所谓电信交换，其基本含义是在公用网大量的终端用户之间，按所需目的地来互相传递话音、文本、数据、图像等信息。也就是说，任何一个主叫用户的信息，可以通过电信网中的交换节点发送到所需的任何一个或多个被叫用户。
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图5-2 交换节点的引入 |
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图5-1 用户个个相连 |
图5-3采用多个交换节点
可以推想，当交换的范围更广时，多个交换节点之间也不能个个相连，而要引入汇接交换节点。长途电话网中的长途交换节点一般要分为几级，形成逐级汇接的交换网。
交换节点可控制以下的接续类型：
①本局接续：本局接续是本局用户线之间的接续。
②出局接续：出局接续是在用户线与出中继线之间的接续。
③入局接续：入局接续是在入中继线与用户线之间的接续。
④转接接续：转接接续是在入中继线与出中继线之间的接续。
为完成上述的交换接续，交换节点必须具备的最基本的功能如下：
①能正确接收和分析从用户线或中继线发来的呼叫信号；
②能正确接收和分析从用户线或中继线发来的地址信号；
③能按目的地址正确地进行选路以及在中继线上转发信号；
④能控制连接的建立；
⑤能按照所收到的释放信号拆除连接。
对应于各种传送模式(transfer mode)的交换方式，是交换节点为了完成交换功能所采用的互通技术。已出现了多种交换方式，如图5-4所示。
图5-4 各种交换方式
在图5-4中，各种交换方式分布在一条连续线上。连续线的最左端为电路交换，也可称为电路传送模式(CTM：Circuit Transfer Mode)或同步传送模式(STM：Synchronous Transfer)，最右端为分组交换，也可称为分组传送模式(PTM：Packet Transfer Mode)。电路交换与分组交换是两种截然不同的交换方式，是代表两大范畴的传送模式，因此处于连续线的两个极端。依次从左到右：多速率电路交换、快速电路交换是属于电路传送模式的范畴；依次从右到左：帧交换、快速分组交换则属于分组传送模式的范畴。连续线的中央为ATM交换，ATM表示异步传送模式(ATM：Asynchronous Transfer Mode)，可以看成是分组交换与电路交换的结合，兼具两者之特点。以下将对各种交换方式作出说明。
图5-5 电路交换的基本过程
电路交换(CS：Circuit Switching)是最早出现的一种交换方式，包括最早的人工电话在内的电话交换普遍采用了电路交换方式。电路交换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5-5所示。
2.电路交换的特点
电路交换是一种实时交换，当任一用户呼叫另一用户时，应立即在两个用户间建立电路连接；如果没有空闲的电路，呼叫就不能建立而遭受损失。应配备足够的连接电路，使呼叫损失率不超过规定值。
电路交换的特点可以概括如下：
①要在通信的用户间建立专用的物理连接通路，从而又引起以下的特点：
·在通信前先要有连接建立过程；
·只要用户不发出释放信号，即使通信暂时停顿，物理连接仍然保持；
·物理连接的任何部分发生故障都会引起通信的中断；
·仅当呼叫建立与释放时间相对于通信的持续时间很小时才呈现高效率。
②对通信信息不作处理(信令除外)，而是原封不动地传送。用作低速数据传送时不进行速率、码型的变换。
③对传送的信息无差错控制措施。
④用基于呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加，但不影响巳建立的呼叫。
综上所述，电路交换是固定分配带宽，连接建立后，即使无信息传送也虚占电路，电路利用率低；要预先建立连接，有一定的连接建立时延，通路建立后可实时传送信息，传输时延一般可以不计；无差错控制措施，对于数据交换的可靠性没有分组交换高。因此，电路交换适合于电话交换、文件传送、高速传真，不适合突发(burst)业务和对差错敏感的数据业务。
采用电路交换方式的交换节点为呼叫所建立的连接通路，通常只有一种传送速率，例如64bit/s。为了适应多种业务的需要，包括较高带宽的业务，可以采用多速率电路交换(MRCS：Multi-Rate Circuit Switching)。
多速率电路交换方式可以对不同的业务提供不同的带宽，包括基本速率(例如8kbit/s或64kbit/s)及其整数倍。为此，在交换节点内部的交换网络及其控制必须适应多速率交换的要求。可有两种实现方法：一种是采用多个不同速率的交换网络；另一种是采用一个统一的多速率交换网络。一般而言，前一种方法硬件较多，但控制简单；后一种方法硬件较少，但控制复杂。
多速率电路交换具有以下缺点，并不能很好地满足多种业务不同的带宽要求：
(1)基本速率较难确定
基本速率定得低，难以实现较高带宽的业务；基本速率定得高，对低带宽业务会造成浪费。
(2)速率类型不能太多
多速率的数量不能太多，否则很难实现，因此仍然缺乏灵活性，不能满足宽带业务的要求。
(3)不适应突发业务
虽然是多速率，仍然是固定带宽分配，不适应突发业务的要求。
(4)控制较复杂
1.快速电路交换的基本过程
为了克服电路交换固定分配带宽的缺点，提高灵活性，在1982年提出了快速电路交换(FCS：Fast Circuit Switching)方式。
快速电路交换的基本思路是只在信息要传送时才分配带宽和有关资源。在呼叫建立时，有关交换节点要在相应路由上分配所需的带宽，并且要“记忆”所分配的带宽和去向。实际上只是建立了“虚电路”(virtual circuit)，或称为逻辑连接(logical connections)，而不是物理连接(physical connection)。当用户发送信息时，通过呼叫标识可以查到该呼叫所需的带宽和去向，并激活虚电路，建立物理连接。由于快速电路交换并不为各个呼叫保留其所需带宽，因此当用户发送信息时并不一定能成功地激活虚电路，会引起信息丢失或排队时延。突发交换(burst switching)是与快速电路交换相似的交换方式。
2.快速电路交换的特点
快速电路交换具有以下特点：
·由于并不为每个呼叫专门分配和保留其所需的带宽，因此提高了带宽的使用效率；
·物理连接的建立和拆除要有相当高的速度；
·由于只有当信息发送时才建立真正的连接，因此时延比通常的电路交换要大。
快速电路交换虽然也提高了带宽利用率，但控制复杂，灵活性比不上快速分组交换，故未得到广泛应用。
1.报文交换的基本概念
分组交换(PS：Packet Switching)采用存储转发(store and forward)方式，为此先介绍报文交换(message switching)。
报文交换又称为存储转发交换，与电路交换的原理不同，不需要提供通信双方的物理连接，而是将所接收的报文暂时存储。报文中除了用户要传送的信息以外，还有目的地址和源地址。交换节点要分析目的地址和选择路由，并在该路由上排队，等待有空闲电路时才发送到下一交换节点。公用电信网的电报自动交换是报文交换的典型应用，有的专用数据网也采用报文交换方式。
报文交换可以进行速率、码型的变换，具有差错控制措施，可以发送多目的地址的报文，过负荷时则导致时延的增加。图5-6表示了报文交换的基本过程和时延的构成。
2.分组交换的基本概念
采用存储转发方式的分组交换与报文交换的不同在于：分组交换将用户要传送的信息分割为若干个分组(packet)，每个分组中有一个分组头，含有可供选路的信息和其他控制信息。分组交换节点对所收到的各个分组分别处理，按其中的选路信息选择去向，以发送到能到达目的地的下一个交换节点。
分组交换的时延示于图5-7。将图5-7与图5-6比较可以看出，分组交换的时延小于报文交换。这是因为分组交换是分成多个分组来独立传送，收到一个分组即可以发送，从而显著减少了存储的时间。
图5-6 报文交换的时延图 5-7 分组交换的时延
但是，正是由于分成多个分组，也增加了开销。为此，分组长度的确定是一个重要的问题。分组长度缩短会进一步减少时延而增加开销，分组长度加大则减少开销而增加时延。通常，分组长度的选择要兼顾到时延与开销这两个方面。
用于分组交换的X.25协议采用逐段链路的差错控制和流量控制，出现差错时可以重发，提高了传送质量，可靠性高。但由于协议和控制复杂，信息传送时廷大，通常只用于非实时的数据业务。
3.虚电路方式和数据报方式
分组交换可提供两种服务方式：虚电路(VC，Virtual Circuit)方式与数据报(DG：Datagram)方式，各有其特点，可适应不同业务的要求。
(1)虚电路
所谓虚电路方式，就是在用户数据传送前先要通过发送呼叫请求分组建立端到端之间的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送，最后通过呼叫清除分组来拆除虚电路。
虚电路不同于电路交换中的物理连接，而是逻辑连接。虚电路并不独占线路，在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，也就是建立多个逻辑连接，以达到资源共享。但是从另一方面看，虽然只是逻辑连接，毕竟也需要建立连接，因此不论是物理连接还是逻辑连接，都是面向连接(CO：Connection Oriented)的方式。
虚电路有两种：交换虚电路(SVC：Switched Virtual Circuit)和永久虚电路(PVC：Permanent Virtual Circuit)。前述通过用户发送呼叫请求分组来建立虚电路的方式称为SVC。如果应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，就不需要在呼叫时临时建立虚电路，而可直接进入数据传送阶段，称之为PVC。
(2)数据报
数据报不需要预先建立逻辑连接，而是按照每个分组头中的目的地址对各个分组独立进行选路。由于不需要建立连接，称为无连接(CL：Connection Less)方式。
图5-7可理解为采用数据报方式的分组交换的时延，如果是虚电路方式，还应增加呼叫建立阶段和清除阶段。
(3)虚电路与数据报的比较
①分组头
DG方式的每个分组头要包含详细的目的地址，而VC方式由于预先已建立逻辑连接，分组头中只要含有对应于所建立的VC的逻辑信道标识。
②选路
VC方式预先有建立过程，有一定的处理开销，但一旦虚电路建立，在端到端之间所选定的路由上的各个交换节点都具有映象表，存放出入逻辑信道的对应关系，每个分组到来时只要查找映象表，而不要进行复杂的选路。当然，建立映象表也要有一定的存储器开销。DG方式则不需要有建立过程，但对每个分组都要独立地进行选路。
③分组顺序
VC方式中，属于同一呼叫的各个分组在同一条虚电路上传送，分组会按原有顺序到达终点，不会产生失序现象。DG方式中，各个分组由于是独立选路，可以从不同的路由传送，会引起失序。
