从一百多年前最早应用于电话网的电路交换技术开始，发展到现在，已出现了多种交换技术，如典型的电路交换、分组交换、快速电路交换、快速分组交换、ATM交换、光交换等。下面首先介绍两个非常重要的基本概念，即同步时分复用信号和统计时分复用信号，然后分别对各种交换技术的特点、应用及发展进行简要介绍。
交换节点中传送的信号
交换节点中传送什么样的信号，与使用的交换技术密切相关。按照信号的基本形式可分为电信号和光信号。电信号又分为模拟信号和数字信号，目前使用较多的是采用时分多路复用技术的数字信号。数字信号主要有两种，即同步时分复用信号和统计时分复用信号(或称异步时分复用)。不同的信号对交换有不同的要求，其交换与传送需选用最适合自己的交换技术，如光信号的传送需经过光交换,而电信号的传送则需经过电交换。
1.同步时分复用信号
所谓时分复用，就是采用时间分割的方法，把一条高速数字信道分成若干低速数字信道，构成同时传输多个低速信号的子信道。
而同步时分复用是指将时间划分为基本时间单位，1帧占用时长为125摩。每帧分成若干个时隙，并按顺序编号，所有帧中编号相同的时隙成为一个子信道，该信道是恒定速率的，一个子信道传递一个话路的信息。这种信道也称为位置化信道，因为根据它在时间轴上的位置，可知是第几个话路。对同步时分复用信号的交换实际是话路所在位置的交换，即时隙的内容在时间轴上的移动。
2.统计时分复用信号
把需要传送的信息分成很多小段，称为分组。每个分组前附加标志码，标志要去哪个输出端，即路由标记。各个分组在输入时使用不同时隙，虽然使用不同时隙，但标志码相同的分组属于一次接续。所以，把它们所占的信道容量看做一个子信道，这个子信道可以是任何时隙。这样把一个信道划分成了若干子信道，称为标志化信道。这时，一个信道中的信息与它在时间轴上的位置(即时隙)没有必然联系。将这样的子信道合成为一个信道用的复用器，称为统计复用器。统计复用器中必须有一个存储器把接收到的信息按先后顺序分组发送.称为统计复用。所以，对统计时分复用信号的交换实际上就是按照每个分组信息前的路由标记.将其分发到出线。
图4.5对两种时分复用信号进行了简单的比较。
电路交换与分组支换
1.电路交换
电路交换(CS,CircuitSwitching)的基本过程包括呼叫建立阶段、信息传送(通话)阶段和连接释放阶段，如图4.6所示。
电路交换的主要特点可概括为：
•通信前，建立连接，通信后，拆除连接，通信期间，不管是否有信息传送，连接始终保持，且对通信信息不作处理，也无差错控制措施；
•基于同步时分复用方式，连接为物理连接；
•实时交换，基于呼叫损失制，只要允许建立连接，就可保证通信质量，过负荷时呼损率增加；
•固定分配带宽，资源利用率低，灵活性差；
•一般用于电话交换,但也可用于数据交换，用于数据交换时一般速率低于9.6kbit/s；
•当节点使用电路交换技术时，可构成电话网（PSTN）、数字数据网（DDN）、移动通信网等。
分组交换
虽然话音通信使得人们之间信息交流变得非常方便，但是从20世纪60年代开始至今,数据通信占据了越来越重要的地位。尽管数据通信和话音都是以传送信息为通信目的.但是两者仍有不同之处。
（1）通信对象不同
数据通信实现的是计算机和计算机之间以及人和计算机之间的通信，而电话通信则是实现人和人之间的通信。计算机之间的通信过程需要定义严格的通信协议和标准，而电话通信则无须这么复杂。
（2）传输可靠性要求不同
数据信号使用二进制“0”和“1”的组合编码表示，如果一个码组中的一个比特在传输中发生错误，则在接收端可能会被理解成为完全不同的含义。特别对于银行、军事、医学等关键事务处理时，发生的毫厘之差都会造成巨大的损失。一般而言，数据通信的比特差错率必须控制在10-以下，而话音通信比特差错率则低于ICT'即可。
（3）通信的平均持续时间和通信建立请求响应不同根据美国国防部对27000个数据用户进行统计，大约25%的用户数据通信持续时间在Is以下，50%的用户数据通信持续时间在5s以下.90%的用户数据通信持续时间在50s以下。而相应电话通信的持续平均时间在5min左右。统计资料显示，99.5%以上的数据通信持续时间短于电话平均通话时间。由此决定数据通信的信道建立时间要求也要短，通常应该在1.5s左右；而相应的电话通信过程的建立一般在15s左右。
