流技术标准。

采用点对点协议（Point-to-Point Protoco1，PPP）的IP技术，交换发生在第3层。

帧中继完成OSI模型的低2层，即物理层和数据链路层功能，并对数据链路层进行简化，只完成数据链路层的核心功能（对传输信息的帧定位和差错检验），交换在第2层实现。其节点复杂度比X.25低，转发速率高于X.25网。

ATM协议完成相当于OSI模型的低2层功能，网络中的交换节点不再支持对用户信息的任何差错控制，交换在第2层实现。其节点复杂度最低，允许转发速率最高。

传统路由器使用OSI模型的低3层协议，交换在第3层实现。