电信级通信网络的发展和演进

 

最初的有线通信系统是基于模拟信号进行传输和交换的话音通信网络，这种网络功能单一，就是完成语音信号的远距离传递，从而为人们提供电话交流服务。最初的无线通信系统，也是基于模拟无线信号的调制、解调和传递的话音通信系统。

支撑这些通信网络的通信设备（或交换设备）功能非常单一且简单，没有任何智能控制的概念，有的甚至需要人工参与完成交换功能。

随着计算机技术的兴起和规模应用，以及数字传输技术的成熟，支撑上述有线和无线网络的交换设备，也演变成基于计算机程序进行控制的相对智能的设备。这种设备往往被叫做程控交换机，可完成非常复杂的功能，而且升级换代相对简单，有利于保持运营商的设备投入成本。

也是随着计算机和计算机网络的发展规模应用，专门用于计算机系统之间进行通信的网络也逐渐兴起。这些网络与上述有线和无线电话网络不同，它们的终端设备是计算机系统，而不是电话机。这些计算机通信网络种类繁多，比如专门用于提供物理专线功能的DDN，以及提供虚拟专线功能的X.25网络、Frame-Relya网络等。网络协议虽然不同，但他们的本质和目的是相同的，就是基于统计复用构架，为计算机系统提供通信服务。

到上世纪80年代初期，提供通信服务的网络已经是非常烦杂和多样了，总结起来，主要有提供有线电话通信服务的固定电话网络（我们称其为PSTN，Public Switching Telephone Network），提供无线通信服务的移动电话网络（我们称其为PLMN，Public Land Mobile Network），提供计算机通信服务的DDN、X.25、Frame-Relay等。这些网络最初建设的时候，都是基于长距离铜缆进行信号的传递，后来随着光纤通信技术的成熟和应用，大多数上述网络的底层传输介质都逐渐被光缆所替代。

这个时候，可以认为是通信网络的战国时代，因为不同功能的网络各自为政，相互独立，无法进行功能和资源上的复用。这必然会导致网络建设成本和运营成本非常高，对运营商来说，若想提供一种业务，则必须建设一个独立的网络，建设一个对应的维护和市场拓展部门。这些成本最终会分摊到网络用户身上，导致网络接入的成本非常高，从而大大限制了网络的普及。

这个问题被广泛认同之后，许多设备供应商和运营商试图寻求解决上述问题的办法。这种驱动促使了两种网络体系构架（或协议）的出现，一种是ISDN（综合业务数字网），一种是ATM（异步传输模式）。其中ISDN网络是基于PSTN网络的体系构架发展来的，可同时提供电话语音服务和计算机系统通信服务。ATM则是一种全新的网络体系构架，从理论上讲，它可提供包含语音、视频、计算机通信等各种通信服务，而且可以模拟DDN、X.25、Frame-relay等物理网络。正是因为它的这些优点，ATM网络曾在上世纪80年代末到上世纪90年代初期非常火热，许多校园网、本地宽带网等都是基于该技术建设的。

从技术上说，ATM是非常完美的技术，个人认为，ATM技术是通信网络从诞生到现在，最完善、最优秀的网络体系构架。它诞生的目的就是统一整个通信网络，结束天下混战的局面。而且它也在80年代末和90年代初之间，取得了辉煌的成就。但最终它失败了，而且随着网络的进一步演进，ATM逐渐退出了历史舞台。这不能不让人产生非常大的遗憾，但ATM本身发出的光芒，却足以照耀整个通信网络的发展历史。大致分析起来，ATM失利的原因，主要有几点：

I）               ATM是一种全新的技术，虽然可以模拟当时所有的网络形态和构架，但无法充分利用当时已大规模建设并投入使用的网络。这样部署起来必然存在较大的成本阻力；

II）            ATM技术完美，几乎解决了当时通信领域遇到的所有技术问题。这样必然导致整个技术体系庞大且复杂，从而导致支持ATM的网络设备成本偏高，网络建设成本巨大；

III）          最致命的一点，就是ATM的终端结合性不够好。当时计算机网络已十分成熟，计算机通信占据了整个通信领域的半壁江山，而计算机系统大多数提供灵活便宜的以太网接口，这种接口无法直接跟ATM网络进行互连，必须经过一些适配设备进行转换。这样无形之中增加了终端接入ATM网络的门槛，大大限制了ATM的推广和应用。