④故障敏感性
VC方式对故障较为敏感，当传输链路或交换节点发生故障时可能引起虚电路的中断，需要重新建立。有些分组网具有再连接功能，出现故障时可自动建立新的虚电路，并做到不丢失用户数据。DG方式中各个分组可选择不同路由，对故障的防卫能力较强，从而可靠性较高。
⑤应用
VC方式适用于较连续的数据流传送，其持续时间应显著地大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。DG方式则适用于面向事务的询问/响应型数据业务。
通常的分组交换是基于X.25协议。X.25包含了3层，第1层是物理层，第2层是数据链路层，第3层是分组层，对应于开放系统互连(OSI：Open System Interconnection)模型的下3层，每1层都包含了一组功能。帧交换(FS：Frame Switching)则只有下面两层，没有第3层，简化了协议，加快了处理速度。
帧交换是一种帧方式(frame mode)的承载业务(bearer service)，在数据链路层上以简化的方式来传送和交换数据单元。通常，在第3层传送的数据单元称为分组，在第2层传送的数据单元称为帧(frame)。所以，帧方式是将用户信息流以帧为单位在网络内传送。
帧方式与传统的分组交换比较有两个主要特点：一个是帧方式是在第2层(链路层)进行复用和传送，而不是在分组层；另一个是帧方式将用户面与控制面分离，而通常的分组交换则未分离。用户面(user plane)提供用户信息的传送，控制面(control plane)则提供呼叫和连接的控制，主要是信令(signaling)功能。
快速分组交换(FPS：Fast Packet Switching)可理解为尽量简化协议，只具有核心的网络功能，以提供高速、高吞吐量、低时延的服务的交换方式。有时，FPS是专指ATM交换，但广义的FPS包括帧中继(FR：Frame Relay)与信元中继(CR：Cell Relay)两种交换方式，信元中继为ATM所采用。实际上，ATM是源自FPS和异步时分交换。
帧中继是典型的帧方式。与帧交换比较，帧中继进一步简化了协议，非但不涉及第3层，第2层也只保留了链路层的核心功能，如帧的定界、同步、透明性以及帧传输差错检测等。帧中继只进行差错检验，错误帧予以丢弃，不再重发。帧中继采用可变长度帧，可适应突发信息的传送，很适用于局域网(LAN：local Area Network)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。
ATM是ITU-T以前确定用作宽带综合业务数字网(B-ISDN：Broadband Integrated Services Digital Network)的复用、传输和交换的模式。ATM交换应实现高速、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。
ATM交换的基本概念和特点如下：
1.固定长度的信元中继
与可变长度帧的帧中继比较，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(cell header)，其余48个字节为信息域，或称为净荷(pay load)。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。
2.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，主要是虚连接的标识，还有优先级标志、信头的差错检验等。与帧中继相比，ATM网络不参与数据链路层的功能。信头中的差错检验是针对信头本身的，这是非常必要的功能，因为如果信头出错将导致信元丢弃或错误选路，也就是导致整个信元的无效。
3.面向连接
在介绍分组交换时，曾提及面向连接(CO)和无连接(CL)两种方式。ATM采用面向连接的方式。这就是说，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，面是一种虚连接(VC：Virtual Connection)。
为了便于应用和管理，ATM的虚连接分成两个等级：虚信道连接(VCC：Virtual Channel Connection)和虚通道连接(VFC：Virtual Path Connection)。如图5-8所示，传输通道可包含若干个VP，每个VP又可划分为若干个VC。
图5-8 VC和VP的概念
4.异步时分交换
采用电路交换方式的数字程控电话交换是同步时分(STD：Synchronous Time Division)交换，ATM交换则属于异步时分(ATD：Asynchronous Time Division)交换。
为说明ATD的概念，先简介STD的概念。时分意味着复用，即一条物理链路可以由多个连接所共享，各自占用不同的时间位置。各个连接属于不同的呼叫，有各自的目的地，在交换的过程中必须加以区分，也就是要判别每个时间位置中的信息是属于哪个连接的。STD是按照时间位置本身来区分，这意味着每个建立的连接占有某条物理链路上固定的时间位置。以PCM30/32路一次群的链路为简单的示例，每帧有32个时隙(TS：Time Slot)，周而复始，假定在建立过程中将TS8分配给连接A，则每帧的TS8始终是传送连接A的用户信息，直到连接拆除。
ATD复用的各个时间位置相当于各个信元所占的位置，即一个信元占有一个时间位置。ATD与STD不同的是，属于某个呼叫连接的多个信元不是占有固定的时间位置，而是按该呼叫连接所需的带宽大小，占有或多或少的时间位置。也就是说，属于同一呼叫连接的信元，可以或密或疏地在复用链路上出现。因此说，它不是固定分配的同步方式，而是灵活分配的异步方式，从而可以适应各种不同带宽业务的要求。为便于比较，图5-9简明地表示了STD与ATD的概念。图5-9(a)为STD，A，B，C表示不同的呼叫连接，占用了各自的固定时隙位置，图9-9(b)为ATD，X，Y，Z表示不同的虚连接所属信元，时间位置灵活分配。
既然ATD采用灵活的带宽分配，各个呼叫连接的信元不占有固定的位置，就不能按照时间位置来区别不同的连接，而要按照信元的信头中所含的用于选路的标识来区分不同的连接。
图5-9 STD与ATD的概念
实际上，这属于标记复用(labeled multiplexing)的方式。所谓标记复用，就是依靠每个分组(信元就是短分组)中所含的标记来区分各个连接的复用方式。标记可以是显式，直接表明目的地址，也可以是隐式，用建立过程中分配的“连接标识”来表示，总之标记可用来正确选路。相对于标记复用，STD可称为非标记复用(unlabelled multiplexing)。
电信交换的基本技术包括互连(interconnection)技术、接口(interface)技术、信令(signaling)技术和控制(control)技术，这也反映了交换节点高度抽象的系统结构，如图5-10所示。本节对这些基本技术先作一简明的概括介绍。
图5-10 电信交换的基本技术
实现任意入线与任意出线之间的互连是交换系统最基本的功能。当然，按照不同交换方式的要求，可以是物理连接，也可以是虚连接。为此，交换系统一般都具有互连网络(interconnection network)，或称为交换网络(switching network)，也可称为交换机构(switching fabric)。互连技术主要涉及硬件(hardware)技术。
互连技术包括拓扑结构、选路策略、控制机理、多播方法、阻塞特性和故障防卫等方面，说明如下。
1.拓扑结构
互连网络具有一定的拓扑结构。互连技术要解决的第一个主要问题，就是要在满足交换方式、服务质量和基本参数(如端口数、容量、吞吐量等)的要求下，获得高性能、低成本、便于扩充而控制又不太复杂的拓扑结构。拓扑结构的性能是否符合服务质量(如阻塞率、时延、信元丢失率等)的要求，往往要通过严密的理论计算和/或计算机模拟。
拓扑结构大致可以划分为两类：时分(time division)结构和空分(space division)结构。
时分结构包括共享媒体(总线或环)和共享存储器。分组交换和ATM交换都可以采用时分结构，数字程控电话交换通常使用由存储器构成的时分结构，或将时分结构作为整个拓扑结构的一部分，小容量的数字程控电话交换也可采用总线拓扑结构。
空分结构是由交换单元(SE：Switching Element)构成的单级或多级拓扑结构。交换单元的入线或出线数通常为2n，n一般可为1～6。要注意的是，“空分”的含义是指在拓扑结构内部存在着多条并行的通路，每条通路仍然可以采用时分复用的方式。电话交换、快速分组交换、ATM交换都可以采用空分结构。
2.选路策略
选路策略主要针对多级空分拓扑结构。这里所说的选路，不是整个电信网中各个交换节点之间的选路，而是交换节点的互连网络内部的选路。
(1)条件选择与逐级选择
互连网络内部选路的目的是在互连网络指定的入端与出端之间选择一条可用的通路。如果不论互连网络有几级，而是作出全盘观察，在指定的入端与出端之间所有的通路中选用一条可用的通路，就称为条件选择(conditional selection)，或称为通盘选择。如果不作全盘考察，而是从入端的第1级开始，先选择第1级交换单元的出线，选中一条出线以后再选择2级交换单元的出线，以此类推，直到最末一级到达出端为止，就称为逐级选择(stage-by-stage selection)。
由于逐级选择带有某种盲目性，即选定前一级出线时没有考虑后面几级出线的情况，因此其阻塞率高于条件选择。通常采用条件选择，但只要互连网络的服务质量满足指标要求，也可采用逐级选择。例如S1240数字程控电话交换系统的交换网络就采用逐级选择，但是增加了可重新选试多次的功能，即当选试不成功时可以重新从入端起再进行逐级选择，这就成为可重试逐级选择，可以减少阻塞率。总之，同样的拓扑结构，选路策略不同，互连网络的阻塞率也就不同。选路策略也会影响到控制的复杂性。
(2)自由选择与指定选择
自由选择是指某一级出线可以任意选择，不论从哪一条出线都可以到达所需的互连网络出端。指定选择只能选择某一级出线中指定的一条或一小群，才能到达所需的互连网络出端。
包括级数、级间互连方式等在内的多级空分拓扑结构一旦确定以后，哪几级可以自由选择和哪几级只能指定选择也随之而定。自由选择级可起扩大通路数、均衡业务流量的作用。有些多级空分结构不存在自由选择级。
(3)面向连接选路和无连接选路
仍然要强调的是，在介绍分组交换时曾提及面向连接和无连接的概念，这是针对整个网的选路而言，现在是指互连网络内部的选路。通常采用面向连接选路，即预先在互连网络指定的入端和出端之间选定一条通路，凡属于该呼叫连接的用户信息都在这一通路上传送。无连接选路则不预先选路，而是在入端收到用户信息时才临时选路。电路交换要建立固定的物理连接，肯定采用面向连接选路。ATM交换机构可采用面向连接选路，也可采用无连接选路，后者相当每收到载有用户信息的信元时才进行选路，属于同一呼叫连接的信元会通过互连网络内部的不同通路而引起失序，在互连网络出端必须恢复其原有顺序。
