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中国分类号：G633.7
本文就教学中如何让学生真正掌握“现代交换技术”所涉及的主要问题，依据该课程所涉及的主要内容，解析了如何在教学中结合目前的应用讲授这些交换技术。
1概述
《现代交换技术》是电子信息工程专业或相近专业的核心专业课，其核心的概念是交换。最原始的“物物交换”、面对面的语言交流、目前全球范围内的实时通信和网络通信实现的都是人们最迫切的需求，也体现了交换技术的演进。该课程剖析的是信息交换技术，即电子通信中的交换技术。本文从该课程的几个基本问题出发，细致解析了《现代交换技术》的教学方法。
2固定电话通信中的交换技术
2.1数字交换的前提：信息数字化
数字交换的前提是信息的数字化。固定电话中的模数变换与无线移动通信中的模数变换技术完全不同。目前，通信技术已发展到以无线移动通信技术为主要通信手段，但国内所有通信原理类的教材中介绍的模数变换技术全都是PCM。有鉴于此，本人在编写《现代交换技术实用教程》时，特意安排了无线移动通信中模数变换的技术。固话通信中的模数变换技术与无线移动通信中的模数变换技术有着质的不同：前者属于波形编码，其特征是对语音信号的波形进行编码。无线移动通信中的模数变换不再是波形编码，而是结合了波形编码与参量编码的混合编码，因而实现了速率较低（参量编码的特征）和性能较好（波形编码的特征）。波形编码将信号波形的幅值进行编码，性能好但带宽很宽；参量编码从语音信号的产生机理出发，构造语音信号模型，提取描述语音信号的特征参数，然后对模型参数或其预测值进行编码。参量编码的带宽很低但性能差。综合二者特性的混合编码用于无线移动通信，解决了无线通信带宽资源有限的问题。
2.2电路交换
电路交换是最早出现的一种交换方式，也是固话通信和移动通信（1G业务、2G语音业务与数据业务以及3G前期的语音业务）采用的交换方式。固话通信中交换机不需要对信息检错和纠错；移动通信的语音通信中交换机需要对语音信息检错和纠错；且固话和移动的语音通信都要求交换机处理时延要小。交换机的功能是将入线和指定出线的开关闭合或断开，这种工作方式即电路交换。
目前，就实现原理与技术手段而言，电路交换已可以淘汰。
3“存储-转发”的交换方式
3.1报文交换
从本质上说，报文交换、分组交换、ATM交换与帧中继都具有“存储-转发”的核心特征，只是各有特点。报文交换时，交换机将来自用户的报文先暂时在交换节点内排队等候，待交换节点出口空闲时，一次性转发至下一结点，报文在下一节点再存储-转发，直至到达目的节点。该方式中，信息的传输以报文为单位。为了保证报文的正确传输，网络节点必须具有信息处理、存储和路由选择功能。报文交换的主要特点是：（1）报文交换不需要事先建立连接；（2）容易实现不同类型终端之间的通信，输入/输出电路速率及电码格式可以不同。这种交换方式的明显例子有电子信箱业务。
3.2分组交换
分组交换将一份要发送的数据报文分成若干个较短的、按一定格式组成的分组，然后采用统计时分复用将这些分组传输到一个交换结点。交换结点采用存储-转发技术。分组具有统一格式并且长度比报文短得多，便于在交换机中存储和处理。分组在交换机的主存储器中停留很短时间，一旦确定了新的路由，很快就转发到下一个结点机。分组通过一个交换结点的平均时延比报文要小得多。支持分组交换的协议有面向连接的协议和无连接的协议。面向连接的分组网络提供虚电路服务，无连接的分组网络提供数据报服务。解析时分别举出例子。分组交换的特点是通信线路的利用率高；缺点是实现技术复杂和效率降低：需要提供存储-转发、路由选择、流量控制、速率及规程转换状态报告等。由于分组交换需要把报文划分成若干个分组，每个分组头包含附加地址及控制信息，降低了网络的有效性。
3.3ATM交换
