交換模式的變遷

2019-11-03 10:11:23

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交換模式的變遷　　從電報、電話到數據通信，通信網絡的交換模式似乎在演繹著“異步－同步－異步”的輪回，但這絕非是簡單的重復，而是一種更高層次的回歸，是哲學上“否定之否定”原理在通信發展史上的印證，是在帶寬極大豐富和信息流向控制能力產生質的飛躍的情況下出現的必然現象。　　交換模式變革的原始動力來自技術進步。在通信資源奇缺、電路復用技術落后的時代，低速率、大時延、存儲轉發式的電報通信是最佳的方式；載波技術的發展和計算機程序控制的出現，為低時延、基于電路交換的電話通信創造了良好的發展條件；而當光纖通信把帶寬變得異常豐富，分組交換能夠使異步方式同樣實現實時通信，計算機與通信的融合開辟出廣闊的應用空間，數據通信作為新時代的驕子，逐漸成為電信舞臺上的主角。新一代的數據通信網與電報通信網的本質區別在于，它將能夠以異步方式實現實時通信，在充分滿足人們對通信質量要求的同時提高了帶寬的利用率。技術的進步，為傳統電信業務的融合和新業務的誕生提供了真正的動力。　　電報的誕生開辟了電信時代。在電路資源極其有限的時期，獨占電路的實時通信十分困難，于是通過存儲轉發方式傳送報文信息成為必然的選擇，因為只有如此才能保證多個用戶共享網絡資源。有趣的是，無論是信號時間上的不連續性、電強度的離散性，還是存儲轉發的交換方式，電報都似乎是今天數據通信的雛形。　　早期的電報很簡單，在一條長長的金屬線兩端各安裝一個裝置，由一端發出控制信號，另一端在收到該信號后立刻作出某種響應，如發出聲響，其原理有點像現在的電子門鈴。隨后，電報技術的不斷改進，開始將簡單的信號組合起來，以表示更復雜的意思。　　1837年，一位名叫莫爾斯的畫家和精通機械的維爾設計出著名的莫爾斯電碼，并于六年后建設了華盛頓到巴爾的摩的電報線路。該電報機是用點（短信號）、劃（長信號）和空白（無信號）的組合來表示字母、數字和符號。這種以斷續電流來表示的莫爾斯電碼，載著信息通過電報線路傳送到遠方。　　電報系統傳送的信號有兩個典型的特征：一是在時間上是間斷、不連續的；二是在電強度上也是不連續的，只有有限的離散值。這說明電報信號有典型的數字信號特征。可以說，電報通信是數據通信最原始的雛形，盡管它傳送的信號速率很低，信息量很少，但是在很多方面與今天的數據通信有很多共同點。　　因為當時傳輸技術非常落后，缺乏有效的復用手段，因此電報通信采用的是報文交換的模式，它不需要在數據源和目的地之間建立一條專用的路徑。報文交換是一個存儲轉發的過程，系統在報文上附加目的地地址，當達到某一節點時，該節點接收整個報文，經過短暫存儲，然后再傳送到下一個節點，如此由一個一個節點地傳送，直至到達目的地。報文交換的線路利用率很高，網絡中的鏈路可以為多個報文所共享；網絡不會出現因負載太重而被阻塞，只會因此造成時間延遲的增加；報文交換是一個存儲轉發的過程，每個節點都可以對數據的傳輸速率和碼型進行變換，這有利于不同速率的數據站之間進行通信；報文交換中可以建立報文優先級，這樣報文傳送的快慢不是以報文到達的遲早而定，而是以報文的重要性而定。此外，報文交換中報文的傳送時間延遲大，因此適用于低速、不要求“會話”方式通信的場合。　　本世紀初，載波和自動交換技術的出現，為話音通信發展鋪平了道路。通信資源變得更豐富，多個用戶能在同一物理線路上相互獨立地進行實時、高質量的通信。而微電子和計算機技術的進步，使電話交換順利走過了從機電制到電子制、從模擬時分到數字空分的躍進。從某種意義上說，20世紀是一個輝煌的電話世紀。　　1876年，美國科學家亞歷山大·貝爾發明了電話。盡管當時很多人對電話持有異議，但是它依然以飛快的速度向前發展。一年后，美國波士頓架設了第一條電話線并開始通話。電話剛剛問世時，一部電話只能固定和對方一個用戶接通，電話使用效率極低。為了增加接通用戶的數目，人們一開始就希望有一個交換系統，以根據需要連接電話網中的任何用戶。1878年，美國的康涅狄格州的紐好恩開通了有20個用戶的第一個市內電話交換所。　　最初的電話交換機是磁石式交換機。話務員接收用戶呼叫信號并根據用戶要求進行人工接續，溝通主叫與被叫間的電話電路。1882年，共電式電話交換機問世，這種交換機仍然是由人工接續，但操作簡單，提高了接續速度。1889年美國人史端喬提出了自動電話交換的設想，并于1891年設計出第一部“步進制”自動電話交換系統。