3.控制机理
选路策略也可以看成是控制机理的一部分，但由于它是带普遍性的重要技术，因此单独列出。这里的控制机理是泛指完成选路后还必须实现的一些控制，以使互连网络能正常而有效地工作，并且符合服务质量的要求。
对于通常的程控电话交换系统的数字交换网络而言，完成选路后只要将所选通路的有关标识写入交换网络的控制存储器，即可实现正常的电路交换。
ATM交换则比较复杂，虚连接建立后，在信息传送阶段仍要对随机到来的信元完成选路控制；此外，控制机理可能还要包括队列管理、优先级控制等。
4.多播方法
多播(multicast)或称为组播，是将某一入端的信息同时传送到所需的多个出端，显然与互连技术有关。在ATM交换中，由于点对多点宽带通信业务的需要，多播是一项重要而复杂的互连技术。不同的ATM交换机构可采用不同的多播方法。
5.阻塞特性
(1)连接阻塞与传送阻塞
阻塞特性反映了在呼叫建立或用户信息传送时，由于互连网络的拥塞而遭受损失的现象。
对于电路交换，由于建立的是专用的物理连接，只有在呼叫建立阶段会选不到空闲通路而遇到阻塞；一旦连接建立，在信息传送阶段就不会再遇到阻塞。连接阻塞表示呼叫遭到拒绝，要重新发起呼叫，可称为损失制(loss system)。
电路交换的互连网络的阻塞特性用阻塞率(blocking probability)表示，阻塞率的含义是由于互连网络内部阻塞而不能建立连接的呼叫数与加入互连网络总呼叫次数之比。当互连网络的级数较多、拓扑结构复杂时，阻塞率的严格计算也很复杂。阻塞率的计算是电话交换的话务理论所要解决的一个重要问题。
对于分组交换，由于采用存储转发的方式，交换节点要处理的业务流量较高时，将导致排队时延的增加。因此，排队系统或延迟制(delay system)不考虑阻塞率，但有时也可将等待时延超过一定限值的呼叫视为被阻塞的呼叫。
ATM交换在虚连接建立阶段也会遇到阻塞，当然，判别是否阻塞的标志与电路交换不一样：电路交换是专用的物理连接(包括数字时分交换)，通路要么空闲要么占用；ATM交换是复用的虚连接，要看通路上是否还存在够用的带宽。
对于ATM交换更重要的是传送阻塞，即在信元传送阶段产生的阻塞。由于是异步时分复用，属于各个连接的信元会随机地到来而在某个时刻发生传送冲突。也就是说，在信元传送阶段会不断产生竞争现象。按照互连网络的不同设计，竞争中失败的信元可以在缓冲器中排队等待或予以丢弃。采用排队策略也会由于缓冲器溢出而丢失信元。因此，ATM交换在信元传送阶段的阻塞特性主要用信元丢失率(CLR：Cell loss Rate)来表示，CLR反映了由于各种原因在互连网络中丢弃的信元数与总信元数之比。信元丢失率通常为很小的数值，例如
(2)有阻塞与无阻塞
互连网络可按照不同准则来分类，从阻塞特性可以分为有阻塞网络与无阻塞网络(non-blocking network)。
电话交换通常采用有阻塞网络，但阻塞率较低，特别是采用时分方式的数字交换网络的阻塞率可以做到很低，例如
①严格无阻塞(strict non-blocking)
严格无阻塞网络由C.CLOS提出，又称为CLOS网络。所谓严格无阻塞，就是不论互连网络原先处于何种占用状态，总可以建立任何出入端之间的连接而无内部阻塞。
②广义无阻塞(wide sense non-blocking)
只有对任何呼叫连接遵循特定的选路规则才能做到无阻塞时，称为广义无阻塞。
③再配置无阻塞(rearrange able non-blocking)
再配置无阻塞是指总可以通过对已建立连接所用的通路进行调整，以建立任何新的无阻塞连接。
ATM交换结构也可采用无阻塞网络，但要区分是连接建立的无阻塞，还是信元传送的无阻塞。前者的原理与电路交换相似，也可用CLOS结构，但由于虚连接不同于物理连接，因此设计CLOS结构所用的无阻塞条件稍有不同。信元传送的无阻塞是指在信元传送阶段，交换结构内部不会产生任何竞争。通常所说的无阻塞ATM交换机构往往是指信元传送阶段的无阻塞。
6.故障防卫
互连网络是交换系统的重要部件，一旦发生故障会影响众多的呼叫连接，甚至导致全系统中断。因此，互连网络必须具备有效的故障防卫性能。除了提高互连网络硬件的可靠性以外，通常配置双套冗余结构，也可采用多平面结构。不论是电话交换还是ATM交换，概莫能外。
冗余结构可有两种工作方式：热备用方式与双工分担方式。热备用方式是指一套主用、一套备用，备用的一套随时接收和保存有关的信息，但不实现信息传送，当主用发生故障时可立即替换而不会影响已建立的呼叫连接。双工分担方式是指两套同时分担工作，如一套发生故障，则全部由另一套承担。
双份冗余结构常称为双平面结构，但与多平面结构的含义不同。多平面结构是只有一套互连网络，但采用多平面的拓扑结构，任何一个平面发生故障而退出服务时，会稍许增加阻塞率，但不会引起严重的服务中断。设计多平面结构时应考虑不利情况下的阻塞率，以及硬件故障率。
各种交换系统都接有用户线、中继线。用户线和中继线终接在交换系统的用户接口和中继接口。
不同类型的交换系统具有不同的接口技术。例如，数字程控电话交换要有适配模拟用户线、模拟中继线和数字中继线的接口电路，N-ISDN交换要有适配2B+D的基本速率接口和30B+D和基群速率接口，移动交换要具有通往基站的无线接口，ATM交换则要适配不同码率、不同业务的各种物理媒体的接口。
接口技术主要由硬件实现，有些功能也可由软件或固件实现。
电信交换离不开信令。在电信网中要实现任意用户之间的呼叫连接，完成交换功能，必须在信令的控制下有条不紊地进行。交换节点收到与用户线或中继线有关的各种信令，都要加以分析处理，从而产生一系列的控制操作，包括向其他交换节点发送信令，以正常地建立、改变或释放交换连接。因此，信令是电信交换的一项基本技术。
信令过程是要予以规范化的一系列协议。用户与网络之间，各个交换节点之间，以至不同网络之间的互通，都要通过共同的标准的信令协议来实现。信令协议是“协调一致、互相理解的信令语言”。按照不同的应用和需要，可以有各种不同的信令协议和信令方式。交换节点的信令系统可以理解为实现和配合各种信令协议和信令方式而需具有的所有的硬件和软件设施。
1.用户信令和局间信令
按照信令的作用区域可以划分为用户信令(subscriber signaling)和局间信令(inter-office signaling)。
(1)用户信令
用户信令是在用户与交换节点之间的用户线上传送的信令。用户信令也可称为用户-网络信令，电话网、移动交换网、窄带和宽带综合业务数字网等不同的网络具有不同的用户-网络信令。
电话网的用户信令最为简单，可以分为监视信令与地址信令。监视信令是反映用户状态的信令，也称为用户状态信令。用户状态信令广泛采用直流回路信号，用户的摘机(off-hook)和挂机(on-hook)使得直流回路接通或断开，形成了各种用户状态信令。基本的用户状态信令有占用、应答、释放和拍叉(flash-hook)。主叫用户摘机为占用，被叫用户在振铃后摘机为应答，任一方挂机均可引起释放，拍叉则是使直流回路短暂中断的一种操作，使电话用户可灵活地使用一些新服务功能。同一种状态在呼叫的不同的阶段可有不同的含义，例如主叫用户在被叫应答前挂机即为早释。
地址信令是主叫用户发送的被叫号码，作为交换节点进行选路的依据。根据话机类型的不同，有两种方式发送地址信令：
①直流脉冲
号盘话机发送的是直流脉冲，某些按键话机也可以发送直流脉冲。直流脉冲是由用户回路的断续而产生。例如，拨数字3使直流回路数据开3次，拨数字0断10次。
②双音多频(DTMF：Dual Tone Multi-Frequency)
双音多频按键话机在发送地址信令时，用两个频率的组合代表一位数字。这两个频率分属于一个高频群和一个低频群。高频群
表5-1 双音多频的标称频率及其组合
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H1 |
H2 |
H3 |
H4 | |
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1209 |
1336 |
1477 |
1633 | ||
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L1 |
697 |
1 |
2 |
3 |
13 |
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L2 |
770 |
4 |
5 |
6 |
14 |
|
L3 |
852 |
7 |
8 |
9 |
15 |
|
L4 |
941 |
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(2)局间信令
局间信令是电信网中各个交换节点之间传送的信令。更广义地说，局间信令可以是电信网中各个网元之间传送的信令。局间信令可以分为随路信令与共路信令两种方式，如图5-11(a)，(b)所示。现代电信网将普遍采用先进的共路信令方式。
2.随路信令和共路信令
(随路信令(CAS：Channel Associated Signaling)
所谓随路信令，是指信令与话音是在同一条通路上传送，见图5-11(a)。与用户信令相似，电话网的随路信令也分为监视信令与地址信令两类，通常称为线路信令与记发器信令。
图5-11 随路信令与共路信令示意
①线路信令(line signaling)
局间线路信令的作用是监视局间中继线上的呼叫状态，如示闲、占用、占用证实、被叫应答、挂机等。线路信令按传送方向的不同，可分为前向(forward)信令和后向(backward)信令；按传送媒介来分，有模拟型线路信令和数字型线路信令。
模拟型线路信令可采用直流线路信令或交流线路信令。前者是用局间中继线的a，b线上的直流电位变化来表示各种状态，后者可用交流信号的不同持续时间的组合来表示各种状态。
由于数字中继的大量使用，随路信令方式的线路信令广泛采用数字型线路信令。例如，PCM30/32路系统中30个话路的数字型线路信令在TS16中传送。为此，由16帧构成复帧，O帧TS16作为复帧失步对告等用，其余15帧的TS16用来传送30个话路的线路信令。因此，每个话路在每个复帧中最多有4个比特来传送线路信令。
②记发器信令(register signaling)
局间记发器信令是完成电话交换接续的控制信令，主要用于选择路由和目的地的地址信令。为了加快接续速度，缩短相关公用设备的占用时间，记发器信令的传送必须迅速而准确。
