本书为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。全书共14章，介绍了各类交换系统的基本概念和工作原理。主要内容包括：交换的定义，各类交换技术的特点及其发展过程；交换网络设计的基础理论和实现方法；电路交换系统的工作原理和各种接口电路的作用；交换系统的存储程序控制，包括呼叫处理过程、交换的软件系统和数据库等内容；信令的基础知识和No.7信令系统；帧中继交换、ATM交换和软交换的工作原理；路由器和IP交换技术的工作原理及实现技术；光交换元件，光交换技术及发展前景；IP多媒体子系统的原理结构及相关技术机制；SIP产生、通信机制；VoLTE技术的基本背景和技术，包括其基本架构、基本原理、基本流程等；软件定义网络的整体架构和关键技术，以及软件定义网络中的数据平面和控制平面概况；网络功能虚拟化的框架和主要技术。本书可作为普通高等学校通信工程和电子信息工程类专业高年级学生网络交换类课程的教材，也可作为通信工程技术人员的培训教材和参考用书。

通信技术的发展为人类文明和社会进步带来了翻天覆地的变化，当前人类已步入信息化时代，通信设施、通信网络和信息共享已成为日常必需品。在通信网络中，交换设备是一个很重要的设施，起着信息立交桥的作用。交换技术的发展总是依赖于人类的信息需求，以及网络控制技术的发展。电话机的发明引出了电路交换技术，随着元器件的进步和计算机的出现，电路交换系统从人工接续发展到程控交换。数字设备和数据分组传输技术的使用产生了分组交换机和Internet。光传输技术的不断进步，使得人们交互宽带多媒体信息成为可能，迫使交换技术的研究者们必须解决网络传送中的电子交换瓶颈问题，从而推动了全光交换技术的研究和试验高潮。总之，交换技术是人类进入信息社会必不可少的技术，交换技术还将随着应用和技术的进步而不断发展。 本教材的第1版为“面向21世纪高等学校电子信息类规划教材”（2000年版），使用了5年多，印刷了7次。教材第2版被正式列为“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”（2006版）。修订时增加了第10章软交换技术，介绍了软交换技术的工作原理、主要技术、协议和业务供给方式等内容。教材第3版（2011年版），在第2版的基础上，第8章增加了“多协议标签交换技术”一节，介绍了MPLS的工作原理和相关协议。当前，通信网络沿着2G、3G、软交换、IMS、4G、LTE、5G的方向演进，现在的通信网络主要是基于VoLTE及IMS等技术运行的，未来通信网络将沿着软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）技术方向发展。SDN技术将数据平面和控制平面进行分离实现网络开放，使得网络配置和管理更加灵活。NFV通过使用x86等通用性硬件及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理，从而降低网络昂贵的设备更新成本。以上几种技术集中体现了当前网络交换技术中发生的新变化。因此，第4版教材中添加了第9章IP多媒体子系统、第10章SIP协议、第11章相关新技术VoLTE、第12章软件定义网络、第13章SDN网络的组成及第14章网络功能虚拟化；并根据现代交换技术的变化删减了分组交换、ATM交换、软交换等的部分内容，对第2章和第5章内容进行了重新编写。第5版教材仍保持原有的风格特点，并进一步完善部分章节内容。 各种交换技术是为了适应不同业务的需求而产生和发展的，但就其交换的实质而言，就是在通信网上建立起四通八达的立交桥，以达到经济、快速，并满足服务质量要求的信息转移的目的。各种交换技术有其共性，为此我们把当前已出现的或将要出现的交换技术，按其发展先后，由浅入深，理论与技术并重，综合成一本有关现代交换原理的专门教材，加深对交换技术的理解，为读者打好电信技术的理论基础。 本教材从通信网的概念出发，介绍交换设备在现代通信网中的位置及外部工作环境，根据各种速率、各种业务的特点及多媒体业务的需求，论述不同特点的交换系统的适应范围及其发展过程。由于交换网络是构筑交换系统的核心，在教材第2章专门讨论了多种交换单元及交换网络的组织结构和操作过程，并从理论上分析了无阻塞交换网络的结构。