 

取而代之ATM的，就是IP协议。实际上，TCP/IP协议从上实际60年代就已经提出并得到大规模的应用，但在我们上述的介绍中，从未提到过TCP/IP网络。这就是TCP/IP协议最高明的地方，它并不是一个实际的网络，它只是一种通信协议，它可以构建在任何支持统计复用的数据通信网络之上。比如DDN，X.25，Frame-Relay，甚至电话拨号网络。TCP/IP协议把这些网络作为一个承载层，能够很好的协调这些不同构架的网络进行互通。甚至后来，连ATM技术，也成了TCP/IP协议的承载层。因此，TCP/IP协议具备十分强的网络亲和性，能够把各种已有的网络技术充分利用起来，从而保护网络服务商的投资。显然，这种特征，刚好是ATM网络所不具备的。

同时，TCP/IP协议非常简单灵活，具有很强的伸缩性和可扩展性。实际上，只要几百行代码，就可以实现一个可使用的IP协议栈。但如果要实现全部的TCP/IP协议功能（实际上是一个协议族），则需要至少5万行C语言代码。而且可以通过扩展TCP/IP协议的已有功能，很容易实现新的功能，比如IPSec、隧道技术等。而TCP/IP协议最复杂的部分，在于TCP协议的相关算法，以及IP报文的路由机制。但这些功能都已经标准化，因此网络设备在实现TCP/IP协议功能的时候，成本是非常低的。

由于具备与现有网络的亲和性，这也包含与Ethernet、Token-ring和FDDI的亲和性，这使得TCP/IP协议很容易被部署在终端上。在上世纪70年代到80年代，基于IPX协议的Netware操作系统得以大规模应用。但TCP/IP协议的这种网络亲和性，使得它的应用范围越来越广泛，逐渐有取代IPX成为霸主的趋势。于是Novell公司在它的Netware 5.0网络操作系统中，直接引入了TCP/IP协议。这更促进了IPX协议的进一步消亡，从而最终奠定了TCP/IP协议在计算机通信领域的最终霸主地位。

于是在上世纪90年代，大量的基于Ethernet和TCP/IP协议的企业网、校园网、本地宽带网等被建设起来，这些网络是Internet的最主要组成部分。到此为止，TCP/IP协议统一了企业网、行业网等数据通信网络，所谓有心栽花花不活，无意插柳柳成阴，通信界处心积虑提出的用于统一各种网络形态的ATM技术，没有达到既定目标，而最初由科研机构实现的这个试验性协议－TCP/IP协议，却在没有任何初期栽培和扶植的情况下，完全凭借自身的优势，完成了网络的统一大业。需要注意的是，这里的统一大业，并不是整个通信网络的统一大业，而是数据通信网络的统一，更专业的说法，应该是统计复用网络的统一。

 

TCP/IP协议成为事实的数据通信标准之后，大致是在上实际90年代，这时候世界上用于通信的网络可概括为三个：

I）               用于固定话音通信的电话交换网，即PSTN。这时候，PSTN已完全数字化，采用完全程序控制的电话交换机完成通话线路的交换，采用基于SDH/DWDM体系构架的传输体系进行数字信号的传输；

II）            用于无线通信的移动通信网，即PLMN。由于无线调制技术的不同，PLMN又存在多种表现形式，比如GSM移动通信网络、CDMA移动通信网络等。它们的不同之处，只是体现在无线频道的使用和效率上，在有线网络部分（后续我们称为无线核心网，相应地，无线传输部分称为无线接入网）都是相同的，都是采用了PSTN的交换网络构架。当然，为了实现用户的移动特性，移动核心网又引入了几个重要的网络组件，比如HLR（管理移动用户的归属信息）、VLR（管理移动用户的漫游信息）等；

III）          Internet。严格来说，Internet不是一个具体的网络，它应该是多种网络构架的一个大杂烩。Internet的核心协议就是TCP/IP，正是TCP/IP协议，把原来各种各样的通信网络，比如DDN、ISDN、ATM、X.25、Frame-Relay等，统一到了自己的名义之下，又以一种统一的使用形式呈现给用户。

