第2章交換單元與交換網(wǎng)絡(luò)1交換網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成和分類交換單元交換單元的基本概念開(kāi)關(guān)陣列與空間交換單元共享存儲(chǔ)器型的交換單元——時(shí)間交換單元共享總線型的交換單元——數(shù)字交換單元交換網(wǎng)絡(luò)CLOS網(wǎng)絡(luò)TST網(wǎng)絡(luò)DSN網(wǎng)絡(luò)BANYAN網(wǎng)絡(luò)主要內(nèi)容2學(xué)習(xí)要點(diǎn)1、了解描述交換單元連接特性的方法。2、了解交換單元外部特性的描述指標(biāo)。3、掌握三種典型的交換單元的結(jié)構(gòu)、特性及工作原理。4、掌握TST網(wǎng)絡(luò)選擇內(nèi)部時(shí)隙的對(duì)偶原則。5、了解CLOS網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成方法及其特性。6、了解BANYAN網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及其特性。7、弄清楚嚴(yán)格無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)、可重排無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)、廣義無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)的基本概念。3交換的基本功能是在任意的入線和出線之間建立連接。在交換系統(tǒng)中完成這一基本功能的部件就是交換網(wǎng)絡(luò)，它是交換系統(tǒng)的核心。交換網(wǎng)絡(luò)是由若干個(gè)交換單元按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的。

交換單元是構(gòu)成交換網(wǎng)絡(luò)的最基本的部件。交換網(wǎng)絡(luò)有：空分、時(shí)分?jǐn)?shù)字、模擬2.1交換網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成和分類4交換單元的基本概念開(kāi)關(guān)陣列與空間交換單元共享存儲(chǔ)器型的交換單元——時(shí)間交換單元共享總線型的交換單元——數(shù)字交換單元2.2交換單元52.2.1交換單元的基本概念入線出線控制端狀態(tài)端…………MXN的交換單元0011M-1N-16入線出線0011442323同步時(shí)分復(fù)用信號(hào)的交換兩種信號(hào)的交換7入線出線001221異步時(shí)分復(fù)用信號(hào)的交換0210001222兩種信號(hào)的交換8交換單元按使用需要的不同可分為：入線0M-1出線0N-1入線0M-1出線0N-1出線0N-1入線0M-1集中型（M>N）擴(kuò)散型（M<N）連接型/分配型（M=N）9交換單元按信息流向分為：有向交換單元：當(dāng)信息經(jīng)過(guò)交換單元時(shí)只能從入線進(jìn)出線出，具有唯一確定的方向。無(wú)向交換單元：交換單元的每條線即可入也可出，其入線數(shù)必等于出現(xiàn)數(shù)。出線0N-1入線0M-1MXN有向交換單元入線/出線0N-1N無(wú)向交換單元…..…..102.交換單元的連接特性

連接特性是交換單元的基本特性，它反映了交換單元入線到出線的連接能力，通常我們用連接集合和連接函數(shù)來(lái)描述交換單元的連接特性

連接集合：入線集合：T={0,1,2,…,M-1}

出線集合：R={0,1,2,…,N-1}

定義：t∈T，即t是T的一個(gè)元

r∈Rt，Rt是R的一個(gè)子集，r是Rt的一個(gè)元

則集合c={t,Rt}為一個(gè)連接。11若r∈Rt，Rt中只含有一個(gè)元，則稱該連接為點(diǎn)到點(diǎn)連接。若r∈Rt，Rt中含有多個(gè)元，則稱該連接為一點(diǎn)到多點(diǎn)連接。若一個(gè)交換單元可以提供點(diǎn)到多點(diǎn)的功能，但Rt≠R，則稱其具有同發(fā)功能；若Rt=R，則該交換單元具有廣播功能。

交換單元的連接特性12

交換單元的連接特性一個(gè)交換單元的連接同時(shí)可有多個(gè)，這就構(gòu)成了交換單元的連接集合：

C={c0,c1,c2,…}其中：起點(diǎn)集Tc={t;t∈ci,ciC}

終點(diǎn)集Rc={r;r∈Rt,Rt

ci

,

ci

C}

連接和連接集合是對(duì)應(yīng)于某一時(shí)刻的連接集合的數(shù)目越多，連接能力就越強(qiáng)13

連接函數(shù)