记发器信令广泛采用带内多频信号，并可按电话交换网的不同要求而采用各种类型的记发器信令，例如脉冲方式或互控方式，端到端传送或逐段转发，前后向信令或仅有前向信令。
脉冲式多频(MFP)信号发送的是具有一定宽度的交流信号，如R1信令系统采用6中取2(
互控式多频(MFC)信号连续传送，有证实信号。如R2信令系统为多频互控，前向与后向信令均为6中取2，端到端传送。
我国公用电话交换网(PSTN：Public Switched Telephone Network)所用1号信令系统的记发器信令采用多频互控，端到端传送。前向信令采用1380Hz，1500Hz，1620Hz，1740Hz，1860Hz，1980Hz的高频群，按6中取2编码，最多可组成15种信令。
多频互控方式的信令传送过程分4拍进行：
第1拍：发端局发送某种前向信令；
第2拍：收端局接收和识别这一前向信令后，立即回送一个后向信令；
第3拍：发端局接收并识别该后向信令后，立即停止发送前向信令；
第4拍：收端局识别出前向信令停发后，立即停止发送后向信令。
当发端局识别到后向信令停发后，即可按照后向信令的要求发送下一个前向信令，开始又一个4拍的互控过程。
多频互控方式具有传送可靠的优点，但传送速度比脉冲多频慢。
(2)共路信令(CCS：Common Channel Signaling)
现代电信交换必须依靠先进的共路信令的支撑。所谓共路信令，是指信令通路与用户信息通路分离，信令是在专用的信令数据链路上传送，见图5-11(b)。一条专用的高速信令数据链路可以传送与大量呼叫有关的信令。
共路信令的主要优点是传送速度快，信令传送与信息传送互相独立，灵活性高，信令的种类和容量大大增加，可以适应现代电信网的发展。
①标记型信令
采用随路信令时，信令就在相应的话音通路上传送，不需要再识别信令属于哪个话路，至于随路信令中的数字型线路信令，前已述及，是以30个话路共用TS16来传送，带有“共路”的性质，但与共路信令仍有本质的区别。一个区别是数字型线路信令仅限于传送30个话路的线路信令，而更重要的区别是数字型线路信令是时间指配型(time-assigned signaling)信令，识别信令属于哪个话路是按照信令比特所在的时间位置，而共路信令则是标记型信令(labeled signaling)
所谓标记型信令，是指每个信令消息必须包含用来识别属于哪个呼叫连接的标记。
②分层协议结构
先进的共路信令采用了具有灵活性和可扩充性的分层协议结构，可以满足现代电信网的各种先进业务的应用和发展的需要。
交换系统要自动完成大量的交换接续，并保证良好的服务质量，必须具有有效的合乎逻辑的控制功能。互连功能、接口功能及信令功能都与控制功能密切相关。控制技术主要由软件实现，但有些也可用硬件实现。
不同类型的交换系统各有其主要的控制技术，例如程控电话交换的数字分析、路由和通路选择、并发进程管理，分组交换的选路控制和流量控制，ATM交换的呼叫接纳控制和自选路由控制。控制技术的实现与处理机控制结构密切相关。处理机控制结构是各类交换系统在设计中必须考虑的重要问题，关系到整个系统的性能和服务质量。
1.控制方式
集中控制与分散控制是两种基本的控制方式。现代电信交换系统大多采用分散控制方式，但分散的程度有所不同。分散控制意味着采用多处理机结构，可称为处理机复合体(processor complex)。为此，要确定处理机复合体的最佳结构，包括数量、分级、分担方式、冗余结构等，以实现高效而灵活的控制机理。
分担方式可有功能分担与容量分担两种类型。功能分担只执行一项或几项功能，但面向全系统；容量分但是执行全部功能，但只面向系统的一部分容量。从功能分配的灵活性来看，可有固定分配与灵活分配两种方式。处理机复合体实际上可看成是一个处理机库，如果库中的处理机可以按照业务流量和处理工作量的需要而灵活分配其功能，也就是分担某种功能的处理机数量可按用需要而变化，就是灵活分配方式。
2.通信机理
处理机复合体中的多处理机之间必然要互相通信，为此要确定合适的通信机理，包括通信的物理通路、通信速率、通信规程等。通常采用消息传送机理(message passing mechanism)实现多处理机之间的松耦合，具有灵活、可靠等优点。
同步网的作用是使数字网中所有节点设备的时钟频率和相位都控制在预定的容限范围之内，从而使通过网内各节点设备的数字流实现正确、有效的传送与交换。
数字交换机在进行时隙交换时，要求各交换时隙在时间上对准，即要求交换设备与出入中继接口的数据流同步。解决办法为在中继接口中设置缓冲存储器。该存储器以中继传输线路所提取的时钟写入，以交换机时钟读出。由于两者时标的差异，有可能隔一定时间重复读一帧或丢失一帧，这称为滑码(滑动)。滑码会造成语音通路杂音和数据通路的误码。
SDH节点间若同步运行则无指针调节，随着同步的降低，指针调节频次增加。频次大到一定程度会引起输出数字流的抖动、漂移和误码的超标。
我国的电信设备以往采用的是以交换机为同步中心、自上而下(即从C1交换机时钟逐级同步到C5交换机时钟)的主从同步方式。这种同步方式已很难适应目前通信网发展的要求，暴露出很多缺陷与不足，因此需要单独建立时钟同步网。
同步网的基本功能是，准确地将同步信息从基准时钟向网中各同步节点传送，从而调节网中的同步节点时钟使其保持与基准时钟的一致。
同步网中的节点设备为通信楼综合定时供给系统(BITS)。它接收上级节点的基准同步定时信息，同时向下级时钟发同步定时信息，并向所在通信楼的设备提供同步定时信息。
图22 电信管理网和电信网的关系
TMN是一种独立于电信网、而专门进行网络管理的网络。它使电信网的运行、管理、维护（OAM）过程实现了标准化、简单化和自动化。利用一个具备一系列标准接口的统一体系结构，提供一种有组织的网络结构，使各种类型的操作系统（网管系统）与电信设备互连起来以提供各种管理功能。实现电信网的标准化和自动化管理。TMN的规模可大可小。一般来讲，TMN总是有许多个不同操作系统，通过与电信网的若干个不同接口，接收来自电信网的信息，转而控制电信网的运行。TMN也要利用电信网的部分设施来为其提供通信联络，所以，TMN和电信网有部分重叠。两者的一般关系如图22所示。
一、功能结构
TMN功能可分成5个基本功能块，即操作系统功能（OSF，Operation System Functions）块、协调功能（MF，Mediation Function）块、网元功能（NEF，Network Element Functions）块、Q适配功能（QAF，Q-adaptor Function）块和工作站功能（WSF，Workstation Function）块。每个功能块又包含许多功能元件。目前共有7种功能元件，即管理应用功能（MAF）元件、管理信息库（MIB）元件、信息转换功能（ICF）元件，表述功能（PF）元件、人机适配（HMA）元件、消息通信功能（MCF）元件和高层协议互通（HLPI）功能元件。功能块在参考点上进行划分。功能块之间利用数据通信功能（DCF）来传递信息。TMN功能结构如图23所示。它主要描述TMN内的功能分布。
图23 电信管理网（TMN）功能结构
（1）操作系统功能（OSF）
OSF主要是对通信管理信息进行处理，使通信管理功能得以实现。从逻辑上，OSF可划分成事务管理层（最高层）、服务管理层，网络管理层、单元管理层和网络元层（最低层）。尽管各层逻辑功能不同，但其总目标都是为了形成一个具有强大处理能力的管理中心，为电信管理网（TMN）提供服务。在小网中，可由网络管理层直接与网络元功能（NEF）块和协调功能（MF）块进行通信。
OSF包括管理信息库（MIB）、管理应用功能（MAF）、人机适配（HMA）和信息传换功能（ICF）等功能元件。
（2）网络元功能（NEF）
NEF主要提供通信和支持功能，如交换、传输、交叉连接和故障定位，计费、保护转换等。
NEF包含管理信息库（MIB），管理应用功能（MAF）等功能元件。
（3）Q适配功能（QAF）
用以进行标准TMN接口与非TMN接口或专用接口间的转换。即QAF用来将那些不具备标准TMN接口的NEF和OSF连到电信管理网上。
QAF包含管理信息库（MIB）、管理应用功能（MAF）、信息转换功能（ICF）和高层协议互通（HLPI）等功能元件。
（4）协调功能（MF）
MF对操作系统功能（OSF）与网络元功能（NEF）或Q适配功能（QAF）间起协调中介作用。按OSF要求，对来自NEF或QAF的信息进行适配、过滤和压缩处理，防止进入OSF的信息过载。
MF包含管理信息库（MIB）、管理应用功能（MAF），信息转换功能（ICF）、人机适配（HMA）和高层协议互通（HLPI）等功能元件。
（5）工作站功能（WSF）
WSF为管理信息的用户提供一种解释TMN信息的手段。其功能包括终端的安全接入和注册，识别和确认输入，格式化和确认输出，支持菜单、屏幕、窗口和分页、接入TMN、屏幕开发工具，维护屏幕数据库，用户输入编辑等。
WSF包含管理信息库（MIB）和表述功能（PF）等功能元件。
TMN利用数据通信功能（DCF）进行信息交换和传送。DCF可以提供选路、转接和互通功能。这些涉及到的功能相当OSI模型的低三层功能。可以由多种媒体（公共电话网和数据网、ISDN、局域网等）支持。
参考点的概念基于区分不同的功能块面提出。两个功能块在其公共参考点上进行信息交换。参考点q用以区分功能块OSF、QAF、MF和NEF。它们之间可以直连，也可经由DCF连接。通常将NEF和MF，QAF和MF、MF和MF之间的参考点记为qx，NEF和OSF、QAF和OSF、MF和OSF，OSF和OSF之间的参考点记为q3。参考点g为连接用户和工作站的参考点，g处于TMN之外。x为连接TMN与另一管理网络（TMN或其它型管理网）的参考点。m为连接QAF与非TMN型网的参考点，它也处于TMN之外。上述这些不同功能块间的概念上的信息交换点，当互连功能块分别嵌入不同设备时，就成了具体的接口。
二、信息结构
TMN的信息结构描述功能块间交换的各类管理信息。
为了便于管理和操作，TMN管理功能可划分成不同的管理层，构成TMN管理层模型。如图24所示。
单元管理层：它直接行使对个别网络元的管理职能。主要有：对下层一系列网络元进行控制和协调；为上层网络管理层和下层网络元之间进行通信，提供协调（网关）功能；记录有关网络元的统计数据等。本层经由参考点q3与上层（网络管理层）互连。
网络管理层：它对所辖区域内的所有网络元行使管理职能。包括控制协调网络元活动，提供控制网络能力，就网络性能与使用等和上层（服务管理层）进行交流。本层经由参考点q3与服务管理层互连。
服务管理层：主要处理服务的合同事项。较少涉及网络物理特性，着重于网络提供的逻辑服务功能。如是否提供服务，计费、故障报告、维护统计数据。本层经由参考点q3与事务管理层互连。
NEF网络元功能
MF协调功能
q3操作系统与操作系统参考点
qX协调功能与协调功能参考点
图24 TMN管理层模型
