从电路交换到ＡＴＭ交换——交换技术发展１００年纵览

 交换技术首先应用于电话通信领域，电话机的发明促进了交换技术的萌芽和发展。从１８９２年开通世界上第１部步进制史端乔式电话交换机算起，自动交换技术的发展已超过１００年。如今，交换技术已广泛应用于公用电信网、各种专用网和计算机通信网，交换系统已成为通信和信息领域不可缺少的重要设施。

     １００年来，陆续出现了多种交换方式。图１所示的各种交换方式分布在一条连续线上。最左端为电路交换（ＣＳ），也可称为电路传递模式（ＣＴＭ）或同步传递模式（ＳＴＭ）。最右端为分组交换（ＰＳ），也可称为分组传递模式（ＰＴＭ）。电路交换与分组交换是两种截然不同的交换方式，代表两大范畴的传递模式，因此处于连续线的两个端点。依次从左到右，多速率电路交换（ＭＲＣＳ）、快速电路交换（ＦＣＳ）属于电路传递模式的范畴；依次从右到左，帧交换（ＦＳ）、帧中继（ＦＲ）属于分组传递模式的范畴。从两端向中间靠拢，表明两种交换方式特性的接近。处于连续线中央的ＡＴＭ交换属于异步传递模式，可以看成是分组交换与电路交换的结合，兼具两者的交换特点。

    将结合各种交换方式，说明交换技术的发展，重点则在于ＡＴＭ交换。

１ 电路交换

１．１ 传统的电路交换

     电路交换是最早出现的交换方式，包括最古老的人工电话交换和当前先进的数字程控交换，都普遍采用电路交换方式。

    对于电路交换的发展，可以列出如表１所示的简明历程。

    纵横制交换机不仅是机电制自动交换机中最完善的一种，其公共控制方式的采用更为程控方式创造了契机。第１部程控交换机于１９６５年开通，不久即出现数字程控交换机，并逐渐成为发展的主流。由于微处理机的迅速发展，为分布式控制创造了条件，Ｓ１２４０、５ＥＳＳ是两种不同的分布式系统结构，前者基于功能分担，后者基于容量分担。

    电路交换要在通信的用户间建立专用的物理连接，控制较简明，可用于实时交换，但由于是固定分配带宽，资源利用率不高，灵活性较差。

１．２ 多速率电路交换

    多速率电路交换方式可以为不同的业务提供不同的带宽，包括基本速率及其整数倍。为此，在交换节点内部的交换网络及其控制必须适应多速率交换的要求。

由于控制较复杂，速率类型不能太多，又不适应突发性业务，因此多速率电路交换不能很好地满足多种业务不同的带宽要求，未得到广泛应用。Ｎ－ＩＳＤＮ交换机中的Ｎ×６４ｋｂｉｔ／ｓ的交换可以看成是多速率电路交换的一种应用，基本速率为６４ｋｂｉｔ／ｓ，实现时应保证时隙顺序整合性（ＴＳＳＩ）。

１．３ 快速电路交换

    为了克服电路交换固定分配带宽的缺点，提高灵活性，在１９８２年提出了快速电路交换方式。其基本思路是只在信息要传送时才分配带宽和有关资源，实际上是为呼叫建立虚电路，而非物理连接。当有信息发送时，才激活虚电路，建立物理连接。突发交换与其基本相似，有时两者不加区别。

    快速电路交换虽然也提高了带宽利用率，但控制远比传统的电路交换复杂，灵活性又比不上快速分组交换，亦未得到广泛应用。然而值得注意的是，高速宽带电路交换目前仍在进一步研究，并已出现不少快速宽带电路交换的原型结构，有些已经实用。高速宽带电路交换适用的范围是交叉连接和视频分配。有兴趣的读者可参阅ＩＥＥＥ Ｊ－ＳＡＣ １９９６年第２期的专辑。

２ 分组交换

    报文交换（ＭＳ）与电路交换不同，不需要建立通信双方的物理连接，而采用存储转发方式，也可称为存储转发交换。公用网的电报自动交换是报文交换的典型应用，有的专用数据网也采用该交换方式。

    分组交换也采用存储转发方式，但与报文交换不同的是：将用户要传送的信息分割为若干个分组，每个分组中的分组头含有可供选路的信息和其它控制信息。因此，分组交换的时延小于报文交换。分组交换可提供两种服务方式：面向连接的虚电路方式与无连接的数据报方式，通常采用前者。

