1.3 通信交换技术的发展

1.3.1 电话交换的演进

在两个或多个电话机之间，通过改变不同通话线路间的连接来实现用户之间通话的接通过程，称为电话交换。实现电话交换的设备，称为电话交换机。如果只有两部电话，只要一对电话线就够了。如果有1000部电话，要使其中任两部电话通话，需要499500对电话线路。为了节省电话线路的投资，电话交换就显得十分必要了。只要每部电话都同电话局相连，用户通过电话交换设备实现通话，就能大大减少电话线路的数量，于是电话交换诞生了，电话交换完成的是电话通信路由的交换。

1877年，在电话机问世后的第二年，简单的人工电话交换设备就出现了。当年5月17日，在美国波士顿华盛顿大街的霍姆斯公司里，一台由波士顿警备公司安装的电话交换机开始使用，这是世界上最早的人工电话交换机。使用它的目的，是把公司客户中的4家银行与一名电工技师的报警系统连接起来，白天接通电话，晚上作为自动报警系统。有了人工电话交换机，就可以由话务员通过人工方法使电话相互接通。

1878年1月28日，美国康涅狄格州的纽好恩开通了第一个市内电话交换所，当时只有20个用户。第一台人工电话交换机是由电话发明人贝尔和格雷在发明电话机的同时设计出来的。在人工电话交换台上有许多塞孔，通过线路分别与各用户的电话机联通。用户通过话机将呼叫号码告诉交换台，话务员用带插头的塞绳连接两个用户塞孔便可把用户和呼叫方的电话接通。人工电话交换机又称总机，包括磁石式和供电式交换机两种类型，如图1-19和图1-20所示。

1878年9月1日，埃玛.M.娜特成为世界上第一位女性接线员。

1879年底，电话号码出现。

1881年，意大利罗马、法国巴黎、德国柏林先后开通了各自的第一个电话网络。

1889年3月12日，美国堪萨斯市的实业家史端乔最先获得步进制交换机的关键部件的专利，并提出了步进制交换机的原理。此前他发觉，电话局的话务员不知是有意还是无意，常常把他的生意电话接到他的竞争者那里，使他的多笔生意因此丢掉。为此他大为恼火，发誓要发明一种不要话务员接线的自动接线设备。1892年11月3日，用史端乔发明的接线器制成的“步进制自动电话交换机”在美国印第安纳州的拉波特城投入使用，这便是世界上第一个自动电话局。不久，这台交换机就以“不需要话务员小姐、不耍态度”而闻名。有了它，不需手工操作就能自动处理用户的呼叫和电话的接通工作。从此，电话通信跨入了一个新时代。步进式交换机是靠用户的拨号脉冲控制选择器完成先上升、后旋转的动作，使弧刷与触点接触构成通路，可连通99个用户。但是，这种滑动接点的接续方法，存在元件磨损大、寿命低、速度慢、杂音大等缺点。

1896年，拨号电话问世，使自动交换机的作用能更有效地发挥出来。有了步进制交换机，原来由话务员根据用户呼叫接通对方电话的操作就被用户发出的拨号信号代替。在步进制交换机中，一种称为选择器的大型设备代替了接线员。用户拨出对方的号码后，选择器就会按照这个号码自动“寻找”对方的电话线，并正确地搭接到对方的电话线路上。后来西门子公司把选择器改为两个电磁铁，称为西门子式步进制交换机。

1912年，办公用排列机出现，这种排列机通过主机可同时带有17个电话分机，每个分机都可以打出去，并且分机之间也可互相接通，这与用户小交换机PBX相似。

1915年前后，贝尔公司同时开发出旋转式和升降式两种步进制交换机。

1919年，瑞典的电话工程师帕尔姆格伦和贝塔兰德发明了“纵横制接线器”，并申请了专利。1923年，瑞典首先制造出可实际使用的纵横制接线器。1926年，瑞典制造出第一台大容量纵横制电话交换机。1929年，瑞典松兹瓦尔市建成了世界上第一个大型纵横制电话局，拥有3500个用户。纵横制交换机是机电式交换机中最完善的一种，它的接续元件为纵横接线器，控制元件为继电器。纵横制交换机使用纵横接线器进行接线，其工作方式与继电器相似。纵横制交换机采取交换和控制两种功能分离的方式，可以大大简化通话接续部分的电路，控制接线部分可以公用。它的接线器采用贵金属推压式接点，比步进制可靠、杂音小、通话质量好，此外还有机件不易磨损、寿命长、障碍少、维护简单、功能多、组网灵活方便、容易实现长途电话自动化等优点。20世纪50~60年代，纵横制交换机在世界各地得到广泛的应用。然而，纵横制交换机仍未跳出机械动作的圈子，纵横制交换机耗费贵金属较多，制造成本高，机房占地面积大。因此，当计算机技术兴起后，它逐步被电子自动交换机取代。

20世纪60年代，电话交换进入了电子交换时代。开始采用晶体管电子元件代替电磁继电器，用干簧管接线器代替纵横制接线器。干簧管接线器工作速度较高，能与电子元件的控制电路配合工作。

1965年5月，由美国贝尔公司计算机控制的1号电子交换机问世，这是世界上第一部开通使用的程控电话交换机。在程控交换机的控制中，使用了专门的电子计算机，人们根据需要把预先编制好的程序存入计算机后即可自动完成电话的交换功能。1965年美国萨加桑纳开通的2000门空分程控电话交换机，从1965年到1975年这10年间，绝大部分程控交换机都是空分的、模拟的。

