现代交换原理思维导图模板_ProcessOn思维导图、流程图

一、交换概论

1、交换与通信网

什么是交换：在通信领域中，所谓交换，就是在通信网上，负责在通信的源和目的终端之间建立通信信道传送通信信息的机制（控制）

通信网的组成：交换设备、传输设备、终端设备

通信网的分层结构

应用层

业务层

PSTN

ISDN

B-ISDN

PSPDN

FRN

IN

IP

移动电话网

传送层

支撑网

信令网

数字同步网

电信管理网TMN

通信的基本问题

编码

寻址

信息传递的额外要求——网络结构、带宽、复用、连接方式、安全、服务质量等

通信网三对基本概念

信息传送

面向连接工作方式（物理连接、逻辑连接）

连接建立、信息传送、连接释放

无连接工作方式

边选路、边传递信息

时分复用

同步时分复用

位置化信道：依据信号在时间轴上的位置来区别每一路信号（逻辑信道），无信息传送时也占有信道

子信道信息流速率恒定，每帧一个定长数据

统计（异步）时分复用

标志化信道：标志码标识哪里信息，与时间位置无关

分组长度可变或可变，分组头起定界作用

统计复用提高信道利用率

带宽分配

固定带宽分配

动态带宽分配

2、各种交换方式

电路交换

三个阶段：连接建立->信息传送->连接释放

特点

面向连接的工作方式（物理连接）

同步时分复用（固定带宽分配）

无差错控制机制

对通信信息不做处理（透明传输）

流量控制基于呼叫损失制

业务

实时、恒定速率的话音业务

多速率电路交换

方法

将几个基本信道速率捆绑起来，构成一个速率更高的信道，即确定基本信道速率，按需形成其他速率，且其他速率是基本速率的整数倍。

关键问题一：确定基本速率

太低：难以实现高速业务

太高：低速业务造成带宽浪费

关键问题二：保证时隙顺序完整性（TSSI）

特点

软件实现、控制软件复杂

应用

ISDN多速率承载业务

ATM交换

采用固定长度和短信元的好处

短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，可用硬件实现交换，有利于简化交换控制和缓冲器管理。

特点

面向连接的工作方式

异步时分复用（动态带宽分配）

以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式高速化的优点

简化了分组通信中的协议，并由硬件对简化的协议进行处理，交换节点不再对信息进行流量控制和差错控制——极大提高了网络传输处理能力

帧中继

与分组交换对比

协议栈

帧中继：只有两层

分组交换

有三层，多一个网络层

前提

高度可靠的光纤系统，无需链路层复杂的流量控制和差错控制功能

终端系统日益智能化，具备以端到端方式进行差错控制的能力

应用

LAN互连

分组交换

存储转发

分组交换信息传送的最小单位——分组

典型应用

公用电报网的电报自动交换

形成

分组头：选路信息及其它控制信息

分组大小：可变长、长度（兼顾时延和开销）

主要特点

交换的两种方式

虚电路VC

面向连接的工作方式——逻辑连接

应用：PSPDN——Packet Switched Public Data Network

数据报DG

无连接工作方式

路由选择和数据转发同时进行

应用——IP网络

统计时分复用（动态带宽分配）

通过标识来区分每一个逻辑信道

特点

面向连接方式（逻辑连接）和无连接方式

统计时分复用（动态分配带宽）

有差错控制机制

对通信信息作处理

流量控制基于呼叫延迟制

虚电路与数据报比较

分组头

虚电路：简单（逻辑信道号）

数据报：复杂（详细的选路信息）

选路

虚电路：基于虚连接表

数据报：每个分组独立选路，选路复杂

分组顺序

虚电路：不会失序

数据报：失序现象

故障敏感性

虚电路：敏感

数据报：不敏感（可靠性高）

应用

虚电路：连续数据流

数据报：询问/响应

业务

可靠性要求高、可变速率的数据业务

CTM与PTM的比较

对信息的损伤方面

电路交换——时间透明性好

分组交换——语义透明性好

在支持多种业务方面

分组交换有更大的灵活性，可实现多速率交换，并允许多种业务共享网络资源

在交换速率方面

电路交换可达到高速率的交换（硬件）

分组交换的交换速率受到了限制（软件）

在设备的复杂性方面

分组交换需要一套复杂的队列管理机制

电路交换则需要复杂路由选择算法

3、交换系统

交换系统基本结构

交换系统基本技术

互连技术

交换网络的拓扑结构、选路策略、控制机理、多播方式、阻塞特性、故障防卫

接口技术

模拟用户接口、数字用户结构、模拟中继接口、数字中继接口

信令技术

用户信令

局间信令

控制技术

控制系统的结构方式、处理机间的通信方式、多处理机结构

交换节点的基本功能

接续类型

本局接续、出局接续、入局接续、转接接续

必须具备的基本功能

能正确接收和分析从用户线或中继线发来的呼叫信号、地址信号

能按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号

能控制连接的建立与拆除

二、交换网络

交换网络的基本概念

交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络

三个基本要素

交换单元

T交换单元

S交换单元

不同交换单元间的拓扑连接

控制方式

分类

级数

单级交换网络

由一个或者多个位于同一级的交换单元所构成的交换网络，及需要交换的信息从交换网络入线到交换网络出线只经过一个交换单元，并且当同一级有多个交换单元构成时，不同交换单元的入线与出线之间可建立连接。