    分组交换技术发展的简明历程。

    从技术发展来看，分组交换系统大致可以划分为３代：第１代实质上是用计算机来完成ＰＳ功能。吞吐量受限于计算机的速度，设置前端机（ＦＥＰ）可有所改善；第２代采用共享媒体（总线或环形）将ＦＥＰ互连。计算机主要用于虚电路的建立，不再成为系统的“瓶颈”，吞吐量受到媒体的带宽限制。第２代分组交换系统在８０年代得到了充分发展；第３代则采用空分的互联网络来取代共享媒体这一“瓶颈”，增强并行处理功能，显著提高吞吐量，实际上已进入快速分组交换技术。

    通常的分组交换是基于Ｘ．２５协议。帧交换（ＦＳ）不涉及Ｘ．２５的第３层，简化了协议，加快了处理速度。与帧交换相比，帧中继进一步简化了协议，非但不涉及第３层，第２层也只保留了链路层的核心功能。

    快速分组交换（ＦＰＳ）可理解为尽量简化的协议，只有核心网络功能，提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式。ＦＰＳ往往是指ＡＴＭ交换，但广义的ＦＰＳ包括帧中继（ＦＲ）与信元中继（ＣＲ），如图２所示。帧中继采用可变长度帧，适用于ＬＡＮ互联。

３ ＡＴＭ交换

３．１ 早期的研究

    ８０年代初，随着宽带业务的逐步发展及业务发展的某些不确定性，人们迫切要求找到一种灵活性与适应性强的交换方式，能兼具电路交换与分组交换的优点。快速分组交换与异步时分（ＡＴＤ）交换的结合，导致了ＡＴＭ交换方式的产生。

    １９８３年，美国Ｔｕｒｎｅｒ Ｊ．等人提出了ＦＰＳ的原理，研制了原型机。稍后，法国Ｃｏｕｄｒｅｕｓｅ Ｊ．Ｐ．提出了ＡＴＤ交换的概念，并在法国ＣＮＥＴ研制了演示模型。

    ＦＰＳ源自分组交换，但简化了协议；ＡＴＤ源自电路交换，但采用标记复用。由于发展背景不同，两者存在着一些差异：

    .ＡＴＤ源自ＳＴＤ，位于开放系统互连（ＯＳＩ）第１层，控制头功能减至最小化，只用来识别呼叫连接；ＦＰＳ源自ＰＳ，控制头中含有其它功能。

    .ＡＴＤ采用固定长度的分组，信息域长度在８～３２字节范围内；ＦＰＳ为可变长度帧，平均约１００字节左右。

    .ＡＴＤ用于数据、视频和话音的综合交换，侧重于视频；ＦＰＳ则主要用于高速数据交换。

    ＦＰＳ和ＡＴＤ的概念提出后，很多设备制造公司、邮电管理部门和标准化组织很快表示了强烈的兴趣。法国的ＣＮＥＴ、Ａｌｃａｔｅｌ、比利时的ＢＴＭ、美国的ＡＴ＆Ｔ等均进行了深入的研究、模拟和试验。

    １９８５年以来，ＣＣＩＴＴ也开始了这种新交换方式的研究，开始曾称之为新传递模式。１９８７年，决定采用信元来表示分组。一个重要的研究课题是采用固定长度信元，还是采用可变长度信元，以及确定信元的长度和信头的长度。这些问题与带宽的利用效率、交换速度和实现的复杂性，以及网络性能等重要因素均有密切关系。１９８８年决定采用固定长度信元，定名为ＡＴＭ，并确认Ｂ－ＩＳＤＮ将基于ＡＴＭ。１９９０年，制定了关于ＡＴＭ的一些建议，并在以后的研究期中不断深化和完善了建议内容。

３．２ 公用ＡＴＭ交换网和交换系统

    从８０年代后期到９０年代初期，不少计算机和通信领域的厂商致力于ＡＴＭ技术的研究和ＡＴＭ交换系统的开发。首先推出的是吞吐量在１０Ｇｂｉｔ／ｓ以下的小容量ＡＴＭ交换机，主要用于计算机通信网。随着宽带业务的发展和ＡＴＭ技术的逐渐成熟，ＡＴＭ交换技术的应用开始从专用网扩大到公用网，其标 志是公用网大容量交换系统的纷纷推出和一些公用ＡＴＭ宽带网的运行。

