下一代宽/窄带混合交换系统发展缘由与可能的技术特征

2019-11-03 10:13:18

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供稿：网友

下一代宽/窄带混合交换系统发展缘由与可能的技术特征（邬江兴）

——摘要本文首先从9个方面论述了下一代多媒体宽/窄带混合交换系统的发展缘由，然后介绍了混合交换系统可能具备的主要技术特征。

——关键词宽/窄带混合交换系统发展缘由技术特征

——宽/窄带混合交换系统通常也称AISH系统（ATM/ip+STM/Mobile），最初源自于美国。1993年前后一些主要从事Internet边缘接入设备、LAN、WAN网络产品及智能语音平台的制造商，在开发“计算机电话”的实践过程中就初步认识到“电路交换与分组（或信元）交换的业务性能之争不可能得出排它性的结论”，基于同样的原因认为“总线交换与非总线交换之间各具不可替代的优势”。在GO-MVIP（全球多厂商集成协议）组织的推动下，LAN形态多媒体PBX系统的研发获得了令人注目进展。其基本思路是：

以通用计算机平台为基础；
以局域网技术为支撑；
以标准化程序较高的API、GUI等应用层编程接口为软界面；
以MC-MVIP定义的多种标准网络接口为互连手段；
以客户机/服务器方式为控制结构的基本形态；
以PCI或VME总线扩展ATM、STM等资源板方式提供混合交换能力；
以PC机或工作站上丰富的软件和工具实现面向客体（OOP）的编程设计；
实现多种内置式网关功能。
——多年来的成功实路表明，MVIP这种体系结构不仅使“计算机电话”概念得到证明和推广，而且揭示了下一代多媒体宽/窄带混合交换系统存在的基本技术特征和可能的运用模式。1995年前后，美国BELL-LAB、日本FUJITSU、NEC和中国的GDT等公司也先后开展了宽、窄带混合交换技术的研究，差不多同时都认识到到“一个纯宽带系统将使未来普通电话的扩容变得困难和昂贵……”。新近推出的5ESS-2000BM、FETEX-150E-Cube、NEX-61Σ、HJD04E等新一代交换或接入系统都体现了“IP+ATM+STM”这一混合结构特征。笔者认为混合模式将是未来网络与新的多媒体交换系统的发展方向。下面分别论述混合交换系统的发展缘由及其技术特征。

1 宽/窄带混合交换系统的发展缘由

1.1 基于分组的交换技术很难适用恒定比特率的话音业务

——鉴于话音业务长期以来的使用习惯和人耳对于话音时延的敏感度，加之传统PSTN系统QoS评价体系的固化，分组（包括信元）交换技术从理论上说很难保证低时延的话音业务质量。在ATM技术中，AAL2建议至今无法在传输效率和时延方面找到满意的解决办法，而基于IP的话音交换又由于IP分组的不定长和同样存在的效率问题，以及Internet网中Besteffort处理模式的影响，在同等传输速率和负载能力前提下，IP电话很难获得传统电路交换的效果。虽然20多年前发明的语音插控技术从某种意义上可认为是一种分组交换方式，但是预留带宽则是其必要的保证前提。当然，人们有理由在ATM或IP交换方式中为话音业务预留带宽而不考虑效率问题，那么VOAT(Voice over ATM）、VOIP（Voice over IP）相对于已经存在且证明使用性能良好的PSTN来说，就纯属多余的努力了。

1.2 就现代通信业务来说，N-ISDN网可以满足未来90%左右的使用要求

——权威性的CTIA调查、预测表明：64kb/s接入速率可满足70%左右的业务需求；128kb/s接入速率可满足80%左右的业务需求；2Mb/s接入速率可满足90%左右的业务需求，而10Mb/s速率则可满足99.2%以上的使用要求。假如上述数据具有足够的置信度，那么我们完全有理由认为，基于电路交换的STM技术，仍然是今后相当长时间内连接业务的主要实现基础。

1.3 数据压缩技术的进步使业务接入速率的要求急剧下降

——随着80年代末兴起的DSP和数据压缩技术的飞速发展，原来设想的高速数据接入（50~150Mb/s）看来已无必要，已经确定的高清晰度数字电视（HDTV）的标准也只需要8Mb/s的接入速率。正在研究的按内容压缩的MPEG7建议将在更高程度上降低活动图像的传输带宽，预期可使HDTV图像的传输速率降低到1.5Mb/s以下，这足以满足人们对视觉感受程度的需要。至于人脑对文字数据的处理能力“充其量不到0.5kb/s”。

