交换模式的变迁

2019-11-03 10:11:23

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供稿：网友

交换模式的变迁　　从电报、电话到数据通信，通信网络的交换模式似乎在演绎着“异步－同步－异步”的轮回，但这绝非是简单的重复，而是一种更高层次的回归，是哲学上“否定之否定”原理在通信发展史上的印证，是在带宽极大丰富和信息流向控制能力产生质的飞跃的情况下出现的必然现象。　　交换模式变革的原始动力来自技术进步。在通信资源奇缺、电路复用技术落后的时代，低速率、大时延、存储转发式的电报通信是最佳的方式；载波技术的发展和计算机程序控制的出现，为低时延、基于电路交换的电话通信创造了良好的发展条件；而当光纤通信把带宽变得异常丰富，分组交换能够使异步方式同样实现实时通信，计算机与通信的融合开辟出广阔的应用空间，数据通信作为新时代的骄子，逐渐成为电信舞台上的主角。新一代的数据通信网与电报通信网的本质区别在于，它将能够以异步方式实现实时通信，在充分满足人们对通信质量要求的同时提高了带宽的利用率。技术的进步，为传统电信业务的融合和新业务的诞生提供了真正的动力。　　电报的诞生开辟了电信时代。在电路资源极其有限的时期，独占电路的实时通信十分困难，于是通过存储转发方式传送报文信息成为必然的选择，因为只有如此才能保证多个用户共享网络资源。有趣的是，无论是信号时间上的不连续性、电强度的离散性，还是存储转发的交换方式，电报都似乎是今天数据通信的雏形。　　早期的电报很简单，在一条长长的金属线两端各安装一个装置，由一端发出控制信号，另一端在收到该信号后立刻作出某种响应，如发出声响，其原理有点像现在的电子门铃。随后，电报技术的不断改进，开始将简单的信号组合起来，以表示更复杂的意思。　　1837年，一位名叫莫尔斯的画家和精通机械的维尔设计出著名的莫尔斯电码，并于六年后建设了华盛顿到巴尔的摩的电报线路。该电报机是用点（短信号）、划（长信号）和空白（无信号）的组合来表示字母、数字和符号。这种以断续电流来表示的莫尔斯电码，载着信息通过电报线路传送到远方。　　电报系统传送的信号有两个典型的特征：一是在时间上是间断、不连续的；二是在电强度上也是不连续的，只有有限的离散值。这说明电报信号有典型的数字信号特征。可以说，电报通信是数据通信最原始的雏形，尽管它传送的信号速率很低，信息量很少，但是在很多方面与今天的数据通信有很多共同点。　　因为当时传输技术非常落后，缺乏有效的复用手段，因此电报通信采用的是报文交换的模式，它不需要在数据源和目的地之间建立一条专用的路径。报文交换是一个存储转发的过程，系统在报文上附加目的地地址，当达到某一节点时，该节点接收整个报文，经过短暂存储，然后再传送到下一个节点，如此由一个一个节点地传送，直至到达目的地。报文交换的线路利用率很高，网络中的链路可以为多个报文所共享；网络不会出现因负载太重而被阻塞，只会因此造成时间延迟的增加；报文交换是一个存储转发的过程，每个节点都可以对数据的传输速率和码型进行变换，这有利于不同速率的数据站之间进行通信；报文交换中可以建立报文优先级，这样报文传送的快慢不是以报文到达的迟早而定，而是以报文的重要性而定。此外，报文交换中报文的传送时间延迟大，因此适用于低速、不要求“会话”方式通信的场合。　　本世纪初，载波和自动交换技术的出现，为话音通信发展铺平了道路。通信资源变得更丰富，多个用户能在同一物理线路上相互独立地进行实时、高质量的通信。而微电子和计算机技术的进步，使电话交换顺利走过了从机电制到电子制、从模拟时分到数字空分的跃进。从某种意义上说，20世纪是一个辉煌的电话世纪。　　1876年，美国科学家亚历山大·贝尔发明了电话。尽管当时很多人对电话持有异议，但是它依然以飞快的速度向前发展。一年后，美国波士顿架设了第一条电话线并开始通话。电话刚刚问世时，一部电话只能固定和对方一个用户接通，电话使用效率极低。为了增加接通用户的数目，人们一开始就希望有一个交换系统，以根据需要连接电话网中的任何用户。1878年，美国的康涅狄格州的纽好恩开通了有20个用户的第一个市内电话交换所。　　最初的电话交换机是磁石式交换机。话务员接收用户呼叫信号并根据用户要求进行人工接续，沟通主叫与被叫间的电话电路。1882年，共电式电话交换机问世，这种交换机仍然是由人工接续，但操作简单，提高了接续速度。1889年美国人史端乔提出了自动电话交换的设想，并于1891年设计出第一部“步进制”自动电话交换系统。