（4）通信过程中信息业务量特性不同
统计资料表明，电话通信双方讲话的时间平均各占一半，即对于数字PCM话音信号平均速率大约为32kbit/s,一般不会出现长时间信道中没有信息传输；而计算机通信双方处于不同的工作状态，传输数据速率是非常不同的。例如，系统进行远程遥测和遥控，那么速率一般只在30bit/s以下；用户以远程终端方式登录远端主机.信道上传输的数据是用户用键盘输入的，每秒钟的输入速率为20〜300bit/s,而相应的主机速率则在600-10000bit/s；如果用户希望获取大量文件，则一般传输速率在100kbit/s〜1Mbit/s的范围是让人满意的。
由上述分析可以看到，必须选择合适的数据交换方式构造数据通信网络，以满足高速传输数据的要求。最初人们开始进行数据通信时利用电路交换的电话网络，速率较低，满足了当时对数据通信的要求；后来又使用了基于存储转发的报文交换(MessageSwitching)技术，但其时延变化较大；在此基础上，开始使用分组交换(PS,PacketSwitching)技术，分组交换技术是最适于数据通信的交换技术。分组交换与报文交换的比较示于图4.7中。
分组交换技术的主要特点可概括为：
•将需要传送的信息分成若干个分组，每个分组加控制信息后分发出去，采用存储转发方式.有差错控制措施。
•基于统计时分复用方式.可以不建立连接，也可建立连接，连接为逻辑连接(虚连接)；资源利用率高，共享信道。
•有时延，实时性差，不能保证通信质量。
•一般用于数据交换，但也可用于分组话音业务。
•当节点使用分组交换技术，可构成分组交换网。传统分组交换使用的最典型的协议就是著名的X.25协议。
3.快速电路交换
为了克服电路交换固定分配带宽的缺点，提高灵活性，于1982年提出了改进的电路交换技术，即快速电路交换(FCS,FastCircuitSwitching)D
快速电路交换的核心思想是在有信息传送时快速建立通道，如果用户没有数据传输则释放传输通道。具体过程是这样的：在呼叫建立时，用户请求一个带宽为基本速率的某个整数倍的连接，此时，网络根据用户的申请寻找一条适合用户通信的通道，但是并不建立连接和分配资源，而是将通信所需的带宽、所选的路由编号填入相关的交换机中，当用户传送信息时，网络迅速按照用户的申请分配通道完成信息的传输。这种方式网络必须有能力快速测知信源是否发送数据，同时必须在较短的时间内完成端到端的链路的建立,要求网络有高速计算的能力。快速电路交换虽然也提高了带宽利用率，但控制复杂，灵活性又比不上快速分组交换，故未得到广泛应用。
4,快速分组交换
快速分组交换(FPS.FastPacketSwitching)的基本思想是尽量简化协议，只具有核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延的服务。FPS包括帧中继(FR,FrameRelay)与信元中继(CR.CellRelay)两种交换技术，信元中继为ATM所采用。实际上，ATM来源于FPS和异步时分交换，这部分内容会在后面的学习中介绍，这里仅讨论帧中继技术。通常的分组交换是基于X.25协议的。帧中继简化了X.25协议，只保留了一些核心功能，如帧的定界、同步、透明性以及帧传输差错检测等，而将差错重传校正、流量控制等功能取消。具体说，帧中继采用ITU-TQ.922建议，采用可变长度帧，提供面向连接业务，可适应突发信息的传送，适用于局域网的互连。需要指出，简化协议只提供核心的网络功能是有其背景基础的。一方面，高带宽、高传输质量的光纤系统的大量应用，为简化或取消差错控制和流量控制创造了条件；另一方面,终端系统日益智能化，例如，个人计算机的大量出现，具备了以端到端的方式进行一些复杂控制的能力，网络只提供公共的核心功能，反而增加了应用上的灵活性。当节点为帧中继交换机时，可构成帧中继网。
5.异步转移模式
