1.1 现代通信网络的现状、特征及类型

1.1.1 现代通信网络的现状

人类社会在经历了农业社会、工业社会阶段以后，正在向信息社会演进。21世纪知识型社会形态逐步显现，目前处于智能信息社会的初级阶段，其特征就是数字化、网络化、个人化、自动化和信息化。而现代通信网络是现代社会基础设施的重要组成部分，是现代信息社会的中枢神经系统。现代通信网络已经成为人们日常生活、信息获取、信息查询、信息处理和科学研究等活动的重要基础平台，具有重大的经济效益和社会效益。

现代通信的基本形式是在信源与信宿之间建立一个传输或转移信息的通道，实现信息的传输。现代通信网络的定义：现代通信网络是由终端、传输和交换等现代通信设备组成的系统，用以实现语音、数据、多媒体等形式的通信要求。

现代通信网络是与时俱进、不断发展的。在不同的历史时期，用户不断提出新的需求，推动了网络技术向前发展，导致新型网络的诞生。自20世纪90年代以来，一股强大的信息化潮流席卷了全球。在1993年9月美国政府提出建设国家信息基础设施（NII）的行动后，世界各国兴起了筹备“信息高速公路”的热潮。1994年9月，美国政府又提出了建设全球信息基础设施（GII）的倡议，欲将各国的NII连接起来，组成世界信息高速公路。1995年5月，亚太地区经济合作组织发布了“APEC”信息基础设施汉城宣言，确立了亚太信息基础设施（APII）建议的5个目标和10项原则。1996年10月，美国时任总统克林顿签署了开发新一代Internet计划。该计划动用联邦资金5亿美元，历经5年时间，采用IP技术，使带宽达到1Gbit/s，能传输声音、图像、文字和数据交互的多媒体信息，速度比原来快100～1000倍。

中国自20世纪80年代以来，信息化的建设有了长足的进步和发展。我国坚持以信息化带动工业化，以工业化促进信息化，走出一条中国特色信息化的新路子。在现代社会，通信是信息化的基础条件，而现代通信网络又是现代社会重要的基础设施，因此现代通信网络日益受到人们的重视。目前，我国有多家基础电信业务运营商，如中国电信、中国移动、中国联通等，在固定通信、移动通信、数据通信、卫星通信等领域形成了至少有两家公司竞争的局面。

现代通信网络的三大部分是传输、交换和终端设备，比如电话通信系统就是如此（见图1-1）。因此，现代通信网络的发展是和这些通信设备、电子器件、计算机技术的发展紧密相关的，它在某种程度上是一个国家综合国力的体现。一方面，电子技术按摩尔定律或超摩尔定律飞速发展，日新月异，通信网络的发展呈现日益数字化的趋势，通信网络具有了宽带化、智能化、个人化和多媒体化的特征；另一方面，通信基础设施投资巨大，回收周期较长，促使人们在研究应用更先进的通信网络技术的同时，必须考虑到市场的需求，兼顾到投资回报率，形成与原有的通信网络长（短）期并存的局面。由于历史的原因，实际上不同类型的网络都是针对其特定应用而设计的，而每一种网络都有其独特的特性，都是为了解决当时网络需要解决业务难题。各种网络的共存、互联、融合、演进，已成为现代通信网络的重要特征。

1.1.2 现代通信网络的特征

20世纪90年代Internet和移动通信的发展是通信网络有史以来的最为辉煌的时期。进入21世纪后通信业务和网络应用的发展更加迅猛，呈现出多样化、宽带化、移动性、泛在化和可信化的趋势。

1.多样化

通信网已存在并发展了100多年。一方面，由于涉及面广，规模庞大，技术复杂，加之各地区经济发展的不平衡，注定其发展演变只能以一种渐变的方式进行。另一方面，为了保持与原有技术的兼容性，又导致网络结构进一步复杂化，并且至今通信网仍在不断发展演变之中。以上因素导致了现代通信网形成目前多种网络技术体制并存的混合式结构，在接入、承载、交换、业务等各个层面都体现出多样化的特征，导致通信网络种类繁多，比如固定电话网、移动电话网、计算机网络、数据网络、Internet、ISDN网、ATM网、以太网、无线局域网、无线Mesh网络、WiMAX网络、3G网络、4G网络和NGN等。