 

当然，为了支撑PSTN和PLMN的运行，还有一些辅助的网络，比如7号信令网、运营支撑网等。这些网络可归结为PSTN和PLMN的一个部分。

在网络发展过程中，还曾出现过许多其它类型的网络，比如H.323网络，基于OSI协议模型的CLNS网络，甚至基于802.3协议的二层链路网络。但这些网络都是昙花一现，甚至连昙花一现都算不上，因为它们根本没有给通信网络的发展带来任何实际的影响，也没有给人们的通信交流带来明显的促进作用。

显然，这是一种三足鼎立的局面，既然有分立，必然存在统一的可能，所谓分久必合，合久必分。但PSTN和PLMN话音通信网络是何等的高贵，开始的时候，它们高高在上，藐视群雄，从未把市井之徒TCP/IP协议放在眼里。但随着个人计算机系统和智能个人终端系统（比如PDA，智能手机等）的广泛普及，人们之间的通信交流，已不再满足于基本的电话交流，视频交流、图片分享、多媒体共享，甚至网络电视、网络实时监控等新兴通信需求不断涌现。由于PSTN和PLMN生来的工作机制，决定了这些网络无法直接支撑这些新兴业务的运行，于是它们也开始考虑改变自己，从而适应时代的发展需要。而基于TCP/IP协议的Internet，却由于天生的包容性和亲和性，对这些新兴业务统统接纳。但最初Internet的发展和兴起，完全是不受控的，这样在它高速成长的同时，也逐渐积累了无法根植的弊病。比如服务质量问题（QoS），安全性问题，以及可靠性问题等。而这些新兴的业务，却要求承载的网络能够达到可预知的运行水平，这一点，Internet是无法满足的。

这好比是一个避难所，突然有一天迎来了一群衣食无靠的难民，PSTN和PLMN由于自身的门口太窄，无法让这些难民一下子全部涌入。而Internet的门口虽然很宽，但它的容积有限，也无法一下子很好的全部收容所有难民。极力抵制和拼死接纳，都不是明智的做法，最终必然导致一同灭亡。于是这两大阵营都行动起来，试图解决这个矛盾。

首先，PSTN和PLMN必须扩展自己的进入门口，以使得难民能够进入。但同时，它也必须充分管理好自己的内部空间，以免太多的难民进入，影响到原有的栖息人员，而且它也必须把好门，不要让有不良意图的恐怖分子进入。

对于Internet，也必须重新规划自己的空间管理办法，不要不分良莠的一概接纳，这样只会同归于尽。同时，它也必须管理好自己的进入门口，不要让不法分子进入。另外，Internet还必须学会PLMN和PSTN的理财手段，或者直接向难民收保护费，或者组织难民垦荒种粮，以维持运行过程中的支出。

且看PSTN和PLMN是怎么做的。PSTN和PLMN都是基于时隙（一般是64Kbits/s）或信道对网络资源进行管理的。它们规定了接入网络的严格接口，然后基于这个接口对用户提供服务。这样一旦接入的设备，对网络提出了更大的带宽需求，网络就无能为力了，这也是为什么传统话音网络无法适应新兴业务的原因。于是PLMN和PSTN参考了TCP/IP协议的做法，不规定进入带宽（入口），或者提供多种进入带宽，不同的业务可采用不同的入口接入网络，而网络仍然按照以前的管理方式，对用户进行管理。这种方式是非常有效的，于是PSTN和PLMN分别行动起来，对自己的现有工作机制进行改造。

PLMN采用了更新的无线调制技术，比如基于码分多址技术的WCDMA和CDMA2000，来更新它们的无线接入网络。这就是业界称为3G的网络技术（原GSM/CDMA被称为2G）。同时，直接引入TCP/IP协议，用IP协议作为无线核心网的传输体系，来更新它们的核心网。接入网和核心网都更新完毕之后，仍然沿用原有的管理体系，对用户和网络进行管理。