事务管理层：为最高逻辑功能层。负责总的服务和网络方面的事务。主要涉及经济方面。不同网络运营者之间的协议也在该层表达。本层设定目标任务，但不管具体目标的完成。本层活动往往需要最高层管理人员的介入。
当同样信息需要嵌入两个以上的不同系统时，由于具体实现上的限制，如设计和结构选择的差异，致使同一信息每次出现时，可能略有不同。为了实现不同系统间的兼容，需要将信息模型化，即采用“面向目标”的方法，用一套正式的符号和词条，对描述对象进行组织，分类和抽象概括。这样形成的“信息模型”的基本作用就是将网络资源转换成为概念上的管理目标，并规定目标类别，属性及其标值。管理目标是指抽象化的被管理系统内的资源（被管理的物理对象或逻辑对象）。电信系统、设备及有关部件（如接口板等）就是物理资源。通信协议、应用程序、网络服务等就是逻辑资源。总之，管理目标就是管理系统通过管理接口所看到的资源。因此，信息模型就是指描述管理目标及其特性的方法，是一种规定管理系统和管理目标之间接口的手段。
为了描述管理进程中担任管理者（或主控）和被管理者（或被控）的能力，以及两者间的相互关系，需建立所谓组织模型。管理者的任务是发送管理命令和接收被管理者的回送通知；被管理者的任务是直接管理有关的管理目标和响应命令并回送反映目标行为的通知给管理者。一个管理者可以与多个被管理者交换信息，一个被管理者也可同多个管理者交换信息。两个系统互通时，必须使用同样的协议和TMN功能，且具有公共的管理目标。
图25 TMN组织模型
TMN通信模型是建立在OSI七层模型基础上的，用以描述TMN实体间信息交换过程。图26示出的通信模型说明了操作系统（OS）内的管理者与网络元（NE）内的被管理者（或代理）之间利用消息通信功能（MCF）和数据通信功能（DCF）进行信息交换的过程。
图26 TMN通信模型
模型中的TMN实体间，以及TMN实体与网络元NE实体间按参考点q定义进行划分，即它们之间按对应于参考点q的接口Q连接。
三、物理结构
TMN物理结构描述TMN内的物理实体配置及其相互关系。如图27所示，它由操作系统（OS）、数据通信网（DCN）、网络元（NE）、工作站（WS）、协调设备（MD）、Q适配器（QA）等结构体组成。
操作系统（OS）即网管系统，是执行操作系统功能（OSF）的系统。实际上，它为一大型管理网络资源系统程序。
协调设备（MD）是执行协调功能的设备。主要完成操作系统（OS）和网络元（NE）间的协调功能。也可提供Q适配功能（QAF）和工作站功能（WSF），及操作系统功能（OSF）。协调设备（MD）用分级方式实现。
Q适配器（QA），用以完成网管系统或网络元与非TMN接口适配互连。
网络元（NE）由执行网络元功能（NEF）的电信设备及其支持设备组成。它包含协调功能（MF）或其它TMN功能块。它具有一个或多个标准Q接口，也可有F接口（对应f参考点）。
工作站（WS），是执行工作站功能（WSF）的设备。主要完成f参考点信息与g参考点信息间的转换功能。实际上，WS就是由智能处理器控制的可视终端。最简单的工作站设备可以由键盘和显示器组成。显然，用户是通过工作站（WS）管理网络的。
图27上标示的各个结构件之间的接口Q3、Qx、X、F是为不同类型（厂家）设备互连而设置的。标准接口是实现TMN的关键。Q3、Qx接口对应参考点q3，qx，F接口对应参考点f，G接口对应参考点g。Q3接口用以将协调设备（MD）、Q适配器（QA）、网络元（NE）和操作系统（OS）经由数据通信网（DCN）与操作系统（OS）互连；Qx接口实行协调设备（MD）和网络元（NE）、Q适配器（QA）和协调设备（MD），以及网络元之间（至少一个NE中含有MF功能）和MD之间的互连；F接口可以将远端工作站（WS）经由数据通信网（DCN）连至操作系统（OS）或协调设备（MD）；G接口用以连接用户到工作站（WS）；X接口用以连接TMN和其它类型管理网或另一TMN。
图27 TMN简化物理结构
（OAMP：Operations，Administration，Maintenance and Provisioning）
根据OSI的管理功能分类方法，且适应TMN需要加以扩展，形成了5类管理功能。即性能管理，故障或维护管理，配置管理、帐目管理和安全管理。
一、性能管理
性能管理就是实施对设备和网络的性能监视、性能分析和性能控制。对通信设备工作状态，网络或网络元的运作效能进行评估和控制。主要是收集各种统计数据，并给以规划和分析，用于监视或校正网络与网络元（或设备）的工作状态和效能。即在连续追踪系统活动情况下，根据收集到的数据，对网络性能进行分析和评估，确知其当前性能水平。最后，对性能进行控制。这主要是关于业务量控制，和涉及网管功能的支持功能与活动（网管数据库建立和更新等）。
二、故障或维护管理
故障或维护管理能够对不正常的电信网运行状况，或者是其环境条件进行检测、隔离和校正。具体功能包括告警监视、故障定位和校正，以及测试功能。TMN几乎能实时地监视网络元（NE）的故障，并能确定故障的性质和网络失效程度。如若网络初步失效，故障信息还不足以故障定位时，可用附加故障定位程序完成故障定位。这实际就是利用网络内部或外部的测试系统来做故障定位，但受TMN控制。故障校正，实际是倒换网络元（NE）的热备份系统，这样可以完成实时处理故障。测试功能可以是由TMN指挥，在给定的网络元（NE）内进行电路或设备特性分析，将处理结果自动报告给TMN；也可以由TMN完成测试分析，而仅要求网络元（NE）进行电路或设备接入，TMN与NE之间无其它信息交换。
三、配置管理
配置管理涉及网络的实际物理安排。主要实施对网络元（NE）的控制和识别，数据交换，以及为传送网增减网络元、通道或电路。包括：
①供给功能——设备投入服务所必须的程序，控制设备的状况（服务状态，退出、备用、保留等）。典型的供给功能有网络元（NE）配置和管理，以及网络元数据库管理等。
②网络元状态监视和控制功能——TMN按请求监视和控制网络元状态。包括消息处理系统、租用电路和传输网的网络状态等。另外，还包括网络元安装功能。
四、帐目管理
帐目管理就是收集帐目记录与设立计费参数，以确定网络服务使用情况，并计算其费用。计费是由TMN内的操作系统从网络元收集数据确定的。确定收费的一系列数据（计费参数）集中存放在智能网或操作系统内，也可分存在交换机内。该功能应具有很高的效率和强的数据传送能力，且能实时地处理大量用户帐目。
五、安全管理
典型的安全管理功能有水平接入和垂直接入安全，以及安全告警。水平接入安全规定任何用户只能管理属于自身的权利，垂直接入安全要求只能确立和修改某些受限注册用户的特权。
通信网为用户提供信息的传输通道，首先，必须有一个使用户满意的通信基本要求。即用户通过所使用的通信网，可以得到有效的信息；其次，一个通信网，总是由许多独立的网组成网间互联，只能在统一规程下，才可以使之能够互相连通，实现信息的有效传输。因此，一个优良通信网的有效运行，除了必须有一些约定外，还要有一些标准，达到一定的质量要求。即应满足：
（1）传输标准——网络按统一准则运行；
（2）质量标准——网络运行达到一定质量要求。
因此对通信网的基本要求有两方面：
（1）网内任两用户互相通信。这就是要求网络能够任意转接和快速接通，达到通信可靠。迅捷的目的。
（2）网内信息传输质量要求一致性和透明性。质量不合格，等于失掉信息，通信也失去了意义。没有传输质量一致性的要求，不同地区，不同环境下的有效通信就不能进行。但实际情况复杂，难以做到全网质量完全相同，也无必要。一般只要求满足下限指标和传输质量透明。传输质量透明性乃要求规定业务范围内的信息，可在网内任意传递，无任何限制。
通信质量即用户满意程度。一般对干线主干网要求高，而对支线则要求低些。
通信网的质量指标分接续质量和信息质量两大类。
一、接续质量
接续质量表明网络通信时，接通的难易，使用的优劣程度。具体指标主要有呼损（话音）。时延（数据）、设备故障率等。接续质量主要受网络资源容量和可靠性的限制。因此，要提高接续质量，主要靠增加网络资源（即增加线路数）来解决。采取这一方法，不仅可避免呼损，而且，提高了可靠性，降低了时延，但同时也提高了网络的费用。
电话网的接续标准定为：呼损小于3%(市话)或10%(长话)；故障率小于1.5×10-6（用户设备）或(2～6)×10-5（交换设备，线路）；接通时延小于1分钟。这当然不是绝对的，要求也是无止境的，这里只给出应达到的下限指标。
1.呼损和时延（第三章）
有关接续质量的呼损、时延问题，将在第三章中进一步分析。
2.(系统)可靠性(reliability)
可靠性的定义如下：“描述系统、设备、部件等的机能在时间方面的稳定性程度或性质”。以概率形式将它定量地表示的叫可靠度（reliability）。所谓系统或设备具有可靠性是指“在某一使用状态下，在使用者所希望的时间里满意地完成了它的性能”，这个所希望的时间和性能必须与使用者支付的费用相平衡。如把系统或设备的状态简单地分为正常状态和故障状态来考虑的话，可靠性就是在时间间隔t内，保持正常状态的概率，写作R(t)，则从正常状态转向故障状态的概率，就叫做不可靠性(fallacy)记为F(t)，即F(t)=1-R(t)。这时，对于像一般的陆上通信系统那样可以修理的系统或设备来说，由于通过维修可以从故障状态恢复到正常状态。因此，我们可把在某个时间τ内修复的概率定义为可维护性（maintainability）M(τ)(一般，为使τt采用了各种维护措施)，把R(t)和M(τ)一起考虑在内的广义的可靠性概率称为可用性（availability）。即，为了满足可用性最好是提高可靠性。相反，即使可靠性没有那样高，但在维护设计中加以注意也可以提高可维护性。在长时间使用中的可维护性叫做稳态（steady state）可维护性或完好时间比（up time ratio，UTR），如用A表示则可写成：
式中：MTBF：平均受障间隔Mean Time Between Failures （单系统时，和平均故障间隔一致）
平均无故障时间Mean Time Before Failures
MTTR：平均修复时间Mean Time To Repair（单系统时，和平均修理时间一致）
U：up time处于能完成要求功能状态的时间
D：down time因故障造成的停机时间
λ：故障率＝1/MTBF
μ：修理率＝1/MTTR（停机时间按照指数分布时）
但在这种情况下，因故障经常发生而故障时间短与故障仅在极个别情况下发生但修复时间很长可看作是同等的，所以应该根据不同场合比较平均受障间隔或平均修复时间而做出规定。
R(t)和λ的关系是：
故障率单位为
1FIT(failure unite)＝1×10－9件/小时
1件/小时=8.76×103件/年
二、信息质量