多级交换网络

阻塞

有阻塞交换网络

阻塞是指从交换网络不同输入端来的信息在交换网络中交换时发生了对同一公共资源争抢的情况，这时在竞争资源中失败的信息就会被阻塞，直到这个公共资源被释放。

内部竞争、出线竞争

无阻塞交换网络

严格无阻塞网络

可重排无阻塞网络

广义无阻塞网络

通路

单通路交换网络

多通路交换网络

时分空分

时分交换网络

所有的输入与输出端口分时共享单一的通信通路，具有时隙交换功能

空分交换网络

可以在多对输入端口与输出端口间同时并行地传送信息，具有空间交换的功能

CLOS网络

为了减少交叉点总数而同时具有严格的无阻塞特性

CLOS网络

在最坏情况下，，中间级会有（n-1）*2个交换单元被占用，因此中间级至少要有（n-1）*2+1=2n-1个交换单元，即m>=2n-1时，可确保无阻塞

3级CLOS严格无阻塞网络条件：m>=2n-1

3级CLOS可重排无阻塞网络条件：m>=n

TST网络

TST网络构成

TST网络

每一条PCM线路连接到一个T接线器，有多少条输入或输出PCM线路，就有多少个T接线器

S级的出入线数决定于两侧T接线器的数量，即等于输入输出线数

TST网络的工作原理

1. 双向通路的建立

为减少选路次数，简化控制，可使两个方向的内部时隙具有一定的对应关系，通常可相差半帧，俗称反相法

2. 阻塞特性

TST网络完全无阻塞的条件：m（内部时隙数）=2n（输入时隙数）

3. 控制方式

第1级T接线器和第3级T接线器一般采用不同控制方式

TS组合网络的应用

BANYAN网络

Banyan 网络的基本结构

L级banyan

任何输入到任何输出之间的通路都经过L级

规则banyan

各个交换单元时相同的

不规则banyan

各个交换单元不相同

矩形banyan

每个交换单元的入线数等于出线数

通常将由2X2的交换单元构成的矩形banyan简称为banyan网络

Banyan 网络的基本特性

树型结构特性

从banyan的任一输入端口引出的一组通路形成了2分支树，级数越多，分支越多，级数k=log2N，N=总入线数/出线数，即2^k  = N

自选路由特性

给定出线地址，不用外加控制命令，就可选到出线。可以使用对应于出端号的二进制码的选路标签来自动选路

可扩展性（可规律构造）

单通路特性

banyan的任一入端到任一出端之间，具有1条且仅有一条通路

内部竞争性

具有内部竞争的有阻塞网络

解决内部阻塞的方法

1. 使用排序-banyan网络

2. 构造多通路

增加多级交换网络的级数来消除内部阻塞

完全消除，至少需要2log2N-1级

BATCHER-BANYAN网络

简称B-B网

避免了banyan的内部阻塞，是目前ATM交换机使用较多的一种网络

基于banyan的多通路结构

增长型banyan

每增加1级，每个入端与每个出端之间的通路数就增加1倍

扩展型banyan

每个输出地址有d条链路，输出地址并非2d个

膨胀型banyan

膨胀度d在各级可变化，扩展型banyan的特例

复份型banyan

多平面banyan网络结构，负荷均分、广播功能

Benes网络

两个banyan对接，并将中间相连的两级合并为1级。

由于banyan有log2N级，故benes有2log2N-1级

可重排无阻塞

可规律构造

三、电路交换

1. 概述

电话通信与电话机

脉冲拨号方式

脉冲速度

表示拨号盘每秒钟发生的脉冲个数，入网电话机的脉冲速度：8~14个/s

脉冲断续比

在一个脉冲周期里，断开电流的时间和接通电流的时间之比，t断/t续 = 1.3~2.5 ：1

位间隔：>=350ms

DTMF拨号方式

拨号集成电路发出双音频DTMF信令

振铃器：交铃流、音调振铃器

开关、叉簧：接插件，二、四线绳

电话交换技术的发展

人工交换阶段

磁石式电话交换机

共电式电话交换机

机电式自动交换阶段

步进制交换机

电子式自动交换阶段

半电子交换机

全电子交换机

模拟程控交换机

数字程控交换机

2. 数字程控交换机的构成

数字程控电话交换系统

话路子系统

接口设备

模拟用户电路

BORSCHT

Battery feeding 馈电

Overvoltage protection 过压保护

Ringing control 振铃控制

Supervision 监视

1. 用户话机的摘挂机状态

2. 用户话机发出的拨号脉冲

3. 投币、磁卡话机的输入信号

CODEC & filters 编译码和滤波

编码器

完成模拟信号到数字信号的转换 Coder

完成数字信号到模拟信号的转换 Decoder

Hybird circuit 混合电路

完成二线到四线的转换功能

Test 测试

其他功能

主叫号码显示 FSK

极性倒换（反转）

计费脉冲发送（12KHz 16KHz）

数字中继器

基本功能

码型变换

NRZ单极性不归零码<——>HDB3高密度双极性码

帧同步

就是从接受的数据流中搜索并识别到同步码，以确定一帧的开始，以便接收端的帧结构排列和发送端的完全一致

复帧同步

如果数字中继线上使用的是随路信号（中国1号信令），则除了帧同步外，还要有复帧同步。复帧同步是为了解决各标志信号的错路问题

时钟提取

就是从输入的数据流中提取时钟信号，作为输入数据流的基准时钟。同时该时钟信号还用来作为本端系统时钟的外部参考时钟源

提取和插入随路信号

帧定位（再定时）

信令设备

数字音频信号的产生、发送、接收

信号种类

交换机到用户：各种信号音（单频，信号源450hz或950hz的正弦波）

用户到交换机：拨号信号（直流脉冲、DTMF）

交换网络

复用器和分路器

话路建立

如果复用器输入线数为n，依次编号为0,1，....，n-1，且i号输入线上j时隙信号TSj经复用器串并变换和复用后，在输出线上第k个时隙输出，即在TSk出现，则有k = j X n+1

