反法西斯战争时期的中国与世界研究：交换网络基础

2．2．1　交换网络的基本概念

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网络，交换单元、不同交换单元间的拓扑连接和控制方式称为交换网络的三要素。交换网络也称为互联网络，交换网络的一般结构如图2．21所示。

从外部看，交换网络也有一组输入端和一组输出端，将其分别称为交换网络的入线和出线。如果交换网络有M条入线和N条出线，则把这个交换网络称为M×N的交换网络。

交换网络有多种分类方法，归纳起来主要有以下三种类型。

图2．21　交换网络的一般结构

1．单级交换网络与多级交换网络

图2．22　单级交换网络

单级交换网络是由一个交换单元或若干个位于同一级的交换单元构成的，需要交换的信息在单级交换网络中一次入线到出线的连接就能通过，即只经过一个交换单元就能完成，如图2．22所示。

多级交换网络由多级交换单元构成，需要交换的信息从交换网络输入端到交换网络输出端需要经过多个交换单元，如图2．23所示。

图2．23　mn×nm两级交换网络

如果一个交换网络中的交换单元可以分为K级，顺序命名为第1，2，…，K级，并且满足：

（1）所有的入线都只与第一级交换单元相连。

（2）所有的第一级交换单元的出线都只与第二级交换单元的入线相连。(https://www.xing528.com)

（3）所有的第二级交换单元的出线都只与第三级交换单元的入线相连。

（4）依此类推，所有的第K级交换单元都只与第K－1级交换单元的出线和交换网络的出线相连，称这样的交换网络为多级交换网络或K级交换网络。

2．有阻塞交换网络与无阻塞交换网络

交换网络的阻塞是指从交换网络不同输入端来的信息在交换网络中交换时发生了对同一公共资源进行争抢的情况，这时在争抢资源时失败的信息就称被阻塞。

阻塞一般有两种情况：一种为内部阻塞；一种为出线阻塞。在出、入线空闲的情况下，因交换网络级间链路被占用而无法接通的现象，称为内部阻塞；而不同入线的信息同时争抢交换网络的同一个出线而发生的阻塞称为出线阻塞。这里的有阻塞的交换网指的是存在内部阻塞的交换网络。

如图2．23所示为一个mn×nm的两级交换网络，第一级是由m个n（入线）×n（出线）的交换单元构成，第二级由n个m（入线）×m（出线）的交换单元组成。两级交换单元的连接规律是：第一级同一交换单元的不同编号的出线分别接到第二级不同交换单元的相同编号的入线上。该两级交换网络的mn条入线中的任何一条均可与nm条出线接通，因而它相当于一个mn×nm的单级交换网络。但是与单级交换网络不同的是：单级交换网络，只要有一对出、入线空闲，任何时刻都可以将两者接通；而两级交换网络每一对出、入线的连接需要通过两个交换单元和一条级间链路，因此，第一级的每一个交换单元与第二级的每一个交换单元之间仅存在一条链路，任何时刻在一对交换单元之间只能有一对出、入线接通。

例如，当第一级0号交换单元的0号入线与第二级1号交换单元的m－1号出线接通时，第一级0号交换单元的任何其他入线都无法再与第二级l号交换单元的其余出线接通。这种出、入线空闲，但因交换网络级间链路被占用而无法接通的现象称为多级交换网络的内部阻塞。

单级交换网络是不存在内部阻塞的，而且它的控制比多级交换网络简单，时延短，那么，为什么实际使用的大多数是多级交换网络呢？一般而言，交换网络中交叉点越多，成本越高。交换网络设计的原则是在满足一定连接能力的要求下，尽量减少交叉点数。容量相同的单级交换网络与多级交换网络比较，其交叉点多很多。例如，图2．23中的mn×nm两级交换网络，共有交叉点n×n×m＋m×m×n个，而mn×nm的单级交换网络，交叉点数目为mn×nm个。假设n＝m＝8，则一个两级交换网络的交叉点为8×8×8＋8×8×8＝1　024个，而一个mn×nm的单级交换网络，其交叉点数为8×8×8×8＝4　096个。因此，在组建大型网络时，为了减少交叉点总数，一般都会采用多级交换网路。

无阻塞交换网络，一般存在三种情况。

（1）严格无阻塞交换网络。不管网络处于何种状态，只要连接的起点和终点是空闲的，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接。

（2）可重排无阻塞交换网络。不管网络处于何种状态，只要这个连接的起点和终点是空闲的，任何时刻都可以在交换网络中直接或者对已有的连接重新选择路由来建立一个连接。

（3）广义无阻塞交换网络。指一个给定的网络存在着固有阻塞的可能，但也有可能存在着一种选路方法能避免阻塞，而不必重排网络中已建立起来的连接。广义无阻塞交换网络目前很少用，所以这里只讨论严格无阻塞交换网络和可重排无阻塞交换网络。

3．时分交换网络与空分交换网络

交换网络可以分为时分交换网络和空分交换网络。时分结构的交换网络基本特征是所有的输入与输出端口分时共享单一的通信链路，具有时隙交换功能。空分结构的交换网络基本特征是可以在多对输入端口与输出端口间同时并行地传送信息，具有空间交换的功能。后面要讨论的CLOS网络与BANYAN网络属于典型的空分交换网络。TST网络和DSN网络是时空结合的交换网络，既能完成时隙交换也能完成空间交换。TST网络和DSN网络在电话交换系统中得到了广泛的应用。