信息质量是信号经过网络传输后，到达接续终端的优劣程度，它主要受终端、信道失真和噪声限制。显然，从用户角度考虑，总希望传输质量越高越好，具体的标准门限应和性能价格比及用户的满意程度结合考虑。不同的通信业务，有不同的质量标准，或者说，不同信息，质量要求是不一样的。随着技术的提高，要求的提高，质量指标也越来越高。另外，作为全球的通信网，应有统一的质量标准。
数据信息主要用比特误码率来衡量其质量。如终端为计算机，则要求高的误码性能不能低于10-9。其他数据终端酌情处理。
话音和图像质量则可以人的主观感受为标准，由此确定其具体的质量指标。
1.有效性
通信的有效性是指在给定信道内所传送信息量的大小。显然，有效性值越高系统的性能越好。
对于模拟通信系统信息传输的有效性可用有效传输频带来衡量。例如，语音信号的频带是0.3～3.4kHz，电视信号频带约为0～8MHz，如果采用可传输的语音信号路数(简称话路数)来折合的话，一路电视信道可容纳上千个话路，所以，传输电视信号要比传输语音信号的有效性低得多。当然，此处没有考虑电视信号所包含的信息量与语音信号信息量的不同，这是不够科学的。不过，在一些工程实际中，仍采用这种方法来衡量通信的有效性指标，所传的路数越多，系统的容量越大，模拟通信的有效性越高。
对于数字通信系统，衡量有效性的指标采用的是信息传输速率Rb这一概念，这是由于数字系统中传输的是离散的数字信号，而每秒所传送的码元数(或脉冲数)即为其传信率Rb，它的单位是每秒比特(bit/s)。例如，传信率Rb为4800bit/s可理解为每秒内传送4800个二进制的脉冲个数。
比特是一个度量信息量大小的单位，它定义为在二进制系统中，若无限长的数字序列里出现“1”和“0”的个数大约相等时，且前后码元彼此独立，则该数字序列中每个码元所携带的信息量就称为1bit，亦即：
为了提高通信系统的有效性，在实际中常采用M(M＞2)进制的传输方法以提高在相同带宽情况下的信息传输速率。这是由于M进制系统中，每个码元所携带的信息量I＞1bit，而传输数字信息所需的带宽又只与码元(或脉冲)的速率有关，与M值无关，所以采用多进制可以提高通信系统的有效性。
二进制中的信息传输速率与多进制中的码元速率间的换算关系为：
从上述公式中可以看出，若数字传输系统所传输的数字序列恰为二进制序列，则传信率Rb就等于码元速率，而在多电平中则不等同。
在数字系统中，传信率越高，通信的有效性越好。例如在一个话音信道内通常只能传送9.6kbit/s的数字信息，但在光纤或卫星信道内则可传1010bit/s的数字信息，所以说光纤或卫星信道的有效性更好。
2.(信息)可靠性(credibility，可信性)
衡量通信系统性能的又一个重要指标是可靠性。它是指在给定信道内接收到的信息的可靠程度。对于模拟和数字通信系统来说，该指标的衡量方法是不同的。
在模拟通信系统中，可靠性是用系统的输出信噪比来表示的，它是指通信系统输出端信号平均功率与噪声平均功率之比。对于电话信号，一般要求20～50dB；对于电视信号，信噪比通常大干60dB时才能使画面细节清晰，这说明视觉效果比听觉效果更敏锐。
衡量数字通信系统的可靠性指标叫做误码率，它表示所接收到的数字信号中出现错误的程度。在二进制系统中，误码率用Pb表示，其定义为：
在多进制系统中，误码率的定义为：
这里码元就代表多进制的数字信号，可以看出，Pb和Pe之间存在着换算关系，但它与译码方法和选用的码型有很大关系，比较复杂，这里不做讨论。在一般情况下，总有Pb＜Pe，当且仅当在二进制系统中才有Pb=Pe。
误码率越低，反映数字通信系统的可靠性越高，通信质量也越好。在有线通信系统中，一般要求误码率小于10-5；光纤系统中要求误码率＜10-8；而在短波信道中，由于存在衰落和多径效应等，信道质量较差，通常要求误码率＜10-3即可。如终端为计算机，则要求高的误码性能不能低于10-9。其他数据终端酌情处理。决定传输质量的传输特性：瞬断、白噪声、脉冲干扰。
应该指出，有效性与可靠性是一对相互矛盾的指标，在实际系统中，提高可靠性往往是以牺牲有效性作为代价来换取的，反之亦然。因此，总是考虑在满足一定可靠性指标的前提下，尽可能提高信息的传输速度或在维持一定的有效性指标下，使消息传输的质量尽可能提高。
3.对电话业务传输质量的主要要求
①响度——电话音量；
②清晰度——电话可懂度；
③逼真度——电话音色。
为了达到这些要求，常用响度当量和传输损耗，信噪比，失真、串音等参数来衡量用户通话质量。
（1）响度当量和传输损耗
响度当量定义为：听到相同响度时，被测系统和参考系统中各自衰耗值之差，其单位为分贝（dB）。可用两种方法来表达响度当量。
①响度参考当量
当被测系统和名为Nosfer(English:New master system for the determination of reference equivalents,French:Nouveau système fondamental pour la détermination deséquivalents de référence)的基准系统输入端加上相同声压时，调整基准系统的插入衰耗器，使两者受话器产生一样的声压，即听到相同的响度，这时获得的基准系统插入衰耗器的衰耗值，即为被测系统的响度参考当量。
显然，这种测法有赖于人的生理特性，不同人耳的响度反映存在差异，故是一种主观测试法，实测误差显著，因此，出现了另一种测法。
②响度评定值
这是一个利用中间参考系统(IRS,Intermediate Reference System)和基准系统中的传输损耗值（与频率无关）来表示响度当量的办法，为不直接涉及人感受的间接评定法。具体作法为：
先将被测系统和中间参考系统分别与基准系统进行响度译定，求得衰耗值X1，X2，定义响度评定值＝X2-X1（dB）。
③传输损耗
传输损耗表示单频电信号经过传输系统后强度的变化情况。具体指包括用户线、交换线和局间中继线在内的通信连接中800Hz上的传输损耗之和。
传输损耗和响度参考当量有一定关系，是一个问题的两个方面，由于响度参考当量的测量难于实现，所以，才引入了传输损耗这个参数。
通常全程响度当量由三部分组成：
a.话机至本地端局的收发参考当量；
b.端局至长途局中继线的参考当量；
c.长途局间链路于800Hz频率上的传输损耗。
通话全程响度当量是影响用户满意程度的主要因素。通常全程参考当量及其分配应有一个可接受值。例如我国市话规定：用户话机至本地端局的参考当量平均为-5～12（dB），即最坏不得超过12dB；两端局间不得大于14dB；或者说，通话两用户间（人间）的参考当量不得超过30dB，全程（话机间）传输损耗要求小于29dB。
（2）噪声和失真
噪声包括用户线、中继线、交换机和电力线感应杂音，以及线路串音等。国际及国内标准，都已规定了其限额。劣的信噪比是不会被用户接受的。例如，串音衰减应不小于70dB。
对失真的规定是多方面的，电话失真主要要求在4kHz带宽内衰减频率失真符合标准。例如PCM通路，规定相对800Hz的衰减偏离为-0.6～3dB（300～3400Hz）。
传输标准即网络运行准则，用以满足电信网标准化和网间互联的需要。在传输体制中，有关接口、同步、噪声分配方面均已逐步实现了标准化。当然，由于历史和经济利益等原因，目前许多通信网的传输标准尚未得到统一，在未来的全球通信网中，这是不允许存在的。传输标准的具体内容我们分述到相关内容中去，这里不再重复，已经讨论过的SDH复用体制就是一种传输体制标准。
一、移动通信
二、微波中继通信
三、卫星通信
一、同轴电缆
二、光纤
三、双绞线
四、增音机、均衡器、再生器
一、频分复用（FDM）
为了经济地传输，且更能适应任务的需要，在多路复用传输系统中，通常还加有幅度压扩器、回声抑制器、时间分配话音插空及数模复用转换设备等。幅度压扩器用以将语音信号动态范围压缩到小于正常幅度。传输后，再按波形扩大复原，以求得在低电平信号传输时间内和无信号传输时间间隔时，大大减少杂音的影响。因为在小信号传输时间内，杂音对用户满意程度是最为敏感的；回声抑制器是抑制回声的设备；时间分配话音插空（TASI, Time-Assigned Speech Interpolation）系统用以提高某些传输系统的带宽利用率，它起着像高速开关一样的作用，使许多讲话的人可以共用高频线路上的较少的中继线路；数模复用转换设备（TMUX）是一种数、模设备互连的接口设备，可以进行频分多路复用群和时分多路复用群之间的变换。
二、时分复用（TDM）
三、码分复用（CDM）
（CP6 多址通信）
一、单工方式
二、半双工方式
三、全双工方式
在通信网的传输中，尤其在数字通信网的传输中，为了正确可靠地传送信息，必须实行传输控制——规定通信链路，保持同步和进行差错控制。因此，就应该有一整套规则规程，用来保证通信体系结构的数据链路层中网络相邻节点间按顺序正确地传送分组。
根据具体实施传输控制的比特传送方式的不同，可分串行和并行两种；依据传输线路收发两端是否要比特时间一致，又可分同步、异步两种方式。
串行传输采用单信道，依次传送比特；并行传输则需采用与分组比特数相同的多信道同时传送比特；异步传输无需在收发两端实行比特专门同步，但要在发送分组的首尾加起止信号，一同传送，因而附加开销大，且当噪声干扰起止信号时，可能会失去有用信息；同步传输，要求收发两端比特、帧同步，附加开销较异步方式少许多，只是误码造成同步信号丢失后，将可能失去整个用户数据。
随着同步通信技术的发展，和同步串行传输的良好性能，同步串行传输方式得到了广泛应用。用两种同步技术可实施同步串行传输：
1. 同步时钟提取技术
发端送出的带有同步信息的信号连同用户数据一起进行所谓自同步编码（如归零编码或曼彻斯特编码）其中同步信息部分叫做同步字节或标记，主要作用是进行比特同步，并通知接收器，用户数据到达。收端从接收到的信息序列中提取同步信息控制本地时钟同步。
2. 同步链路规程技术
收发两端，根据同步串行传输链路规程来判别各数据分组完成同步。若同步传输规程支持字符编码方式，即通过特殊字符来判别数据分组，则称面向字符的传输规程；若规程不支持字符编码，而是通过一种特殊比特序列——称为起始标志符来判别数据分组，则此同步传输规程是面向比特的。常用的同步串行传输规程有X.25建议、高级数据链路控制（HDLC）规程等。
这是数据处理设备或计算机终端等数据终端设备（DTE，Data Terminal Equipment）和调制解调器等数据电路终端设备（DCE Data Circuit-Terminating Equipment）之间的接口，其主要作用是将通信信道与数据终端（DTE）连接起来，提供数据送入或取出DTE的功能。其实它是一个小型计算机，其智能程度取决于所需接口的类型。物理层标准接口，通称通信适配器接口、通用同步／异步收发器（USART）、串行端口、串行板等。如图2-5所示。
图2-5 物理层标准接口