1.4 Interent网固有的技术缺陷将成为其今后网络规模发展上的主要障碍

——计算机网仅在80年代中期提出TCP/IP协议后才得以实现异种网络间的互联互通。为了这种互通，IP协议规定了与物理网无关的高层以互联规则，其最重要的手段是，主机紧密地参与通信操作以便实现不同计算机和用户之间资源共享这一最终目的。与PSTN网不同的是，计算机网的服务节点不仅要作为接入业务的提供者，而且还要作为通信服务的使用者。当通信网中高速传输问题解决之后，Internet网负载与规模有关的问题已经成为焦点，其原因如下。

——（1）基于网络的寻径机制处理效能将随着活动网络数的增加而急剧降低。

——（2）网关数据规模必须在受限条件下设置，否则核心网将不胜其负，这必然影响网络规模的发展。

——（3）用户查询是Internet网间网互联中的一个重要工作，以中央数据库形式出现的目录服务器难以处理大量的目录刷新和查询工作。

——（4）服务查询是TCP/IP协议的主要目标之一，它要求网间网中不同的主机提供的不同服务能为网上所有（不论是本地的还是远程）的用户所共享，然而，如何知道网络中哪台主机提供哪种服务的问题正如用户查询问题一样，随着网络规模的扩大而日趋严重。

——（5）网络管理随着网络规模的急剧膨胀，已不是早期依靠少数Internet研究人员可以协调完成的事了。目前所实行的人工管理方式，要对多厂家提供的网关、协议和应用软件以及许许多多的系统程序员在不断安装、修改、维护的TCP/IP协议软件实施有效管理，是十分困难的事情，非有自动机制不可。

——（6）TCP/IP协议繁杂的解析、查询、转换等过程，耗费了计算机系统相当大的处理能力（用固件方式可在一定程序上缓解）。反之说明，当通信网络传输速率达到Gb/s甚至Tb/s级时，与之匹配的计算机系统又需要何等的处理能力。目前使用的100Mb/s以太网仅仅是指物理层的速率，即使排除碰撞因素，TCP层的实际效率充其量只能达到60%左右的水平。

——（7）作为克服目前IPV4协议和速率问题的IPV6，居然很少考虑与IPV4的兼容性问题，这对Internet网的未来无疑是蒙上了一层阴影。

——（8）精确计费关系到接入业务提供者的实际商业利益，由于最初的Internet仅作为一个研究网间网技术而建立的快速原形，因而对于商业化的运营环节并未给予足够的考虑；此外，这还与尽可能地简化网间网协议的技术策略有关。当然，LAN本身的免费使用性质也决定了其计费功能天生就存在缺陷。

1.5 现有的基础网仍是Internet网业务接入的主要依靠

——自从拔号IP上网这一创造性运用模式发明后，Internet以前所未有的速度渗透到社会的各个角落，同时推动了网上业务的发展和普及应用，这其中最重要的思想就是合理地利用了已建立起来的PSTN网资源，这使得原来用专线或租用线路方式拓展网络的想法相比之下变得十分狭隘。相辅相成的是，拔号IP也促使已经奄奄一息的N-ISDN技术和现存网络资源有了新的应用前景。同时也无可争辩地说明，即使到了信息化社会，STM技术仍有其存在和发展的合理性。

1.6 ATM虽然失去了其作为终端应用层上的价值，但是在传输、传送层的应用前景则十分光明

——由于计算机终端及其网络的发展，“残酷的事实标准不接受ATM的游戏规则”。然而，作为传送层或传输层的一种应用技术（而不是网络技术），至少到目前为止还没有一种更好的替代方法。基于信元的虚电路（VC）、虚通道（VP）的流量调配技术较之传统的电路调配方式要合理而又经济得多。依笔者的推断，ATM有可能最终替代SDH成为下个世纪传输系统的标准技术体制。

1.7 第三代地面移动通信的需求仍然未超出N-ISDN网的性能范围

——无论是IMT2000还是CDMA2000无线宽带移动通信技术体制，其最高接入或交换速率（≤2Mb/s）均未超过现有的N-ISDN网性能范围。这在移动终端增长率远远超过固定终端增长率的今天，以及人们称为乐观估计的明天，都无疑为STM技术和N-ISDN网的发展预示了并非悲观的前景。

1.8 基于接入网的xDSL技术能使现有网络资源物尽其用

——由接入网引入的接入服务区（ACS）概念，极大地改善了铜线（双线对）引入段的传输条件，使得基于现代DSP和数据信号处理技术的xDSL（IDSL、SDSL、HDSL、ADSL、RADSL和VDSL）接入可以支持从64kb/s~30Mb/s很宽范围内的数字接入，从而在相当大的程度上解决了“最后一公里”的问题，并首先使已建成的现有网络资源能得到最充分的利用。

