二、交换网络

1. 二、交换网络

2. 主要内容 • 交换网络的构成和分类 • 交换单元 • 交换单元的基本概念 • 开关阵列与空间交换单元 • 共享存储器型的交换单元——时间交换单元 • 共享总线型的交换单元——数字交换单元 • 交换网络 • CLOS网络 • TST网络 • DSN网络 • BANYAN网络

3. 1、交换网络的构成和分类 交换的基本功能是在任意的入线和出线之间建立连接。 在交换系统中完成这一基本功能的部件就是交换网络，它是交换系统的核心。交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的。 交换单元是构成交换网络的最基本的部件。 交换网络有：空分、时分 数字、模拟

4. 2、交换单元 • 交换单元的基本概念 • 开关阵列与空间交换单元 • 共享存储器型的交换单元——时间交换单元 • 共享总线型的交换单元——数字交换单元

5. 2.1 交换单元的基本概念 0 0 1 1 …… …… 入线 出线 M-1 N-1 控制端 状态端 M X N的交换单元

6. 两种信号的交换 0 0 1 1 2 入线 2 出线 3 3 4 4 同步时分复用信号的交换

7. 两种信号的交换 2 0 0 0 0 0 1 0 1 出线 入线 1 1 2 2 2 2 2 异步时分复用信号的交换

8. 交换单元按使用需要的不同可分为： 0 0 0 0 入线 出线 入线 出线 N-1 M-1 N-1 M-1 集中型（M>N） 扩散型（M<N ） 0 0 入线 出线 M-1 N-1 连接型（M=N）

9. 交换单元按信息流向分为： • 有向交换单元：当信息经过交换单元时只能从入线 进出线出，具有唯一确定的方向。 • 无向交换单元：交换单元的每条线即可入也可出， 其入线数必等于出线数。 入线/出线 0 0 0 入线 ….. ….. 出线 M-1 N-1 N-1 M X N有向交换单元 N无向交换单元

10. 交换单元的连接特性 • 连接特性是交换单元的基本特性，它反映了交换单元入线到出线的连接能力，通常我们用连接集合和连接函数来描述交换单元的连接特性 • 连接集合： • 入线集合：T={0,1,2,…,M-1} • 出线集合：R={0,1,2,…,N-1} • 定义：t∈T，即t是T的一个元 • r∈Rt，Rt是R的一个子集，r是Rt的一个元 • 则集合 c={t,Rt} 为一个连接。

11. 交换单元的连接特性 • 若r∈Rt，Rt中只含有一个元，则称该连接为点到点连接。 • 若r∈Rt，Rt中含有多个元，则称该连接为一点到多点连接。 • 若一个交换单元可以提供点到多点的功能，但Rt≠R，则称其具有同发功能；若Rt=R，则该交换单元具有广播功能。

12. 交换单元的连接特性 • 一个交换单元的连接同时可有多个，这就构成了交换单元的连接集合： • C={c0, c1, c2, …} • 其中：起点集 Tc={t; t∈ci, ciC} • 终点集 Rc={r; r∈Rt, Rt ci ,ci C} • 连接和连接集合是对应于某一时刻的 • 连接集合的数目越多，连接能力就越强

13. 交换单元的连接特性 • 连接函数 • 一个连接函数对应一种连接，连接函数表示相互连接的入线编号和出线编号之间的一一对应关系，即存在连接函数f，入线x与出线f(x)相连接，0≤x≤M-1，0≤f(x)≤N-1。 • 连接函数实际上也反映了入线编号构成的数组和出线编号构成的数组之间的置换关系或排列关系，故连接函数也被称作置换函数或排列函数。

14. 连接函数的表示形式 • 函数表示形式 x表示入线编号（二进制表示），f(x)表示连接函数。 • 排列表示形式 即输入输出对应表示形式 • t0，t1，…，t n-1 • r0，r1，…，r n-1 • 图形表示形式

15. 交换单元常用的连接函数 直线连接： 函数表示：I(xn-1xn-2…x1x0)= xn-1xn-2 …x1x0 排列表示（N=4）： 0，1，2，3 0，1，2，3 图形表示（N=4）： 0 0 1 1 2 2 3 3

16. 交换单元的连接特性 交叉连接： 函数表示：E(xn-1xn-2…x1x0)= xn-1xn-2 …x1x0 排列表示（N=4）： 0，1，2，3 1，0，3，2 图形表示（N=4）： 0 0 1 1 2 2 3 3