ATM是ITU-T确定的用作B-ISDN的复用、传输和交换模式。信元是ATM特有的分组单元，语音、数据、视频等各种不同类型的数字信息均可分割成固定长度53字节的信元。这53字节分为两部分：5字节的信头含有表示信元去向的逻辑地址、信息类型、优先级和检错纠错等控制信息；48字节的信息段用来装载用户的业务信息。任何业务信息在发送前都必须经过分割，封装成统一格式的信元，接收端则完成相反操作以恢复业务数据原来的形式。ATM具有以下技术特点：（1）ATM是一种统计时分复用技术。它将一条物理信道划分为多个具有不同传输特性的逻辑信道提供给用户，实现网络资源的按需分配。（2）ATM利用硬件实现固定长度分组的快速交换，具有时延小、实时性好的特点，能满足多媒体数据传输的要求。（3）ATM是支持多种业务的传输平台，并提供服务质量保证。ATM通过定义不同ATM适配层AAL满足不同业务传输性能的需求。（4）ATM是面向连接的传输技术，在传输用户数据之前必须建立端到端的虚连接。所有信息，包括用户数据、信令和網管数据都通过虚连接传输。（5）信头比分组头更简单，处理时延更小。
ATM支持语音、数据、图像等各种低速和高速业务，是与业务无关的交换方式。数字移动通信系统的底层技术就是ATM交换。
3.4帧中继
由于分组交换技术是在早期的低速、高差错率的物理传输线路基础上发展起来的，为了确保数据可靠传输，交换结点要运行复杂的协议，以完成差错控制和流量控制等主要功能。由于最初的传输链路传输质量太低，逐段链路的差错控制是必需的。如今，传输干线均采用光纤，不再要求网络的各结点实现流量控制和差错控制。帧中继是以分组交换技术为基础的高速分组交换技术，由网外的端系统实现差错控制和流量控制，缩短了交换结点的处理时间。这是因为光纤通信具有低误码率和大容量的特性，所以不需要在链路上进行差错控制和流量控制，而采用端对端的检错重发控制方式。这种简化了的协议可以方便地利用VLSI技术来实现。帧中继适于处理突发性信息和可变长度帧的信息，特别适于计算机网络之间的互连。
其实，这也是一项可以淘汰的技术。
3.5课程安排的建议及教学内容取舍
该课程是《移动通信》课程的的基础，适宜安排在学习《移动通信》之前开始《现代交换技术》。否则，学生学习了《现代交换技术》之后，连目前的主流通信技术移动通信所涉及的交换方式这一最基本的专业知识都没搞清楚。由于受到课时的限制，该课程中的“多层交换”、“MPLS交换”、“光交换”等内容，可以选择性学习。
4结论
本文依据目前主流通信中所采用的交换技术，结合各高校为该课程分配的课时，解析了《现代交换技术》教学中首要介绍的基本内容。
本文就教学中如何让学生真正掌握“现代交换技术”所涉及的主要问题，依据该课程所涉及的主要内容，解析了如何在教学中结合目前的应用讲授这些交换技术。
1概述
《现代交换技术》是电子信息工程专业或相近专业的核心专业课，其核心的概念是交换。最原始的“物物交换”、面对面的语言交流、目前全球范围内的实时通信和网络通信实现的都是人们最迫切的需求，也体现了交换技术的演进。该课程剖析的是信息交换技术，即电子通信中的交换技术。本文从该课程的几个基本问题出发，细致解析了《现代交换技术》的教学方法。
2固定电话通信中的交换技术
2.1数字交换的前提：信息数字化
数字交换的前提是信息的数字化。固定电话中的模数变换与无线移动通信中的模数变换技术完全不同。目前，通信技术已发展到以无线移动通信技术为主要通信手段，但国内所有通信原理类的教材中介绍的模数变换技术全都是PCM。有鉴于此，本人在编写《现代交换技术实用教程》时，特意安排了无线移动通信中模数变换的技术。固话通信中的模数变换技术与无线移动通信中的模数变换技术有着质的不同：前者属于波形编码，其特征是对语音信号的波形进行编码。无线移动通信中的模数变换不再是波形编码，而是结合了波形编码与参量编码的混合编码，因而实现了速率较低（参量编码的特征）和性能较好（波形编码的特征）。波形编码将信号波形的幅值进行编码，性能好但带宽很宽；参量编码从语音信号的产生机理出发，构造语音信号模型，提取描述语音信号的特征参数，然后对模型参数或其预测值进行编码。参量编码的带宽很低但性能差。综合二者特性的混合编码用于无线移动通信，解决了无线通信带宽资源有限的问题。
2.2电路交换
电路交换是最早出现的一种交换方式，也是固话通信和移动通信（1G业务、2G语音业务与数据业务以及3G前期的语音业务）采用的交换方式。固话通信中交换机不需要对信息检错和纠错；移动通信的语音通信中交换机需要对语音信息检错和纠错；且固话和移动的语音通信都要求交换机处理时延要小。交换机的功能是将入线和指定出线的开关闭合或断开，这种工作方式即电路交换。
