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软交换技术产生背景及发展历程

        软交换技术的提出有着深厚的历史背景和技术背景。它是一种应用于电话交换控制的新技术的通用名称,是PSTN逐步向IP网络演进过程中出现的概念,具有解决传统电路交换机缺陷的潜力,顺应了基千电路交换的语音网和基于分组交换的数据网融合的趋势。软交换技术能有效降低语音交换的成本,提供了开发差异化电话服务的手段,而且随着多媒体业务的快速发展,软交换将进一步承担起分组交换网中语音、数据、视频等各种媒体交换的实时控制任务。软交换将是下一代网络的控制核心,如果说传统的电信网络是基千程控交换机的网络的话,那么NGN则是基于软交换的网络。采用软交换技术实现传统电信网络向NGN的过渡业已成为人们的共识。
软交换技术产生的背景
软交换概念的提出是网络交换技术不断发展的结果。软交换概念源于传统交换技术的发展,并吸收了互联网语音技术的最新发展成果,将传统电路交换机的体系结构进行分解,引申到分组交换网中,并加入了接口开放、结构分层等新内容,从而形成了一种新的实时分组语音交换控制技术。从整体架构上来说,软交换系统完全可以对应千目前PSTN上广泛使用的程控电话交换机。下面就沿着传统电话交换技术的发展历程这一主线来简要分析软交换技术产生的背景。
交换技术的发展历程
对电信行业而言,交换是一个非常重要的概念。电话通信发明后不久就产生了交换技术。交换技术是为了减少线路投资而采用的一种传递信息的方法。如下图A所示,假设有5个用户需互通信息,如不采用交换技术,则需逐个相连,所需线路数为n(n—1)/2(n为用户数)。若采用交换技术后,所需的线路数为n,如下图(b)所示。由此可见,采用交换技术后,可大大减少线路的重复投资。
交换技术的基本概念
交换技术的基本概念
交换技术是现代通信网的核心技术,其发展演进走过了漫长的历程。随着新技术的发展,交换概念的内涵开始不断进行扩展,不仅涉及对延时敏感的语音交换,而且包含数据交换和视频交换,其外延则一直延伸至广义的信息交换。
总体而言,交换技术发展至今,已产生了两种主要的模式:一种是电路交换(CircuitSwitching),传统电话通信就属千电路交换的一种;另一种称为分组交换(PacketSwitching,或称为包交换),大屉应用于计算机之间的通信。
1. 电路交换
电路交换是传统的交换方式,固定电话网(PSTN网)和移动电话网(包括GSM网和CDMA网)采用的都是电路交换技术。电路交换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(64kbit/s或NX64kbit/s),通信双方在信息交换过程中将一直占用所分配的资源,直到通信结束。
电路交换必须要经过链路建立、信息交换、链路释放3个阶段,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,特别适用于语音的交换,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。
电路交换的发展经历了两种基本模式:空间分割交换和时间分割交换。空间分割交换主要用千模拟交换机,指的是输入实线与输出实线的连接,由空分接线器完成这种实线连接;时间分割交换主要用于数字交换机,指的是输入链路时隙与输出链路时隙的连接,由数字接线器完成这种链路时隙间的连接。
(1)空间分割交换
早期的电话通信,依靠交换机内的继电器簧片的闭合与断开来实现,属千空间分割交换。空分接线器利用机械或电子连接点接通主、被叫话路。下图是一个小型交换机的空分接线器示意图。假设话机1要与话机3通话,若线路1空闲,则交换机控制部分占用线路1'并将话机1、3所对应的用户电路分别接通线路1,话机1和话机3通过公共线路1进行通话。
空间分割电路交换基本原理
空间分割电路交换基本原理
(2)时间分割交换
随着数字技术的发展,出现了另一种电路交换形式:时间分割交换,其基本交换原理如图2.3所示。假设两个用户分别占用PCM(PulseCodeModulation,脉冲编码调制)中的两个时隙TS3和TS19,利用时分接线器可完成相互之间的信息交换。控制器首先将输入端TS3时隙和TS19时隙内的信息单元分别写入相对应的存储器中,然后在输出端TS3时刻到来时由控制器读出存储在TS19单元中的信息,在TS19时刻读出TS3单元中的信息,这样就完成了TS3与TS19间的信息交换。