2.宽带化

宽带化既表现为业务的宽带化，又表现为网络的高带宽增长。

通信业务已经从语音扩展到数据、多媒体与流媒体，接入链路带宽从十多年前的28.8kbit/s到现在的ADSL的2Mbit/s或者以太网10/100Mbit/s，吉比特以太网（GE）到小区也较普及，可以说用户接入能力10年增大近千倍。光纤到家（FTTH）在日本、中国等国已开始应用，其接入带宽可超过100Mbit/s。宽带化还表现在干线的带宽上，美国跨大西洋的光纤干线带宽平均每6～7年增加100倍。我国更为显著，干线的数据流量曾有多年保持平均年增260%。宽带化的趋势同样表现在移动网络上，移动高速数据和多媒体及流媒体业务开辟了移动通信的新应用。3G、4G、超宽带无线网等多种技术，可以提供几十 Mbit/s 乃至上百Mbit/s的无线接入速率。

与光纤传输能力飞速发展相比，网络节点（例如路由器和宽带交换机）的宽带化进展相对较慢，节点的可扩展性已明显受到业务带宽增长的压力，超大容量路由器的实现已越来越难，经济性及可控性都面临挑战。

与宽带化伴随的是对带宽的可管理性问题，包括调度灵活性（例如对每一通路或每一种业务类型按需分配带宽）和可生存性（在故障情况下的保护和恢复）及业务质量（QoS）的保证，这不仅要求传送网节点具有灵活分枝插入和交叉连接的功能，还要求传送网有自愈恢复功能。宽带化对网络体系提出了新的要求，也可以说宽带化将催生新的网络体系。

3.移动化

由于移动通信随时随地使用的灵活性，其用户数迅速增长。目前，全球100多个国家移动通信用户数超过固定电话用户数，中国2003年底移动用户已多于固定用户。全球移动通信用户增长率两倍于固定电话，这种差距会越来越大。固定电话以家庭或办公室为基本使用对象，而移动通信则以个人为基本使用对象，从这一意义上说，移动通信用户将数倍于固定电话用户数。

移动通信不仅用户量大，而且在地理上分布也很不平衡，大城市中心区移动通信用户非常密集。假设在这些区域移动用户普及率达到70%（北京已超过90%），城市移动通信用户密度可达130 000/km2，缩小移动通信蜂窝小区的半径（按微蜂窝配置）仍感到频谱资源的紧张。频谱利用率是考验新一代移动通信技术的重要指标，为此各国都在探索高效无线传输技术。另外，移动上网对用户和IP地址移动性管理提出了新问题，成为新的研究热点。

4.泛在化

泛在化是指网络无处不在（Ubiquitous），就如同空气和水一样，自然地融入到人们的日常生活和工作中，主动地感知用户的需求并提供服务。这主要依赖于各种无线网络的发展，尤其是传感器网络技术的发展和普及。

射频识别（RFID）芯片和传感器的技术发展及成本的大幅度下降，推动了网络的泛在性发展。所有物品和设备，都可通过 RFID 和传感器等将它们连到网上，构成了一个无处不在的网络，人们可以在任何时间、任何地方安全使用网络，但并不感觉其存在。通信不仅是发生在人与人之间，而且更多的业务流来自人与机器间以及物体间。

网络泛在性将使联网的终端数较现在有数百甚至上千倍增加。如此之多的终端联网对网络体系和终端及地址管理等都提出新的挑战。网络的泛在性引发了对自律网（包含自组织网、自愈网、自管理网、自优化网等概念）和复杂、异构、分布的网络体系研究的重视。

