軟交換技術(shù)的提出有著深厚的歷史背景和技術(shù)背景。它是一種應(yīng)用于電話交換控制的新技術(shù)的通用名稱，是PSTN逐步向IP網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過程中出現(xiàn)的概念，具有解決傳統(tǒng)電路交換機(jī)缺陷的潛力，順應(yīng)了基千電路交換的語音網(wǎng)和基于分組交換的數(shù)據(jù)網(wǎng)融合的趨勢(shì)。軟交換技術(shù)能有效降低語音交換的成本，提供了開發(fā)差異化電話服務(wù)的手段，而且隨著多媒體業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，軟交換將進(jìn)一步承擔(dān)起分組交換網(wǎng)中語音、數(shù)據(jù)、視頻等各種媒體交換的實(shí)時(shí)控制任務(wù)。軟交換將是下一代網(wǎng)絡(luò)的控制核心，如果說傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)是基千程控交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)的話，那么NGN則是基于軟交換的網(wǎng)絡(luò)。采用軟交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)向NGN的過渡業(yè)已成為人們的共識(shí)。
軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景
軟交換概念的提出是網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)不斷發(fā)展的結(jié)果。軟交換概念源于傳統(tǒng)交換技術(shù)的發(fā)展，并吸收了互聯(lián)網(wǎng)語音技術(shù)的最新發(fā)展成果，將傳統(tǒng)電路交換機(jī)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，引申到分組交換網(wǎng)中，并加入了接口開放、結(jié)構(gòu)分層等新內(nèi)容，從而形成了一種新的實(shí)時(shí)分組語音交換控制技術(shù)。從整體架構(gòu)上來說，軟交換系統(tǒng)完全可以對(duì)應(yīng)千目前PSTN上廣泛使用的程控電話交換機(jī)。下面就沿著傳統(tǒng)電話交換技術(shù)的發(fā)展歷程這一主線來簡(jiǎn)要分析軟交換技術(shù)產(chǎn)生的背景。
交換技術(shù)的發(fā)展歷程
對(duì)電信行業(yè)而言，交換是一個(gè)非常重要的概念。電話通信發(fā)明后不久就產(chǎn)生了交換技術(shù)。交換技術(shù)是為了減少線路投資而采用的一種傳遞信息的方法。如下圖A所示，假設(shè)有5個(gè)用戶需互通信息，如不采用交換技術(shù)，則需逐個(gè)相連，所需線路數(shù)為n(n—1)/2(n為用戶數(shù)）。若采用交換技術(shù)后，所需的線路數(shù)為n,如下圖(b)所示。由此可見，采用交換技術(shù)后，可大大減少線路的重復(fù)投資。
交換技術(shù)的基本概念
交換技術(shù)是現(xiàn)代通信網(wǎng)的核心技術(shù)，其發(fā)展演進(jìn)走過了漫長的歷程。隨著新技術(shù)的發(fā)展，交換概念的內(nèi)涵開始不斷進(jìn)行擴(kuò)展，不僅涉及對(duì)延時(shí)敏感的語音交換，而且包含數(shù)據(jù)交換和視頻交換，其外延則一直延伸至廣義的信息交換。
總體而言，交換技術(shù)發(fā)展至今，已產(chǎn)生了兩種主要的模式：一種是電路交換(CircuitSwitching),傳統(tǒng)電話通信就屬千電路交換的一種；另一種稱為分組交換(PacketSwitching,或稱為包交換），大屜應(yīng)用于計(jì)算機(jī)之間的通信。
1. 電路交換
電路交換是傳統(tǒng)的交換方式，固定電話網(wǎng)(PSTN網(wǎng)）和移動(dòng)電話網(wǎng)（包括GSM網(wǎng)和CDMA網(wǎng)）采用的都是電路交換技術(shù)。電路交換的基本特點(diǎn)是采用面向連接的方式，在雙方進(jìn)行通信之前，需要為通信雙方分配一條具有固定帶寬的通信電路(64kbit/s或NX64kbit/s),通信雙方在信息交換過程中將一直占用所分配的資源，直到通信結(jié)束。