时间分割电路交换基本原理
图2.3时间分割电路交换基本原理
上述这种接线器称为顺序写入、控制读出接线器。还有一种称为控制写入、顺序读出接线器,其基本原理是不同PCM线之间的时隙交换依靠窄分接线器(数字开关电路)来完成。从微观上看,交换机内部并没有一条物理链路存在,但是这种时隙互相对应的关系在交换时保持不变,而且是属于同步信息交换,所以其实质上还是属于电路交换的范畴。目前,时间分割交换大量应用千数字程控交换机中。
2. 分组交换
(1)分组交换基本原理
分组交换利用存储转发原理来实现信息的交换,分组交换的信息是数字化的信息,如计算机中的数据流和语音、图像信号经数字编码设备抽样、量化后产生的比特流等。
分组交换首先通过分组设备将需要传送的信息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,称为分组(Packet,也称为包),如图2.4(a)所示。一个分组由标志、地址信息、控制信息、数据信息、CRC(CyclicalRedundancyCheck,循环冗余码校验)字段组成。标志字段表示一个分组的开始;地址信息字段包括源地址和目的地址,用来选择路由;控制字段包含流控制、错误控制等信息;数据字段中包含要交换的信息;在数据字段后有CRC校验码。
分组交换基本原理
图2.4分组交换基本原理
        在进行分组交换时,分组交换机首先将分组信息存储起来,然后根据地址信息字段及控制信息字段选择一条最佳路由传送给接收方。分组交换的特点是比较有效地利用了网络资源,传输路由可靠性高等。分组交换也有两种基本模式:一种是数据报方式;另一种是虚电路方式。分组交换的这两种形式广泛用于计算机局域网(LAN)和广域网(WAN)中。
        数据报方式如图2.4(b)所示。每传送一个分组,分组交换机就要根据分组中的有关信息来选择一条通向目的地的路由。由于传送路由的不同,各个分组到达目的地的先后次序也可能不同,接收端需要按分组中的控制信息字段将分组重新排序,以便使分组的次序与发送端一致。数据报方式是一种无连接的服务,对于少量信息的发送效率很高,对千网络故障的适应能力较强,但各个分组的传送时延有不确定性。
虚电路方式如图2.4(c)所示。在传送一个分组之前,发送端预先向分组交换机发送建立连接的信息。由交换机建立一条通向目的地的逻辑路由,然后通过这条路由传送信息,信息传送结束后也有拆路的过程。由千信息通过同一逻辑路由传送,所以分组到达对端的次序与发送端一致,并且时延可以确定。之所以称为虚电路,是因为在一条物理链路上可以产生多个逻辑连接,而不像电路交换那样独自占用一条物理链路。虚电路方式主要应用于数据屋大、时延要求小的场合。由千虚电路方式是面向连接的服务,所以有建立连接、释放连接的额外处理开销。
(2)分组交换应用模式
目前分组交换技术在通信网中的应用,主要有ATM交换和IP交换两种实施方式。
A、ATM交换技术
由千分组交换技术的广泛应用和发展,出现了传送语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,包括语音业务、数据业务和图像信息。由此在20世纪80年代末由CCITT(国际电报电话咨询委员会,即现在的ITU-T)提出了宽带综合业务数字网CB-ISDN)的概念,并提出了一种全新的技术ATM(AsynchronousTransferMode,异步传输模式)。
ATM技术将面向连接的传输机制和分组交换机制相结合,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,但是该连接并不独古某个物理通道,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长度固定为53B的分组,称为信元(Cell),以信元为单位在虚通路(VCC或VPC)上进行交换,大大加快了交换速度。
ATM另一个突出的特点就是提出了保证QoS的完备机制,同时由千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,网络只负责估息的交换和传送,从而使传输时延减少,所以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,利用ATM交换的高速处理和对QoS的保证机制,提供半永久的连接。
B、IP交换技术