一個(gè)連接函數(shù)對(duì)應(yīng)一種連接，連接函數(shù)表示相互連接的入線編號(hào)和出線編號(hào)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即存在連接函數(shù)f，入線x與出線f(x)相連接，0≤x≤M-1，0≤f(x)≤N-1。

連接函數(shù)實(shí)際上也反映了入線編號(hào)構(gòu)成的數(shù)組和出線編號(hào)構(gòu)成的數(shù)組之間的置換關(guān)系或排列關(guān)系，故連接函數(shù)也被稱作置換函數(shù)或排列函數(shù)。

交換單元的連接特性14

函數(shù)表示形式

x表示入線編號(hào)（二進(jìn)制表示），f(x)表示連接函數(shù)。

排列表示形式即輸入輸出對(duì)應(yīng)表示形式t0，t1，…，tn-1r0，r1，…，rn-1

圖形表示形式連接函數(shù)的表示形式15直線連接：函數(shù)表示：I(xn-1xn-2…x1x0)=xn-1xn-2…

x1x0

排列表示（N=4）：0，1，2，30，1，2，3

圖形表示（N=4）：

00123123

交換單元常用的連接函數(shù)16交叉連接：函數(shù)表示：E(xn-1xn-2…x1x0)=xn-1xn-2…

x1x0

排列表示（N=4）：0，1，2，31，0，3，2

圖形表示（N=4）：

00123123

交換單元的連接特性17間隔交叉連接：

Ck(xn-1xn-2…xk

…

x1x0)=xn-1xn-2…xk

…

x1x00012312300123123N=4k=1N=4k=0

交換單元的連接特性18均勻洗牌連接：

σ(xn-1xn-2…xk

…

x1x0)=xn-2…xk

…

x1x0xn-10123N=84567301234567

交換單元的連接特性19蝶式連接：

β(xn-1xn-2…xk

…

x1x0)=x0xn-2…xk

…

x1xn-10123N=8456701234567

交換單元的連接特性20交換單元的性能

容量：交換單元所有入線可以同時(shí)送入的總的信息量接口：交換單元需要規(guī)定自己的信號(hào)接口標(biāo)準(zhǔn)，即信號(hào)形式、速率及信息流方向功能：點(diǎn)到點(diǎn)、同發(fā)、廣播質(zhì)量：完成交換動(dòng)作的速度、任何情況下是否能完成指定連接、信息經(jīng)過(guò)交換單元是否有損傷（時(shí)間、語(yǔ)義）212.2.2開(kāi)關(guān)陣列與空間交換單元——開(kāi)關(guān)陣列在交換單元內(nèi)部，要建立任意入線和任意出線之間的連接，就在每條入線和每條出線之間都各自接上一個(gè)開(kāi)關(guān)，所有開(kāi)關(guān)就構(gòu)成了交換單元內(nèi)部的開(kāi)關(guān)陣列。22MXN有向交換單元01N-101M-1入線出線MXN有向矩形開(kāi)關(guān)陣列開(kāi)關(guān)陣列的工作原理出線0N-1入線0M-1…..…..23N無(wú)向方形開(kāi)關(guān)陣列入線0N-1N無(wú)向交換單元01N-101N-1入線出線開(kāi)關(guān)陣列的工作原理24全連接交換單元和部分連接交換單元01N-101N-1入線出線01N-101N-1入線出線2501M-1入線出線入線0M-1出線入線0N-1出線01N-1入線出線多路選擇器26多路選擇器27開(kāi)關(guān)陣列的特性開(kāi)關(guān)控制簡(jiǎn)單，從入線到出線具有均勻的單位延遲時(shí)間。開(kāi)關(guān)陣列適合于構(gòu)成較小的交換單元（開(kāi)關(guān)數(shù)反映了實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和成本的高低）。交換單元的性能依賴于所使用的開(kāi)關(guān)?？刂菩盘?hào)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)同發(fā)和廣播功能28繼電器：其構(gòu)成的交換單元是無(wú)向的，可交換模擬和數(shù)字信息，干擾和噪聲大、動(dòng)作慢（ms級(jí)）、體積大（cm級(jí)）。模擬電子開(kāi)關(guān)：一般利用半導(dǎo)體材料制成。如：MC142100、MC145100（4x4開(kāi)關(guān)陣列）