这种交换机是靠电话用户拨号脉冲直接控制交换机的机械作一步一步动作的。例如用户拨号“1”，就发出一个脉冲，这个脉冲使接线器中的电磁铁吸动一次，接线器就向前动作一步。用户拨号码“2”，就发出两个脉冲，使电磁铁吸动两次，接线器就向前动作两步。　　1892年，美国印地安纳的拉波特安装了世界上第一个商用自动电话交换台，这是电话技术的一次飞跃，标志着电话从此开始进入自动交换时代。　　本世纪初，三极管和滤波器的出现，为载波通信奠定了坚实的基础。载波通信应用频率分割多路复用原理，通过调制高频电波，将各个音频信号搬移到线路传输频带内不相重复的频段上，使之在传输过程中互不干扰，从而实现了一对线上同时传递多路电话。载波通信为长途通信带来了新的机遇，它可以充分利用线路实体或微波波道等传输媒质中可使用的频率资源，同时传送多个音频电话而不需要每个话路配置一对线或一个波道。　　载波技术的诞生，使通信传输线路资源骤然扩大，并有效地推动了新型交换机的发展。1919年，纵横制自动电话交换机出现，七年后瑞典安装了第一个大型纵横制实验交换局，拥有3500个用户。纵横制交换机的名称来自纵横接线器的构造，它由一些纵棒、横棒和电磁装置构成，控制通过电磁装置的电流可吸动相关的纵棒、横棒动作，使得纵棒和横棒在某个交叉点接触，从而实现接线的工作。纵横制自动交换机采用贵金属接点的纵横接线器，具有接触可靠、杂音小、不易磨损等优点。另外，纵横制交换机还采用了将控制功能与话路分开的公共控制方式，使其具有较高的接续灵活性。　　1946年，世界上第一台电子计算机问世。1958年，小规模集成电路问世，这标志着以集成电路为代表的微电子技术也进入飞速发展的时期。这些技术进步在通信领域最典型的应用当属程控交换机。　　1960年，美国贝尔公司试用程控交换机成功，并于1965年5月开通了世界上第一部程控电话交换机，实装4300门。该机采用电子计算机作为中央控制设备，由计算机软件来控制接续，属于程控空分电话交换机。其话路部分采用空分交换方式，每次交换都要占用一条实线话路，直接传送模拟的话音电流。它的出现，标志着自动电话交换控制技术从机电制布线控制发展到电子制程序控制。　　1970年，法国开通了世界上第一部程控数字电话交换机。随后，美国、加拿大、瑞典、英国等国相继开通了程控数字电话交换机。这种交换机由计算机软件控制接续，其话路网络采用大规模集成电路。程控数字交换机把话音信号进行脉冲编码，调制成数字信号，然后在数字信号之间直接进行交换来完成通话。它具有体积小、速度快、可靠性高、容量大、便于开发新业务等优点。程控数字交换机的出现，实现了交换机的全电子化，同时也实现了由模拟空分向数字时分交换的重大转变。数字交换与数字传输技术的结合，可以构成综合数字网，为一系列非话业务的开展提供网络基础。　　程控交换和载波通信是电话时代最典型的技术。电话采用的是电路交换技术，它提供一次性无间断信道，在通信过程中不会产生明显时延，非常适用于交互型实时通信。但是实时通信连接要求主叫用户都是空闲的。用户之间的链路是独占的，并保持到整个通信过程结束，任何信息静止空隙都不能被充分利用，因而降低了线路的有效利用率。不过这个时代通信资源远远比电报时代丰富，完全能够实现多个话路在一条物理线路上同时开通，进行高质量、低时延的话音通信，但是实时多媒体通信、海量数据传递相对困难。不过，随着光纤通信和ip技术的出现，带宽资源变得异常丰富，使分组方式的话音传递和数据量远远高于话音的实时通信都成为可能。　　20世纪末，微电子、光电子技术以罕见的速度高速发展，通信带宽资源极大丰富，为以IP为代表的数据通信迅速崛起创造了技术基础。随着网络中数据业务量成为主导，从传统的电路交换体系逐步转向以数据特别是IP为基础的整个电信新框架将是历史的必然。这种转变显然需要漫长的时间，但其对电信业的影响却是百年来最重大和最深刻的一次。电信业由此融入更宏大的信息产业，从一个先导产业走向一个主导产业。　　数据通信是从50年代初开始，随着计算机远程信息处理应用发展起来的。当时它是为计算机远程信息处理系统服务，该系统大多是面向终端的集中式处理系统。　　从60年代后期开始，分布处理技术迅速发展，计算机通信开始从同种机之间的通信走向异种机之间的通信。1961年，美国兰德公司提出了分组交换的概念，它的设计初衷是要求网络能够经受住故障而维持正常工作，例如当网络的某一部分遭受攻击失效时，网络其余部分仍能保持正常通信。