异步转移模式(ATM,AsynchronousTransferMode)是ITU-T(国际电联电信标准化部门，原为国际电报电话咨询委员会CCITT)确定用做宽带综合业务数字网(B-ISDN)的复用、传输和交换的模式。ATM交换具有综合电路交换和分组交换的优势，可以实现高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换，提供灵活的带宽分配，适应从很低速率到很高速率的宽带业务的交换要求，具有高效的网络运营效率交换和复用技术。
ATM交换的基本原理及特点可概括如下。
(1)基于统计时分复用。
(2)面向连接:ATM采用面向连接的工作方式，即在用户信息传送前，先要有连接建立过程；在信息传送结束后，要拆除连接。当然，这不是物理连接，而是一种虚连接。
(3)固定长度信元:ATM交换是固定长度的信元中继。信元(Cell)实际上就是很短的分组，只有53个字节(Byte),其中开头5个字节称为信头(CellHeader),其余48个字节为信息域，或称为净荷(PayLoad)。采用很短的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，则有利于简化交换控制和缓冲器管理。
(4)信头简化：信头中包含控制信息的多少反映了交换节点的处理开销。因此要尽量使信头简化.以减少处理开销。ATM信元的信头功能有限，主要有虚连接的标识、优先级标志、信头的差错检验等功能，信头中的差错检验只针对信头本身。
当节点使用ATM交换技术时，可构成ATM传送网和B4SDN网。以上介绍的是几种主要的节点交换技术的比较，如图4.8所示。
光交换
光交换也是一种宽带交换技术。光交换已经在信息传输中得到广泛的应用，而目前交换设备都是采用电交换机。因此光信号要先变成电信号才能送入到电交换机，从电交换机送出的电信号又要先变成光信号才能送上传输线路，如果是用光交换机，这些光电变换过程都可以省去了。除了减少光电变换的损伤外，采用光交换可以提高信号交换的速度，因为电交换的速率受电子器件速度的限制，为此，光交换技术是未来发展的方向。
开放系统互连参考模型与节皮交揆技术
从前面的学习中已经掌握了交换的概念、交换节点在网络中的作用及交换系统的基本功能，还了解了电路交换、分组交换、帧中继、ATM交换等通信交换技术的基本特点。那么，对于各种不同的交换技术及其构成的典型网络，是否可以有一种共同的描述方法，以便于更好地理解和掌握它们？本节介绍的开放系统互连参考模型（OSI）就常常被用做理解各种交换技术和网络的一个通用框架。
1.开放系统互连参考模型
为了使各种计算机在世界范围内互连成网，国际标准化组织（ISO）在1978年提出了一套非常重要的标准框架，即开放系统互连参考模型（OSI/RM.OpenSystemInterconnectionReferenceModel）,简称为OSI。在正式文件ISO7498中对它作了详细的规定和描述。这里，“开放”的意思是：只要遵循OSI标准，一个系统就可以和位于世界上任何地方的、也遵循这同一标准的其他任何通信系统进行通信。
在。SI中，将通信实体按其完成功能分为7层，分别为：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，如图4.9所示。它上以应用进程为界，下以通信媒体为界。应用进程和通信媒体不属于OSI参考模型。通常将1〜3层功能称为低层功能即通信传送功能；将4~7层功能称为高层功能即通信处理功能，通常需由终端来提供。
下面对7层的功能进行概要的描述。
（1）物理层
物理层的任务就是为它的上一层（即数据链路层）提供一个物理连接，以便透明地传送比特流。在物理层上所传数据的单位是比特。传递信息所利用的一些具体的物理媒体.如双绞线，同轴电、光缆等并不在物理层之内。有人把物理媒体当做第0层，因为它的位置处在物理层的下面。