17. 交换单元的连接特性 间隔交叉连接： Ck(xn-1xn-2…xk …x1x0)= xn-1xn-2 …xk …x1x0 0 0 0 0 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 N=4 k=1 N=4 k=0

18. 交换单元的连接特性 均匀洗牌连接： σ(xn-1xn-2…xk …x1x0)= xn-2 …xk …x1x0 xn-1 0 0 1 1 2 2 N=8 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 3

19. 交换单元的连接特性 蝶式连接： β(xn-1 xn-2…xk …x1 x0)= x0 xn-2 …xk …x1 xn-1 0 0 1 1 2 2 N=8 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7

20. 交换单元的性能 • 容量： • 交换单元所有入线可以同时送入的总的信息量 • 接口： • 交换单元需要规定自己的信号接口标准，即信号形式、速率及信息流方向 • 功能： • 点到点、同发、广播 • 质量： • 完成交换动作的速度、任何情况下是否能完成指定连接、信息经过交换单元是否有损伤（时间、语义）

21. 2.2 开关阵列与空间交换单元——开关阵列 在交换单元内部，要建立任意入线和任意出线之间的连接，就在每条入线和每条出线之间都各自接上一个开关，所有开关就构成了交换单元内部的开关阵列。

22. 开关阵列的工作原理 出线 0 1 N-1 0 0 入线 ….. ….. 出线 0 M-1 N-1 1 入线 M X N有向交换单元 M-1 M X N有向矩形开关阵列

23. 开关阵列的工作原理 出线 0 0 1 N-1 入线 0 N-1 1 入线 N无向交换单元 N-1 N无向方形开关阵列

24. 无向交换单元开关阵列的实现（补充） 0 入线/出线 N-1 N无向交换单元 若在一个N X N的交换单元中的连接总是对称的，即如果入端i连接到出端j，则入端j一定连接到出端i，那么相同编号的入端和出端可以看作一个同时具有发送和接收信息能力的信息端，既具有N个双向通信的信息端，并且每个信息端都可以和任何其它的信息端相连，这样的交换单元称作N个信息端的无向交换单元，简称N无向交换单元。

25. 无向交换单元开关阵列的实现（补充） 0 0 1 2 N-2 入线/出线 1 N-1 2 N无向交换单元 N-2 N-1 N无向交换单元的开关阵列 （用双向开关）

26. 无向交换单元开关阵列的实现（补充） 0 1 N-1 0 0 入线/出线 1 N-1 N-1 N无向交换单元 N无向交换单元的开关阵列 （用单向开关）

27. 0 0 入线/出线 入线/出线 … … （信息端） L-1 （信息端） K-1 K x L无向交换单元 无向交换单元开关阵列的实现（补充） 若N无向交换单元的N个信息端可以分为两组，分别为K和L个信息端。属于其中一组的信息端都可以和另一组的任何信息端相连接，但是不能和本组中的其它信息端相连，则称其为一个K x L的无向交换单元。

28. 0 0 入线/出线 入线/出线 … … （信息端） L-1 （信息端） K-1 K x L无向交换单元 无向交换单元开关阵列的实现（补充） 0 1 K-1 0 1 L-1 0 0 1 1 K-1 K-1 K(K=L)无向方形开关阵列 K X L无向矩形开关阵列

29. 无向交换单元开关阵列的实现（补充） 0 1 L-1 0 1 K-1 K+0 K+1 K+L-1 0 0 1 1 K-1 K-1 K+0 K X L无向矩形开关阵列 （用双向开关） K+1 K+L-1 (K+L) X (K+L)有向开关阵列 （用单向开关）

30. 无向交换单元开关阵列的实现（补充） 0 1 K-1 0 1 K-1 K+0 K+1 K+K-1 0 0 1 1 K-1 K-1 K+0 K 无向方形开关阵列 （用双向开关） K+1 K+K-1 2K X 2K有向开关阵列 （用单向开关）

31. 全连接交换单元和部分连接交换单元 出线 出线 0 1 N-1 0 1 N-1 0 0 1 1 入线 入线 N-1 N-1

32. 多路选择器 出线 出线 0 1 N-1 0 入线 1 入线 0 M-1 入线 出线 N-1 0 入线 出线 M-1

33. 开关阵列的特性 • 开关控制简单，从入线到出线具有均匀的单位延迟时间。 • 开关阵列适合于构成较小的交换单元（开关数反映了实现的复杂度和成本的高低）。 • 交换单元的性能依赖于所使用的开关。 • 控制信号简单 • 容易实现同发和广播功能

