电信网络交换技术的发展及趋势

2019-11-05 01:35:12

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供稿：网友

　　一、网络交换技术发展历程
　　1．电路交换技术
　　
　　网络交换技术共经历了四个发展阶段，电路交换技术、报文交换技术、分组交换技术和ATM技术。公众电话网（PSTN网）和移动网（包括GSM网和CDMA网）采用的都是电路交换技术，它的基本特点是采用面向连接的方式，在双方进行通信之前，需要为通信双方分配一条具有固定带宽的通信电路，通信双方在通信过程中将一直占用所分配的资源，直到通信结束，并且在电路的建立和释放过程中都需要利用相关的信令协议。这种方式的优点是在通信过程中可以保证为用户提供足够的带宽，并且实时性强，时延小，交换设备成本较低，但同时带来的缺点是网络的带宽利用率不高，一旦电路被建立不管通信双方是否处于通话状态，分配的电路都一直被占用。
　　
　　2．分组交换技术
　　
　　电路交换技术主要适用于传送和话音相关的业务，这种网络交换方式对于数据业务而言，有着很大的局限性。首先数据通信具有很强的突发性，峰值比特率和平均比特率相差较大，假如采用电路交换技术，若按峰值比特率分配电路带宽则会造成资源的极大浪费，假如按照平均比特率分配带宽，则会造成数据的大量丢失。其次是和语音业务比较起来，数据业务对时延没有严格的要求，但需要进行无差错的传输，而语音信号可以有一定程度的失真但实时性一定要高。分组交换技术就是针对数据通信业务的特点而提出的一种交换方式，它的基本特点是面向无连接而采用存储转发的方式，将需要传送的数据按照一定的长度分割成许多小段数据，并在数据之前增加相应的用于对数据进行选路和校验等功能的头部字段，作为数据传送的基本单元即分组。采用分组交换技术，在通信之前不需要建立连接，每个节点首先将前一节点送来的分组收下并保存在缓冲区中，然后根据分组头部中的地址信息选择适当的链路将其发送至下一个节点，这样在通信过程中可以根据用户的要求和网络的能力来动态分配带宽。分组交换比电路交换的电路利用率高，但时延较大。
　　
　　3．报文交换技术
　　
　　报文交换技术和分组交换技术类似，也是采用存储转发机制，但报文交换是以报文作为传送单元，由于报文长度差异很大，长报文可能导致很大的时延，并且对每个节点来说缓冲区的分配也比较困难，为了满足各种长度报文的需要并且达到高效的目的，节点需要分配不同大小的缓冲区，否则就有可能造成数据传送的失败。在实际应用中报文交换主要用于传输报文较短、实时性要求较低的通信业务，如公用电报网。报文交换比分组交换出现的要早一些，分组交换是在报文交换的基础上，将报文分割成分组进行传输，在传输时延和传输效率上进行了平衡，从而得到广泛的应用。
　　
　　4．ATM技术
　　
　　分组交换技术的广泛应用和发展，出现了传送话音业务的电路交换网络和传送数据业务的分组交换网络两大网络共存的局面，语音业务和数据业务的分网传送，促使人们思考一种新的技术来同时提供电路交换和分组交换的优点，并且同时向用户提供统一的服务，包括话音业务、数据业务和图像信息，由此在20世纪80年代末由原CCITT提出了宽带综合业务数字网的概念，并提出了一种全新的技术——异步传输模式（ATM）。ATM技术将面向连接机制和分组机制相结合，在通信开始之前需要根据用户的要求建立一定带宽的连接，但是该连接并不独占某个物理通道，而是和其他连接统计复用某个物理通道，同时所有的媒体信息，包括语音、数据和图像信息都被分割并封装成固定长度的分组在网络中传送和交换。ATM另一个突出的特点就是提出了保证QoS的完备机制，同时由于光纤通信提供了低误码率的传输通道，所以可以将流量控制和差错控制移到用户终端，网络只负责信息的交换和传送，从而使传输时延减少，ATM非常适合传送高速数据业务。从技术角度来讲，ATM几乎无懈可击，但ATM技术的复杂性导致了ATM交换机造价极为昂贵，并且在ATM技术上没有推出新的业务来驱动ATM市场，从而制约了ATM技术的发展。目前ATM交换机主要用在骨干网络中，主要利用ATM交换的高速和对QoS的保证机制，并且主要是提供半永久的连接。