電路交換必須要經(jīng)過鏈路建立、信息交換、鏈路釋放3個(gè)階段，并且在電路的建立和釋放過程中都需要利用相關(guān)的信令協(xié)議。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是在通信過程中可以保證為用戶提供足夠的帶寬，并且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，時(shí)延小，特別適用于語音的交換，但同時(shí)帶來的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率不高，一旦電路被建立，不管通信雙方是否處于通話狀態(tài)，分配的電路都一直被占用。
電路交換的發(fā)展經(jīng)歷了兩種基本模式：空間分割交換和時(shí)間分割交換。空間分割交換主要用千模擬交換機(jī)，指的是輸入實(shí)線與輸出實(shí)線的連接，由空分接線器完成這種實(shí)線連接；時(shí)間分割交換主要用于數(shù)字交換機(jī)，指的是輸入鏈路時(shí)隙與輸出鏈路時(shí)隙的連接，由數(shù)字接線器完成這種鏈路時(shí)隙間的連接。
(1)空間分割交換
早期的電話通信，依靠交換機(jī)內(nèi)的繼電器簧片的閉合與斷開來實(shí)現(xiàn)，屬千空間分割交換?？辗纸泳€器利用機(jī)械或電子連接點(diǎn)接通主、被叫話路。下圖是一個(gè)小型交換機(jī)的空分接線器示意圖。假設(shè)話機(jī)1要與話機(jī)3通話，若線路1空閑，則交換機(jī)控制部分占用線路1'并將話機(jī)1、3所對(duì)應(yīng)的用戶電路分別接通線路1,話機(jī)1和話機(jī)3通過公共線路1進(jìn)行通話。
空間分割電路交換基本原理
(2)時(shí)間分割交換
隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了另一種電路交換形式：時(shí)間分割交換，其基本交換原理如圖2.3所示。假設(shè)兩個(gè)用戶分別占用PCM(PulseCodeModulation,脈沖編碼調(diào)制）中的兩個(gè)時(shí)隙TS3和TS19,利用時(shí)分接線器可完成相互之間的信息交換?？刂破魇紫葘⑤斎攵薚S3時(shí)隙和TS19時(shí)隙內(nèi)的信息單元分別寫入相對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器中，然后在輸出端TS3時(shí)刻到來時(shí)由控制器讀出存儲(chǔ)在TS19單元中的信息，在TS19時(shí)刻讀出TS3單元中的信息，這樣就完成了TS3與TS19間的信息交換。
圖2.3時(shí)間分割電路交換基本原理
上述這種接線器稱為順序?qū)懭搿⒖刂谱x出接線器。還有一種稱為控制寫入、順序讀出接線器，其基本原理是不同PCM線之間的時(shí)隙交換依靠窄分接線器（數(shù)字開關(guān)電路）來完成。從微觀上看，交換機(jī)內(nèi)部并沒有一條物理鏈路存在，但是這種時(shí)隙互相對(duì)應(yīng)的關(guān)系在交換時(shí)保持不變，而且是屬于同步信息交換，所以其實(shí)質(zhì)上還是屬于電路交換的范疇。目前，時(shí)間分割交換大量應(yīng)用千數(shù)字程控交換機(jī)中。
2. 分組交換
(1)分組交換基本原理
分組交換利用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)原理來實(shí)現(xiàn)信息的交換，分組交換的信息是數(shù)字化的信息，如計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)流和語音、圖像信號(hào)經(jīng)數(shù)字編碼設(shè)備抽樣、量化后產(chǎn)生的比特流等。
分組交換首先通過分組設(shè)備將需要傳送的信息按照一定的長度分割成許多小段數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)之前增加相應(yīng)的用于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行選路和校驗(yàn)等功能的頭部字段，作為數(shù)據(jù)傳送的基本單元，稱為分組(Packet,也稱為包），如圖2.4(a)所示。一個(gè)分組由標(biāo)志、地址信息、控制信息、數(shù)據(jù)信息、CRC(CyclicalRedundancyCheck,循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）字段組成。標(biāo)志字段表示一個(gè)分組的開始；地址信息字段包括源地址和目的地址，用來選擇路由；控制字段包含流控制、錯(cuò)誤控制等信息；數(shù)據(jù)字段中包含要交換的信息；在數(shù)據(jù)字段后有CRC校驗(yàn)碼。