    １９９４年８月投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路（ＮＣＩＨ）是美国第１个在州的范围内采用ＡＴＭ和ＳＯＮＥＴ的公用ＡＴＭ宽带网，被看作未来的国家基础信息设施（ＮＩＩ）的雏型，用于远程教学和医疗、商务、司法和行政管理等领域，可支持ＡＴＭ信元业务（ＣＲＳ）、交换型多兆比特数据业务（ＳＭＤＳ）、帧中继业务（ＦＲＳ）以及电路仿真业务（ＣＥＳ）。

     不久，泛欧宽带试验网在１９９４年１１月开始运行。日本、德国等也在国内建立了ＡＴＭ交换网。中国在京、沪、穗等地已建立了ＡＴＭ宽带试验网。

    公用网ＡＴＭ骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性。可扩展性包括交换网络（吞吐能力）和处理机系统（处理能力）两方面，而且这两方面应独立扩展，以适应各种业务特性的要求，应能支持各种接口、业务和连接类型，包括由信令支撑的交换虚连接（ＳＶＣ）；还应具有能保证服务质量（ＱＯＳ）的业务流控制功能；而且应能适应智能网ＣＳ－３的发展。

３．３ ＡＴＭ交换的控制机理

    ＡＴＭ交换结构是实现ＡＴＭ交换的核心，其控制机理在很大程度上影响到交换系统以及ＡＴＭ交换网的性能。因此，从ＡＴＭ交换技术一开始出现，ＡＴＭ交换结构及其控制机理就是研究的热点，一些新的研究进展目前仍时有出现。这里作一概括性介绍。

（１）拓扑结构——时分结构.共享媒体：总线形、环形；.共享存储器。——空分结构.单通路：Ｃｒｏｓｓｂａｒ型、Ｂａｎｙａｎ  型；

.多通路：基于Ｂａｎｙａｎ型（复份、串接、嵌套、双重）；基于Ｃｌｏｓ型；基于Ｂｅｎｅｓ型。

（２）排队策略

——外部缓冲：输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲；——内部缓冲：输入缓冲、输出缓冲、交叉点缓冲、共享缓冲。

（３）选路控制

——面向连接，无连接（交换结构内部不预先建立虚连接）；——信元传送阶段：自选路由和表格控制。

（４）竞争消除

    即便是无内部阻塞的ＡＴＭ交换结构，出线竞争总是存在的，因此必须具有竞争消除的控制机理。竞争消除机理对交换结构或交换单元硬件实现的复杂性和服务质量均有重要的影响。不同的交换结构有不同的竞争消除机理，同一类型交换结构也可采用不同的竞争消除方法。这里概括如下：

——确认／否认（ＡＣＫ／ＮＡＣＫ）方法

.    外部仲裁（用于输入缓冲的无阻塞空分交换结构）：队头（ＨＯＬ）信元仲裁；多重队列仲裁；窗口仲裁：顺序、整体（基于神经网络）。

.    网络仲裁：基于排序（用于Ｂａｔｃｈｅｒ－Ｂａｎｙａｎ）；基于选路（用于有阻塞且无内部缓冲的多级互联网络）。——偏转／环回方法排序和环回（用于Ｂａｔｃｈｅｒ－Ｂａｎｙａｎ）；选路、偏转和环回（用于无内部缓冲有阻塞多级互联网络）。——时隙预留（用于输入缓冲交换结构）.令牌环；.预调度。——内部缓冲（用于缓冲式多级互联网络）——加速／并行（用于单级无阻塞网络）。

（５）组播实现

组播实现技术是ＡＴＭ交换结构研究重点之一，包括空间组播和逻辑组播，可有多种实现方式：——拷贝与选路合一单级选路：时分，空分；多级选路：自选路由，表格控制。——拷贝与选路分离前置拷贝：单播与组播混合、单播与组播分离；后置拷贝；.反馈拷贝。——循环拷贝.多级拷贝；.末级拷贝。

４ 交换技术的研究重点与展望

    交换技术发展到今天，应该说传统的电路交换和分组交换技术已经成熟，现在的研究重点应是ＡＴＭ交换技术。ＡＴＭ交换除了前述的ＡＴＭ交换结构以外，当前研究的热点分述如下。