而PSTN网络，也充分扩展了自己的接入方式，改变了原有的只采用模拟铜线的接入方式，引入了诸如Ethernet、ADSL，有线电视网络，甚至无线通信（比如WiFi、WiMAX等）的接入方式。对于核心网，也采用了跟PLMN相同的做法，完全采用TCP/IP协议作为自己的承载体系，但网络管理体系保持不变。这就是所谓的NGN技术。NGN，是下一代网络（Next Generation Network）的简称，这个词现在已被滥用，但这里我们专指采用了分组接入和交换技术，并采用交换和控制分离方式建设的固定电话网络。

Internet网络，也在充分完善自己，比如充分优化接入技术，采用可完成认证、授权和计费功能的接入服务器（BRAS）来完成用户的接入，采用DiffServ体系构架，确保整个网络的服务质量，甚至有的局部网络，通过部署IDS和防火墙，来进一步增强网络的安全性等。这样做的目的，就是为了能够更好的承载新兴通信服务。

 

我们就处在这样一个时代。

 

目前，大多数网络运营商都在进行PSTN和PLMN的改造，以适应新兴业务和通信模式的需要。同时，各运营商也在对自己负责的Internet网络进行优化（Internet是一个松散管理的网络集合，由不同的组织进行管理和维护，形成一种分级的管理局面），以适应未来的需要。但未来网络将会演变成什么样子，目前尚未得知。PSTN/PLMN走的IP化的路子是否正确，以及Internet能否优化成一个可支撑所有通信业务的网络，以支撑人们的通信需要，也是一个未知数。但下面两种结果的可能性，从目前来看都非常大：

I）               PLMN和PSTN经过IP化后，体系构架逐渐趋同。同时，又有另外一种网络构架，把这两个网络统一起来。比如目前3GPP提出的IMS体系构架，就有可能统一PSTN和PLMN，形成一个统一管理的、基于相同承载平台的，但同时又能全部沿用原有接入技术的融合通信网络。这个通信网络可支持目前所有的通信业务，同时可很容易的支撑未来的通信业务需求。在这个大统一的网络体系构架下，用户可采用一种统一的接入方式，比如Ethernet或ADSL，完成各种各样的通信交互。但用户也必须按照网络运营商的要求，为除接入服务外的其它服务进行付费。也就是说，用户除了付给运营商网络接入费用外，还必须付给运营商通信服务费用。这时候，Internet仍然存在，不过Internet的功能将单一化，就是提供非实时性要求的计算机通信业务，比如网页浏览，文件下载等；

II）            Internet经过优化，可承载现有的所有通信业务，同时也具备承载未来通信业务的能力。这时候，PSTN和PLMN就会彻底消亡，整个世界只存在Internet一个网络。用户通过一个接入口，比如Ethernet或ADSL，接入Internet，然后通过Internet完成语音通信、视频通信、即时消息通信等，同时也通过这个相同的网络实现网页浏览、文件下载等非实时通信业务。这种情况下，用户就只需付给运营商网络接入费用，而无需付额外的通信费用。因为这些通信业务，一般由互联网业务提供商（ISP）来负责，比如QQ、MSN等。目前来看，这些ISP的商业模式不是向用户收费，而是通过发展更多的用户，来扩大自己的影响力，从而通过广告等方式向企业实体收费。

 

不论最终发展成那种网络形态，整个通信网络朝着IP化方向演进，已是不可改变的事实。不论这是否正确，是否会造成将来通信网络的崩溃，目前已经这么做了，而且演进的步伐正在加大。

对最终用户来说，似乎看起来第二种方式比第一种要优越，因为用户付费的种类要少了。但起决定意义的，应该是最终的付费数量，若第一种方式的费用总和，加起来会比第二种要低，那么最终用户还是会选择第一种方式。不论如何，运营商最终向用户收费的数量，是由运营成本决定的，运营商不可能亏损运营，否则网络将进入不健康的发展历程，从长远来看，不利于人类通信事业的发展。

从整个网络的发展趋势来看，整体是朝着越来越优化、成本越来越低的方向发展，这样的必然结果，就是最终用户享受通信服务的费用会越来越低。但不排除网络发展过程中曾出现过的严重的过渡建设和恶性竞争，也不排除单运营商垄断造成的成本损耗和消费者昂贵投入，更不排除技术壁垒和专利造成的不平等市场形式。