交換

為了進行通信，需要將通信雙方的終端用傳輸信道連接起來。要使多個用户所使用的點對點通信系統構成通信網，必須在用户終端之間適當位置上設立交換局及相應的交換設備。隨着社會的進步，科學技術的發展，交換技術已經歷幾次飛躍，更新了好幾代。交換技術幾個主要特性的演變過程如下所述。

(1)接續網絡：從金屬接點發展到數字開關(分立元件→集成元件→光子開關)。

(2)信息形式：從模擬(電流)發展到數字(電脈衝→光脈衝)。

(3)複用方式：從空分到時分最後發展到波分(密集波分)。

(4)控制方式：從人工到機電到電子最後發展到存儲程序控制(SPC)或簡稱“程控”。

(5)信令方式：從信令與呼叫信息交替用同一信道(模擬式)發展到共路信令，信令可在獨立的信道上傳送(數字式)。

(6)接續特徵：從電路到信息，最後發展到分組(或叫信包)。

(7)信息帶寬：從窄帶(音頻)發展到寬帶(1～100MHz)。

由以上交換技術的發展與變化不難看出，從電子交換髮展到數字交換最後發展到時分交換和程控交換，代表着當代網絡交換技術發展所達到的水平。交換水平的高低、質量的優劣從某種程度上講，決定着整個通信網通信質量的優劣和高低。

常用的交換技術按局內處理信號的方式可分為電路交換、信息交換和分組交換三種方式；新的交換方式有異步轉換模式交換(ATM)和光交換。 ^[1] 

通信就是從發送方向接收方傳遞消息，它的目的是獲取信息。在電信系統中，信息是以電信號的形式承載的。一個電信系統至少應由終端和傳輸媒介組成。終端將含有信息的消息，如語音、圖片、視頻等轉換成可在傳輸介質裏傳輸的電信號，同時將來自傳輸媒介的電信號還原成原始消息：傳輸媒介則把電信號從一個地方傳送到另一個地方，這種僅涉及兩個終端的通信方式稱為點對點通信。

當存在多個終端，且希望它們中的任何兩個用户都可以進行點對點的通信時，最直接的方法是把所有終端兩兩相連。這樣的一種連接方式稱為全互連式，但這種方式存在以下問題：

(1)當存在個終端時需要線對數為N(N一1)/2，線對數量隨終端數的平方增加。

(2)當這些終端分別位於相距很遠的兩地時，兩地間需要大量的長途線路。

(3)每個終端都有N-1對線與其他終端相接，因而每個終端需要N-1個線路接口。

(4)增加第N+1個終端時，必須增設N對線路。

因此，在實際中，全互連式系統僅適合於終端數目較少，地理位置相對集中，且可靠性要求很高的場合。

當用户數量增多時，為了解決這些問題，可以在用户分佈密集的中心安裝一個設備，把每個用户的電話機或其他終端設備都連接在這個設備上，安裝的設備相當於一個開關接點，平時是斷開的，當任意兩個用户之間需要交換信息時，該設備就把連接這兩個用户的開關接點合上，也就是將這兩個用户的通信線路連通。當兩個用户通信完畢，才把相應的接點斷開，兩個用户間的連線就斷開了。從這裏可以看出，該設備能夠完成任意兩個用户之間交換信息的任務，所以稱其為交換設備或者交換機。交換(switch)，即接續，就是在通信的源和目的之間建立通信信道，實現信息傳送的過程。有了交換設備，對N個用户只需要N對線就可以滿足要求，使線路的投資費用大大降低。這樣儘管增加了交換機的費用，但它的利用率很高，相比之下，總的投資費用將下降。 ^[2] 

所謂交換方式是指對應於各種傳輸模式，交換機為完成其交換功能所採用的互通(Intercommunication)技術。交換方式主要分為兩類。

電路交換方式主要用於電話通信網，它是一種面向連接的技術，一次通信過程分為連接建立、數據傳輸和連接釋放3個階段。在連接建立階段，網絡要完成兩項工作：第一，確定本次通信從源端到目的地端，用户業務信息應走的路由；第二，在該路由途經的交換節點進行全程的資源預留，預留的資源包括交換節點中從入端口到出端口的內部通道和交換節點間中繼線路上的帶寬資源，以這種方式建立一條端到端的專用通信連接，這個連接通常佔用固定的帶寬或時隙，有固定的傳輸速率。在整個通信期間，不管實際有無數據傳輸，沿途的交換節點負責保持、監視該連接，直到用户明確地發出通信結束的信號，網絡才釋放被佔用的資源，撤銷該連接。電路交換在連接建立時，預先分配固定帶寬資源的方式被稱為靜態複用方式。

存儲/轉發交換方式又分為報文交換和分組交換。 ^[3] 

報文交換：為了克服電路交換資源獨佔、通信線路利用率低、存在呼損、各種不同類型和特性的用户終端之間不能相互通信的缺點，人們提出了報文交換。

報文交換的基本原理是“存儲一轉發”。如果用户A要向用户B發送信息，用户A與用户B之間不需要事先建立連接通路，而只需用户A與交換機接通，由交換機暫時把用户A要發送的報文接收和存儲起來，交換機根據報文中提供的用户B的地址確定報文在交換網絡內的路由，並將報文送到輸出隊列上排隊，等到該輸出線空閒時立即將該報文送到下一個交換機，依此方法，最後送到用户B。 ^[4] 

分組交換：分組交換方式主要用於計算機間的數據通信業務，它的出現晚於電路交換。採用分組交換而不是電路交換來實現數據通信，主要基於以下原因。

(1)數據業務有很強的突發性，採用電路交換方式，信道利用率太低。

(2)電路交換隻支持固定速率的數據傳輸，要求收發嚴格同步，不適應數據通信網中終端間異步、可變速率的通信要求。

(3)話音傳輸對時延敏感、對差錯不敏感，而數據傳輸則恰好相反，用户對一定的時延可以忍受，但關鍵數據細微的錯誤都可能造成災難性後果。

(4)分組交換是針對數據通信而設計的，主要特點是：數據以分組為單位進行傳輸，分組長度一般在1 000～2 000字節左右；每個分組由用户信息部分和控制部分組成，控制部分包含差錯控制信息，可以用於對差錯的檢測和校正；為解決電路交換方式信道資源利用率低的缺點，分組交換引入了統計時分複用技術。 ^[5] 

交換節點可控制以下的接續類型。

(1)本局接續：本局用户線之間的接續。

(2)出局接續：在用户線與出中繼線之間的接續。

(3)入局接續：在入中繼線與用户之間的接續。

(4)轉接接續：在入中繼線與出中繼線之間的接續。

為完成上述的交換接續，交換節點必須具備如下最基本的功能。

(1)能正確接收和分析從用户線或中繼線發來的呼叫信號。

(2)能正確接收和分析從用户線或中繼線發來的地址信號。

(3)能按目的地址正確地進行選路以及在中繼線上轉發信號。

(4)能控制連接的建立。

(5)能按照所收到的釋放信號拆除連接。 ^[6]