（１）ＡＴＭ交换网的业务流控制

如何能有效而公平地分配带宽等资源，在统计复用条件下保证各种特性不同的业务和各个 呼叫的服务质量是业务流控制要解决的重要而复杂的问题。ＡＴＭ交换系统应具有呼叫连接控制（ＣＡＣ）、使用参数控制（ＵＰＣ）等功能。各种ＣＡＣ算法在不断提出，业务流控制仍将是研究热点。

（２）ＡＴＭ话音通信

ＡＴＭ网的目标是实现包括话音在内的各种业务的综合交换。话音业务实时性强，对时延和时延抖动有严格要求，ＡＴＭ传送话音的技术仍在作进一步研究，以求得完善的解决（见参考文献６）。

（３）ＩＰ与ＡＴＭ的融合

采用ＩＰ的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的迅猛发展，使得ＩＰ与ＡＴＭ的融合成为重要的发展趋势。目前主要有重叠方式与集成方式，详见参考文献７。对ＩＰ业务／能力的信令支持见列入本期的参考文献８。

（４）光ＡＴＭ交换

作为下一代的交换技术，光交换在不断的研究之中。光ＡＴＭ交换是研究的重点。目前已研制出一些光ＡＴＭ交换结构，吞吐量可达１０００Ｇｂｉｔ／ｓ左右。今后光ＡＴＭ交换的实用化将是实现全光宽带通信网的技术关键。□

参考文献

１ Ｒｏｂｅｒｔｓ Ｌ Ｇ．Ｔｈｅ Ｅｖｏｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐａｃｋｅｔ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ．Ｐｒｏｃ ＩＥＥＥ，１９７８，６６（１１）：１３０７～１３１３

２ Ｄｅｇａｎ Ｊ Ｊ，ｅｔ ａｌ．Ｆａｓｔ Ｐａｃｋｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｆｕｔｕｒｅ Ｓｗｉｔｃｈｅｓ．ＡＴ＆Ｔ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ，Ｍａｒｃｈ／Ａｐｒｉｌ， １９８９：３６～５０

３ Ｐｒｙｃｋｅｒ Ｍ Ｄ．Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｏｐｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂｅｌｇｉａｎ ＡＴＭ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．ＩＥＥＥ Ｊ－ＳＡＣ，１９８８，６（９）：１５３８～１５４０

４ Ｐｅｔｅｒ Ｎ．ＡＴＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ． ＩＥＥＥ Ｃｏｍｍｕ Ｍａｇａｚｉｎｅ，１９９２，３０（４）：９０～１０１

５ Ｐａｒｋ Ｙ Ｋ，ｅｔ ａｌ．ＮＮ ｂａｓｅｄ ＡＴＭ Ｃｅｌｌ Ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ Ｗｉｔｈ Ｑｕｅｕｅ Ｌｅｎｇｔｈ－ｂａｓｅｄ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｓｃｈｅｍｅ．ＩＥＥＥ Ｊ－ＳＡＣ，１９９７，１５（２）：２６１～２７０

６ 王文东，肖丹，程时端．ＡＴＭ话音通信的关键技术．本刊本期

７ 赵慧玲．公用宽带网技术发展的探讨．本刊本

期

８ 王立言．ＩＴＵ－Ｔ Ｂ－ＩＳＤＮ／多媒体信令标准研究的新进展．本刊本期

（收稿日期：１９９８－０５－０４）

[摘要] 交换技术有电路交换和分组交换这两种不同的方式，文章简要回顾了交换技术的发展，并着重介绍了两者的结合——ＡＴＭ交换技术。

[关键词] 交换 分组交换 快速分组交换 ＡＴＭ交换

[Abstract] Ａ ｂｒｉｅｆ ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｔｗｏ ｄｉｆｆｅｒ-ｅｎｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅｓ，ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｐａｃｋｅｔ ｓｗｉｔｃｈ-ｉｎｇ．Ｅｍｐｈａｓｉｓ ｉｓ ｐｌａｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎ-ｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ＡＴＭ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈ-ｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｏｔｈ ｍｏｄｅｓ．

[Keywords] Ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐａｃｋｅｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｆａｓｔ ｐａｃｋｅｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ＡＴＭ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ■