3.6 寻址与交换技术

在通信网络中，根据用户地址完成的端到端连接建立与信息传送相关的技术称之为用户寻址与信息交换技术。

3.6.1 寻址与连接

一个复杂网络中，包含众多节点，为保证信息能正确地流向所确定的目的节点，网络所有节点和用户都分配了唯一的地址。例如，在电话网中，每个电话机分配一个电话号码，它包括一个区域码（即区号）和一个编号（即电话号码），区域码提供了该电话机所在电话网中特定区域的信息，而电话编号是电话机在该区域内特有且唯一的标识号码。电话网能为主呼叫用户电话机建立一条通往被叫用户电话机的连接通道。

通信网络的寻址方式分为面向连接和无连接两种方式，而信息交换方式也分为电路交换和分组交换两种基本方式。

1.建立连接的网络模式

1）面向连接的网络模式

面向连接模式中，在信息传输发生之前就需建立连接，这就需要在开始时对路径进行规划。路径一旦确定，所有的后继信息都遵循该路径向目的地址传送。网络在建立连接时有一些延时，但连接建立之后，中间节点不再进行路由选择，只按标记转发，因此不再引入延时。

面向连接的网络有助于保障所需的服务质量和有效地利用网络带宽。

面向连接的网络能实施于电路交换和分组交换模式之中。面向连接的电路交换网包括PSTN（公用电话交换网）、SDH/SONET（同步数字系列光传输网）、DWDM（密集波分复用光传输网）；面向连接的分组交换网包括X.25、帧中继和ATM网。

面向连接可以是预置型的，即根据预期流量提前设置永久性的虚电路（PVC）方式；也可以是按需建立的“交换虚电路”（SVC）方式，该连接在数据交换结束后将释放。

2）无连接网络

在无连接网络中，数据在传输前无须建立显式连接，不预先设置路径。每个数据分组根据报头地址信息发往目的地。每个数据分组的传输路径不固定，各自在网络的中间节点单独地进行路由和转发。显然，这种无连接传输的潜在延时或等待时间是无法事先进行估算的，对某些时间敏感性的业务，如语音业务的应用有一定限制。

无连接网络只能采用分组交换方式实现，或者说只有分组交换网才可以是无连接的。互联网就是典型的无连接分组交换网。

2.建立连接的交换模式

在两种交换模式中，电路交换是基于“位置”的，即位到达一定位置后再转发至不同的位置。位交换的位置由空间（端口号）、时间和波长中的一个或多个确定。而分组交换是基于标记的，即根据分组报头的地址信息或标记来决定将怎样通过网络节点和进行分组转发。

1）电路交换

电路交换通常利用同步传输模式STM来实现。在STM传输模式中，任一信道都是由周期性重复出现的时隙组成的，也就是说，信道对应时隙在帧结构中的位置是不变的。无论用户有无信息传送，这些时隙都为之独占，如图3-17所示。

电路交换应用的典型例子是公用交换电话网，当用户通话时才建立连接，并在整个通话过程中都为用户预留网络资源，且不会改变路径。只有当通话结束时才释放连接。这种交换方式是保证实时语音业务服务质量的较好选择。但是，由于语音通信时实际的信息在两个方向上的传输时间不到通话总时间的一半，因此网络资源存在较大的浪费。

2）分组交换

分组交换源于数据通信。它实质上是分组交换机或路由器根据传输数据分组的报头信息对分组进行存储转发。

无连接分组交换只关心怎样将分组更进一步地送往目的地址，而不考虑信息端到端的路径。每个数据分组都是包含源地址、目的地址和分组序号的独立单元，额外开销较大。分组的逐跳转发，无法提供可靠的QoS保证。

面向连接的分组交换网中，在呼叫阶段需要一个包含源地址和目的地址的分组，随后的分组无须包含这些地址信息。呼叫请求建立的虚电路保证路径上的交换机将数据流（其分组由流标记，来表明它所属的虚电路）转发到下一个交换机，直到所有分组到达目的地址，这样可以提供较好的QoS。

分组交换能较充分地利用网络资源，但也存在一些缺点：存储转发机制会产生一定的延时，并引入延时的抖动。此外，在利用分组交换机或路由器时，拥塞会造成分组的丢失。

3.6.2 数字交换技术

如3.6.1节所述，通信网广泛使用的交换方式有两种：电路交换方式和分组交换方式。电路交换方式包括传统的电路交换、多速率电路交换、快速电路交换等；分组交换方式包括X.25分组交换、帧中继、ATM交换和IP交换等。

1.电路交换的基本概念

在电路交换方式中，交换中心处理每一个呼叫都要经过连接建立、连接保持和连接拆除三个阶段。交换中心根据信令信息建立连接，连接一旦建立，无论通信的双方是否有信息需要传送，信道及有关的系统资源都一直被通信双方占用，不会出现拥塞。这种交换方式的信息传送时延非常小，网络不对用户传送的信息进行误码校正等处理，因此交换处理简单，交换和传输速率较高，适用于语音、图像等实时性要求高的业务，是目前电话网的基本交换方式。但由于要求交换时隙具有周期性，所以规定信道速率只能取某些特定的值，如64kbps、2048kbps等，不能适应多种速率业务的接入要求；另外，通信双方独占固定资源，在传送突发性较大的数据业务时，信道利用率很低。