计算速率，计算帧位置

控制子系统

组成

CPU与存储器

外部设备

远端接口

要求

1. 呼叫处理能力

呼叫处理能力是指在满足服务质量的前提下，处理机处理呼叫的能力

通常用最大忙时试呼次数BHCA来表示程控交换机的呼叫处理能力，即在单位时间内控制系统能够处理的呼叫次数

处理机的系统开销

系统开销=固有开销+非固有开销

系统开销，即处理机时间资源的占用率，是统计时间内处理机运行系统软件和应用软件的时间与统计时长之比

固有开销是与呼叫处理次数无关的系统开销，如操作系统的任务调度程序和周期执行的各种扫描程序所占CPU的时间与统计时长之比

非固有开销是与呼叫处理次数有关的系统开销，如执行处理呼叫的程序所占CPU的时间与统计时长之比

BHCA

t = a + bN

t为该交换机控制系统的系统开销

a为该交换机控制系统的固有开销

b为该交换机控制系统处理一次呼叫的非固有开销（平均值）

N为单位时间内所处理的呼叫总次数，即呼叫处理能力值（BHCA）

bN为该交换机控制系统的非固有开销

过负荷状态

如果在一个有效的时间间隔周期内（不包括峰值瞬间），出现在交换设备上的试呼次数，即话务负荷超过了交换机控制系统的设计处理能力时，则称该交换设备运行在过负荷状态。

2. 高可靠性

程控交换机系统中断的指标是20年内系统中断时间不得超过1小时。系统中断是指由于硬件、软件、操作系统故障，以及局数据、程序差错而使系统不能处理任何呼叫且时间大于30s。