　　
　　二、电路交换技术和分组交换技术的融合
　　1．综合交换机技术
　　
　　虽然ATM技术没有让人们实现“综合业务”的梦想，但人们一直在寻找一种途径试图实现在一个网络上提供各种业务，电信运营商也希望能够充分利用现网资源，尽量为用户提供丰富的业务。首先提出的技术就是综合交换机技术，主要是通过对现有的电路交换网络进行改造，来达到同时支持电路交换和宽带交换（包括ATM交换和ip交换）的目的。许多厂家也先后开发了综合交换机，并且相关的行业标准《综合交换机技术规范》也已经制定和颁布。综合交换机具有窄带交换机的功能，同时还要具有宽带交换机的功能。目前的综合交换机的实现方式主要有两种：一种是采用混合交换节点的方式，在交换机内部配置有多个独立交换矩阵，即电路交换矩阵、ATM和IP分组交换模块，传统的PSTN呼叫还主要由电路交换模块进行处理，和宽带相关的业务则交由宽带分组处理模块进行处理，当两个模块之间需要交互时需要进行协议转换。另一种是采用融合交换节点的方式，综合交换机内部基本上只有一个单一的ATM或IP交换矩阵，例如上海贝尔的宽带交换机S12 P3S即直接采用ATM技术作为核心交换技术，所有的媒体信息都转换成ATM信元在交换机内部进行处理，对外则同时支持电路交换网、ATM网和IP网。采用融合方式的综合交换机由于内部已改为统一的交换平台，在灵活快速的业务部署方面有很大的优势。综合交换机由于综合多种功能，所以造价也比较高，主要用在业务量较大的关口局和端局，不适合全网推行。
　　
　　2．IP电话技术
　　
　　综合交换机主要是采用对电路交换机进行改造的方式来支持分组交换的方式，在探索电路交换技术和分组交换技术融合的过程中，人们同时也希望能够利用分组网络来传送话音业务，此时基于Web应用的出现，Internet网络以惊人的速度发展起来，并最终发展成为一个全球性的网络，人们使用Internet网络来得到各种服务。Internet网络是基于IP技术，属于分组交换技术，采用尽力而为的方式，对每个分组根据路由信息和网络情况独自进行传输和选路。Internet网络主要用来传送数据业务，伴随着Internet的巨大成功，已使IP技术成为未来信息网络的支柱技术，基于TCP/IP的网络技术不仅成为传送数据业务的主导技术，而且传统的电信运营商开始尝试使用IP技术来传送话音业务。现在传统的电信运营商一般都组建了自己的IP网络，除了在IP网络上提供目前利润相对较低的数据业务之外，运营商希望能够充分利用现有资源向用户提供丰富的业务，最主要的是话音业务，目前话音业务仍然属于运营上最主要的收入来源，最早出现的在分组网上传送语音业务的应用就是IP电话技术。
　　
　　IP电话技术目前已经成为人们比较熟悉的业务，主要采用H.323系列协议，包括负责呼叫建立的信令协议H.225和负责建立媒体通道的H.245协议，语音业务采用RTP分组的方式在IP网中进行传输。IP电话的语音质量虽然没有传统电路交换网向用户提供的语音质量高，但H.323协议被普遍认为是目前在分组网上支持语音、图像和数据业务最成熟的协议，目前在IP电话领域得到广泛应用。世界上有很多利用H.323协议组建的VoIP网络正在运营。但H.323的有些缺点也很明显。首先，H.323协议中的呼叫控制信令是以Q.931为基础的。