通信交换的百年沧桑

  中科院物理所 2018-10-05 16:30:13
文章来源：鲜枣课堂（ID：xzclasscom）
1876年2月，一位名叫亚历山大·贝尔的29岁年轻人，向美国专利局提交了一项发明专利申请并获得批准。这项专利，就是日后影响了整个人类社会进程的通信神器——电话。
亚历山大·格拉汉姆·贝尔
Alexander Graham Bell
在这之后的第二年，贝尔创办了贝尔电话公司（也就是美国AT&T公司和朗讯公司的前身，贝尔实验室的发起者），开始了电话的商业化运营。到了年底，用户数很快就达到了3000户。
没过多久，贝尔又完成了波士顿和纽约之间的首次长途电话实验（相距300多公里），进一步刺激了电话的快速普及。
当时的宣传海报
随着电话数量和通话距离的迅速增加，人们发现，传统的电话连线方式存在很大的问题。
当时的连线方式，是直连模式，也就是1对1模式。
这种模式，适用于最早期用户数量很少的情况。随着用户数增加，就会带来很高的成本。
当采用直连方式，连接N个电话，需要N*(N-1)/2条电话线
例如，10000个电话，就需要49,995,000条电话线
于是，人们开始引入了“交换（switch）”的概念。
所谓“交换”，就是“进和出”。交换机，就是控制消息从哪里来，到哪里去。有了交换机之后，将大幅减少线缆和线杆成本，并且有利于管理和维护。
N个电话，只需要N条线
1878年，也就是电话发明两年后，世界上最早的电话交换机出现了。这种交换机，是由话务员进行人工操作的，所以称为“人工交换机”。
话务员和人工交换机
人工交换机由用户线、用户塞孔、绳路（塞绳和插塞）和信号灯等设备组成。
用户要打电话，先与话务员通话，告诉话务员要找谁，然后由话务员帮你接续。
人工交换机，根据当时电话的分类，也分为两种：磁石式和共电式。
最初的电话机，电能由自身提供，主要由送话器、受话器、手摇发电机、电铃、干电池等部件构成。因为手摇发电机上有两块永久磁铁，所以得名“磁石电话机”。
早期的磁石电话机
1880年，出现了“共电式电话机”，通话双方可以共同使用电话局的电源。这项改进，使电话机的结构大大简化了，而且使用方便，拿起电话便可呼叫。
共电电话机（摇把没了）
人工交换机的缺点是显而易见的：容量很小，需要占用大量人力，工作繁重，效率低下，而且容易出错。
1891年，有一个名叫史端乔的殡仪馆老板，就吃了人工交换机的大亏。
A.B.史端乔，Almon Brown Strowger
他发现，打到自己店里的生意电话，总会被话务员转接到另一家殡仪馆。后来才知道，原来当地话务员是那家殡仪馆老板的堂弟。于是，他很生气，发誓一定要发明一个不需要人工操作的交换机。
结果，他还真的做到了。
他在自己的车库里，制作了世界上第一台步进制电话交换机。
为了纪念他，这种交换机也被称为“史端乔交换机”
这种交换机，由预选器、选组器和终接器等部件组成，以机械动作代替话务员的人工动作。当用户拨号时，选择器随着拨号发出的脉冲电流，一步一步地改变接续位置，从而将主叫和被叫用户间的电话线路自动接通。
步进制交换机工作原理图
话说，史端乔确实是一个发明天才，除了步进制交换机之外，大家经常在电视上看到的旋转式拨号盘，也是他发明的。有人还专门给他建了一个网站，以示纪念（网址就是他的名字：www.almonbrownstrowger.com）。
旋转式拨号盘
1892年，第一个“史端乔步进制电话局”在美国投入使用。
后来，在史端乔步进制交换机的基础上，又出现了旋转式和升降式的交换机。
1909年，德国西门子公司对史端乔步进制电话交换机进行了改进，主要是将三磁铁上升旋转型选择器改为二磁铁的选择器，制成西门子步进制电话交换机。