各种交换技术，从本质上讲是通信与计算机结合的产物，交换系统实质上是一个以计算机为基础，在实时多任务操作系统的控制管理下，完成信息处理任务的应用系统。在第4章中以电路交换为例介绍了存储程序控制交换的原理。信息在交换系统中的交互是依赖于信令或通信协议来实现的。第5章中介绍了用户信令和局间信令系统。此外在本教材中分别设立章节来讨论电路交换、路由器、IP交换、光交换及新兴的软件定义网络、网络功能虚拟化、VoLTE的技术原理、组织结构和特点，同时简要介绍分组交换、帧中继、ATM交换、软交换等技术。 本书第1章、第3章、第4章由金惠文编写；第2章、第5章、第7章、第8章由陈建亚编写；第6章由金惠文和陈建亚编写；第9章、第10章、第11章、第12章、第13章、第14章由崔鸿雁编写。 本书针对高等学校通信工程、电子信息工程类专业的学生和通信领域的技术人员编写。在此，本书作者对所有对本书做出贡献的朋友表示衷心的感谢！感谢大家对本书的默默付出！ 由于编者水平有限，书中难免存在一些不妥之处，殷切希望广大读者批评指正，帮助本书不断完善。 编著者 2018年7月

第1章 概论 (1) 1.1 交换与通信网 (1) 1.2 电话交换 (2) 1.3 数据交换 (3) 1.3.1 数据通信和话音通信的区别 (3) 1.3.2 利用电话网络进行数据传输 (4) 1.3.3 电路交换 (4) 1.3.4 报文交换 (5) 1.3.5 分组交换 (6) 1.4 宽带交换技术 (7) 1.4.1 电信业务和媒体传输特性 (7) 1.4.2 快速电路交换 (8) 1.4.3 快速分组交换——帧中继 (8) 1.4.4 异步转移模式(ATM) (9) 1.4.5 IP交换和标记交换 (11) 1.5 光交换技术 (12) 1.6 VoLTE技术 (13) 1.7 软件定义网络 (14) 1.8 网络功能虚拟化 (14) 小结 (15) 习题 (15) 第2章 数字交换网络 (17) 2.1 基本交换单元 (17) 2.2 CLOS交换网络模型 (23) 2.3 TST交换网络 (26) 2.4 DSN网络 (28) 小结 (31) 习题 (31) 第3章 电路交换技术及接口电路 (32) 3. 1 电路交换技术的发展与分类 (32) 3. 1. 1 电路交换技术的发展 (32) 3. 1. 2 电路交换技术的分类 (33) 3. 2 电路交换系统的基本功能 (33) 3. 2. 1 电路交换呼叫接续过程 (33) 3. 2. 2 电路交换的基本功能 (34) 3.2.3 控制系统的结构 (36) 3. 3 电路交换系统的接口电路 (38) 3. 3. 1 模拟用户接口电路 (38) 3.3.2 数字用户线接口电路 (41) 3. 3. 3 模拟中继接口电路 (41) 3. 3.4 数字中继接口电路 (42) 3. 3. 5 数字多频信号的发送和接收 (44) 小结 (45) 习题 (45) 第4章 存储程序控制原理 (47) 4. 1 呼叫处理过程 (47) 4. 1. 1 一个呼叫的处理过程 (47) 4. 1. 2 用SDL图来描述呼叫处理过程 (48) 4. 2 呼叫处理软件 (51) 4. 2. 1 扫描与输入 (52) 4. 2. 2 扫描周期的确定 (53) 4. 2. 3 数字分析 (55) 4. 2. 4 路由选择 (57) 4. 2. 5 通路选择 (58) 4. 2. 6 输出驱动 (59) 4. 3 程控交换控制系统的电路结构 (60) 小结 (62) 习题 (62) 第5章 信令系统 (63) 5.1 概述 (63) 5.1.1 信令的概念 (63) 5.1.2 信令的分类 (64) 5.1.3 信令方式 (65) 5.2 模拟用户线信令 (66) 5.3 中国No1信令 (67) 5.3.1 线路信令 (67) 5.3.2 记发器信令 (68) 5.4 No7信令系统 (68) 5.4.1 No7信令系统的特点 (69) 5.4.2 我国No7信令网的组织结构 (69) 5.4.3 No7信令的功能结构 (71) 5.4.4 No7信令的消息传递部分 (75) 5.4.5 信令连接控制部分 (78) 5.4.6 事务处理能力应用部分 (80) 5.4.7 电话用户部分 (84) 小结 (87) 习题 (87) 第6章 分组交换与软交换技术 (89) 6. 1 分组交换技术 (89) 6. 1. 1 分组交换技术的产生 (89) 6. 