1.9 对evering over IP以及IP over evering的过份热衷有可能重蹈B-ISDN的复辙

——与ATM一样，IP在解决最传统的话音业务方面发生了困难。前者的问题是固定话音时延与信令装配效率的矛盾，后者的问题是由于交织不定长的数据分组导致话音分组不定长时延的出现。此外，话音分组的传输效率也很低。虽然人们一直在努力寻找理想的解决方案，但至今未果。已经提出的RSVP（预留虚通路）不是一个好的解决方法。可以设想，如果把现有PSTN网话音业务全部转移至IP上，那么IP节点需要预留的带宽少则几个Gb/s，多则上百Gb/s，这对于以数据业务为主的未来业务实在是舍本求末的做法。况且RSVP还将导致IP协议复杂度的急剧增加，这与IP现在一直追逐的简化网间网互连协议的目标是背道而驰的。诚然，在不考虑传输和效率因素的情况下，ever-ig over IP也许是成立的。

——上述罗列之理由并不表示作者全盘赞同传统的STM而否定ATM或IP技术的优势。相反，“批判的继承”正是人类技术进步之精华所在。就未来相当长时间内，企图用一种技术体制包罗万象是极不现实的，互补也许是最恰当的过渡形态。因此，混合交换系统的设想和实践对于目前处于迷惘、困惑阶段的计算机与通信的结合可能是最为现实、理智的选择。那么下一代混合交换系统应具备哪些主要技术特征呢？笔者认为以下几点可能是最基本的要素。

2 下一代宽/窄带混合交换系统具备的主要技术特征

2.1 交换网络的混合组织结构

以ATM作为交换网络的底层结构，主要用其虚通道（VP）、虚电路（VC）功能来实现与传输层的接口和支持基于信元的流量调配；
以大容量STM交换网络作为传统应用系统的内核，并同时支持与IP核心层的经济连接；
以IP交换为主线，面向Interent骨干网节点应用。
——混合组织模型如图1所示。

——这种混合组织结构具有弹性化特征，可以灵活地支持STM、ATM、IP、Mobile不同的应用组合和缩放式（Scalablity）架构。

2.2 系统结构骨架化及可变换性

采用STM-1（OC-3）、STM-4/（OC-12）、STM-16光纤或电接口与交换网络直连；
接入层与系统控制层在物理上分离，接入层在LE侧采用V5.X、VB5、FR或Base-10/100/1000以太网接口；
业务提供层与业务控制层从物理和逻辑上分离；
可支持地域和功能分布的多业务平台组织方式；
可提供多种嵌入式网关；
弹性化系统构成方式，具有面向STM、ATM、IP、Mobile和TMN应用的各种可拼装的软/硬件模块；
OAM概念上的统一。
2.3 主控制能平台构成要点

采用LAN形态的多通用处理机结构；
以多处理机阵列（MPP）和相联存储器（CAM）技术实现的高速分布式数据库；
系统服务提供Clinte-Server环境支持；
采用基于MVIP集成协议的API接口方式；
TCP/IP协议应是系统各业务平台和控制平台之间的标准通信协议；
具有ATM-CORE或类ATM-CORE超高速总线背板，支持即插即用（POP）扩展方式。
2.4 敏捷业务提供手段

具有业务接入、业务提供、业务控制、业务生成与管理4个相对独立的业务层面划分；
提供面向运营者的业务编程语言（OPL）；
运营者可即插即用（POP）的业务宏模块；
支持与制造商无关的业务创造和使用环境；
方便个性化业务的提供
提供基于MVIP的API库以支持第三方硬/软件模块的嵌入（即所谓的“开放式”系统结构）。
2.5 接入层广义化

有线和无线接入采用一致的呼叫处理流程；
接入网的范畴扩大到BTS、BSC、LAN及HFC；
终端移动和号码携带处理概念的统一；
接入连接区（ACS）和主数字终端（HDT）概念将广泛使用。
3 结语

——总而言之，宽/窄带混合交换系统是近年来悄然兴起的“过渡期”产品概念。其目的是放弃“学究式的急论和一步到位的幻想”，本着循序渐进、互为补充、按需发展的现实主义原则，综合应用STM、ATM、IP、Mobile等方面的成熟技术与经验，奉行“有限目标”、“阶段演进”的实践方针，强调“弹性化系统结构”的包容性，充分体现在渐进过程中“接受新概念、容纳新技术、提供新应用”之思想精髓。笔者相信，在可以预见的未来混合交换系统必定是极富生命力的。

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