5.1 交换技术概述
5.1.1 基本概念
1．“交换”
“交换”即是在通信网大量的用户终端之间，根据用户通信的需要，在相应终端设备之间互相传递话音、图像、数据等信息。使得各终端之间可以实现点到点、点到多点、多点到点或多点到多点等不同形式的信息交互。
通信网络中显然会存在相当数量的用户终端，若将所有的用户终端实现一一互连、并使用开关加以控制，就能实现任意两个用户之间的通信，这种连接方式称为直接相连，如图5-1所示。
图5-1直接相连方式
采用这种连接方式，当有N个用户时，就需要设置 N*（N-1）对连接线路。若用户数量有微小增加将导致连接线路数量急剧增加，且由于线路对每个用户是专用的使得线路利用率不高。同时，为了实现通信过程的可控性，每个用户终端处还需要设（N-l）个开关施加控制，因此这种互连方式既不经济又很难操作，仅适应于极其简单、规模很小的通信网络，不具有实用价值。
针对上述问题，一个可行的办法是给为数众多的用户引人一个公用的互连设备——交换机，所有的用户终端均各自通过一对专用线路连接到交换机上，这条连接线路称为用户线或用户环路。交换机的作用是通过本身的控制功能实现任意两个用户终端的自由连接，交换机所在的位置即称为交换节点。通过设置交换机，一方面大量减少了用户线路的使用数量，降低了网络建设的成本；另一方面由于呼叫接续、选路等功能均由交换机实现，因此也降低了控制的复杂度、提高了网络的可靠性。这一方式如图5-2所示。
图5-2 交换相连方式
2．交换网络
显然，当用户数量较多、分布地域较广时，就需要设置多个交换节点。各节点的交换机通过传输线路按照一定的拓扑结构（如星形网、环形网、树形网、混合型网络等）互连即组成交换网络，如图5-3所示。
图5-3 交换网络
图5-3中交换设备之间的连接线路称为中继线。此时交换节点的地位即类似于上文中的用户终端，多个交换节点之间也不能直接相连，需要引入汇接交换节点，该节点的交换设备称为汇接交换机。而交换网络中凡是直接与用户话机或终端相连接的交换机称为本地交换机。在话音通信网络中，本地交换机相应的交换局被称为市话局或端局；装有汇接交换机的局被称为汇接局，通信距离比较远的汇接交换机也叫长途交换机，相应的交换局所也称为长途局。在分组交换网络，如常见的IP网络中，本地交换机对应的设备是边缘路由器（交换机），汇接交换机对应的设备是核心路由器（交换机）、或者称为骨干路由器（交换机）。
电话通信网一般采用等级网络结构，对网络中每个交换节点分配一个等级，除最高级以外其它级的每个交换节点必须要连接到更高一级交换节点。网络等级越多接通一次呼叫需要转接的次数越多，这样的网络既占用了大量线路又增加了网络管理的复杂程度，所以必须根据通信网络服务的地域范围和用户数量合理规划交换网络的结构与网络拓扑。
3．交换设备的基本功能
以常见的话音通信网为例，电话交换机应能够实现以下呼叫接续方式：
（1）本局接续：同一交换机两条用户线之间的连接；
（2）出局接续：在交换机用户线与出中继线之间的连接；
（3）入局接续：在交换机入中继线与用户线之间的连接；
（4）转接接续：在交换机入中继线与出中继线之间的连接。
要实现上述各种接续控制，电话交换设备必须具有的基本功能包括：
（1）及时并正确地接收、识别沿着用户线或中继线送来的呼叫信号和目的地址信号；
（2）根据目的地址正确选择路由，将通信双方终端设备连接起来，这一过程称为呼叫建立；
（3）启动计费系统，监视用户状态的变化，准确统计通信时长；
（4）通信结束后根据收到的释放信号及时拆除连接，这一过程称为连接释放。
把电话交换机的例子推广到一般的电信交换系统，具有接口功能、互连功能、信令功能和控制功能是电信交换系统的四项基本技术功能。
（1）接口功能：接口分为用户接口和中继接口，其作用是分别将用户线和中继线连接到交换设备。采用不同交换技术的设备具有不同的接口。例如，程控数字电话交换设备要具有适配模拟用户线、模拟中继线和数字中继线的接口电路；而N-ISDN交换设备要有适配 2B＋D的基本速率接口和30B＋D的基群速率接口；ATM交换设备要有适配不同码率、不同业务的各种物理媒体接口；IP交换设备则需要提供各种能够承载IP帧的传输媒体接口，如双绞线以太网接口、光纤以太网接口等。
（2）互连功能：交换系统中采用互连网络（也称交换网络）实现任意入线与任意出线之间的连接，对于不同交换方式其连接可以是物理的（磁石式交换、数字程控交换、光交换）也可以是虚拟连接（分组交换、信元交换）。互连网络的拓扑结构及网络内部的选路原则直接影响互连网络的服务质量。除了尽力设计无阻塞的网络拓扑结构还要配置双套冗余结构，以增强互连网络的故障恢复能力。