IP(InternetProtocol,网际互联协议)技术来源于20世纪60年代末期美国国防部高级研究下程组织(DARPA,DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)的研究项目,其指导思想是要研制一个能经得起故障考验(战争破坏)而维持正常工作的计算机网络。
1972年ARPAnet正式亮相,该网络建立在TCP/IP协议之上,能够将不同的异构网络进行互联,这就是Internet的前身。1986年,美国国家科学基金会(NSF)建立在TCP/IP协议集上的NSFnet向全社会开放,从而促进了Internet的快速发展。此后,随着Internet在全球范围内的普及,IP技术广为流传,已经成为一种事实上的开放系统互联标准。
在IP交换技术中,TCP/IP是互联网的基础协议,它规范了数据在网上打包、寻址、选路的标准,该协议简单灵活,能使网络资源得到充分利用,代表了网络无连接和全球寻址的趋势。TCP/IP协议框架中的IP层对应于OSI参考模型中的网络层,完成路由选择和分组转发功能(IP网并未规定物理层与链路层的传输采用何种通道与协议),TCP对应千OSI中的传送层,完成端到端之间的数据收集确认与差错纠正等0IP协议不需要预先建立连接,而直接依赖于IP分组报头信息决定分组转发路径,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。传统的IP交换对QoS没有足够的保证,基于IP技术的分组网以无连接模式传送不定长数据包,信息转发采用尽力而为的方式,网络可扩展性强。
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,基千TCP/
IP的网络技术已成为传送数据业务的主导技术。尤其是随着宽带IP技术的发展,包括语音、数据和图像在内的各种业务均能在IP网上进行,即所谓的"EverythingoverIP"。
3. 电路交换与分组交换的比较
电路交换技术主要适用于传送和语音相关的业务,这种网络交换方式对千数据业务而言,有着很大的局限性,而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。这两种交换模式具有各自鲜明的特点,现简要比较如下。
叩电路交换的效率比较低。以时分交换为例,其速率可达64kbit/s(约8000个字符),而实际上在交换语音信息时远远达不到这个值,尤其是通话者不讲话时信道仍然占用着。而分组交换属于统计时分复用,其效率为“数据/(数据+额外开销)'\额外开销是指分组中除去数据字段外的其他字段,其效率比电路交换高得多,比较有效地利用了网络资源。
@电路交换对信息的差错要求不高。如用时分交换技术传送语音信息,每秒几个比特的差错不足以引起语义的畸变。而在分组交换中,其最小的信息单元是比特,某个比特的差错会造成信息含义截然不同,所以分组交换有严格的差错控制、流量控制,使误码率在10-10以下,但同时也增加了额外开销,增加了设备的复杂性。
@电路交换的时延比较小,分组交换的时延比较大,这主要是由分组交换的存储转发机制引起的。对千实时性、交互性强的信息交换,分组交换就不大适合。但随着快速分组交换技术的出现,分组交换中时延大的缺点也逐步得到克服。
@因为分组交换利用存储转发来实现信息交换,所以很容易进行各种通信处理,如变速、协议转换、路由选择、同时发给多个目的地址等,而电路交换就很难实现。另外电路交换在信息交换过程中其连接是不能改变的,而分组交换可以根据网络状况选择不同路由,所以其传递信息的路由可靠性高。
从技术比较上看,电路交换适用于低速、但交互性强的语音通信等,而分组交换则大植应用于计算机之间的高速、可靠的数据通信。目前数据业务量的迅猛增长正刺激着对传送技术和分组交换技术的快速进步的需求。
随着分组交换技术的发展,语音服务也开始逐渐采用分组交换技术,尤其是随着Internet的出现和发展,在基千分组交换技术的数据网上提供分组语音业务成为可能,也为运营商提供了新的低成本的投资点。分组语音的革命从20世纪90年代中后期就一直
缓慢但稳定地积累着动力。由于在电路交换领域并没有可与分组交换相比的技术革新,从交换技术的发展趋势看,未来网络将从电路交换过渡到分组交换的趋势已经非常明朗,通信业内也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,最终提出了基于分组交换技术的软交换概念。