Q.931协议是一种基于UNI接口的协议，协议本身比较简单，没有关于NNI接口的定义。这在专用网内实现计算机－计算机的呼叫没有问题，但要提供全国性业务及PSTN-to-PSTN连接则必须依靠NNI接口。其次，H.323网络中使用的是集中式的网关，网关要同时处理媒体流和信令流，在处理能力上也限制了H.323网络的发展。目前，ITU-T借鉴IETF相关规范的经验，在进一步扩展和修订H.323系列协议。另外，和SIP相比较，H.323协议的可扩展性较差，并且为了在H.323网络提供类似在电路交换网络上向用户提供的业务，许多厂家都对H.323协议进行了扩展，所以不同厂家的H.323设备之间的互联也是一个H.323网络发展所面临的一个重要问题。
　　
　　但是IP电话的成功应用和相当程度的市场占有份额让人们看到业务融合的曙光，人们逐渐熟悉在分组网上可以传送话音业务，并且可以达到较为理想的通信效果。并且分组交换具有很多潜在的性能优点，一个优点是高效利用传输通道的通信能力，尤其是对突发传输更是如此。尽管语音所表现出的突发性没有交互式数据那么突出，但还是以突发期/静音期的方式表现出一定的突发性。平均突发期的长度取决于所使用的静音侦测器，在典型的电话交谈中，单个语音源只有大约35-45%的时间里是活动的。另外一个优点是统计复用，这样呼叫阻塞是所需平均带宽，而不是峰值带宽的函数。因此在传输控制，计费等方面的可以更灵活。正因为这些优点，因特网语音应用，尤其是IP电话，已经成为“三网合一”大潮中最引人注目的应用之一。
　　
　　三、软交换技术
　　随着IP电话技术的发展，通信业内基本上达成了未来电信网络的核心将采用分组交换技术的共识，并且在这种共识之下，针对目前IP电话技术所存在的缺点从技术角度进行了改进，首先是将网关呼叫控制和媒体交换的功能相分离，并最终提出了软交换的概念。软交换技术虽然仍然采用分组网络作为承载网络，但是从技术角度来讲，软交换技术仍然可以看作是交换技术发展的又一个里程碑。传统的电路交换和分组交换网络在每个网络节点上都集中了太多的智能，在电路交换网络中，网络节点不仅要负责呼叫控制，处理所有和呼叫相关的信息，同时还需要负责进行话音通路的建立，同时，在电路交换网络中，许多业务都需要在网络节点上配置相关的业务逻辑，目前许多业务都需要在端局上作数据，这样也制约了业务的及时提供。在以H.323网络为代表的分组交换网络中，如上所述网关设备也需要同时进行呼叫控制和媒体流的建立，分组的处理时延较长并且对网络节点的要求也比较高。软交换技术提出的一个新的概念就是将呼叫控制、承载建立、业务逻辑相分离，各实体之间通过标准的协议进行连接和通信，在网上可更加灵活地提供业务。其中的软交换设备实际上是一个基于软件的分布式交换/控制平台，是实现传统程控交换机“呼叫控制”功能的实体。它将呼叫控制功能从传统的网关中分离出来，公开业务、控制、接入和交换间的协议，从而真正实现多厂家的网络运营环境，并可方便地引入多种业务。
　　
　　采用软交换技术组建电信网络正在从试验阶段走向商用阶段，国内外的各个运营商都对软交换技术倾注了极大的热情，希望能够利用软交换技术来达到拓展业务种类、增加市场份额的目的。从标准的角度来讲，国内外的标准机构都在加紧制定和软交换技术相关的一系列技术规范，标准上不仅将软交换技术作为固定网络发展的核心技术，而且移动网络也将软交换技术作为未来网络的核心技术。软交换技术从提出、发展到完善和成熟，还需要经历技术的考验和市场的考验。但从技术的角度来讲，软交换技术的提出有着深厚的历史背景和技术背景，可以预见，软交换技术必定会成为未来网络发展过程中一个重要技术。

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