圖2.4分組交換基本原理
在進(jìn)行分組交換時(shí)，分組交換機(jī)首先將分組信息存儲(chǔ)起來，然后根據(jù)地址信息字段及控制信息字段選擇一條最佳路由傳送給接收方。分組交換的特點(diǎn)是比較有效地利用了網(wǎng)絡(luò)資源，傳輸路由可靠性高等。分組交換也有兩種基本模式：一種是數(shù)據(jù)報(bào)方式；另一種是虛電路方式。分組交換的這兩種形式廣泛用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)(LAN)和廣域網(wǎng)(WAN)中。
數(shù)據(jù)報(bào)方式如圖2.4(b)所示。每傳送一個(gè)分組，分組交換機(jī)就要根據(jù)分組中的有關(guān)信息來選擇一條通向目的地的路由。由于傳送路由的不同，各個(gè)分組到達(dá)目的地的先后次序也可能不同，接收端需要按分組中的控制信息字段將分組重新排序，以便使分組的次序與發(fā)送端一致。數(shù)據(jù)報(bào)方式是一種無連接的服務(wù)，對(duì)于少量信息的發(fā)送效率很高，對(duì)千網(wǎng)絡(luò)故障的適應(yīng)能力較強(qiáng)，但各個(gè)分組的傳送時(shí)延有不確定性。
虛電路方式如圖2.4(c)所示。在傳送一個(gè)分組之前，發(fā)送端預(yù)先向分組交換機(jī)發(fā)送建立連接的信息。由交換機(jī)建立一條通向目的地的邏輯路由，然后通過這條路由傳送信息，信息傳送結(jié)束后也有拆路的過程。由千信息通過同一邏輯路由傳送，所以分組到達(dá)對(duì)端的次序與發(fā)送端一致，并且時(shí)延可以確定。之所以稱為虛電路，是因?yàn)樵谝粭l物理鏈路上可以產(chǎn)生多個(gè)邏輯連接，而不像電路交換那樣獨(dú)自占用一條物理鏈路。虛電路方式主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)屋大、時(shí)延要求小的場(chǎng)合。由千虛電路方式是面向連接的服務(wù)，所以有建立連接、釋放連接的額外處理開銷。
(2)分組交換應(yīng)用模式
目前分組交換技術(shù)在通信網(wǎng)中的應(yīng)用，主要有ATM交換和IP交換兩種實(shí)施方式。
A、ATM交換技術(shù)
由千分組交換技術(shù)的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，出現(xiàn)了傳送語音業(yè)務(wù)的電路交換網(wǎng)絡(luò)和傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分組交換網(wǎng)絡(luò)兩大網(wǎng)絡(luò)共存的局面。語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分網(wǎng)傳送，促使人們思考一種新的技術(shù)來同時(shí)提供電路交換和分組交換的優(yōu)點(diǎn)，并且同時(shí)向用戶提供統(tǒng)一的服務(wù)，包括語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和圖像信息。由此在20世紀(jì)80年代末由CCITT(國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)，即現(xiàn)在的ITU-T)提出了寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)CB-ISDN)的概念，并提出了一種全新的技術(shù)ATM(AsynchronousTransferMode,異步傳輸模式）。
ATM技術(shù)將面向連接的傳輸機(jī)制和分組交換機(jī)制相結(jié)合，在通信開始之前需要根據(jù)用戶的要求建立一定帶寬的連接，但是該連接并不獨(dú)古某個(gè)物理通道，而是和其他連接統(tǒng)計(jì)復(fù)用某個(gè)物理通道。同時(shí)所有的媒體信息，包括語音、數(shù)據(jù)和圖像信息都被分割并封裝成長度固定為53B的分組，稱為信元(Cell),以信元為單位在虛通路(VCC或VPC)上進(jìn)行交換，大大加快了交換速度。