“透明地传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，因此，对传送比特流来说，这个电路好像不存在。也就是说，这个电路对该比特流来说是透明的。这样任意组合的比特流都可以在这个电路上传送。当然，那几个比特流代表什么意思，则不是物理层所要管的。物理层要考虑多大的电压代表“1”或“0”，以及当发送端发出比特"1”时，在接收端如何识别出这是比特“1”而不是比特“0”。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各个引脚应如何连接。物理连接并非永远在物理媒体上存在，它要靠物理层来激活、维持。
“透明地传送比特流”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，因此，对传送比特流来说，这个电路好像不存在。也就是说，这个电路对该比特流来说是透明的。这样任意组合的比特流都可以在这个电路上传送。当然，那几个比特流代表什么意思，则不是物理层所要管的。物理层要考虑多大的电压代表“1”或“0”，以及当发送端发出比特"1”时，在接收端如何识别出这是比特“1”而不是比特“0”。物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各个引脚应如何连接。物理连接并非永远在物理媒体上存在，它要靠物理层来激活、维持。
（2）数据链路层
数据链路层负责在两个相邻节点间的线路上，无差错地传送以帧为单位的数据。每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息。和物理层相似，数据链路层要负责建立、维持和释放数据链路的连接。在传送数据时，若接收节点检测到所传数据中有差错，就要通知发送方重发这一帧，直到这一帧正确无误地到达接收节点为止。在每一帧所包括的控制信息中，有同步信息、地址信息、差错控制以及流量控制信息等。
这样，数据链路就把一条有可能出差错的实际链路,转变成为让网络层向下看起来好像不出差错的链路。
（3）网络层
两个通信实体进行通信时，可能要经过许多个节点和链路。网络层数据的传送单位是分组或包。网络层的任务就是要选择合适的路由和交换节点，使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地按照地址找到目的站，并交付给目的站的运输层，这就是网络层的寻址功能。
当通信网络中到达某个节点的分组过多时，就会彼此争夺网络资源，这就可能导致网络性能的下降，有时甚至发生网络瘫痪的现象。防止产生网络拥塞，也是网络层的任务之一。
（4）传输层
在传输层，信息的传送单位是报文。当报文较长时，先要把它分割成好几个分组，然后再交给下一层（网络层）进行传输。
传输层的任务是弥补具有低3层功能的各种通信网的欠缺和差别，保证数据传输的质量满足高3层的要求；根据通信子网的特性，最佳地利用网络资源，并以可靠和经济的方式，为两个端系统（源站和目的站）的会话层之间，建立一条传输连接，以透明地传送报文。
（5）会话层/表示层
会话层通常用于对数据传输进行管理；表示层主要解决用户信息的语法表示问题。这两层在实际中基本没有应用。
（6）应用层
应用层是OSI参考模型中的最高层。应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要（这反映在用户所产生的服务请求），负责用户信息的语义表示，并在两个通信者之间进行语义匹配。这就是说，应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远地操作，而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理（UserAgent）,来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必需的功能。
2.信息传递过程
下面对应用进程数据如何在开放系统互连环境中进行传递作进一步说明。图4.10所示为应用进程的数据是怎样一层接一层地传递的。这里为简单起见，省去了两个开放系统之间的节点，即省去了中继开放系统。图中着重说明的是应用进程的数据在各层之间传递过程中所经历的变化。