构成方式

集中控制

处理机间通信接口简单

单个处理机上的应用软件复杂、庞大

系统可靠性较低（单机系统）

分散控制

分级分散控制

全分散控制

各处理机处于同一级别

各处理机之间通信接口较复杂

单个处理机上的应用软件相对简单

系统可靠性比较高

系统具有较好的扩充能力

多处理机的工作方式

功能分担方式

话务分担方式

冗余方式

双机冗余

同步方式

互助方式

主备方式

N+m冗余

3. 呼叫处理原理 

程控交换软件概述

交换软件特点

话音业务

实时性

软件编程效率

CPU处理能力

多任务并发执行

操作系统

数据管理

资源管理

多任务程序设计

高可靠性

保证业务不间断

自检程序

故障诊断和处理程序

备份CPU倒换程序

交换软件系统组成

交换软件

运行软件

操作系统

实时多任务操作系统

实施多任务操作系统支持多任务并发处理，由于多任务的并发处理，由于多任务的并发性因而必然会引起多任务的同步、互斥、通信以及资源共享等问题 

任务的分级

故障级任务

负责故障识别和紧急处理等功能，具有最高优先级

周期级任务

由时钟中断按周期性启动的任务，优先级较故障级任务低、比基本级任务高

基本级任务

可以适当延迟执行的任务，其优先级最低。

应用系统

呼叫处理软件

功能如下

用户线和中继线上输入信号（呼叫信号、地址信号）检测识别

呼叫资源管理（时隙、中继电路、DTMF收号器）

用户数据、呼叫状态以及号码等的分析

路由选择

控制呼叫状态迁移

控制计时、送音和交换网络的连接

信令协议的处理

数据库系统

数据

系统数据

与交换机硬件体系结构和软件程序有关，不随交换局应用环境而变化

局数据

反映交换局设置和配置情况的数据

用户数据

每个用户特有的，有静态用户数据和动态用户数据之分

OAM （操作维护管理）软件

用以保证系统高效、灵活、可靠地运行

用户数据和局数据管理

测试

告警

故障诊断与处理

动态监视

话务统计

计费

过负荷控制

支援软件

软件开发支援系统

软件加工系统

应用工程支援系统

交换局管理支援系统

扩展有限状态机&SDL

有限状态自动机<S,i,E,T>

S：系统状态集，状态数有限

i：系统初始状态，i∈S

E：输入字母集

T：转移函数集，是从SxE到S的映射

传输层（TCP）协议机

SDL

一种形式化描述语言

特点

形式化的语法

形式化的语义

清楚的概念模型

界面统一表示

强大的表达和描述功能

有助于系统的实现和完善

SDL的特点

可用于需求分析到具体实现的整个开发过程

适应于实时系统

基于扩展的有限状态机

图形化表示方式，可视性强

具有面向对象的特征

呼叫处理原理

处理过程

1、主叫A摘机呼叫

1. 交换机检测到用户A的摘机信号

2. 交换机检查用户A的类别，识别是普通电话、公用电话等

3. 交换机检查用户呼叫限制情况

4. 交换机检查话机类别，以确定是PULSE还是DTMF收号方式

2、向A送拨号音准备收号

1. 交换机选择一个空闲收号器和空闲的时隙（路由）

2. 交换机向主叫A送拨号音

3. 监视主叫A所在用户线的输入信号（拨号），准备收号

3、收号与号码分析

1. 交换机收到第一位号码后停拨号音

2. 交换机按位存储收到的号码

3. 交换机对号首进行分析，判定呼叫类别（本局、出局、长途、特服等），并确定应收号长

4. 交换机对“已收号长”进行技术，并与“应收号长”比较

5. 号码收齐后，本局呼叫进行号码翻译，确定被叫

6. 交换机检查被叫用户是否空闲，若空闲则选定该被叫

4、建立连接向B振铃，向A送回铃音

1. 交换机将路由接至被叫B