（3）控制功能：有效的控制功能是交换系统实现信息自动交换的保障。控制方式有集中和分散控制两种基本方式，差别在于微处理机的配置方案，现代电信交换系统多数采用分散控制且控制功能大多以软件实现。例如：程控电话交换机的地址信号识别和数字分析程序、ATM交换机的呼叫接纳控制和自动路由控制等等、IP交换中的路由协议BGP、OSPF等。
（4）信令功能：信令是电信网中的接续控制指令，通过信令使得不同类型的终端设备、交换节点设备和传输设备协同运行。信令的传递需要通过规范化的一系列信令协议实现，由于交换技术的不断发展，信令协议和信令方式也根据不同的应用有所不同。
5.1.2 交换技术的发展
交换技术最早源于电话通信，是现代通信网中最普通与常见的技术之一。交换技术从上个世纪初出现开始，一直到现在仍然在持续演进，交换技术的发展在很大程度上地反映了现代通信技术从人工到自动、从模拟到数字的发展。
1．模拟交换技术
第一个研究发明交换设备的人是一个名叫阿尔蒙.B.史端乔的美国人，他是美国堪萨斯一家殡仪馆的老板。他发觉，电话局的话务员不知是有意还是无意，常常把他的生意电话接到他的竞争者那里，使他的多笔生意因此丢掉。为此他大为恼火，发誓要发明一种不要话务员接线的自动接线设备。从1889年到1891年，他潜心研究一种能自动接线的交换机，结果他成功了。1891年3月10日，他获得了发明“步进制自动电话接线器”的专利权。1892年11月3日，用史端乔发明的接线器制成的“步进制自动电话交换机”在美国印第安纳州的拉波特城投入使用，这便是世界上第一个自动电话局。从此，电话通信跨入了一个新时代。但是自动电话的大踏步发展是在20世纪。到20世纪20年代，世界上还只有15％的电话是自动电话。随着自动电话技术的发展和进步，到20世纪50年代，世界上已有77％的电话是自动电话了。
史端乔发明的自动电话交换机的制式，为什么叫做“步进制”？这是因为它是靠电话用户拨号脉冲直接控制交换机的机械作一步一步动作的。例如，用户拨号“1”，发出一个脉冲（所谓“脉冲”，就是一个很短时间的电流），这个脉冲使接线器中的电磁铁吸动一次，接线器就向前动作一步。用户拨号码“2”，就发出两个脉冲，使电磁铁吸动两次，接线器就向前动作两步，由此类推。所以，这种交换机就叫做“步进制自动电话交换机”。
1919年，瑞典的电话工程师帕尔姆格伦和贝塔兰德发明了一种自动接线器，叫做“纵横制接线器”，并申请了专利。1929年，瑞典松兹瓦尔市建成了世界上第一个大型纵横制电话局，拥有3500个用户。“纵横制”的名称来自纵横接线器的构造，它由一些纵棒、横棒和电磁装置构成，控制设备通过控制电磁装置的电流可吸动相关的纵棒和横棒的动作，使得纵棒和横棒在某个交叉点接触，从而实现接线的工作。
“纵横制”和“步进制”都是利用电磁机械动作接线的，所以它们同属于“机电制自动电话交换机”。但是纵横制的机械动作很小，又采用贵重金属的接触点，因此比步进制交换机的动作噪声小、磨损和机械维修工作量也小，而且工作寿命也较长。
另外，纵横制与步进制的控制方式也不同。步进制是由用户拨号直接控制它的机械动作的，叫做直接控制式；而纵横制是用户拨号要通过一个公共控制设备间接地控制接线器动作，因而叫做间接控制式。间接控制方式比直接控制方式有明显的优点。例如，它的工作比较灵活，便于在有多个电话局组成的电话网中实现灵活的交换，便于实现长途电话自动化，还便于配合使用新技术、开放新业务等等。因而，它的出现使自动电话交换技术提高到一个新的水平。
纵横制与步进制交换机在话路部分与控制部分均采用机械技术，被称为模拟交换机。随着电子技术、特别是半导体技术的发展，人们开始在交换机内部引入电子技术。最初引入电子技术的是在交换机的控制部分，而对于话音质量要求较高的话路部分仍然使用模拟技术，因此出现了空分式电子交换机和时分式电子交换机等准电子交换机。它们一般在话路部分采用机械触点，而在控制部分采用电子器件，一般也归类为模拟交换机。
2．电路交换
电路交换是最早发展的一种针对电话业务传输的交换技术。这种交换方式的最大特点是：在通话之前即为通话双方建立一条通道，在通话过程中保持这条通道，一直到通话结束后拆除。
电路交换技术的主要代表是程控交换。70 年代初，在数字PCM传输大量应用的基础上，法国成功地发展了对PCM数字信号直接交换的交换机，它在控制方面采用程控方式，通话接续则采用电子器件实现的时分交换方式，由于控制部分和接续部分都采用了电子器件，也就实现了全数字交换。这种全数字时分式程控交换技术，表现出种种优点，促使世界各国都竞相发展这种程控数字交换技术。其实现技术不断得到改进而使得性能更加优越，成本却不断下降，到了80 年代中期，已取代空分模拟程控交换而处于发展全盛时期，程控数字电话交换机开始在世界上普及。在数字程控交换技术之后发展起来的分组交换、报文交换等技术也均属于数字交换技术的范畴。