目前，就实现原理与技术手段而言，电路交换已可以淘汰。
3“存储-转发”的交换方式
3.1报文交换
从本质上说，报文交换、分组交换、ATM交换与帧中继都具有“存储-转发”的核心特征，只是各有特点。报文交换时，交换机将来自用户的报文先暂时在交换节点内排队等候，待交换节点出口空闲时，一次性转发至下一结点，报文在下一节点再存储-转发，直至到达目的节点。该方式中，信息的传输以报文为单位。为了保证报文的正确传输，网络节点必须具有信息处理、存储和路由选择功能。报文交换的主要特点是：（1）报文交换不需要事先建立连接；（2）容易实现不同类型终端之间的通信，输入/输出电路速率及电码格式可以不同。这种交换方式的明显例子有电子信箱业务。
3.2分组交换
分组交换将一份要发送的数据报文分成若干个较短的、按一定格式组成的分组，然后采用统计时分复用将这些分组传输到一个交换结点。交换结点采用存储-转发技术。分组具有统一格式并且长度比报文短得多，便于在交换机中存储和处理。分组在交换机的主存储器中停留很短时间，一旦确定了新的路由，很快就转发到下一个结点机。分组通过一个交换结点的平均时延比报文要小得多。支持分组交换的协议有面向连接的协议和无连接的协议。面向连接的分组网络提供虚电路服务，无连接的分组网络提供数据报服务。解析时分别举出例子。分组交换的特点是通信线路的利用率高；缺点是实现技术复杂和效率降低：需要提供存储-转发、路由选择、流量控制、速率及规程转换状态报告等。由于分组交换需要把报文划分成若干个分组，每个分组头包含附加地址及控制信息，降低了网络的有效性。
3.3ATM交换
ATM是ITU-T确定的用作B-ISDN的复用、传输和交换模式。信元是ATM特有的分组单元，语音、数据、视频等各种不同类型的数字信息均可分割成固定长度53字节的信元。这53字节分为两部分：5字节的信头含有表示信元去向的逻辑地址、信息类型、优先级和检错纠错等控制信息；48字节的信息段用来装载用户的业务信息。任何业务信息在发送前都必须经过分割，封装成统一格式的信元，接收端则完成相反操作以恢复业务数据原来的形式。ATM具有以下技术特点：（1）ATM是一种统计时分复用技术。它将一条物理信道划分为多个具有不同传输特性的逻辑信道提供给用户，实现网络资源的按需分配。（2）ATM利用硬件实现固定长度分组的快速交换，具有时延小、实时性好的特点，能满足多媒体数据传输的要求。（3）ATM是支持多种业务的传输平台，并提供服务质量保证。ATM通过定义不同ATM适配层AAL满足不同业务传输性能的需求。（4）ATM是面向连接的传输技术，在传输用户数据之前必须建立端到端的虚连接。所有信息，包括用户数据、信令和網管数据都通过虚连接传输。（5）信头比分组头更简单，处理时延更小。
ATM支持语音、数据、图像等各种低速和高速业务，是与业务无关的交换方式。数字移动通信系统的底层技术就是ATM交换。
3.4帧中继
由于分组交换技术是在早期的低速、高差错率的物理传输线路基础上发展起来的，为了确保数据可靠传输，交换结点要运行复杂的协议，以完成差错控制和流量控制等主要功能。由于最初的传输链路传输质量太低，逐段链路的差错控制是必需的。如今，传输干线均采用光纤，不再要求网络的各结点实现流量控制和差错控制。帧中继是以分组交换技术为基础的高速分组交换技术，由网外的端系统实现差错控制和流量控制，缩短了交换结点的处理时间。这是因为光纤通信具有低误码率和大容量的特性，所以不需要在链路上进行差错控制和流量控制，而采用端对端的检错重发控制方式。这种简化了的协议可以方便地利用VLSI技术来实现。帧中继适于处理突发性信息和可变长度帧的信息，特别适于计算机网络之间的互连。
其实，这也是一项可以淘汰的技术。
3.5课程安排的建议及教学内容取舍
该课程是《移动通信》课程的的基础，适宜安排在学习《移动通信》之前开始《现代交换技术》。否则，学生学习了《现代交换技术》之后，连目前的主流通信技术移动通信所涉及的交换方式这一最基本的专业知识都没搞清楚。由于受到课时的限制，该课程中的“多层交换”、“MPLS交换”、“光交换”等内容，可以选择性学习。
4结论
本文依据目前主流通信中所采用的交换技术，结合各高校为该课程分配的课时，解析了《现代交换技术》教学中首要介绍的基本内容。