1. 2 分组的形成 (91) 6. 1. 3 交换虚电路的建立和释放 (94) 6.2 ATM交换技术 (95) 6.2.1 ATM技术的产生 (96) 6.2.2 ATM的传送模式和信元结构 (97) 6.2.3 ATM交换的基本原理 (101) 6.3 软交换技术 (102) 6.3.1 软交换技术的产生背景 (102) 6.3.2 软交换基本概念 (110) 6.3.3 软交换的体系结构与功能结构 (112) 小结 (116) 习题 (116) 第7章 路由器及IP交换技术 (117) 7.1 计算机通信的演进和发展 (117) 7.2 TCP/IP基本原理 (119) 7.2.1 TCP/IP的网络体系结构 (119) 7.2.2 网络互连协议（IP） (120) 7.2.3 地址解析协议（ARP） (122) 7.2.4 互联网控制报文协议（ICMP） (123) 7.2.5 传输控制协议（TCP） (124) 7.2.6 用户数据报协议（UDP） (125) 7.2.7 IP的未来（IPv6） (125) 7.3 路由器工作原理 (126) 7.3.1 路由器的报文转发原理 (126) 7.3.2 路由选择表的生成和维护 (128) 7.4 IP交换技术 (129) 7.4.1 IP交换机的构成及工作原理 (129) 7.4.2 IP交换中所使用的协议 (131) 7.5 标记交换技术 (134) 7.5.1 标记交换的工作原理 (134) 7.5.2 标记交换的性能 (138) 7.6 多协议标签交换技术 (139) 7.6.1 MPLS网络模型 (139) 7.6.2 MPLS协议 (141) 7.6.3 标签分发协议 (144) 7.6.4 标签分发与管理 (145) 7.6.5 标签交换路径 (147) 7.6.6 循环路径控制 (148) 小结 (149) 习题 (149) 第8章 光交换技术 (151) 8.1 概述 (151) 8.2 光交换元件 (152) 8.2.1 半导体光开关 (152) 8.2.2 耦合波导开关 (152) 8.2.3 硅衬底平面光波导开关 (152) 8.2.4 波长转换器 (153) 8.2.5 光存储器 (153) 8.2.6 空间光调制器 (154) 8.3 光交换网络结构 (154) 8.3.1 空分光交换网络 (155) 8.3.2 波分光交换网络 (156) 8.3.3 时分光交换网络 (157) 8.3.4 自由空间光交换网络 (158) 8.3.5 混合型光交换网络 (159) 8.4 多维交换系统 (160) 8.4.1 多维光网络结构 (160) 8.4.2 多维光交换网络应用 (161) 8.5 光交换的应用 (162) 8.5.1 光分插复用 (162) 8.5.2 光互连 (163) 小结 (164) 习题 (164) 第9章 IP多媒体子系统 (165) 9.1 IMS的由来 (165) 9.2 IMS的特点 (165) 9.3 IMS的体系结构 (167) 9.3.1 IMS中的功能实体 (167) 9.3.2 IMS中的接口和协议 (171) 9.4 IMS的通信流程 (173) 9.4.1 IMS入口点的发现 (173) 9.4.2 注册过程 (174) 9.4.3 会话的建立过程 (175) 9.4.4 会话的释放过程 (176) 9.4.5 IMS通信实例 (176) 9.5 IMS的安全机制 (180) 9.5.1 IMS的安全体系 (180) 9.5.2 IMS安全基础 (181) 9.5.3 IMS安全的关键技术 (181) 9.6 IMS的QoS机制 (182) 9.6.1 SBLP的结构 (182) 9.6.2 SBLP的执行过程 (183) 9.7 IMS的计费 (184) 9.7.1 计费体系 (184) 9.7.2 基于流的计费 (184) 9.8 IMS提供的典型业务 (184) 9.8.1 Presence (184) 9.8.2 Message (185) 9.8.3 PoC (185) 9.8.4 Conference (186) 9.9 IMS与软交换的比较 (186) 9.10 IMS的发展现状 (187) 小结 (188) 习题 (189) 第10章 SIP——会话初始化协议 (190) 10.1 