3．分组交换
电路交换技术主要适用于传送和话音相关的业务，这种网络交换方式对于数据业务而言，有着很大的局限性。首先数据通信具有很强的突发性，峰值比特率和平均比特率相差较大，如果采用电路交换技术，若按峰值比特率分配电路带宽则会造成资源的极大浪费；如果按照平均比特率分配带宽，则会造成数据的大量丢失。其次是和语音业务比较起来，数据业务对时延没有严格的要求，但需要进行无差错的传输，而语音信号可以有一定程度的失真但实时性一定要高。早期的X.25技术、以及现在的以太网交换技术、IP交换技术均属于典型的分组交换技术。
分组交换技术就是针对数据通信业务的特点而提出的一种交换方式，它的基本特点是面向无连接而采用存储转发的方式，将需要传送的数据按照一定的长度分割成许多小段数据，并在数据之前增加相应的用于对数据进行选路和校验等功能的头部字段，作为数据传送的基本单元即分组。采用分组交换技术，在通信之前不需要建立连接，每个节点首先将前一节点送来的分组收下并保存在缓冲区中，然后根据分组头部中的地址信息选择适当的链路将其发送至下一个节点，这样在通信过程中可以根据用户的要求和网络的能力来动态分配带宽。分组交换比电路交换的电路利用率高，但时延较大。从发送终端发出的各个分组，将由分组交换网根据分组内部的地址和控制信息被传送到与接收终端连接的交换机，但对属于同一数据帧的不同分组所经过的传输路径却不是唯一的，即各分组交换机通信时能够根据交换网的当前状态为各分组选择不相同传输路径，以免线路拥挤造成网络阻塞。与此相反，电路交换只能在建立通信的最初阶段进行路径选择。当分组通过分组交换网被传送到接收端的交换机之后，由分组交换机组装功能根据各个分组内所携带的分组顺序编号，对分组进行排列，并通过用户线把按顺序排列好的分组恢复为原来的数据传送给相应的接收终端。
4．报文交换
报文交换技术和分组交换技术类似，也是采用存储转发机制，但报文交换是以报文作为传送单元，由于报文长度差异很大，长报文可能导致很大的时延，并且对每个节点来说缓冲区的分配也比较困难，为了满足各种长度报文的需要并且达到高效的目的，节点需要分配不同大小的缓冲区，否则就有可能造成数据传送的失败。在实际应用中报文交换主要用于传输报文较短、实时性要求较低的通信业务，如公用电报网。报文交换比分组交换出现的要早一些，分组交换是在报文交换的基础上，将报文分割成分组进行传输，在传输时延和传输效率上进行了平衡，从而得到广泛的应用。
5．ATM交换
分组交换技术的广泛应用和发展，出现了传送话音业务的电路交换网络和传送数据业务的分组交换网络两大网络共存的局面。语音业务和数据业务的分别传送，促使人们思考一种新的技术来同时提供电路交换和分组交换的优点，并且同时向用户提供统一的服务，包括话音业务、数据业务和图像信息。由此，在20世纪80年代末由原CCITT提出了宽带综合业务数字网的概念，并提出了一种全新的技术——异步传送模式（ATM）。ATM技术将面向连接机制和分组机制相结合，在通信开始之前需要根据用户的要求建立一定带宽的连接，但是该连接并不独占某个物理通道，而是和其他连接统计复用某个物理通道，同时所有的媒体信息，包括语音、数据和图像信息都被分割并封装成固定长度的分组在网络中传送和交换。
ATM另一个突出的特点就是提出了保证QoS的完备机制，同时由于光纤通信提供了低误码率的传输通道，所以可以将流量控制和差错控制移到用户终端，网络只负责信息的交换和传送，从而使传输时延减少，ATM非常适合传送高速数据业务。从技术角度来讲，ATM几乎无懈可击，但ATM技术的复杂性导致了ATM交换机造价极为昂贵，并且在ATM技术上之上没有推出新的业务来驱动ATM市场，从而制约了ATM技术的发展。目前ATM交换机主要用在骨干网络中，主要利用ATM交换的高速特性和ATM传输对QoS的保证机制，并且主要是提供半永久的连接。
6．光交换
由于光纤传输技术的不断发展，目前在传输领域中光传输已占主导地位。光传输速率已在向每秒太比特的数量级进军，其高速、宽带的传输特性，使得以电信号分组交换为主的交换方式已很难适应，而且在这一方式下必须在中转节点经过光电转换，无法充分利用底层所提供的带宽资源。在这种情况下一种新型的交换技术——光交换便诞生了。光交换技术也是一种光纤通信技术，它是指不经过任何光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换技术的最终发展趋势将是光控制下的全光交换，并与光传输技术完美结合，即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。