1969年，美国的ARPA网诞生，这是一个以资源共享为目的的异种计算机通信网，它开辟了计算机通信技术的一个新领域——网络化与分布处理技术。1976年，原CCITT正式公布了著名的X.25标准，为公用数据通信的发展奠定了基础。也正是在这一时期，光纤通信开始走向实用化，通信传输资源迅速扩大，它在为电话网提供更多话路的同时，更为数据通信日后的爆炸式增长提供了最坚实的电路资源基础。　　70年代末期，大规模集成电路技术和计算机软硬件技术的发展使数据通信设备的智能化程度大大提高，一种介于永久式连接和交换式连接之间的数据通信技术——DDN逐渐发展起来，它主要是为那些相对固定、业务量很大的用户提供服务。　　进入80年代，微型处理机像潮水一样涌向社会，各种各样的智能终端设备、PC机、多用户计算机、分布式计算机系统应运而生。为了实现它们之间的资源共享，局域网获得了高速发展。1983年，TCP/IP由ARPA资助提供给加州大学伯克利分校开发，成为ARPA网上的标准通信协议。此后，开放系统互连参考模型各层的协议被批准为国际标准。1989年，美国国家科学基金网正式对公众开放，标志着因特网开始走向商业化。　　90年代初出现的帧中继技术为局域网之间的广域互联提供了一种简捷方便的形式，它采用简化的分组交换协议，使传送更加经济有效，因此从一诞生就获得了高速发展，而被视为B－ISDN基础的ATM也开始走向实用化。　　超大规模集成电路和光通信器件的发展，为电信技术提供了最好的硬件支撑。芯片集成度目前正在以每18个月翻一番的速度发展，CMOS线宽很快将达到0.1微米，这意味着每平方厘米上可以分布4000万个逻辑电路，蜂窝电话可以在单片上集成。光纤通信速率在90年代的10年中增长了100多倍，目前单对光纤实际传输容量已达320Gbps，不久商用化的传输能力可能超过1Tbps。这一容量意味着一对光纤能传1000多万条话路，在0.02秒内传完30卷大英百科全书！　　90年代中期，一股因特网的浪潮开始席卷全球。它采用无连接、端到端的TCP/IP协议，简单、实用，适用范围极其广泛，很快成为世界上规模最大的计算机网络。1993年2月，美国总统克林顿提出制订建设国家信息基础设施（NII）的构想。9月，美国政府宣布建设信息高速公路计划。1996年10月1日，美国34所著名大学在芝加哥发起了一个“下一代Internet”项目，采用先进网络技术和协议，计划比当时的Internet快100倍。　　计算机广域联网的旺盛需求，成为电信网持续发展的最强刺激因素，全球掀起了新一轮网络建设高潮，丰富多彩的信息业务层出不穷。一批传统电信公司如AT＆T、BT、NTT等纷纷大规模进军因特网领域，使因特网用户群迅速扩大，网络带宽不断提高。计算机和通信两大领域，自此走向了影响深远的大融合，人类社会的信息化进入一个崭新的阶段。　　总的看来，数据通信多数采用的是分组交换的模式，它综合了电路交换和报文交换的优点，既提高了带宽的利用率，又能够在一定程度上保证通信的实时性。微电子、光电子、计算机软件等技术的发展，使网络的带宽极大丰富，系统信息流量控制能力不断提高，分组实时通信得以实现，通信资源能够最大限度地发挥出应有的潜力。　　历经百年的电路交换技术，有其明显的高质量优势，在可以预见的未来也仍将是提供实时电话业务的基本技术手段，但其基本设计思想是以恒定的对称的话路量为中心的。对于未来以突发性数据为主的业务而言，效率较低，传输成本和交换成本较高。当数据业务量不大时，这种状态还可以接受；而当网络的业务量以数据为主时，这种低效率状态将变得无法容忍。分组化网有着传统电路交换网所难以具备的优势，更加适应非对称的突发数据业务传输。显然，随着网络中数据业务量成为主导后，从传统的电路交换体系逐步转向以数据特别是IP为基础的整个电信新框架将是历史的必然。当然这种转变不是一朝一夕就能完成的，可能需要漫长的时间，但其对电信业的影响却是100年来最重大和最深刻的一次。　　从电报的诞生到因特网的崛起，电信业对整个人类社会影响力不断扩大，同工业时代的电报、电话相比，信息时代的数据通信更具个性化服务的特征，电信业务在各个行业的渗透力达到了前所未有的强度。随着技术的进一步发展，在可预见的未来，个人通信资源将极大丰富，网络不再成为信息业务的制约因素，应用作为最活跃的成分将变为电信业竞争的主要阵地。电信业将进入成熟期，并真正融入更为宏大的信息业！

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