1929年在澳门安装使用的西门子F1步进制电话交换机
步进制交换机虽然实现了替代人工，但是仍然存在很多缺点，例如接点是滑动式的，可靠性差，易损坏，动作慢，结构复杂，体积大等。
日本富士通信机制造株式会社生产的A29步进制交换机（1940年）
于是，工程师们继续寻求更好的解决方案。
1919年，瑞典工程师贝塔兰德和帕尔姆格伦共同发明了一种“纵横接线器”的新型选择器，并为之申请了专利。
纵横制接线器
这种接线器，将过去的滑动式改成了点触式，从而减少了磨损，提高了使用寿命。
纵横连接器交叉点示意图
在“纵横连接器”的基础上，1926年，世界上第一个大型纵横制自动电话交换机在瑞典松兹瓦尔市投入使用。到了1938年，美国开通了1号纵横制自动电话交换系统。紧接着，法国、日本等国家也相继生产和使用该类系统。
从此，人类正式进入纵横制交换机的时代。到20世纪50年代，纵横制交换系统已经非常成熟和完善。
纵横制交换机
“纵横制”和“步进制”，都是利用电磁机械动作接线的，所以它们同属于“机电制自动电话交换机”。
就在纵横制不断完善的同时，随着晶体管的发明，半导体技术和电子技术飞速发展，人们开始考虑，在电话交换机中引入电子技术。
世界上第一个晶体管
由于当时电子元件的性能还无法满足要求，所以出现了电子和传统机械结合的交换机技术，被称为“半电子交换机”、“准电子交换机”。
后来，微电子技术和数字电路技术进一步发展成熟，终于有了“全电子交换机”。
1965年，美国贝尔成功生产了世界上第一台商用存储程式控制交换机（也就是“程控交换机”），型号为No.1 ESS（Electronic Switching System）。
No.1 ESS程控交换机
1970年，法国在拉尼翁开通了世界上第一个程控数字交换系统E10，标志着人类开始了数字交换的新时期。
程控交换机的实质，就是电子计算机控制的交换机。
NEC程控交换机
它以预先编好的程序来控制交换机的接续动作，优点非常明显：接续速度快、功能多、效率高、声音清晰、质量可靠，其容量可大至万门。
注：这里所说的“门”，是交换机容量的一种单位，可以简单理解为最大支持的接续电话数量。
如此巨大的容量，意味着占地面积更小。程控交换机的机架数仅为纵横制的1/10，而且每个机架的重量减轻一半多，非常有利于安装和维护。
说到这里，我们需要暂停一下，回过头来看看我们国家的交换机发展情况。
实际上，我国的电话事业起步并不算晚。早在清朝末年，我国就有了电话和电话交换网络。当然，那个时候还是人工交换机时代。
清朝的话务员和人工交换机
1882年，我国第一部磁石电话交换机在上海开通。
1904年，北京的第一个官办电话局在东单二条胡同开通，当时是100门人工交换机。
七七事变后，日本军队攻入北京。出于统治需要，日伪政府新建了大量的步进制自动电话交换机，替换了人工交换机。
日伪时期的步进制交换机
到1949年，当时我国的电话普及率不到0.05%，全国的电话总用户数只有26万。使用电话，只是少数人的特权。
解放后，限于条件，我国电话交换机主要以人工交换机为主，步进制交换机为辅。不过，我们也开始研制自己的纵横制电话交换机。
建国初期邮电机房的工作人员
1960年，我国自行研制的第一套1000门纵横制自动电话交换机在上海吴淞局开通使用。
后来，因为众所周知的原因，我国的通信技术发展进入了长期的停滞阶段。纵横制交换机，也开始了长达40年的服役。
纵横制交换机
一直到改革开放初期，我们都还在使用纵横制、步进制交换机，甚至是人工交换机，完全看不到程控交换机的影子。
改革初期的人工交换机话务员
当时我国电话交换网络的发展水平，至少落后发达国家20年。
从数据就能看出来，1978年，全国电话普及率仅仅为0.38%，中国拥有的话机总数，还不到世界话机总数的1%。
