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电路、干线和交换机

       和Internet一样,所有的电话网络也是由一些基本的硬件设备组成。构成Internet的基本硬件包括主机(基于TCP/IP协议的用户设备或计算机)、局域网(LAN,通常是以太网)、接入路由器(作用是把局域网与Internet业务供应商ISP连接起来)、核心路由器(作用是在连接路由器和ISP之间传递IP分组)和用来连接所有路由器的广域网链路。而PSTN的一些基本硬件设备儿乎与Internet相同,包括电话(相当于用户设备)、用户环路(相当于局域网)、局用交换机(相当于接入路由器)、局间电话交换机(相当于核心路由器)和在交换机之间的主干线路(相当于连接路由器的链路)。
       但是,这并不意味着Internet和PSTN之间没有什么差别,或者说它们之间的差别不大。不管是用于把接入路由器连到ISP处还是连到核心路由器上.Internet在路由器之间的连接线路都叫链路。而PSTN在接入线路(也叫做本地环路)和主干线路之间是有区别的,主干线路的作用是在话音交换机之间复用话音信道。虽然都使用无屏蔽双绞铜线,把用户线路连接到局域话音交换机上的链路叫做接入线路,而连接各话音交换机之间的链路叫做主干线路。Internet的网络结点叫做路由器,而PSTN的网络结点叫做交换机。这些仅仅是一些基本的差别。
       PSTN的基本结构如图3-1所示。在确切地阐述通话时电话网络的具体运作之前,还要讨论许多细节问题。
PSTN网络基本组成
图3-1   PSTN网络基本组成
       所有的电话网络用户都是通过一种设备与电话网络交互作用。如图中所示,最为普通的设备就是电话机,其他普遍使用的设备还有计算机调制解调器和传真机。电话机都是通过本地环路(更为确切地说是接入线路)。
       连接到PSTN的网络结点,即中心局用交换机。接入线路一般都是使用一对双绞铜线,然而许多复合双绞式话音信道是以某种配置方式复用到几对铜线上的,这些配置方式包括线对增容系统(因为这一系统能够为其他用户增容)、数字环路载波系统(DLC)和载波业务系统(CSA)。但在图3-1中并没有体现出这些配置方式,主要是由于这些网络配置策略的目的仍然只是把大量的接入线路连接到中心局(CO)上。
PSTN
       中心局用交换机的主要任务就是依据电话机的网络地址(电话号码)把发端和收端两端的接入线路连接在一起。PSTN是一种面向连接的电路交换网络,在这种网络中,如果在发端和收端之间没有建立连接的话,在发端和收端之间将不能传递任何信息。如果发端和收端的电话设备是连接在同一个中心局用交换机上,则二者之间的通信就容易多了。但是,如果收端处的电话机是在另一个交换机的接入线路终端上,那么处理起来就要困难一些,实际上收端处的电话机可以在世界的任何地点。如果需要连接的接入线路处在不同的交换机上,则话音连接必须使用主干网络,主干网络是用来连接电话交换机,而不是用来连接电话设备的。虽然有时并不十分必要,但许多话音信道在主干网络上传输时还是按一定规则复用过的。主干线路更多的是使用同轴电缆、光纤或者微波站,但个别的也可以使用与接入线路·样的双绞线。
       图3-1还展示了信令网,它的功能是把发端和收端的网络地址(即电话号码)发送到收端的交换机上,并在主干网络上建立通话时的话音信道(图中用箭头标出)。也就是说,在主干网络上建立通话所必须的所有话音连接都是由信令网完成的,这种信令网叫做七号信令系统(SS7)。但是,在一些老式的交换机上,可能用不了七号信令接口,在这种情况下,干网络本身就要求能够在交换机之间传递信令信息。
       因为信令网和Intcrnet有些相似,它基本上是一种无连接型分组交换网络,所以信令网对于理解PSTN和Internet之间的异同点是非常重要的。