广泛应用的传统电路交换机，为接入的不同用户提供的连接中，每个时隙都包含相同的位数，因此所有用户业务都有相同的信道速率，显然这种方式对多种类型业务的交换是极不合适的。

多速率电路交换是为了克服传统电路交换只有一种信道速率的不灵活性而产生的改进型，其传输系统使用与传统电路交换相同的时分多路复用（TDM）格式，只有一个固定的基本信道速率，但一个连接可以占用几个基本信道（基本信道速率的整倍数）。例如，根据H.261建议，可视电话业务可以用n×64kbps（n≤30）的速率工作，它就需要这种多速率的电路交换。

快速电路交换是一种适用于突发性业务的电路交换方式。它只在发送信息时才分配网络资源，不发送时就释放资源。在呼叫建立时，用户发出一个带宽为基本速率某个整数倍的连接申请，系统将所需带宽及所需目的地等信息存入交换机，且在信令信道中分配一个信头来表示此连接。当信源开始发送信息时，信令中的此信头就指示信源有信息发送，要求交换机立即分配所需的必要资源。此种电路交换方式要求以很快的速度处理大量信令。

2.分组交换的基本概念

广泛用于数据传输的分组交换技术是以存储转发交换方式为基础的，它根据用户对时延和开销等性能的要求，将需要传送的数据业务分成一定长度的分组，每个分组都有信息头和结束标记。分组每到达一个节点，都先装入相应的链路缓冲器，进行检错或重发等有关处理，然后进入相应的队列等候，一旦有链路可供使用，则进行转发。显然，分组交换对突发性业务有良好的适应性，但它用于实时性业务（如语音、图像）却存在着明显的缺陷——时延。另外，这种以要求高可靠性的数据通信为目的、采用局间转接的误码控制/重发控制等复杂功能规约的交换技术，必须利用软件进行复杂的交换处理，因此处理和传输速率受到很大的限制。随着光纤等高质量的传输媒介的普及和智能终端的出现，交换节点间的协议有可能大为简化，相继出现了X.25分组交换和帧中继等技术。

在综合业务环境下，不同业务对网络的要求不同，如语音和数据业务对网络的要求在下述两个方面是不同的。首先，语音业务要求端—端时延必须在允许的一定范围内（通常小于50ms），而数据业务则可以容忍一定的时延，且对时延变化不如语音那么敏感；其次，语音业务的冗余量大，错几个位，对语音质量不会有多大影响，但是数据业务则要求误码率极小。显然，电路交换方式和分组交换方式都不能满足综合业务环境的使用要求。

3.ATM交换的基本概念

ATM交换技术是一种融合了电路交换方式和分组交换方式优点的交换技术。它首先简化了分组交换中的许多通信规程，去掉了误码和流量控制，消除了在网络节点间传输的状态信息，采用硬件进行交换处理；其次，采用类似于电路交换的呼叫连接控制方式，在呼叫建立时，交换机为用户在发送端和接收端之间建立起虚通路。以上这些做法，提高了交换机的处理能力，增加了网络的吞吐量，保证了交换的实时性，减少了信元传输处理时延。另外，利用固定长度的短分组——信元（Cell）传输信息，可以适应数千位/秒～几百兆位/秒的各种业务，利用统计复用技术，动态使用传输和交换资源，带宽分配具有很大的灵活性，业务种类与复用设备和交换设备的类型无关。

4.IP交换技术的基本概念

IP交换技术最初由美国Ipsilon公司于1996年提出，也称为第三层交换技术、高速路由技术等。其实，这是一种利用第三层IP协议中的智能化路由选择功能来控制二层进行固定长度数据包的交换功能的机制。最初的IP交换机可看做IP路由器和ATM交换机的组合，其中ATM交换机去除了ATM信令和协议，并受IP路由器控制。紧随其后，Cisco公司发布标签交换（Tab Switching），IBM公司提出“聚合的基于路由的IP交换”（ARIS），所有这些及其他一些利用二层固定长度数据包的宽带交换能力来提高IP选路性能的技术和解决方案，被统称IP交换。

在这些IP交换方案中，一方面，基于硬件定长度数据包交换技术为端到端的主机和应用业务流提供高速的性能和更多的带宽；另一方面，基于路由器的选路协议提高了业务流的吞吐量，发挥了将选路和交换综合起来的巨大优势。在此基础上，IETF成立了多协议标签交换（MPLS）工作组，开发了一个综合的IP数据包选路和交换的技术体制。

MPLS网络采用标准IP数据包处理方式对第三层的分组进行转发，采用标签交换对第二层分组进行交换。每个MPLS设备都运行IP路由协议，并完成IP路由表中IP地址与路径标签的映射，在网络入口的边缘、流入的IP数据包经过IP地址与路径标签映射处理后加上标签，而位于核心网的设备仅仅根据标签转发与交换这些数据包，数据包经过出口的边缘设备时，标签被移去，数据包转发到最终目的地。