5.可信化

网络可信化是指网络和用户的行为及其结果总是可预期与可管理的，能够做到行为状态可监测、行为结果可评估、异常行为可管理。具体而言，网络的可信化应该包括一组属性，从用户的角度需要保障服务的安全性和可生存性，从设计的角度则需要提供网络的可管理性。

IP网的安全问题成为影响网络发展的最大障碍。各国都在考虑建设信息安全监控体系、密码服务体系、网络信任体系和应急响应体系等问题，重点研究可信网络环境与可信计算理论、安全协议理论、生物识别科学、安全系统软件、高性能安全芯片技术、安全存储技术、逆向分析与可控理论、灾难恢复与故障容错技术等。安全协议和虚拟专用网（VPN）是目前比较重视并较多采用的措施，同时需要基于终端与基于网络的安全措施、基于网络层与基于应用层的安全措施。

目前，网络安全技术多、杂、零散，越来越复杂，实现代价越来越大，对网络性能的影响越来越大，其臃肿的弊端逐渐显示出来，可信网络在这种背景下被提出。可信网络可以提高网络的性能，简化因不信任带来的监控、防范等系统的开销，提高系统的整体性能。同时，动态行为的信任可以提供比身份信任更细粒度的安全保障。

网络可信技术是在原有网络安全技术的基础上增加行为可信的安全新思想，强化对网络状态的动态处理，为实施智能自适应的网络安全和服务质量控制提供基础策略。网络可信主要包括服务提供者的可信、网络信息传输的可信和终端用户的可信3个方面的内容。

1.1.3 现代通信网络及交换技术的类型

现代通信网络在不同的应用范围和不同的应用目标前提下，具有不同的含义。依据信号的传输方式和载体形式分类，一般可将现代通信网络分成电话通信网、数据通信网、计算机通信网和综合通信网等类型。它们采用的交换技术主要是电路交换或分组交换。现代通信网络是随着交换技术的发展而发展的。

1.电路交换

国际电信联盟（International Telecommunication Union,ITU）将电路交换（Circuit Switching）定义为“根据请求，从一套入口和出口中，建立起一条为传输信息而从指定入口到指定出口的连接”。电路交换是一种电路之间的实时交换。所谓实时，是指任一用户呼叫另一用户时，应立即在两用户之间建立通信电路的连接。这时通信网内的相关设备和线路都被这一用户占用着，不能再为其他用户服务。这种在一次呼叫中由通信网根据用户要求在指定的呼叫路由上固定分配设备的交换方式，称为电路交换方式。

采用电路交换方式的通信网可以为任一个发起呼叫的主叫用户提供一条临时的专用物理通路，它是由通路上各交换设备内部在空间上或在时间上完成电路交换而构成的，为主叫与被叫之间建立起一条直通线路。电路交换有空分和时分两种。空分电路交换是通过空间交叉连接矩阵的连通将某一条线上的语音或数据传递到另一条线上，其传递的信号可以直接采用模拟信号。时分电路交换是将某时分复用线上的某一时隙的语音或数据传递到另一时分复用线上的另一时隙上去，其传递的信号是数字信号。

经由电路交换而实现的通信包括3个阶段。呼叫建立阶段：通过呼叫信令完成逐个交换机的接续过程，建立起一条主叫到被叫的直通线路。语音或数据传输阶段：在主叫到被叫的直通线路上传输语音或数据。连接释放阶段：完成一次语音或数据传输之后，拆除该线路的连接，释放交换机和线路资源。

电路交换的主要特点：语音或数据的传输时延小且无抖动，语音或数据在通路中“透明”传输，不需存储、分析和处理，传输效率比较高；但是，电路的接续时间较长，电路资源被通信双方独占，电路利用率低。

电路交换是最早出现的一种交换方式，包括最早的人工电话在内的电话交换均采用电路交换方式。电路交换经历了从空分到时分、从模拟到数字的过程，现有公用电话交换网普遍采用时分数字电路交换方式。