1970年，世界上第一部程控数字交换机在法国巴黎开通投入商用试验，这标志着数字电话的全面实用和数字通信新时代的到来。采用时分复用技术和大规模集成电路，解决了数字电话信号的交换问题。

1996年，美国政府与大学分别提出下一代网络（NGN）技术。

1997年，贝尔实验室提出软交换的概念。

2010年，随着软交换技术的兴起，传统程控电话交换设备逐渐被软交换设备取代。

2006年，软件定义网络（Software Defined Network，SDN）诞生于美国GENI项目资助的斯坦福大学Clean Slate课题，斯坦福大学Nick McKeown教授为首的研究团队提出了OpenFlow的概念用于校园网络的试验创新，后续基于OpenFlow给网络带来可编程的特性，SDN的概念应运而生。

2007年，斯坦福大学的学生Martin Casado领导了一个关于网络安全与管理的项目Ethane，该项目试图通过一个集中式的控制器，让网络管理员可以方便地定义基于网络流的安全控制策略，并将这些安全策略应用到各种网络设备中，从而实现对整个网络通信的安全控制。

2008年，基于Ethane及其前续项目Sane的启发，Nick McKeown教授等人在ACM SIGCOMM发表了题为《OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks》的论文，首次详细地介绍了OpenFlow的概念。该篇论文除了阐述OpenFlow的工作原理外，还列举了OpenFlow几大应用场景。基于OpenFlow为网络带来的可编程的特性，Nick McKeown教授和他的团队进一步提出了SDN的概念。2009年，SDN概念入围Technology Review年度十大前沿技术，自此获得了学术界和工业界的广泛认可和大力支持。

2009年12月，OpenFlow规范发布了具有里程碑意义的可用于商业化产品的1.0版本。如OpenFlow在Wireshark抓包分析工具上的支持插件、OpenFlow的调试工具（Liboftrace）、OpenFlow虚拟计算机仿真（OpenFlowVMS）等也已日趋成熟。

2011年3月，在Nick Mckeown教授等人的推动下，开放网络基金会（ONF）成立，主要致力于推动SDN架构、技术的规范和发展工作。4月，美国印第安纳大学、Internet2联盟与斯坦福大学Clean Slate项目宣布联手开展网络开发与部署行动计划（NDDI），旨在共同创建一个新的网络平台与配套软件，以革命性的新方式支持全球科学研究。NDDI利用了OpenFlow技术提供的SDN功能，并将提供一个可创建多个虚拟网络的通用基础设施，允许网络研究人员应用新的因特网协议与架构进行测试与实验，同时帮助领域科学家通过全球合作促进研究。

2012年4月，ONF发布了SDN白皮书（Software Defined Networking：The New Norm for Networks），其中的SDN三层模型获得了业界广泛认同。7月，软件定义网络（SDN）先驱者、开源政策网络虚拟化私人控股企业Nicira以12.6亿被VMware收购。Nicira是一家颠覆数据中心的创业公司，它基于开源技术OpenFlow创建了网络虚拟平台（NVP）。VMware的收购将Casado十几年来所从事的技术研发全部变成了现实——把网络软件从硬件服务器中剥离出来，也是SDN走向市场的第一步。这年，SDN完成了从实验技术向网络部署的重大跨越：覆盖美国上百所高校的Internet2部署SDN；德国电信等运营商开始开发和部署SDN；谷歌宣布其主干网络已经全面运行在OpenFlow上，并且通过10G网络连接分布在全球各地的12个数据中心，使广域线路的利用率从30%提升到接近饱和。从而证明了OpenFlow不再仅仅是停留在学术界的一个研究模型，而是已经完全具备了可以在产品环境中应用的技术成熟度。年底，AT&T、英国电信（BT）、德国电信、Orange、意大利电信、西班牙电信公司和Verizon联合发起成立了网络功能虚拟化产业联盟（Network Functions Virtualization，NFV），旨在将SDN的理念引入电信业。

2013年4月，思科和IBM联合微软、Big Switch、博科、思杰、戴尔、爱立信、富士通、英特尔、瞻博网络、NEC、惠普、红帽和VMware等发起成立了Open Daylight，与Linux基金会合作，开发SDN控制器、南向/北向API等软件，旨在打破大厂商对网络硬件的垄断，驱动网络技术创新力，使网络管理更容易、更廉价。Open Daylight项目的范围包括SDN控制器、API专有扩展等，并宣布要推出工业级的开源SDN控制器。

2014年，逐渐开始有公司报道在生产环境应用了SDN。其中以Facebook最具有代表性，Facebook不仅公布了数据中心网络架构，还开源了FBOSS（交换机操作系统）和Wedge（TOR交换机）作为其主导的Open Compute Project的一部分。

2015年，Google确认在其Jupiter & Andromeda项目里采用SDN来管理大规模环境。Google指出，其SDN基于三个元素：白盒交换机，SDN控制器和Clos架构设计。这与Facebook的架构类似，大规模网络架构中，似乎都倾向于采用这些SDN元素构建网络。并且，具有一定研发实力的公司都倾向于自研自建网络架构，而不是完全依赖网络设备商。

2017年，VMware宣布其NSX有2400+客户，带来10亿美元销售额。这是商用SDN领域披露的最大一笔销售额。