只能單向傳送，且衰耗和時(shí)延較大。數(shù)字電子開(kāi)關(guān)：由簡(jiǎn)單的由邏輯門構(gòu)成，用于數(shù)字信號(hào)的交換，開(kāi)關(guān)動(dòng)作極快且無(wú)信號(hào)損失。實(shí)際的開(kāi)關(guān)陣列29

空間交換單元也稱為空間接線器（SpaceSwitch），簡(jiǎn)稱為S單元或S接線器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入復(fù)用線與多個(gè)輸出復(fù)用線之間的空間交換，而不改變其時(shí)隙位置。2.3空間交換單元圖

S接線器的組成30S接線器的構(gòu)成：交叉點(diǎn)矩陣、控制存儲(chǔ)器交叉點(diǎn)矩陣：開(kāi)關(guān)陣列控制存儲(chǔ)器（CM-ControlMemory）：S接線器所含CM數(shù)量等于入（出）線數(shù)每個(gè)CM的所含有的存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)等于入（出）線上的復(fù)用時(shí)隙數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元為n位bit,且滿足N≤2n,其中N

為入（出）線上數(shù)

空間交換單元的基本結(jié)構(gòu)31空間交換單元的控制方式012012012TS12TS8TS12TS808121272TS8TS8輸入控制方式1TS12TS122032空間交換單元的控制方式012012012TS12TS8TS12TS808122TS8TS8輸出控制方式0TS12TS1220127332.4共享存儲(chǔ)器型的交換單元——時(shí)間交換單元01N-1輸入信號(hào)輸出信號(hào)共享存儲(chǔ)器型交換單元的一般結(jié)構(gòu)工作方式：入線緩沖、出線緩沖34

時(shí)間交換單元也稱為時(shí)間接線器（TimeSwitch），簡(jiǎn)稱為T單元或T接線器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)隙交換功能。所謂時(shí)隙交換是指入線上各個(gè)時(shí)隙的內(nèi)容要按照交換連接的需要，分別在出線上的不同時(shí)隙位置輸出。時(shí)間交換單元35T接線器主要由話音存儲(chǔ)器（SM:SpeechMemory）和控制存儲(chǔ)器(CM:Controlmemory)構(gòu)成。SM用來(lái)暫存話音的數(shù)字編碼信息，故每個(gè)單元至少應(yīng)為8比特。SM的容量等于輸入復(fù)用線上每幀的時(shí)隙數(shù)。CM的容量等于SM的容量；設(shè)CM每個(gè)單元的比特?cái)?shù)為n，SM的單元數(shù)為N，則有2n=N，N也就是復(fù)用線上的時(shí)隙數(shù)。時(shí)間交換單元的基本結(jié)構(gòu)36時(shí)間交換單元的控制方式372.5共享總線型交換單元——數(shù)字交換單元38入線控制部件的功能：接收入線信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的格式變換，放在緩沖存儲(chǔ)器中，并在分配給該部件的時(shí)隙上把收到的信息送到總線上。出線控制部件的功能：檢測(cè)總線上的信號(hào)，并把屬于自己的信息讀入一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器中，進(jìn)行格式變換，放在緩沖存儲(chǔ)器中，由出線送出，形成出線信號(hào)。共享總線型交換單元39總線：一般包括多條數(shù)據(jù)線和控制線。數(shù)據(jù)線用于在入線控制部件和出線控制部件傳送信號(hào)；控制線用于控制各入線控制部件獲得時(shí)隙和發(fā)送信息，以及出線控制部件讀取屬于自己的信息。