直到进入80年代，我们的电话交换网络才算开始重新艰难起步。
当时改革刚刚开始，经济和社会复苏，老百姓的通信需求非常迫切。而邮电相关部门一没技术（国际封锁），二没资金（自己穷），只能引进国外的“落后”技术，甚至是淘汰下来的产品，仓促应对。
邮电局的公共电话亭，人满为患
当时安装一部电话需要上万元，还要单位介绍信，就算这样，还要等好几个月，甚至一年半载
1982年，福建福州引进并开通了日本富士通的F-150万门程控电话交换机，轰动全国。
1984年，上海贝尔电话设备有限公司成立。这是我国第一个研制程控电话交换机的合资企业。
当时冷战尚未结束，包括程控交换机在内的通信技术都受到“巴统”（输出管制统筹委员会，总部在巴黎）的封锁和限制，我们是买不到的。通过上海贝尔来制造，都属于曲线救国。
1985年，闻风而动的AT&T、诺基亚、爱立信，纷纷跑来设立办事处。
于是乎，在这些国外通信企业的“帮助”下，我们国家很快就进入了“七国八制”的混乱发展阶段。
七国八制：当时中国通讯市场上，总共有8种制式的机型，分别来自7个国家。
七国八制
全国上下，都是用的国外进口设备。而这些不同制式的交换机互不相通，造成了中国通信网络的一片混乱。
然而，在混乱之下，中国的自主通信产业开始崛起了。
越来越多的中方技术人员通过引进的设备技术进行学习、成长，越来越多的国营和民营资本开始进入利润丰厚的通信产业。
机房正在学习的通信技术人员
80年代中后期，大量的中国通信设备制造企业如雨后春笋一般涌现。
它们的主要研发目标，就是程控交换机，尤其是技术含量较低的小门数用户交换机。
这里面，就有两家日后成长为世界级通信巨头的企业——华为和中兴。
创业早期的任正非（左一），他创办的华为，最开始就是代理香港一家公司的小型交换机起家。
中兴通讯创始人侯为贵（左四），中兴也是先代理，后研发
当时，虽然“七国八制”瓜分了中国通信市场，但是，有一块市场空白被这些巨头给“遗忘”了，那就是农村。
由于农村线路条件差、利润薄，国外厂商都没有精力或者不屑去拓展。
而中国交换机厂商抓住了这个宝贵的机会。
1992年1月，中兴通讯ZX500A农话端局交换机的实验局顺利开通，由于性价比高，符合要求，获得了巨大的成功。
中兴的程控交换机研发
到1993年，中兴2000门局用数字交换机的装机量已占全国农话年新增容量的18%。
ZX500生产鉴定会
无独有偶，C&C08A型机是华为公司1993年自主开发的第一代数字程控交换机，也在农话市场大赚特赚。
华为C&C08
仅靠农村市场是不够的，而且，小门数交换机也不可能有很好的未来。于是，两家中国企业迅速调整战略，很快推出了万门以上的程控交换机。
1995年11月，中兴通讯自行研制的ZXJ10大容量局用数字程控交换机获原邮电部电信总局颁发的入网许可证，该机终局容量可达17万线。
中兴ZXJ10
同年，华为也推出了万门机的C&C08C型机。
华为C&C08
也是在1995年，由原电子工业部第五十四研究所和华中科技大学联合研制开发的EIM-601大容量局用数字交换机通过了部级鉴定。凭借EIM-601技术，金鹏电子诞生了。
与中兴和华为的小作坊起家相比，大唐电信的起点要高得多。
虽然大唐电信于1993年成立，但是它背靠原邮电部电信科学研究，技术与人员均来源于后者。1986年邮电部一所就研制出了DS-2000程控数字交换机，而1991年10所又研发出了DS-30万门市话程控交换机，并于次年投入商用。1995年，新成立的大唐推出了SP30超级数字程控交换机，容量可达10万门以上。
这里还有一个人物不得不提，他就是在中国通信史上写下重要一笔的邬江兴。
邬江兴