为了使用户设备连接到通信线路上去，大多数物理层接口都具有四方面的属性。电气属性描述表示二进制数字“0”和“1”的电压高低（或电流大小）以及电气变化的定时。功能属性描述该物理接口所要完成的功能。许多物理层协议把这些功能分为：控制、定时、数据和地4类。机械属性描写该接口的接插件和导线。通常，所有数据、信令和控制线都包含在一条电缆之中，并在电缆两端连接到终接插头座上。这些插头座在功能上类似于电源插头座，但它们执行的功能不同。规程属性是描写这些接插件必须完成的功能，以及数据通过接口怎样传送。
现在已定义的物理层标准接口有：RS-232、RS-449、X.21－X.25等。
一、RS-232-C
DTE和DCE通常用RS-232-C标准接口连接。接口标准名称中的字母C表示第4版，于1981年公布。ITU-T有两个类似的标准，称为V.24和V.28。
RS-232-C采用改变电压高低的方法把数据送过接口。一个二进制的“0”用＋3V～＋12V电压表示；“1”用-3V～-12V电压表示。虽然有些厂家规定RS-232-C所用电缆不得超过50英尺（约合15m），但是电缆的实际长度取决于电缆的电气性能。国际标准V.28规定的电气接口和RS-232-C类似。
RS-232属于非平衡型接口。因为在接收器中电压的大小是用信号电路和信号地（AB电路）之间的相对电位差来检测的。但是，发送站和接收站常常因为它们的另件有不同的电气特性而有不同的逻辑地。结果就可能有地电流流过AB电路产生电压降。所以发送器的电压和接收器接收到电压不同。若该压差很小，不会产生任何差错。但是，若信号为+5V，而地电位为+3V，那么接收器收到的信号为+2V。这是位于无定义的过渡区，无防。如果地电位为-10V，那么接收器会错误地认定为一个“1”信号，而不是本来的“0”信号，错码。
一般物理层还包括两个DCE之间的信号。ITU-T发表的V系列物理层协议中包括：（1）DTE到DCE的接口；（2）DCE到DCE的接口两部分。一些标准（如RS-232）只包括DTE到DCE的接口。许多厂商皆利用ITU-TV系列标准中的有关部分来描述物理层接口。还有一些厂家使用“贝尔调制解调器（Bell Modem）”规范。这个规范在许多方面和V系列的规范一致。
二、RS-449
由于RS-232标准在电气特性方面的一些限制（类似于V.28）。例如，传输速率限制到20kbit/s，接口DTE/DCE之间的距离限制到数百英尺（1英尺＝0.3048米）。为了提供高速的接口电路，EIA又制定了RS-449标准，它的比特速率可以达到2Mbit/s。RS-449提供37条接口电路，并使用ISO4902机械连接器。RS-449采用两个伴随标准：RS-422-A和RS-423-A。RS-422-A的发送和接收端均为平衡型电气接口，并且与X.27兼容。RS-423-A是一种部分平衡接口，即它的接收器采用与RS-422-A相同的平衡差分接收方式，而发送端的发生器是不平衡的，与RS-422-A不同。RS-423-A的传输速率低于RS-422-A。
三、ISDN的物理层接口
综合业务数字网（ISDN）是通信网的发展方向，在研究和发展ISDN网的同时，数据通信网也正处在有效的应用和发展中。并在不断地朝着ISDN网的方向前进，以至最后演变成统一的ISDN网络。在相当长的时间内，通信网络的发展进程中还是各种网络并存的局面。在实际应用中，必然面临数据通信设备和ISDN网设备之间的互联和互通问题。
随着集成电路技术、计算机技术和通信技术的发展，先进的接口技术趋向于用更多的软件来简化接口硬件的设计，并提供更丰富、更灵活的功能。我们知道，X.24建议定义的接口线比V.24建议少了许多，下面我们会看到，由I.430建议定义的ISDN网的用户和网络之间接口的互连电路就更少了，每个传输方向仅一对平衡线。
I系列建议是ITU-T制定的ISDN网标准。
1. I.411
由I.411建议定义的ISDN网用户与网络的接口参考结构如图2-8所示。图中，TE1为具有ISDN接口功能的终端设备，TE2是非ISDN接口（例如V系列和X系列建议或非ITU-T建议）的终端设备，TE1和TE2合称为TE（终端设备）。TE设备中应当包含物理层和高层协议（X.200）的功能，它们可能是数宇电话机、可视电话机数据终端设备、集成工作站或者是它们的组合。TE的功能包括：
·与其它设备的连接功能 ·接口功能
·规程处理 ·维护功能
TA是终端适配器，完成非ISDN接口点（R）和ISDN接口点（S或T）之间的转换。
图2-8 ISDN用户-网络接口参考结构
网络终接设备（NT）有两种类型：
NT1包含了OSI参考模的物理层功能（第1层），比如线路的终接，线路的维护和监视，定时，电源的传送，第1层的多路复用等。
NT2包含了第1层和更高层的功能，比如第2和第3层的规程处理，第2和第3层的多路复用，交换功能，集中功能，维护功能，接口终接和其它第1层的功能。
S、T和R称为接口参考点，S和T为ISDN接口参考点，R为非ISDN接口参考点。
TE1、TE2、NT1、NT2和TA都可以看作是执行各种功能的功能组。在应用中，有的功能可以在一个或多个设备中完成。我们可以将NT1和NT2的功能组合在一个设备（NT）中，也可以将TE和NT2组合，或者TA和NT2组合，或者在接口中取消NT2。具有NT2功能的设备可能是PABX（专用小交换机），LAN（局域网）或终端控制器等。
2. I.430
I.430建议定义了ISDN用户-网络接口的物理层功能。下面我们来看看接口参考点S和T的物理连接。为了简化，我们只讲TE和NT之间的接口，而不管它是S还是T。
图2-9表示了用8针连接器连接TE和NT的例子。其中连接针的编号是假定的，针3、4、5和6是必需的，针1、2、7和8是可选用的。数字信号从TE的5、6发送至NT的3、4，同时NT可以从5、6发送数字信号到TE的3、4。TE和NT之间的电源传送可以通过下面的三种方式：
图2-9 ISDN接口的信号传输
（1）NT通过传送数字信号的接口（3-4，5-6）将直流电源（电源1）送至TE。
（2）NT通过接口1-2将电源传送到TE的7-8（电源2）。
（3）在TE和TE互连的情况下，TE从接口1-2将电源送至另一个TE（电源3）。
接口可以设计成只在紧急情况下才由NT向TE提供电源（如TE侧停电）。电源消耗少的设备（如电话）或特别需要时可由NT向TE提供电源。
接口线采用平衡的金属传输介质，在每个方向的传输能力为192kbit/s。
接口线可以构成点到点或点到多点的传输方式，如图2-10所示。在点到点方式时，接收端两根线间的极性识别不重要，但在点到多点（NT到多个TE）方式时，在TE一侧的极性必须保持一致（即在同一种通信条件下各个TE的对应接口线应为同极性脉冲）。
ISDN的基本用户-网络接口在每个传输方向上均提供2个B信道和1个D信道，每个B信道的传输速率为64kbit/s。用于传输用户信息；D信道用于传输控制信息，也可以用于传输用户信息。
接口的比特定时速率为192kbit/s，2B+D占用速率144kbit/s，余下的48kbit/s用于数字信号的传输结构控制。同时，接口在数字信号串中向TE和NT提供8kHz的八比特组定时信号。
图2-10 ISDN接口连接方式
在接口线上传输的数字信号的编码如图2-11所示。采用100％占空比的伪三进制编码，用无脉冲（零电平）表示二进制“1”，而二进制“0”则用交替的正负脉冲表示。
图2-11伪三进制编码举例
NT应当从网络时钟得到它的定时信号，TE根据从NT接收到的定时信号同步它自己的定时（包括比特定时、八比特组定时、帧定时），并使用这种获得的定时同步它的发送信号。
ISDN用户-网络接口在每个传输方向上只用一对平衡线，但是它也必须执行接口应当具备的三项功能：传输数据，传送控制信号，定时和同步。ISDN接口是如何实现的呢？源于其巧妙设计的帧结构。
3. I.431
I.431建议定义了1544kbit/s和2048kbit/s速率的ISDN用户一网络接口物理层的功能和特性。根据I.412建议，1544kbit/s速率接口可以由23个B信道和1个D信道组成，2048kbit/s速率接口可以由30个B信道和1个D信道组成；B信道和D信道的速率均为64kbit/s。
I.431建议分别为两种接口速率制定了不同的帧结构。
任何一种通信体系结构的数据链路层，都必须保证在网络的相邻节点间准确顺序地传送数据分组。因此，数据链路层协议的基本结构应包括数据分组、识别、同步、差错控制等功能。并通过在数据分组中附加一些控制字段来实现这些功能，形成一个完全的帧。
在这里，我们先简要介绍一下差错控制，然后，再讨论HDLC。其它功能的实现是不难解决的。
一、差错控制
数据通信的差错控制可用前向纠错（FEC Forward Error Correction），或自动重发请求（ARQ Automatic Repeat reQuest）两种方法来实现。在ARQ系统中，收端丢弃有错的帧，并通过反馈信道向发端请求对同一帧数据重传，一直持续到该帧成功接收为止。该法简单可靠，已广泛应用于实际。但是，ARQ需要反馈信道，且它依赖于信息差错率和往返行程时延。FEC通过加入剩余位，检测错位或予以纠正。它无需反馈信道。但是，由于使用高效检错码，译码复杂困难。对于不能有反馈信道或不宜采用ARQ的通信系统（如空间通信和卫星通信），就只能采用FEC方法。数据通信网中没有普遍采用FEC，其主要原因是为保证必要的纠错水平，必须要有较多的校验位。从而降低了编码效率，这样，网络的信息传输速率必然减小。而ARQ和FEC混合方案可以提高通信系统的通过量性能。因为，在这种混合方案中，可以用FEC纠正那些出现频率高的错误，用ARQ处理出现频率低的错误，所以减少了频繁的重传。
这里介绍一个ARQ，FEC有专著讨论。
在ARQ系统中，应用应答（ACK，acknowledgement）帧回送来表明正确接收，或用否定应答（NAK，negative acknowledgement）帧回送来表明错误接收。但是，不管是单用ACK，还是ACK/NAK并用，都必须规定一定的时间界限——超时时限TL，以避免出现死锁状态。因此，在超时时限内收不到应答ACK或NAK，就得重发。为此，数据分组必须保留在发送缓存器中，直到收到正确应答。
ARQ方案有停-等ARQ、连续ARQ和选择性重发三种方式。并且，假设在以下前提下描述其运行过程：
①一个单独的发端向一个单独的收端传送信息；
②收端能够向发端返回确认帧；
③信息帧和确认帧皆含检错码；
④忽视并丢弃错误的信息帧和确认帧。
1. 停-等ARQ协议
（1）无差错情况
停-等ARQ无差错的基本运行过程如图2-16所示。发端发出一帧信息并等待从接收端返回的确认。只有收到这一确认后，才能发下一帧信息。如果发端收到NAK或超时已过，就重发该帧。仅当ACK到达，该数据帧才从发端缓存器中被清除。
图2-16 停-等ARQ无差错运行
（2）恢复丢失信息帧