總線按時(shí)隙輪流分配給各個(gè)入線控制部件和出線控制部件使用，其時(shí)隙的分配有一定的規(guī)則。共享總線型交換單元40數(shù)字交換單元（DSE）412.6交換網(wǎng)絡(luò)交換網(wǎng)絡(luò)是由若干個(gè)交換單元按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。交換網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)基本要素是：交換單元、不同交換單元間的拓?fù)溥B接和控制方式。42交換網(wǎng)絡(luò)的一般結(jié)構(gòu)……控制單元出線入線……交換單元交換單元交換單元交換單元交換網(wǎng)絡(luò)43單級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)和多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)交換網(wǎng)絡(luò)按拓?fù)溥B接方式可分為：?jiǎn)渭?jí)交換網(wǎng)絡(luò)多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)出線0N-1入線0M-1單級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)交換單元44單級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)和多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)如果一個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)中的交換單元可以分為N級(jí)，順序命名為第1,2,…,N級(jí)，并且滿足：所有入線都只與第1級(jí)交換單元連接；所有第1級(jí)交換單元都只與入線和第2級(jí)交換單元連接；所有第2級(jí)交換單元都只與第1級(jí)和第3級(jí)交換單元連接；依此類推，所有第N級(jí)交換單元都只與第N-1級(jí)和出線連接；則稱這樣的交換網(wǎng)絡(luò)為多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)，或N級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)。45多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)(nmxnm兩級(jí)交換網(wǎng)絡(luò))……………O1n-1O1n-1…O1n-1O1m-1O1m-1O1m-1……………………OO11m-1n-11級(jí)2級(jí)46多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可用三個(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)明：每個(gè)交換單元的容量交換單元的級(jí)數(shù)交換單元間的連接通路（鏈路）單級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)和多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)47多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞

若出、入線空閑，但因交換網(wǎng)絡(luò)級(jí)間鏈路被占用而無(wú)法接通的現(xiàn)象，稱為多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞。嚴(yán)格無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)：不管網(wǎng)絡(luò)處于何種狀態(tài)，任何時(shí)刻都可以在交換網(wǎng)絡(luò)中建立一個(gè)連接，只要這個(gè)連接的起點(diǎn)、終點(diǎn)是空閑的，而不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)中已建立起來(lái)的連接。48可重排無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)：不管網(wǎng)絡(luò)處于何種狀態(tài)，任何時(shí)刻都可以在交換網(wǎng)絡(luò)中直接或?qū)σ延械倪B接重選路由來(lái)建立一個(gè)連接，只要這個(gè)連接的起點(diǎn)、終點(diǎn)是空閑的，而不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)中已建立起來(lái)的連接。廣義無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)：指一個(gè)給定的網(wǎng)絡(luò)存在著固有的阻塞可能，但又可能存在著一種精巧的選路方法，使得所有的阻塞均可避免，而不必重新安排網(wǎng)絡(luò)中已建立起來(lái)的連接。多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部阻塞4913421342C1C1C2C21，2，3，44，2，1，3

可重排無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)5013421342C1C1cc2cc2可重排無(wú)阻塞網(wǎng)絡(luò)51CLOS網(wǎng)絡(luò)為了減少交叉點(diǎn)總數(shù)而同時(shí)具有嚴(yán)格的無(wú)阻塞特性，CLOSC.很早就提出一種多級(jí)結(jié)構(gòu)，推出了嚴(yán)格無(wú)阻塞的條件，這就是著名的CLOS網(wǎng)絡(luò)?！?n…1n1n1n……1…1m