2.分组交换

比起传统的电路交换方式，分组交换（Packet Switching）具有高效、灵活、迅速、可靠等优点。分组交换的概念是美国兰德（RAND）公司的保罗·布朗（Paul Baran）和他的同事于1961年在美国空军RAND计划的研究报告中首先提出来的，主要是为了解决军用电话的通信安全（防窃听），但在当时的技术条件下未能实现。当时，美国国防部高级研究规划局（ARPA）也在着手进行计算机网络的研究工作，希望寻求一种资源共享的方法，使计算机能更加有效地工作。ARPA 研究人员看到了分组交换在满足这种通信要求方面的潜力，进行了分组交换技术的研究和开发工作，于1969年完成了世界上第一个分组交换网ARPANET，该网络后来逐步发展成为Internet。

分组交换最适合数据通信，由于它在降低通信成本、提高通信可靠性和灵活性方面的巨大成功，促使20世纪70年代中期以后的数据通信网几乎全部采用分组交换。20世纪80年代以来，世界各国的公用和专用分组交换网蓬勃发展，已经形成了全球性的数据通信网，我国公用分组交换网于1989年开放业务。

面对新的用户需求及通信环境，尤其是光纤通信技术的巨大成就，分组交换技术本身也在不断进步，出现了帧中继、ATM等快速分组交换技术，其应用领域也已从数据通信领域延伸到传统的视频、电话通信领域。

分组交换也称包交换。它将用户的一整份报文分割成若干定长的数据块，即分组。分组交换是一种综合电路交换和报文交换方式的优点而又尽量避免两者的缺点的第三种交换方式。它的基本原理是“存储—转发”，是以更短的、被规格化了的“分组”为单位进行交换、传输。分组交换最基本的思想就是实现通信资源的共享。但分组交换会造成较大的时延及其抖动，不能很好满足实时通信的需要。

3.快速分组交换——异步传递方式

快速分组交换是一个概念，它包含多种不同的实现方式，且所有的方式都有一个共同的特征，就是具有最小网络功能的分组交换。所谓最小网络功能，是指通过定义一个短而固定长度的分组，简化网络内部节点对分组识别与转发、差错检验、流量控制等操作，提高了转发效率和业务吞吐量，支持业务对时间透明性和语义透明性的要求。不同的快速分组交换方式由不同的组织提出，使用不同的名称。如异步传递方式（Asynchronous Transfer Mode,ATM），它是国际电信联盟电信标准化部门（ITU Telecommunication Standardization Sector,ITU-T）使用的正式名称。ATM交换技术是以固定长度的信元作为信息传输单位、以统计复用的方式占用信道资源，支持宽带信息交换，支持不同速率的各种业务，以面向连接的方式保持了电路交换实时性的优点，以短分组化的方式保持了分组交换网络资源利用率高的优点，它是一种适合语音、数据与图像业务的综合交换技术。

4.IP交换

Internet的基本思想是建立统一协调、能够共享服务的通信系统，其实现方法是在低层网络技术与高层应用程序之间采用TCP/IP，从而抽象和屏蔽硬件细节，向用户提供通用网络服务。Internet协议（IP）属于网络层，主要实现IP分组在Internet上的寻址和传送，但不保证IP分组传送的正确性和顺序；传输控制协议（Transmission Control Protocol,TCP）属于运输层，提供端到端的可靠通信。IP 的关键是为互连的异种物理网络提供了统一的 IP 地址，从而屏蔽了下层物理网络地址的差异性，统一了异种网络地址，保证了异种网络互通。

目前，Internet正在向宽带IP网络发展，在宽带IP网络中要提供数据、语音、视频等多媒体综合服务。为了克服传统分组交换不能保证服务质量的缺点，宽带IP网络借鉴了ATM等快速分组交换的思想，采用IP交换技术，通过在IP分组上打标记、用硬件实现标签交换、智能流量管理等方法，达到快速转发分组、提高服务质量的目的。