2. 向被叫B振铃

3. 向主叫A送回铃音

4. 主、被叫通话路由建立完毕

5. 监视主、被叫用户状态

5、被叫应答，进入通话

1. 被叫摘机应答，交换机检测到后，停振铃和停回铃音

2. A、B通话

3. 开始计费

4. 监视主、被叫用户状态

6、一方用户挂机，向另一方送忙音

1. 如果主叫A 先挂机，交换机检测到后，复原路由，停止计费，向被叫B送忙音

2. B同上

7、通话结束

被催挂的用户挂机，释放占用的所有资源，通话结束

交换软件设计技术

四、分组交换

路由器

多协议标记交换MPLS

ATM技术

ATM的目标

对信息的损伤要小

具有时间透明性（信息传送的时延和时延抖动要小）

具有语义透明性（由传送引起的信息丢失和差错要小）

能灵活地支持各种业务

具有高速传送信息的能力

ATM基本原理

ATM信元及其结构

信头结构

信元由5字节信头和48字节信息段组成

UNI的信头结构

GFC

一般流量控制字段（4比特）及相应的GFC功能用于接入的流量控制。由于B-ISDN的UNI接入的终端数量可以很多，需要控制流向网络的流量，以避免网络的短期过载

VPI/VCI

选路信息

PT

表示净荷类型

CLP

表示信元丢失优先级，只有一个比特，CLP=0，表示高优先级，CLP=1表示低优先级，若遇到拥塞要丢弃信元时，CLP=1的信元将首先丢弃。

HEC

为1个字节，用于信头差错控制

NNI的信头结构

NNI信头不需要GFC字段，从而使VPI扩展为12比特

异步时分复用技术

面向连接的工作方式

虚通道和虚信道

ATM连接的建立过程

在源ATM端点与目的ATM端点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点间的各段传输通道上，找寻空闲VB链路和VP链路，分配VCI与VPI，建立相应VCC与VPC的过程

IP网络技术

特点

分组交换（数据报方式）

无连接工作方式

动态分配带宽（统计时分复用）

无QoS保证（尽力而为）

优缺点

技术简单、可扩展性好、灵活性高

传输效率低、无法保证服务质量

什么是MPLS

标记、多协议

MPLS是利用标记进行数据转发的。当分组进入网络时，要为其分配固定长度的短的标记并将标记与分组封装在一起，在整个转发过程中，交换节点仅根据标记进行转发。

基本组成

LER

边缘路由器

入口LER

分配标记

将IP分组封装成标记分组

将标记分组从相应端口转发出去

出口LER

去除标记，将标记分组还原为IP分组

查找路由表将IP分组转发出去

LSR

核心交换路由器

依据标记信息进行转发

LSP

标记交换路径：为具有一些共同特性的分组通过网络而选定的一条通路，由入口的边缘交换路由器，一系列核心路由器和出口的边缘交换路由器以及他们之间由标记所标识的逻辑信道组成

FEC

转发等价类：经过相同的LSP，完成相同的转发处理的一些数据分组，具有某些相同的特性

LDP

标记分发协议：MPLS的控制协议，用于LSR之间交换信息，完成LSP的建立、维护和拆除等功能

MPLS网络体系结构

MPLS基本交换原理

连接建立

数据传输

拆除连接

MPLS交换节点体系结构

五、信令&SIP

信令概述

什么是信令

信令是呼叫接续过程中所采用的一种“通信语言”，用户协调动作，控制呼叫。这种 “通信语言”应该是可相互理解的、相互约定的、以达到协调动作为目的的。

信令的分类

按信令的功能分：

线路信令

监视功能

路由信令

选择功能

管理信令

操作功能

按工作区域分

用户信令

局间信令

按信道分

随路信令

共路性

信令和话音在同一条话路中传送