1991年，年方38岁的解放军信息工程学院院长邬江兴主持研制出了HJD04(简称04机)万门数字程控交换机，从而一举打破了国外厂商的垄断。当时，中兴与华为仍处于千门交换机的水平。
HJD04（04机）
04机鉴定会
后来，在04机技术基础上，成立了巨龙通信设备有限公司。短短3年之内，其累计总销售额高达100多亿元，销量超过1300万线，成绩相当惊人。
就这样，巨龙、大唐、中兴、华为和金鹏五朵交换机领域的金花（也称为“巨大金中华”）突破了国外厂商的重围，凭借低廉的价格和政府支持，站住了脚跟，并一步一步改变了中国通信行业的格局。
不过，后来因为种种原因，五朵金花有的早早凋谢，有的更加艳丽，完全走向了不同的命运。现在看来，实在令人唏嘘。
到了90年代，信息技术的发展速度简直可以用“一跃千里”来形容。
伴随计算机的普及，互联网开始兴起，并迅速发展壮大，逐渐影响我们的生活。
程控数字交换与数字传输相结合，构成了综合业务数字网（ISDN）。它通过普通的铜缆，以更高的速率和质量传输语音和数据，不仅实现电话交换，还能实现传真、数据、图像通信等的交换。多媒体时代，正式到来。
在技术的不断进步下，我们的交换方式，从空分，逐渐变成了时分，频分（波分）。我们的通信介质，也从电缆逐渐变成光缆。
最重要的一个变化，就是通信方式。以前只有电报、电话，现在，移动通信崛起，手机开始成为人们的新宠。
手机（大哥大）
这一切的背后，是交换技术的更新迭代。
以语音为主的电路交换机，逐渐开始退居二线。以数据业务为主的分组交换机，开始占据主导地位。
进入21世纪后，传统电话交换机淘汰提速，程控交换机陆续开始退出历史舞台。
程控交换机下电退网
而NGN，可以说是固定电话网络最后的谢幕了。
说到NGN这个词，大家一定都听说过。但是实际上，很少有人能够准确说出NGN到底是什么。和NGN经常一起出现的概念名词，还有“软交换”，也经常让人迷糊，分不清它和NGN之间的关系。
NGN，就是Next Generation Network（下一代网络）。
之所以大家对这个概念分不清，就是因为它的名字取得不好，非常有混淆性。
从广义上来说，NGN是在“这一代网络”的基础上，采用新技术，演进出来的“新一代网络”。“这一代网络”，就是指传统PSTN（公共交换电话网络）网络，可以简单理解为程控电话交换机网络 。
从狭义上来说，NGN是一种网络模型，由很多设备组成。这些设备里面，就包括软交换设备。
传统电路交换和NGN的对应关系
坑爹的是，“软交换”也是一个带有广义和狭义多重理解的概念。
从广义来说，“软交换”是相对“硬交换”而言的。什么是硬交换呢？就是传统程控交换机那种，所有的功能都做在一起，集合在一个设备里面。相当于一个黑盒（可以看上面的图，左边的黑框），对外不可见。
软交换，就是把这个黑盒给打破了，拆分开，分为不同的功能实体。拆开的目的，就是各司其职，灵活调度，有利于功能和容量扩展。
狭义的“软交换”，就是指的具体一种设备。例如华为的SoftX3000，中兴的SS1B，就是软交换设备，主要负责呼叫和会话控制。
华为SoftX3000
如今，NGN也要退出历史舞台了。即将取代它的，就是大名鼎鼎、令人胆寒的IMS（IP多媒体子系统）。
总而言之，如今已经是分组交换的天下，传统语音交换早已成了昨日黄花，渐渐离我们远去。
交换技术，一路走过了140年的发展历程，不断更新换代，不得不让人感慨技术的日新月异，科技的飞速进步。
当然，这离不开一辈又一辈通信人的执着追求和努力付出。没有传承和积累，何来今日之辉煌？
展望未来，交换技术将走向何方？会不会出现新的颠覆性的交换方式？何时出现？这一切问题，就只能让时间来告诉我们答案了。

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