SIP概述 (190) 10.2 SAP——会话通知协议 (193) 10.3 SDP——会话描述协议 (195) 10.4 SIP功能实体 (198) 10.5 SIP消息 (201) 10.5.1 SIP消息总体描述 (201) 10.5.2 SIP消息中的标题头 (202) 10.5.3 SIP请求消息 (207) 10.5.4 SIP响应消息 (211) 10.5.5 SIP消息中的地址 (213) 10.6 SIP通信流程 (214) 10.7 SIP扩展 (218) 10.7.1 承载扩展 (218) 10.7.2 消息扩展 (218) 10.7.3 应用扩展 (219) 10.8 SIP安全机制 (220) 10.8.1 SIP面临的安全威胁 (220) 10.8.2 SIP的安全策略 (220) 10.9 SIP与ISUP、BICC、H.323的比较 (222) 小结 (223) 习题 (224) 第11章 VoLTE技术 (225) 11.1 VoLTE基本概念 (225) 11.1.1 相关解决方案 (225) 11.1.2 VoLTE的形成 (226) 11.2 VoLTE系统架构 (227) 11.2.1 VoLTE功能节点描述 (227) 11.2.2 VoLTE接口描述 (229) 11.2.3 VoLTE基本原理 (231) 11.3 VoLTE实现 (232) 11.3.1 VoLTE UE的附着和IMS注册 (232) 11.3.2 VoLTE UE分离和IMS取消注册 (236) 11.3.3 IMS语音呼叫建立和拆解 (236) 11.3.4 IMS多媒体（语音/视频）呼叫建立和清除 (239) 11.3.5 将视频添加到已建立的语音呼叫 (241) 11.3.6 从已建立的多媒体通话中删除视频 (242) 小结 (243) 习题 (243) 第12章 软件定义网络 (244) 12.1 SDN的背景 (244) 12.2 SDN的整体架构 (245) 12.2.1 网络设备 (246) 12.2.2 南向接口 (246) 12.2.3 控制器 (246) 12.2.4 北向接口 (247) 12.2.5 应用服务 (247) 12.2.6 自动化 (247) 12.3 SDN关键技术 (247) 12.3.1 SDN的管控技术 (248) 12.3.2 SDN的流控技术 (249) 12.3.3 SDN接口技术 (250) 12.3.4 SDN网络扩展技术 (250) 小结 (251) 习题 (251) 第13章 SDN网络的组成 (252) 13.1 OpenFlow交换机规范 (252) 13.1.1 交换机组成 (252) 13.1.2 流表 (254) 13.1.3 安全通道 (258) 13.1.4 OpenFlow协议 (259) 13.1.5 OpenFlow实例 (261) 13.2 SDN控制器 (263) 13.2.1 SDN控制器体系结构 (263) 13.2.2 SDN控制器评估 (264) 13.2.3 主要SDN控制器简介 (266) 小结 (270) 习题 (270) 第14章 网络功能虚拟化 (271) 14.1 NFV整体架构 (271) 14.2 NFV基础设施(NFVI) (272) 14.3 虚拟网络功能(VNF) (275) 14.4 NFV的管理和编排——MANO (276) 14.5 NFV的弹性机制 (278) 14.5.1 问题描述 (278) 14.5.2 网络功能虚拟化弹性目标 (279) 14.6 NFV的安全性 (280) 14.7 NFV与SDN的关系 (281) 14.8 NFV对OSS/BSS的影响 (281) 14.9 NFV应用实例 (282) 14.10 NFV带来的收益 (284) 14.11 NFV面临的挑战 (284) 小结 (286) 习题 (286) 附录 英文缩略语 (287) 参考文献 (294)

崔鸿雁，女，2006年获北京邮电大学电路与系统专业工学博士学位，并留校任教至今。博士生导师， IEEE Senior Member，中国通信工业协会智慧医疗委员会副主任。MIT访问学者，发表SCI/Ei论文60余篇，申请国家发明专利12项。主持和参与国家973、863、工信部重大专项、自然基金委、教育部及企业项目多项。