应用进程AP.先将其数据交给第7层。第7层加上若干比特的控制信息就变成了下一层的数据单元。第6层收到这个数据单元后，加上本层的控制信息，再交给第5层，成为第5层的数据单元。依次类推。不过到了第2层（数据链路层）后，控制信息分成两部分分别加到本层数据单元的首部和尾部，而第1层（物理层）由于是比特流的传送，所以不再加上控制信息。当这一串的比特流经网络的物理媒体传送到目的站时，就从第1层依次上升到第7层。每一层根据控制信息进行必要的操作，然后将控制信息剥去，将剩下的数据单元上交给更高的一层。最后，把应用进程APa发送的数据交给目的站的应用进程APbo可以用一个简单的例子来比喻上述过程。有一封信从最高层向下传，每经过一层就包上一个新的信封。包有多个信封的信传送到目的站后，从第1层起，每层拆开一个信封后就交给它的上一层。传到最高层后，取出发信人所发的信交给收信用户。
虽然应用进程数据要经过如图4.10所示的复杂过程才能送到对方的应用进程，但这些复杂过程对用户来说，却都被屏蔽掉了，以致应用进程APa觉得好像是直接把数据交给了应用进程APho同理，任何两个同样的层次（如在两个系统的第4层）之间，也好像如同图4.10中的水平虚线所示的那样，可将数据（即数据单元加上控制信息）直接传递给对方,这就是所谓的“对等层”之间的通信。以前经常提到的各层协议，实际上就是在各个对等层之间传递数据时的各项规定。
3.OSI与节点交换技术
简单地说，OSI模型与各种交换技术及由它们形成的各种业务网之间的关系可概括为：
•电路交换和电话网、数字数据网DDN以及移动通信网，相当于OSI模型的第1层,即物理层交换，无须使用协议；
•使用X.25协议的低速分组交换数据网，相当于OSI模型的低3层，即包括：物理层、数据链路层、网络（分组）层；
•帧中继及帧中继网相当于OSI模型的低2层：物理层和数据链路层，并对数据链路层进行了简化；
•ATM协议相当于OSI模型的低2层，但比帧中继还简化；
•以太网协议也使用OSI模型的低2层协议，但它的数据链路层比较复杂；
•IP网使用OSI模型的低4层协议。
值得特别注意的两个问题如下。
（1）OSI在实际中并没有得到真正的应用，几乎找不到有什么厂家生产出符合OSI标准的商用产品。因为其分成7层的结构显得太复杂，故不断地被简化。特别是上层结构，如会话层、表示层没有在实际中应用，传输层也只在IP网络的TCP/IP协议中使用。而且，随着未来网络的不断发展及功能需求的不断变化，分层结构还会进一步地简化。虽然这样，但其分层通信的思想还是融合在各种应用广泛的体系结构中，因而有必要对其有所了解。
（2）协议体系结构通常定义的是各层应该提供的服务，或具有的功能，而不是规定如何实现这些功能，由厂家生产出来的符合标准的产品则提供这些功能。
无连接与面向连接
前面讲述的交换技术指的是网络核心一交换设备中使用的交换技术。而网络技术（NetworkingMode）指任意用户之间通信时，在网络内各节点间实现其通信的方式。
网络技术分为无连接和面向连接两大类。无连接指不需要事先建立连接就可进行通信的方式；而面向连接指通信前需要先建立连接，通信后要拆除连接，在通信期间，不管是否有信息传送，连接始终保持。
面向连接方式可分为面向物理连接和面向逻辑连接。前者建立和拆除的是物理连接;后者则是逻辑连接，也称为虚连接。对这两种连接的主要特点比较如下。
(1)物理连接
•基于同步时分复用信号；
•连接通过事先选好的固定的节点，即两个用户通过的由节点组成的路由确定；
•指定路由中任意两个节点间的物理通路确定，即一个通路就是一个选定的时隙。
(2)逻辑连接
•基于统计时分复用信号；
•连接通过事先选好的固定的节点，即两个用户通过的由节点组成的路由确定；
•指定路由中任意两个节点间的通路不是指定的时隙，而是逻辑通路.即一个通路就是一个选定的逻辑信道号。
另外，按照连接建立和拆除的控制方式又分为半永久连接和交换式连接。半永久连接指连接由O&M功能来建立和拆除，也就是通常所说的专线方式；而交换式连接则指连接由信令功能来自动建立和拆除，当用户发起呼叫请求时，网络利用信令自动建立连接，呼叫结束时自动拆除，呼叫持续时间较短。此时，若连接为逻辑连接，则相应可称为半永久虚连接(PVC)和交换式虚连接(SVC)。有时为了方便起见，也可将半永久连接称为永久连接。
