회선 교환(circuit switching)은 전화나 컴퓨터 같은 장치 간의 직접적인 물리전 연결을 만든다. 회선 교환기는 n개의 입력과 m개의 출력을 가지는 장치로, 하나의 입력 링크와 하나의 출력 링크 간의 임시적인 연결을 만든다. 입력의 수와 출력의 수가 같을 필요는 없다.
n × n의 겹교환기(folded switch)는 전이중 방식(full-duplex mode)으로, n개의 링크를 연결할 수 있다. 즉, n, m개의 연결 지점이 있다면, 이것을 완전히 연결하기 위해서 n × m개의 링크가 필요하다. 하지만, n × m 사이에 연결이 항상 활성화되어 있는 것이 아니기 때문에 비효율적이다. 따라서, 평소의 데이터 전송량에 맞게 적절하게 링크를 구성해야 한다. 오늘날의 회선 교환은 공간분할교환기(space-division switch)나 시분할교환기(time-division switch)를 이용할 수 있다.
공간분할교환기에서, 회선상의 경로는 서로 공간적으로 분리된다. 이 기술은 원래 아날로그망에서 사용되도록 설계되었지만, 현재는 아날로그망과 디지털망에서 모두 사용되고 있다.
크로스바 교환기(crossbar switch)는 격자 형태로 n개의 입력과 m개의 출력을 연결하며, 각 교차점(crosspoint)에는 전기적인 마이크로 스위치가 존재한다. 이 설꼐의 가장 큰 단점은 요구되는 교차점의 수가 많다는 것이다. 크로스바 교환기를 이용하여 n개의 입력과 m개의 출력을 연결하기 위해서, n × m개의 교차점이 요구된다.
다단교환기(multistage switch)는, 이런 크로스바 교환기의 단점을 극복하기 위한 해결책으로, 크로스바 교환기를 여러 단계로 결합한 것이다. 다단교환에서 장치는 교환기에 연결되고 이 교환기는 차례차례 다른 교환기에 계층적으로 연결된다. 다단교환기의 설계는 단의 수와 각 단에서 요구되는 교환기의 수에 달려 있다. 보통 중간 단은 처음과 마지막 단보다 적은 교환기를 가진다. 예를 들어, 15 × 15의 일단(single stage) 크로스바 교환기의 작업을 위해, 첫 번째와 마지막 단에서는 3개의 교환기를 이용하고 중간 단에서는 2개의 교환기를 사용하는 3단 설계를 하기로 했다고 가정하자. 첫 단의 교환기는 3개이고 입력은 15개를 가져야 하므로, 하나의 교환기는 5개의 입력을 가져야 한다(5 × 3 = 15).
다음으로, 첫 단의 각 교환기는 중간 단의 각 교환기에 대해 하나의 출력을 가져야 한다. 중간 단에 2개의 교환기가 있으므로 각 첫 단의 교환기는 2개의 출력을 가진다. 세 번째 단의 각 교환기는 중간 단의 각 교환기로부터 입력을 받는다. 그러므로 중간 단의 두 교환기는 세 번째 단의 교환기가 2개의 입력을 가져야 함을 의미한다. 중간 단의 교환기는 3개의 첫 단 교환기와 3개의 세 번째 단 교환기에 연결되어야 하므로 각각 3개의 입력과 3개의 출력을 가져야 한다. 즉, 교환기의 입력과 출력은, 다단교환기를 어떻게 설계할 것이냐에 따라 입력과 출력이 달라진다.
그러나, 이와 같은 다단교환기의, 크로스바 교환기에 대한 장점은 공짜로 얻어지는 것이 아니다. 필요한 교차점의 감소는 과중한 트래픽 구간에서는 차단(blocking)이라 불리는 현상을 일으킨다. 차단이란, 가능한 중간 교환기가 모두 사용 중이어서 이용할 수 있는 경로가 없어 하나의 입력이 어느 출력에도 연결되지 못할 때를 말한다.
일단 교환기에서는 차단이 발생하지 않는다. 입력과 출력 간의 결합이 각각 자체의 교차점을 가지기 때문에 항상 경로가 존재하지만(두 입력이 같은 출력과의 연결을 시도하는 경우는 고려하지 않는다. 이때의 경로는 차단되지 않고 단지 출력이 바쁠 뿐이다). 앞에서 언급한 다단교환기에서는 첫 단의 첫 번째 교환기의 5개 입력 중 2개 또는 두 번째 5개의 입력 중 2개, 또는 세 번째 5개의 입력 중 2개만이 동시에 교환기를 사용할 수 있다. 중간 단에서 출력의 수가 적다는 점은 이용할 수 있는 링크의 수를 더욱 제한하게 된다.
시분할교환기는, TDM 방식을 이용하여 수행된다. 자주 사용되는 다중화 기법으로 시간간격교환(TSI, Time slot interchange)과 TDM 버스가 있다.
TSI 방식은, 예를 들어 4개의 입력 회선(1, 2, 3, 4)을 4개의 출력 회선(1, 2, 3, 4)에 연결하는 시스템을 생각해보자. 각 입력 회선이, 1 → 3, 2 → 4, 3 → 1, 4 → 2의 출력을 가진다. 일반적인 TDM의 경우라면, 입력이 들어온 순서대로 출력을 만들지만, TSI 방식을 사용하면, 중간에서 입력을 위의 패턴에 맞추어 출력을 만들어 보내게 된다. 즉, TSI가 링크에 덧붙여져서 원하는 연결을 바탕으로 슬롯의 순서를 바꾸어준다. 이로써, 1, 2, 3, 4의 데이터 순서들은 3, 4, 1, 2로 변화되고, 역다중화기가 슬롯들을 분리하고, 이들은 적당한 출력으로 전달된다.
TDM 버스 방식은, 입출력 회선이 입출력 게이트를 통해 고속의 버스에 연결되어 있다. 각 입력 게이트는 각 슬롯마다 한 번 닫힌다. 마찬가지로, 같은 시간 슬롯 동안 하나의 출력 게이트만이 닫히게 된다. 같이 동작하는 이 게이트 쌍은 버스를 이용하여 하나의 특정 입력 회선에서 하나의 특정 출력 회선으로 버스트 데이터를 전달할 수 있도록 해준다. 제어 장치는 필요에 따라 게이트들을 열고 닫는다.
공간분할교환과 시분할교환을 비교할 때 몇 가지 흥미로운 사실을 발견할 수 있다. 공간분할교환기는 순간적이라는 장점을 갖지만, 차단이 발생하지 않도록 하기 위해서 교차점이 많이 요구된다. 반면, 시분할교환기는 교차점을 필요로 하지 않지만, TSI의 경우 각 연결을 처리하는데 지연이 발생한다는 단점이 있다.
따라서, 제 3의 선택으로 둘의 장점을 활용하기 위해 공간분할과 시분할 기술을 결합할 수 있다. 두 가지의 결합은 물리적인 면(교차점의 수)이나 시간적인 면(지연의 양)에서 교환기를 최적화시킨다.
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