1r11rmmmm11111111rrrr3級(jí)CLOS網(wǎng)絡(luò)52在最壞情況下，中間級(jí)會(huì)有（n-1）X2個(gè)交換單元被占用，因此中間級(jí)至少要有（n-1）X2+1=2n-1個(gè)交換單元，即m≥2n-1時(shí)，可確保無(wú)阻塞（嚴(yán)格無(wú)阻塞）。CLOS網(wǎng)絡(luò)53TST網(wǎng)絡(luò)TST網(wǎng)絡(luò)是在電路交換系統(tǒng)中經(jīng)常使用的一種交換網(wǎng)絡(luò)，它是三級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)，兩側(cè)為T接線器，中間一級(jí)為S接線器，S級(jí)的出入線數(shù)決定于兩側(cè)T接線器的數(shù)量。第1級(jí)T接線器：負(fù)責(zé)輸入母線的時(shí)隙交換。S接線器：負(fù)責(zé)母線之間的空間交換交換。第2級(jí)T接線器：負(fù)責(zé)輸出母線的時(shí)隙交換。54123123123TS2TS310723313TS2TS31S(輸入控制)TS7TS2310312720313123232231731CMACMASMASMASMBSMBCMBCMBTS23TS7T(輸出控制)T(輸入控制)ABABCMC55為減少選路次數(shù)，簡(jiǎn)化控制，可使兩個(gè)方向的內(nèi)部時(shí)隙具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通?？上嗖畎霂?，俗稱反相法，即：設(shè)：Nf=一幀的時(shí)隙數(shù)Na=A到B方向的內(nèi)部時(shí)隙數(shù)

Nb=B到A方向的內(nèi)部時(shí)隙數(shù)則：Nb=Na+Nf/2TST網(wǎng)絡(luò)完全無(wú)阻塞的條件：m（內(nèi)部時(shí)隙數(shù)）=2n（輸入時(shí)隙數(shù)）TST網(wǎng)絡(luò)56關(guān)于T-S組合網(wǎng)絡(luò)T-S(n)-TT-S-T網(wǎng)絡(luò)：AXE10，F(xiàn)ETEX-150，E10B，5ESS等T-S-S-T網(wǎng)絡(luò)：NEAX61T-S-S-S-T網(wǎng)絡(luò)：EWSDT-S-S-S-S-T網(wǎng)絡(luò)：4ESS(長(zhǎng)途)S-T(n)-S57BANYAN網(wǎng)絡(luò)Banyan網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)Banyan網(wǎng)絡(luò)的基本特性BATCHER-BANYAN網(wǎng)絡(luò)基于banyan的多通路結(jié)構(gòu)Benes網(wǎng)絡(luò)58banyan網(wǎng)絡(luò)可分為一些子類，L級(jí)banyan是其中的一類，其特征是只有相鄰級(jí)之間才有鏈路相連，即任何輸入到任何輸出之間的通路都經(jīng)過(guò)L級(jí)。L級(jí)banyan網(wǎng)絡(luò)又可分為規(guī)則banyan和不規(guī)則banyan。規(guī)則banyan是指構(gòu)成banyan網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)交換單元都是等同的，而不規(guī)則banyan則不然。如果規(guī)則banyan中的各個(gè)交換單元不僅是等同的，而且每個(gè)交換單元的入線數(shù)等于出線數(shù)，則稱此規(guī)則banyan為矩形banyan。1、Banyan網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)59通常將由2X2的交換單元構(gòu)成的單通路網(wǎng)絡(luò)稱為banyan網(wǎng)絡(luò)。banyan網(wǎng)絡(luò)是基于樹(shù)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但每一個(gè)交換單元卻是基于crossbar的結(jié)構(gòu)。2X2的交換單元也具有bar和cross兩種狀態(tài)。1、Banyan網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)6001234567012345678x8的3級(jí)banyan網(wǎng)絡(luò)61樹(shù)型結(jié)構(gòu)特性：從banyan的任一輸入端口引出的一組通路形成了2分支樹(shù)，級(jí)數(shù)越多，分支越多，級(jí)數(shù)k=㏒2N，N=總?cè)刖€數(shù)/出線數(shù)，即2k=N。單通路特性：

banyan的任一入端到任一出端之間，具有1條且僅有一條通路。自選路由特性：自選路由，即是給定出線地址，不用外加控制命令，就可選到出線?？梢允褂脤?duì)應(yīng)于出端號(hào)的二進(jìn)制碼的選路標(biāo)簽來(lái)自動(dòng)選路。2、Banyan網(wǎng)絡(luò)的基本特性6201234567012(010)3(011)4(100)5(101)678x8的3級(jí)banyan網(wǎng)絡(luò)10110(011)(010)(100)(101)Banyan網(wǎng)絡(luò)的自選路由特性63可擴(kuò)展性：

banyan的構(gòu)成具有一定的