       从PSTN可以很容易地实现部分Internet功能:把PSTN中从拨号键到话音的任何事件都当作呼叫建立信息来对待,把这些信息从发端到收端在信令网上无连接地发送,不考虑整个主干网络,这就是下一章要深入讨论的一个问题。
       在图3-1中还有一些其他的要素,就是商亚用户使用的个人专用交换机(PBX)。早些时侯Alexander GrahamBell公司每月对商业用户的收费是住宅用户的二倍(商业用户是每月40美元,而普通住宅用户每月是20美元),PSTN直对住宅用户和商业用户区别对待。这就是考虑到在办公室打电话的人比在家里打电话的人要多,所以打电话越多收费就应该越高。在很多情况下,商业用户通常会在内部使用PBX系统。连接各个PBX的链路被称为中继线,通常这些中继线都是复用话音信道的;PBX到各个电话机之间的链路部分是接入线路。
电话网络
       还有另一个比较普遍的商业配置方案,即集中式用户交换设备,但由于它仅仅是住宅用户接入线路结构的一种变形,所以在图3-1中并没有把它画出来。规模较小的商业用户可能并不需要费用很高、非常复杂的PBX,于是就为特殊的商业用户设计了集中式用户交换设备,它能为特殊的商业用户提供一些基本的中心局用交换机的功能。集中式用户交换设备需要使用和局中电话门数相同数量的接入线路,而且话音信道也必须是复用的。
       主干网络组成了PSTN的主干网,与此类似,核心路由器构成了Internet。主干网络由许多话音交换机和复用链路组成,但主干网络中的交换机没有接入线路连接,主干网络上的连接都是由十线到十线的。如果把每一个中心局用交换机都用点点相连的方式连接起来会非常昂贵,所以主干网络只能是这种千线到千线的连接。根据实际业务量情况,一些中心局用交换机与它们相邻的交换机之间可能会有直达干线。然而,更为普遍的方式是通过信令网把电话呼叫发送到干线上去,再到市话汇接局。市话汇接局更像是一个二级的,在汇接中仅包含干线交换的区域中心局交换机,这就是汇接局名称的由来。PSTN总是首先寻找到达收端交换机的直达主干线路,如果在路由表上找不到空闲的主干线路,或者直达干线不存在,那么PSTN就通过市话汇接局来转接。
       如果市话汇接局也找不到到达收端的干线,那该怎么办呢?事实上,北美地区(美国和加拿大)使用了一整套等级制的长途交换机体系。即使像GTE那些不属于贝尔系统的独立的电话公司对长途交换机也是分层次的,如果在某一个层次上(如市话汇接局这一层次)不能完成一次呼叫那么这次呼叫将被提升到一个更高的交换和干线层次上、直到找到一条可用的干线话音信道并建立连接为止。但有些时候如母亲节、感恩节、圣诞节,线路可能非常忙,根本找不到空闲的线路,电话就无法打通了。在贝尔系统中,交换是分成五个层次进行的。最高一层是在北美有十个叫做大区中心的交换中心,这十个交换中心是点点相连的,且每两个交换中心之间都有数量巨大的干线路由。这一层次之下是第二层的地区交换中心,然后是第三层的一级交换中心、第四层的长途交换中心,最后是第五层的市话汇接或市话环路中心。在贝尔系统中,贝尔运营公司(BOC)管理着这五级的交换和中继,而AT&T长话运营公司经营其他业务,它基本控制着长途电话业务的经营。
       在第一层之下各交换中心的实际数目是变化的。图3-2展示了前面提到的贝尔系统交换与干线的层次结构。表3-1显示了1980年左右贝尔系统和其他一些独立的电话公司在各个层次上交换机的大概数量。由于建造整个国家的主干网络无论过去还是现在都是非常艰巨而且耗资巨大的工程,所以AT&T在长途电话通信领域一直保持着主导地位。
1980年左右的北美骨干电话网络
图3-2   1980年左右的北美骨干电话网络
表3-1   1980年左右贝尔系统和其他一些独立的电脑公司大约的交换机数
交换机数