這種交換機是靠電話用戶撥號脈沖直接控制交換機的機械作一步一步動作的。例如用戶撥號“1”，就發出一個脈沖，這個脈沖使接線器中的電磁鐵吸動一次，接線器就向前動作一步。用戶撥號碼“2”，就發出兩個脈沖，使電磁鐵吸動兩次，接線器就向前動作兩步。　　1892年，美國印地安納的拉波特安裝了世界上第一個商用自動電話交換臺，這是電話技術的一次飛躍，標志著電話從此開始進入自動交換時代。　　本世紀初，三極管和濾波器的出現，為載波通信奠定了堅實的基礎。載波通信應用頻率分割多路復用原理，通過調制高頻電波，將各個音頻信號搬移到線路傳輸頻帶內不相重復的頻段上，使之在傳輸過程中互不干擾，從而實現了一對線上同時傳遞多路電話。載波通信為長途通信帶來了新的機遇，它可以充分利用線路實體或微波波道等傳輸媒質中可使用的頻率資源，同時傳送多個音頻電話而不需要每個話路配置一對線或一個波道。　　載波技術的誕生，使通信傳輸線路資源驟然擴大，并有效地推動了新型交換機的發展。1919年，縱橫制自動電話交換機出現，七年后瑞典安裝了第一個大型縱橫制實驗交換局，擁有3500個用戶。縱橫制交換機的名稱來自縱橫接線器的構造，它由一些縱棒、橫棒和電磁裝置構成，控制通過電磁裝置的電流可吸動相關的縱棒、橫棒動作，使得縱棒和橫棒在某個交叉點接觸，從而實現接線的工作。縱橫制自動交換機采用貴金屬接點的縱橫接線器，具有接觸可靠、雜音小、不易磨損等優點。另外，縱橫制交換機還采用了將控制功能與話路分開的公共控制方式，使其具有較高的接續靈活性。　　1946年，世界上第一臺電子計算機問世。1958年，小規模集成電路問世，這標志著以集成電路為代表的微電子技術也進入飛速發展的時期。這些技術進步在通信領域最典型的應用當屬程控交換機。　　1960年，美國貝爾公司試用程控交換機成功，并于1965年5月開通了世界上第一部程控電話交換機，實裝4300門。該機采用電子計算機作為中央控制設備，由計算機軟件來控制接續，屬于程控空分電話交換機。其話路部分采用空分交換方式，每次交換都要占用一條實線話路，直接傳送模擬的話音電流。它的出現，標志著自動電話交換控制技術從機電制布線控制發展到電子制程序控制。　　1970年，法國開通了世界上第一部程控數字電話交換機。隨后，美國、加拿大、瑞典、英國等國相繼開通了程控數字電話交換機。這種交換機由計算機軟件控制接續，其話路網絡采用大規模集成電路。程控數字交換機把話音信號進行脈沖編碼，調制成數字信號，然后在數字信號之間直接進行交換來完成通話。它具有體積小、速度快、可靠性高、容量大、便于開發新業務等優點。程控數字交換機的出現，實現了交換機的全電子化，同時也實現了由模擬空分向數字時分交換的重大轉變。數字交換與數字傳輸技術的結合，可以構成綜合數字網，為一系列非話業務的開展提供網絡基礎。　　程控交換和載波通信是電話時代最典型的技術。電話采用的是電路交換技術，它提供一次性無間斷信道，在通信過程中不會產生明顯時延，非常適用于交互型實時通信。但是實時通信連接要求主叫用戶都是空閑的。用戶之間的鏈路是獨占的，并保持到整個通信過程結束，任何信息靜止空隙都不能被充分利用，因而降低了線路的有效利用率。不過這個時代通信資源遠遠比電報時代豐富，完全能夠實現多個話路在一條物理線路上同時開通，進行高質量、低時延的話音通信，但是實時多媒體通信、海量數據傳遞相對困難。不過，隨著光纖通信和ip技術的出現，帶寬資源變得異常豐富，使分組方式的話音傳遞和數據量遠遠高于話音的實時通信都成為可能。　　20世紀末，微電子、光電子技術以罕見的速度高速發展，通信帶寬資源極大豐富，為以IP為代表的數據通信迅速崛起創造了技術基礎。隨著網絡中數據業務量成為主導，從傳統的電路交換體系逐步轉向以數據特別是IP為基礎的整個電信新框架將是歷史的必然。這種轉變顯然需要漫長的時間，但其對電信業的影響卻是百年來最重大和最深刻的一次。電信業由此融入更宏大的信息產業，從一個先導產業走向一個主導產業。　　數據通信是從50年代初開始，隨著計算機遠程信息處理應用發展起來的。當時它是為計算機遠程信息處理系統服務，該系統大多是面向終端的集中式處理系統。　　從60年代后期開始，分布處理技術迅速發展，計算機通信開始從同種機之間的通信走向異種機之間的通信。1961年，美國蘭德公司提出了分組交換的概念，它的設計初衷是要求網絡能夠經受住故障而維持正常工作，例如當網絡的某一部分遭受攻擊失效時，網絡其余部分仍能保持正常通信。