ATM另一個(gè)突出的特點(diǎn)就是提出了保證QoS的完備機(jī)制，同時(shí)由千光纖通信提供了低誤碼率的傳輸通道，所以可以將流量控制和差錯(cuò)控制移到用戶終端，網(wǎng)絡(luò)只負(fù)責(zé)估息的交換和傳送，從而使傳輸時(shí)延減少，所以ATM非常適合傳送高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
從技術(shù)角度來講，ATM幾乎無懈可擊，但ATM技術(shù)的復(fù)雜性導(dǎo)致了ATM交換機(jī)造價(jià)極為昂貴，并且在ATM技術(shù)上沒有推出新的業(yè)務(wù)來驅(qū)動(dòng)ATM市場(chǎng)，從而制約了
ATM技術(shù)的發(fā)展。目前ATM交換機(jī)主要用在骨干網(wǎng)絡(luò)中，利用ATM交換的高速處理和對(duì)QoS的保證機(jī)制，提供半永久的連接。
B、IP交換技術(shù)
IP(InternetProtocol,網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議）技術(shù)來源于20世紀(jì)60年代末期美國國防部高級(jí)研究下程組織(DARPA,DefenseAdvancedResearchProjectsAgency)的研究項(xiàng)目，其指導(dǎo)思想是要研制一個(gè)能經(jīng)得起故障考驗(yàn)（戰(zhàn)爭(zhēng)破壞）而維持正常工作的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
1972年ARPAnet正式亮相，該網(wǎng)絡(luò)建立在TCP/IP協(xié)議之上，能夠?qū)⒉煌漠悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，這就是Internet的前身。1986年，美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)建立在TCP/IP協(xié)議集上的NSFnet向全社會(huì)開放，從而促進(jìn)了Internet的快速發(fā)展。此后，隨著Internet在全球范圍內(nèi)的普及，IP技術(shù)廣為流傳，已經(jīng)成為一種事實(shí)上的開放系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。
在IP交換技術(shù)中，TCP/IP是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)協(xié)議，它規(guī)范了數(shù)據(jù)在網(wǎng)上打包、尋址、選路的標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議簡(jiǎn)單靈活，能使網(wǎng)絡(luò)資源得到充分利用，代表了網(wǎng)絡(luò)無連接和全球?qū)ぶ返内厔?shì)。TCP/IP協(xié)議框架中的IP層對(duì)應(yīng)于OSI參考模型中的網(wǎng)絡(luò)層，完成路由選擇和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能(IP網(wǎng)并未規(guī)定物理層與鏈路層的傳輸采用何種通道與協(xié)議），TCP對(duì)應(yīng)千OSI中的傳送層，完成端到端之間的數(shù)據(jù)收集確認(rèn)與差錯(cuò)糾正等0IP協(xié)議不需要預(yù)先建立連接，而直接依賴于IP分組報(bào)頭信息決定分組轉(zhuǎn)發(fā)路徑，對(duì)每個(gè)分組根據(jù)路由信息和網(wǎng)絡(luò)情況獨(dú)自進(jìn)行傳輸和選路。傳統(tǒng)的IP交換對(duì)QoS沒有足夠的保證，基于IP技術(shù)的分組網(wǎng)以無連接模式傳送不定長數(shù)據(jù)包，信息轉(zhuǎn)發(fā)采用盡力而為的方式，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性強(qiáng)。
伴隨著Internet的巨大成功，已使IP技術(shù)成為未來信息網(wǎng)絡(luò)的支柱技術(shù)，基千TCP/
IP的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為傳送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的主導(dǎo)技術(shù)。尤其是隨著寬帶IP技術(shù)的發(fā)展，包括語音、數(shù)據(jù)和圖像在內(nèi)的各種業(yè)務(wù)均能在IP網(wǎng)上進(jìn)行，即所謂的"EverythingoverIP"。