       在图3-2中水平的划线把完全由地方电话公司设备承载的市话业务和长途电话业务分离开来。收费长途电话就和收费公路相似,它和通常的电话呼叫是一样的,只不过建造和使用时的费用要高些。还有本地收费电话,不过,所有的长途呼叫都是收费电话。在贝尔系统中长话业务是由AT&T长话公司在最近的收费中心处理的。图3-2中的箭线表示通过高效直达干线(HUT)在网络中传递呼叫的各种可用捷径。举一个例子:如果在图3-2的左端产生一个电话呼叫,那么长途局总是先寻找一个到达目的地中心局的直达干线,如果这样的干线忙或者无效,则长途局会尽量寻找到达离目的地中心局最近的长途局干线。如果这样还不能接通,长途局可以把电话呼叫向一层更高次传递。
       一些Internet的老手接触到电话网络时,可能会被一些专业术语弄晕。一些高速路由器甚至连局域网集线器都被统一称为交换机,但是当一个电话专家在说中心局用交换机时,就完全不是这个概念了。由电话公司开发的每一种类型的网络节点传统上都称为交换机,这样就有了X.25分组交换机、顿中继交换机、ATM交换机的说法,但它们在功能上和话音交换机是完全不同的。当然,术语的统一并不是任意的,因为所有的网络节点交换机,包括话音交换机在内,确实有一些共同点。
       另一方面,Internet形成的初期,最初的网络节点称为接口信息处理器(IMP),后来变成了网关。而路由器一词是相当晚的时候才出现,用路由器一词在某种程度上只是表明Internet网络节点处理分组的方法与电话网络节点处理分组的方法是完全不同的。
       最重要的是,Internet是一种广域的无连接型网络,也就是说在路由器之间没有定义任何的连接,这些路由器为使IP分组能够在路由器之间传递而建立了固定路径。也许在客户机和服务器(二者都是主机)之间会有端到端的连接,但这是在TCP层建立的连接,而这些连接在IP路由器中就不再起作用了。实际上,Internet是第一个在网络节点操作中采用无连接方式的大型广域网,局域网也是无连接的,而利用无连接型的广域网来连接无连接型的局域网正是Internet的优势所在,分组不必通过路由网络的固定路径传递,却可以在发端路出器到收端路由器之间寻找最佳的路径来传递(路由器使用了最优路由策略)。如果前面分组选择的A到B的链路中断,那么后面的分组可以选择其他的路径,在Intcrnct中分组可以绕过出现故障的路由器或者链路。
       在一个如PSTN这样面向连接的网络中,除非在通信两端之间建立了比特流可以通过的网络路径,否则比特流在发端和收端之间将找不到通路,无法传递。比特流可以是数字化话音、X.25分组、帧中继的帧或者是ATM信元。比特流的种类并不重要,只有连接才能决定所有比特流传递的路径。
       诸如PSTN这样面向连接的网络都有三个不同的操作阶段:首先是连接建立阶段(电话呼叫时,通常也把这一阶段叫做呼叫建立阶段),在PSTN中,这一阶段是由信令协议或为完成这一操作而使用的一系列规则来完成的;其次是信息传递阶段,也就是已建立连接的双方开始交谈;最后是连接释放阶段,也叫做切断连接或呼叫终止。最后这一阶段同样也使用信令协议来释放在连接中被锁定的网络资源,以便终端可以再去建立其他连接。而无连接型网络则没有第一和第三阶段,要做的事情就是数据传输。如果一个路由器有一个要在某一时间发送到某一地点的分组,那么它要做的事情就是发送而已。图3-3展示出面向连接的网络和无连接的网络在实际操作中的根本区别。
网络操作
图3-3 
       很显然面向连接的网络传递信息要比通过无连接的网络传递信息需要更多的时间。建立连接需要时间,在连接建立阶段用户也不可能做其他的事情,而且信令协议又使网络更加复杂,且更加品贵。Internet在网络节点间没有任何连接的情况下已经可以很好地处理信息了,为什么PSTN还要面向连接呢?连接会给像PSTN这样的话音网络增加什么价值呢?结果可能是没有带来多少价值。Internet正在努力提供PSTN用户所需的特性。