当发送信息帧损坏时，收端检测出该错误后，不返回确认。待传送该帧结束后，发端立即启动计数器，一旦超时已过，发端马上重传该帧。此过程直到发端收到确认为止。如图2-17所示。
图2-17 停－等ARQ协议中对丢失信息帧的恢复
选择一个合适的超时时限是很重要的。发端再次发送之前，必须给收端足够的时间返回确认。发送（开始）和确认（结束）过程中总时间为：
T＝Tf+2τ+TP+TA
式中Tf为信息帧的传送时间，即信息帧长；τ为发端到收端的单向信号传播时延；TP为收端对信息帧的处理时间；TA为确认传送时间，即应答帧长。
传送和确认过程中的总时间如图2-18所示。发端在其发送结束后，经过2τ+TP+TA时间后得到确认。因此，超时时限TL必须大于此值。由于帧处理时间TP是变化的，所以，超时时限TL常取
TL2τ+TP+TA
TL太大肯定是不好的，一般大于右式几倍即可。
图2-18 传送和确认过程中的总时间
（3）恢复丢失确认和确认编号
当应答帧损坏时，发端忽略它，如同没有得到确认。超时处理机系统引起重传信息帧。于是，收端两次接收到同一信息帧，后一帧称重复帧。发端发送的帧编有序号，如收端接收到前后两帧的序号相同，则认为后一帧为重复帧。重复帧会被收端丢弃，但要确认，以告之发端帧已经收到。顺序排列的信息帧常用一位间插0，1序列进行标识。即当相继收到两位相同序号（0或1）时，就认定存在重复帧。丢失确认的恢复过程如图2-19所示。
图2-19 停-等ARQ协议中对丢失确认的恢复
上面分析了确认丢失后如何恢复的问题。可见信息帧是需要编序号的。其实，确认亦需要编号。图2-20中，帧0发送出去后，收端不是在收到0帧时马上返回确认，而是有一定的延时，因此，发端认为超时，又发一次0帧。而发端在收到第一次0帧返回确认后，接着发送1帧，但1帧损坏。不久，发端收到了0重复帧的返回确认，这时，发端误认为收端正确收到了1帧，实际上，1帧并未正确传给收端。因此发生了差错。故需要对确认也编号。图2-21示出了确认编号后的正确传送过程。
图2-20 确认未编号传送
图2-21 确认编号传送
停-等ARQ评价：
返回确认至少需时长（T-Tf），所以此时间内发段只能等待，不能发送。等待时间越长，发端利用率越低。
假设发端总有数据分组要发送，并且，传输和接收过程中无差错，则发端最大利用率为
一般情况下，TfTA，2τ和TP皆与数据速率无关。
若每个信息帧10kbit，每个确认帧100bit，收发距离为10km，信号传输时延τ=50μs信号处理时间TP＝10μs。
当数据传输速率为10kbit/s时，
当数据传输速率为100Mbit/s时，
上面的计算表明，数据传输速率很低时，发端最大利用率近乎100％，空闲时间可以忽略；数据传输速率高时，发端最大利用率才50％左右，发端会因等待确认而浪费大量时间。由此可知，停-等ARQ协议只适用低速率传送情况，是一种适合于半双工传输的协议。特别是当链路传播时延大大长于分组传输时间时，其通过量明显比全双工传输低。
2. 连续ARQ或返回N协议
（1）无差错情况
连续ARQ无差错基本运行过程如图2-22所示。发端不必等待确认，连续不断地发送信息帧。信息帧和确认皆要编号。
图2-22 连续ARQ无差错运行
（2）连续ARQ的错误恢复技术
在连续ARQ中有两种常用的错误恢复技术即选择拒绝协议和返回N帧协议。
选择拒绝即仅重传那些丢失的或没被确认的信息帧。图2-23示出了3#信息帧损坏重传的情况。
图2-23 应用选择拒绝恢复丢失信息帧
对丢失确认，亦采用超时重传。对收端收到的重复帧仍用其序号来辨别。只是在本情况下，重复帧可以与原发帧之间相隔几个信息帧，所以信息帧序号应由1位改成多位。确定位数的原则是：在返回ACK/NACK的时间内序号不应重复。
选择拒绝方法有时可能使收到的信息分组顺序和发送顺序不一致。如图2-23中的收到信息帧顺序为01234567389……，造成混乱的接收信息。解决的办法是加缓冲，图2-23中情况可以在接收端数据链路层使4#、5#、6#和7#帧缓冲一下，直到收到3#帧后，再将3#到7#帧送给其高一层。但是，加缓冲的办法，对于传播时延大的信道，将会加大缓冲区。这就必须采用下面将要介绍的协议了。
返回N帧协议规定只接收顺序的信息帧，收到混乱信息帧则丢弃，并且，返回一个标识混乱信息帧的否定应答（NACK）帧（其中包含收端期望接收到的下一帧的序号）。该过程如图2-24所示。收到3#帧有误，被忽略。轮到收到4#帧时，确认3#帧丢失，于是发一个否定应答NACK3，告诉发端被收到的是顺序混乱的信息帧。发端得知3#帧丢失，它就返回，并从有误的帧（3#）开始重发所有的信息帧。本例是在发送7#帧时，收到NAK3，所以要返回4#帧再发送。显然，这里无需缓冲，但是其错误恢复需要更大的带宽。
图2-24 返回N帧恢复方法
返回N帧协议中也要有超时处理。因为，只有第一个被打乱顺序的帧产生一个NACK，如果NACK损坏，发端会仍继续发送后面的信息帧。若启动超时处理机，当越过超时时限，则从起动超时处理机的那一帧开始重传。若丢失帧是最末一帧，由于其后无帧产生NAK，这就更需超时处理了。
在返回N帧协议中还包含有丢失确认的恢复（如图2-25）。因为返回N帧协议规定只接收顺序的信息帧，如若ACK3帧损坏，致使发端未收到ACK3，但确收到了ACK4。说明收端接收到了4#帧，亦暗示未收到3#帧。或者说明，虽然ACK3丢失，但ACK4确起到了对3#帧的确认作用。这就表明，一个确认帧不仅确认当前传输的信息帧，而且也对其前面所有信息帧确认。有时可利用这一特性，将确认合成一组，让接收端对收到的一组报文只需发送一个ACK，从而节省了信道的通过量。
图2-25 返回N帧协议中丢失确认恢复
（3）双向信息传输和隐含应答
前面讨论的是单向信息传输ARQ协议。当在每一方向设置一个独立的转换器，就可以很容易地将单向信息传输ARQ协议用于双向信息传输。
为了提高传输效率，应答帧ACK（或NAK）也可不单独传送，而是将ACK或NAK以及相关的序号附加在信息帧上，成为信息帧的一部分。这是用包含在反向传送的数据信息帧的控制字段内的应答信息位来实现的。但是，在需要发送单独的ACK或NAK或无反向数据信息帧传送时，这种办法就不能使用。
数据链路层收到信息帧后，再将其传送给高一层。通常高一层接收新信息的速率是有限的。倘若其极限低于信息帧速率，则需使信息帧进入缓冲区。如果两边速率一直不匹配，缓冲区被充满后，会出现丢失帧的情况。为此，采用滑动窗口机制来实行信息帧流量控制。其主要功能是在必要时，限制从数据链路层发出的信息帧速率。滑动窗口的核心参数是窗口尺寸变量W，它表示在收到允许继续发送的信号或收到确认之前，数据链路层能发往高一层的最大信息帧数。图2-26示出了窗口宽度W=3时的连续ARQ运行情况。在连续传送3帧以后，发端停下来，等收到ACK0后，发端再发送其余的信息帧。发端收到ACK1、ACK2后同样发送新帧。发完5帧后，又有了3个未确认帧，发送停止……这样，由于收端抑制确认，从而降低了发端速率，使发送新帧的速率同收端接纳信息帧的速率得到了匹配。
图2-26 连续ARQ（W=3）运行
滑动窗口机制会使信息帧序号的使用受限。对返回N帧协议，序号为nbit时，窗口宽度必须满足W2n=N才能正确运行。X.25建议的全名是：在公用数据网上以分组方式进行操作的数据终端设备DTE和数据电路终端设备DCE之间的接口。它于1976年正式通过作为一项国际标准，1980年和1984年又经补充和修正。X.25建议主要包括一个物理级接口和链路级、分组级协议。在X.25中，把前面称为接口信息处理机的设备称为数据交换设备DSE。实际上，X.25定义了七层模型中DTE和DCE间的下面三层协议。图2-33说明了X.25在协议分层结构中所处的位置。
图2-33 X.25在OSI模型中的位置
由图可见，由于X.25接口协议的目的是要把用户设备（DTE）和载波设备（DCE）分开，因此对这个接口必须要有一个非常详细的明确定义。实际上，X.25把物理层的有关协议列入到另一组建议X.21和X.21bias中去了。这里，X.21bias只是一个过渡性的标准，适用于模拟网传输数据的情况。
一、X.21 —— X.25物理级协议
X.25建议的物理级DTE和DCE之间接口为X.21。
X.21数字接口建议说明DTE是如何通过接口与DCE间交换信号来建立和撤除呼叫的。该建议在DTE和DCE间共有8根连接线。这8根线的名称和功能如图2-34所示。其物理接头有15个脚，但并未全部用完。
DTE分别用T和C线传送数据和控制信息。这里C线信号与电话中的挂机、摘机信号类似。DCE则用R和I线传送数据和控制信号。S线传送由DCE发出的提供定时的信息流，故DTE能确知每个比特码间隔的起、止位置。B线是供网络设计者选用的（可用可不用），它能将每8bit组成一帧。如果选用了B线，DTE就必须按帧的定时规定发送各字符。如果不用B线，则DTE和DCE必须至少以两个同步字符SYN作为控制序列的开始，以便对方保持帧同步。SYN及其它控制字符均按国际5号标准码规定，并采用奇校验。
图2-34 X.21 DTE/DCE接口
二、帧层（链路级）协议
X.25的帧层对应于ISO参考模型中的数据链路层。它的任务是即使在DTE和DCE间存在有噪声的电路连接，也要保证DTE与DCE间的可靠通信。为了与HDLC相一致，1977年，对ITU-T（原CCITT）的旧版本进行扩充修改，提出了新的P链路访问规程LAPB，它和HDLC的异步平衡工作方式(ABM)完全一致。新X.25建议书指明，LAPB应成为将来网络的主要工作方式，为兼顾原有文本，目前仍保留LAP方式。
X.25规定，在DTE和DCE间采用全双工物理键路连接，并按HDLC帧的格式传送控制信息和数据信息。
与HDLC不同，X.25是按点对点方式进行信息传输的，而不是多点方式，因此在地址段的编码格式上与HDLC不同。
另外，控制字段中的P/F位，在命令帧中称P位，在响应帧中称F位，它的含意与HDLC略有差别。在HDLC中，P=1的含意是主站要求子站发送信息；F=1的含意是子站已发送完信息。在X.25中，P=1的含意是要求收方尽快对本命令作出应答；F=1的含意是对上一个P=1的命令帧的回答，即DTE或DCE收到一个P=1的命令帧时，应把下一次要发送的响应帧的F置“1”。
三、分组级协议
分组是DTE和DCE之间在分组级上传送信息的基本单位。无论是在DTE之间传送的用户数据，或是分组交换网所用的控制信息，它们都要表示成分组的格式。而分组在链路上传输时都要装配成帧的格式。最简单的情形是一个帧内只包含一个分组，并且规定分组占据帧中的I字段。分组格式如图2-35所示。每个分组必须包含一个分组头。分组头主要用于网络控制，其长度随分组类型的不同而有所不同，但至少包含前三个字节的内容，即一般格式标识、逻辑信道标识和分组类型标识。
图2-35 分组格式
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