34. 实际的开关阵列 继电器：其构成的交换单元是无向的，可交换模拟和数字信息，干扰和噪声大、动作慢（ms级）、体积大（cm级）。 模拟电子开关：一般利用半导体材料制成。 如：MC142100、MC145100（4 x 4开关阵列） 只能单向传送，且衰耗和时延较大。 数字电子开关：由简单的由逻辑门构成，用于数字信号的交 换，开关动作极快且无信号损失。

35. 开关阵列交叉点的实现（1） • 通断开关 • 交叉点可看成是一个具有通/断功能的开关。其具体实现比较复杂，包括FIFO缓冲器和相应的控制逻辑。 • 多路选择器

36. 开关阵列交叉点的实现（2） • Crossbar • 交叉点是一个2 x 2的传送门，它有两个状态：bar状态和cross状态。Bar状态是指横向输入连到纵向输出，纵向输入连到横向输出；cross状态是指横向输入连到横向输出，纵向输入连到纵向输出。 • 交换矩阵在初始状态时，所有交叉点均处于cross状态，即任何入线与任何出线间均不连通。如果要使入线i与出线j连通，则应使处于交叉点（i,j）上的传送门处于bar状态，而在i行和j列的所有其它的传送门仍处于cross状态。

37. 开关阵列交叉点的实现（3） 纵向输入 横向输入 横向输出 bar状态 纵向输出 cross状态

38. 开关阵列交叉点的实现（4） 1 1 2 2 3 3 4 4 1 2 3 4 1 2 3 4 crossbar 通/断开关

39. 2.3 开关阵列与空间交换单元——空间交换单元 空间交换单元也称为空间接线器（Space Switch），简称为S单元或S接线器，用来实现多个输入复用线与多个输出复用线之间的空间交换，而不改变其时隙位置。

40. 空间交换单元的基本结构 • S接线器的构成：交叉点矩阵、控制存储器 • 交叉点矩阵：开关阵列 • 控制存储器（CM-Control Memory）： • S接线器所含CM数量等于入（出）线数 • 每个CM的所含有的存储单元个数等于入（出）线上的复用时隙数 • 每个存储单元为n位bit,且满足N≤2n,其中N 为入（出）线上数

41. 空间交换单元的控制方式 TS12 TS8 TS12 TS8 0 1 2 0 1 2 0 1 2 TS12 TS8 TS12 TS8 0 8 2 1 输入控制方式 12 2 0 127

42. 空间交换单元的控制方式 TS12 TS8 TS12 TS8 0 1 2 0 1 2 0 1 2 TS12 TS8 TS12 TS8 0 8 2 0 输出控制方式 12 2 0 127

43. 空间交换单元的工作原理

44. 2.3、共享存储器型的交换单元——时间交换单元2.3、共享存储器型的交换单元——时间交换单元 0 1 输入信号 输出信号 N-1 工作方式：入线缓冲、出线缓冲 共享存储器型交换单元的一般结构

45. 时间交换单元 时间交换单元也称为时间接线器（Time Switch），简称为T单元或T接线器，用来实现时隙交换功能。所谓时隙交换是指入线上各个时隙的内容要按照交换连接的需要，分别在出线上的不同时隙位置输出。

46. 时间交换单元的基本结构 T接线器主要由话音存储器（SM:Speech Memory）和控制存储器(CM:Control memory)构成。 SM用来暂存话音的数字编码信息，故每个单元至少应为8比特。SM的容量等于输入复用线上每帧的时隙数。 CM的容量等于SM的容量；设CM每个单元的比特数为n，SM的单元数为N，则有2n=N，N也就是复用线上的时隙数。

47. 时间交换单元的控制方式

48. 2.4、共享总线型交换单元——数字交换单元

49. 共享总线型交换单元 入线控制部件的功能： 接收入线信号，进行相应的格式变换，放在缓冲存储器中，并在分配给该部件的时隙上把收到的信息送到总线上。 出线控制部件的功能： 检测总线上的信号，并把属于自己的信息读入一个缓冲存储器中，进行格式变换，放在缓冲存储器中，由出线送出，形成出线信号。

50. 共享总线型交换单元 总线： 一般包括多条数据线和控制线。数据线用于在入线控制部件和出线控制部件传送信号；控制线用于控制各入线控制部件获得时隙和发送信息，以及出线控制部件读取属于自己的信息。 总线按时隙轮流分配给各个入线控制部件和出线控制部件使用，其时隙的分配有一定的规则。