第1章 概论

1.1 交换与通信网

1.1.1 交换机的引入

信息需要从一个地方传送到另一个地方才能体现出它的价值。如何准确而经济地实现信息的传输，这就是通信。所以，通信即是指按约定的规则传送信息。

从广义上说，无论采用什么方法，使用何种媒介，只要将信息从一地传送到另一地，均可称为通信，如古代的烽火报警、驿站传书，近代的邮政、电话通信及数据通信等。由“通信”到“电信”，仅仅一字之差，却牵动了一场革命，拉开了通信技术发展的帷幕，今天我们所说的通信，通常是指电通信，信息以电磁波形式进行传输，即电信。

一个电信系统至少应当由发送或接收信息的终端和传送信息的传输媒介组成，如图1-1所示。终端将包含信息的消息，如话音、数据、图像等，转换成适合传输媒介传输的电信号，同时将来自传输媒介的电信号还原成原始消息；传输媒介则负责把电信号从一地传送到另一地。这种只涉及两个终端的通信系统称为点对点通信系统。

当存在多个终端，并希望它们中的任何两个都能进行点对点通信时，最直接的方法是把所有的终端两两相连，如图1-2所示。这样的连接方式称为全互连方式。

全互连是一种最简单、最直接的组网方式，但存在下列问题：

（1）连接线对的数量随终端数的平方增加，当存在 N 个终端时，需要的连接线对数为N(N-1)/2；

（2）当这些终端相距很远时，需要大量的长途线路；

（3）增加第N+1个终端时，必须增设N对线路；

（4）每个终端都与其他终端相连，需要配置很多线路接口。

因此，在实际应用中，全互连组网仅适用于终端数目少、地理位置较集中、可靠性要求很高的场合。

上述问题将随着用户数量的增加而变得更加突出。为此，可以考虑在用户分布较集中的地区安装一台设备，把每个用户的终端（如电话机）或其他设备用各自专用的线路连接到这台设备上，如图1-3所示。这台设备相当于一个开关（Switch），当任意两个用户需要通信（交换信息）时，该设备可以立即将这两个用户之间的通信线路连通（称为“接续”），让用户进行通信。当用户通信完毕后，该设备又可以立即把两个用户之间的连接线断开。由此可见，这台设备能够完成任意两个用户之间的信息交换任务，所以称之为交换设备或交换机，也可称为交换节点。有了交换设备，N个用户只需要用N对连接线就可以满足通信要求了，这显然可以大大降低线路的投资费用。这里，虽然增加了交换设备的费用，但由于它的利用率很高，相比之下，总的投资费用将下降，特别是当用户数很大时更是如此。

根据IEEE（电子和电气工程师协会）的定义，交换机的作用是在任意选定的两条用户线之间建立和（而后）释放一条通信链路。换句话说，交换机应能为连接到本机的任意两个用户之间建立一条通信链路，并能随时根据用户要求释放该链路。

引入交换设备后，用户之间的点对点通信就可由交换式通信网来提供。交换机最早用于电话通信。最简单的通信网仅包含一台交换机，如图1-3所示。每个用户（电话机或通信终端）通过一条专用的用户环线（简称用户线）与交换机中的相应接口相连接。实际的用户线常是一对绞合的塑胶线，线径在0.4～0.7mm之间。

1.1.2 交换式通信网

由交换机构建通信网的一个突出优点是很容易组成大型网络。例如，当终端数目很多，且分散在相距很远的不同地区时，可以用交换机组成如图1-4所示的通信网。网中直接连接电话机或终端的交换机称为本地交换机或市话交换机，相应的交换局称为端局或市话局；仅与其他交换机连接的交换机称为汇接交换机。当交换机相距很远，必须用长途线路连接时，这种情况下的汇接交换机也称为长途交换机。交换机之间的线路称为中继线。显然，长途交换设备仅涉及交换机之间的通信，而市内交换设备则既涉及交换机之间的通信，也涉及与用户终端之间的通信。类似地，本地汇接交换机也可只涉及交换机之间的通信。图1-4中，用户交换机常称为PBX（Private Branch Exchange），用于集团内部通信。当PBX具有自动交换能力时，又称为PABX（Private Automatic Branch Exchange）。

按需实现任意入线与任意出线之间的互连是交换机最基本的任务。从交换机完成用户之间通信的不同情况来看，交换机应能控制以下4种接续。

本局接续：指在交换机范围内各用户线之间的接续。

出局接续：指用户线与出中继线之间的接续。

入局接续：指入中继线与用户线之间的接续。

转接接续：指入中继线与出中继线之间的接续。

为了完成上述各种类型的接续，交换机必须具备以下最基本的功能：

① 为了能正确发现和判断用户的呼叫请求，交换机必须能正确接收和分析来自用户线或中继线的呼叫信号；

② 为了能正确发现和判断是哪一个用户发出的呼叫请求，交换机必须能正确接收和分析来自用户线或中继线的地址信号；

③ 为了能正确与呼叫用户给定的目标用户进行接续，交换机必须能按目的地址进行选路，以及在中继线上转发信号；

④ 能控制交换机内端口之间连接的建立；

⑤ 能按照收到的释放信号要求拆除连接。

在计算机局域网中也有被称为LAN Switch的交换机，俗称网络交换机。LAN Switch的基本任务就是将来自输入端口的数据包根据其目的地址转发到输出端口，只要目的地址不变，出、入端口之间的对应关系就保持不变，相当于建立了端口之间的连接。因此，LAN Switch和电话交换机具有类似的功能。