3. 電路交換與分組交換的比較
電路交換技術(shù)主要適用于傳送和語音相關(guān)的業(yè)務(wù)，這種網(wǎng)絡(luò)交換方式對(duì)千數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而言，有著很大的局限性，而分組交換技術(shù)就是針對(duì)數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的特點(diǎn)而提出的一種交換方式。這兩種交換模式具有各自鮮明的特點(diǎn)，現(xiàn)簡(jiǎn)要比較如下。
叩電路交換的效率比較低。以時(shí)分交換為例，其速率可達(dá)64kbit/s(約8000個(gè)字符），而實(shí)際上在交換語音信息時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)值，尤其是通話者不講話時(shí)信道仍然占用著。而分組交換屬于統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，其效率為“數(shù)據(jù)／（數(shù)據(jù)＋額外開銷）＇＼額外開銷是指分組中除去數(shù)據(jù)字段外的其他字段，其效率比電路交換高得多，比較有效地利用了網(wǎng)絡(luò)資源。
＠電路交換對(duì)信息的差錯(cuò)要求不高。如用時(shí)分交換技術(shù)傳送語音信息，每秒幾個(gè)比特的差錯(cuò)不足以引起語義的畸變。而在分組交換中，其最小的信息單元是比特，某個(gè)比特的差錯(cuò)會(huì)造成信息含義截然不同，所以分組交換有嚴(yán)格的差錯(cuò)控制、流量控制，使誤碼率在10-10以下，但同時(shí)也增加了額外開銷，增加了設(shè)備的復(fù)雜性。
＠電路交換的時(shí)延比較小，分組交換的時(shí)延比較大，這主要是由分組交換的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制引起的。對(duì)千實(shí)時(shí)性、交互性強(qiáng)的信息交換，分組交換就不大適合。但隨著快速分組交換技術(shù)的出現(xiàn)，分組交換中時(shí)延大的缺點(diǎn)也逐步得到克服。
＠因?yàn)榉纸M交換利用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)信息交換，所以很容易進(jìn)行各種通信處理，如變速、協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由選擇、同時(shí)發(fā)給多個(gè)目的地址等，而電路交換就很難實(shí)現(xiàn)。另外電路交換在信息交換過程中其連接是不能改變的，而分組交換可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況選擇不同路由，所以其傳遞信息的路由可靠性高。
從技術(shù)比較上看，電路交換適用于低速、但交互性強(qiáng)的語音通信等，而分組交換則大植應(yīng)用于計(jì)算機(jī)之間的高速、可靠的數(shù)據(jù)通信。目前數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的迅猛增長正刺激著對(duì)傳送技術(shù)和分組交換技術(shù)的快速進(jìn)步的需求。
隨著分組交換技術(shù)的發(fā)展，語音服務(wù)也開始逐漸采用分組交換技術(shù)，尤其是隨著Internet的出現(xiàn)和發(fā)展，在基千分組交換技術(shù)的數(shù)據(jù)網(wǎng)上提供分組語音業(yè)務(wù)成為可能，也為運(yùn)營商提供了新的低成本的投資點(diǎn)。分組語音的革命從20世紀(jì)90年代中后期就一直
緩慢但穩(wěn)定地積累著動(dòng)力。由于在電路交換領(lǐng)域并沒有可與分組交換相比的技術(shù)革新，從交換技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看，未來網(wǎng)絡(luò)將從電路交換過渡到分組交換的趨勢(shì)已經(jīng)非常明朗，通信業(yè)內(nèi)也基本上達(dá)成了未來電信網(wǎng)絡(luò)的核心將采用分組交換技術(shù)的共識(shí)，并且在這種共識(shí)之下，最終提出了基于分組交換技術(shù)的軟交換概念。