1969年，美國的ARPA網誕生，這是一個以資源共享為目的的異種計算機通信網，它開辟了計算機通信技術的一個新領域——網絡化與分布處理技術。1976年，原CCITT正式公布了著名的X.25標準，為公用數據通信的發展奠定了基礎。也正是在這一時期，光纖通信開始走向實用化，通信傳輸資源迅速擴大，它在為電話網提供更多話路的同時，更為數據通信日后的爆炸式增長提供了最堅實的電路資源基礎。　　70年代末期，大規模集成電路技術和計算機軟硬件技術的發展使數據通信設備的智能化程度大大提高，一種介于永久式連接和交換式連接之間的數據通信技術——DDN逐漸發展起來，它主要是為那些相對固定、業務量很大的用戶提供服務。　　進入80年代，微型處理機像潮水一樣涌向社會，各種各樣的智能終端設備、PC機、多用戶計算機、分布式計算機系統應運而生。為了實現它們之間的資源共享，局域網獲得了高速發展。1983年，TCP/IP由ARPA資助提供給加州大學伯克利分校開發，成為ARPA網上的標準通信協議。此后，開放系統互連參考模型各層的協議被批準為國際標準。1989年，美國國家科學基金網正式對公眾開放，標志著因特網開始走向商業化。　　90年代初出現的幀中繼技術為局域網之間的廣域互聯提供了一種簡捷方便的形式，它采用簡化的分組交換協議，使傳送更加經濟有效，因此從一誕生就獲得了高速發展，而被視為B－ISDN基礎的ATM也開始走向實用化。　　超大規模集成電路和光通信器件的發展，為電信技術提供了最好的硬件支撐。芯片集成度目前正在以每18個月翻一番的速度發展，CMOS線寬很快將達到0.1微米，這意味著每平方厘米上可以分布4000萬個邏輯電路，蜂窩電話可以在單片上集成。光纖通信速率在90年代的10年中增長了100多倍，目前單對光纖實際傳輸容量已達320Gbps，不久商用化的傳輸能力可能超過1Tbps。這一容量意味著一對光纖能傳1000多萬條話路，在0.02秒內傳完30卷大英百科全書！　　90年代中期，一股因特網的浪潮開始席卷全球。它采用無連接、端到端的TCP/IP協議，簡單、實用，適用范圍極其廣泛，很快成為世界上規模最大的計算機網絡。1993年2月，美國總統克林頓提出制訂建設國家信息基礎設施（NII）的構想。9月，美國政府宣布建設信息高速公路計劃。1996年10月1日，美國34所著名大學在芝加哥發起了一個“下一代Internet”項目，采用先進網絡技術和協議，計劃比當時的Internet快100倍。　　計算機廣域聯網的旺盛需求，成為電信網持續發展的最強刺激因素，全球掀起了新一輪網絡建設高潮，豐富多彩的信息業務層出不窮。一批傳統電信公司如AT＆T、BT、NTT等紛紛大規模進軍因特網領域，使因特網用戶群迅速擴大，網絡帶寬不斷提高。計算機和通信兩大領域，自此走向了影響深遠的大融合，人類社會的信息化進入一個嶄新的階段。　　總的看來，數據通信多數采用的是分組交換的模式，它綜合了電路交換和報文交換的優點，既提高了帶寬的利用率，又能夠在一定程度上保證通信的實時性。微電子、光電子、計算機軟件等技術的發展，使網絡的帶寬極大豐富，系統信息流量控制能力不斷提高，分組實時通信得以實現，通信資源能夠最大限度地發揮出應有的潛力。　　歷經百年的電路交換技術，有其明顯的高質量優勢，在可以預見的未來也仍將是提供實時電話業務的基本技術手段，但其基本設計思想是以恒定的對稱的話路量為中心的。對于未來以突發性數據為主的業務而言，效率較低，傳輸成本和交換成本較高。當數據業務量不大時，這種狀態還可以接受；而當網絡的業務量以數據為主時，這種低效率狀態將變得無法容忍。分組化網有著傳統電路交換網所難以具備的優勢，更加適應非對稱的突發數據業務傳輸。顯然，隨著網絡中數據業務量成為主導后，從傳統的電路交換體系逐步轉向以數據特別是IP為基礎的整個電信新框架將是歷史的必然。當然這種轉變不是一朝一夕就能完成的，可能需要漫長的時間，但其對電信業的影響卻是100年來最重大和最深刻的一次。　　從電報的誕生到因特網的崛起，電信業對整個人類社會影響力不斷擴大，同工業時代的電報、電話相比，信息時代的數據通信更具個性化服務的特征，電信業務在各個行業的滲透力達到了前所未有的強度。隨著技術的進一步發展，在可預見的未來，個人通信資源將極大豐富，網絡不再成為信息業務的制約因素，應用作為最活躍的成分將變為電信業競爭的主要陣地。電信業將進入成熟期，并真正融入更為宏大的信息業！

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