1.通信网的定义

对于通信网的定义，从不同的角度可以得出不同的观点。从用户的角度看，通信网是一个信息服务设施，甚至是一个娱乐服务设施，用户可以利用它获取信息、发送信息、参与娱乐等；而从工程师的角度看，通信网则是由各种软硬件设施按照一定的规则互连在一起，完成信息传递任务的系统。工程师希望这个系统应该可管、可控、可运营。因此，我们给通信网下一个通俗的定义：通信网是由一定数量的节点（包括端系统、交换机）和连接这些节点的传输系统有机地组织在一起的，按照约定的规则或协议完成任意用户间信息交换的通信体系。用户使用它可以克服空间、时间等障碍来进行有效的信息交换。

在通信网上，信息的交换可以在两个用户之间进行，在两个计算机进程之间进行，还可以在用户和设备之间进行。交换的信息包括用户信息（如话音、数据、图像等）、控制信息（如信令信息、路由信息等）和网络管理信息三类。由于信息在网上通常以电或光信号的形式进行传输，因而现代通信网也称为电信网。通信网要解决的是任意两个用户间的通信问题，由于用户数目众多、地理位置分散，并且需要将采用不同技术体制的各类网络互连在一起，因此通信网必然涉及到组网结构、编址、选路、控制、管理、接口标准、建设成本、可扩充性、服务质量保证等一系列在点对点通信系统中原本不是问题的问题，这些因素增加了设计一个实际通信网的复杂度。

2.网络工作方式

在通信网中，网络将信息由信源传送至信宿具有两种工作方式：面向连接（CO，Connection Oriented）方式和无连接（CL，Connectionless）方式。这两种方式可以比做铁路交通和公路交通。铁路交通是面向连接的，如从北京到南京，只要铁路信号提前往沿线各站一送，道岔一合（类似交换），火车就可以从北京直达南京，一路畅通，准时到达。公路交通是无连接的，汽车从北京到南京一路要经过许多立交或岔路口，在每个路口都要进行选路，遇见道路拥塞时还要考虑如何绕行，如果拥塞较多就会影响运输：或者延误时间，或者货物受到影响，时效性（通信中称为服务质量）难以得到保证。

（1）面向连接网络

面向连接网络的工作原理如图1-5所示。假定A站有三个数据分组要送到C站，A站首先发送一个“呼叫请求”消息到节点l，要求网络建立到C站的连接。节点1 通过选路确定将该请求发送到节点2，节点2 又决定将该请求发送到节点3，节点3 决定将该请求发送到节点6，节点6 最终将“呼叫请求”消息投送到C站。如果C站接受本次通信请求，就响应一个“呼叫接受”消息到节点6，这个消息通过节点3、2和1原路返回到A站。一旦连接建立，A站和C站之间就可以经由这条连接（图中虚线所示）来传送（交换）数据分组了。A站需要发送的三个分组依次通过连接传送，各分组传送时不再需要选择路由。因此，来自A站的每个数据分组，穿过节点1、2、3、6，而来自C站的每个数据分组穿过节点6、3、2、1。数据传送结束后，A、C任意一站均可发送一个“释放请求”消息来终止连接。

面向连接网络建立的连接可以分为两种：实连接和虚连接。用户通信时，如果建立的连接由一段接一段的专用电路级联而成，无论是否有信息传送，这条专用连接（专线）始终存在，且每一段占用恒定的电路资源，那么这种连接就叫实连接（如电话交换网）；如果电路的分配是随机的，用户有信息传送时才占用电路资源（带宽根据需要分配），无信息传送就不占用电路资源，对用户信息采用标记进行识别，即连接（逻辑上的）的各段链路使用标记统计占用线路资源，那么这样一段段串接起来的标记连接叫虚连接（如分组交换网）。显而易见，实连接的资源利用率较低，而虚连接的资源利用率较高。

（2）无连接网络

无连接网络的工作原理如图1-6所示。同样，如果A站有三个数据分组要送往C站，A站直接将分组1、2、3按序发给节点1。节点1为每个分组独立选择路由。在分组1到达后，节点1得知输出至节点2的队列短于至节点4的，于是将分组1放入输出至节点2的队列。同理，对分组2的处理方式也是如此。对于分组3，节点1发现当前输出到节点4的队列最短，因此将分组3放在输出到节点4的队列中。在通往C站的后续节点上，都做类似的选路处理。这样，每个分组虽然都包含同样的目的地址，但并不一定走同一路由。另外，分组3 先于分组2到达节点6也是完全可能的，因此，这些分组有可能以不同于它们发送时的顺序到达C站，这就需要C站重新对分组进行排列，以恢复它们原来的顺序。

上述两种工作方式的主要区别如下：

① 面向连接网络对每次通信总要经过建立连接、传送信息、释放连接三个阶段；而无连接网络并不为每次通信过程建立和拆除连接。

② 面向连接网络中的每一个节点必须为每一个呼叫选路，一旦路由确定连接即建立，路由中各节点需要为接下来进行的通信维持连接的状态；而无连接网络中的每个节点必须为每个传送的分组独立选路，但节点中不需要维持连接的状态。

③ 用户信息较长时，采用面向连接方式通信效率较高；反之，无连接方式要好一些。