1.3 通信交換技術的發展

1.3.1 電話交換的演進

在兩個或多個電話機之間，通過改變不同通話線路間的連接來實現用戶之間通話的接通過程，稱為電話交換。實現電話交換的設備，稱為電話交換機。如果只有兩部電話，只要一對電話線就夠了。如果有1000部電話，要使其中任兩部電話通話，需要499500對電話線路。為了節省電話線路的投資，電話交換就顯得十分必要了。只要每部電話都同電話局相連，用戶通過電話交換設備實現通話，就能大大減少電話線路的數量，于是電話交換誕生了，電話交換完成的是電話通信路由的交換。

1877年，在電話機問世后的第二年，簡單的人工電話交換設備就出現了。當年5月17日，在美國波士頓華盛頓大街的霍姆斯公司里，一臺由波士頓警備公司安裝的電話交換機開始使用，這是世界上最早的人工電話交換機。使用它的目的，是把公司客戶中的4家銀行與一名電工技師的報警系統連接起來，白天接通電話，晚上作為自動報警系統。有了人工電話交換機，就可以由話務員通過人工方法使電話相互接通。

1878年1月28日，美國康涅狄格州的紐好恩開通了第一個市內電話交換所，當時只有20個用戶。第一臺人工電話交換機是由電話發明人貝爾和格雷在發明電話機的同時設計出來的。在人工電話交換臺上有許多塞孔，通過線路分別與各用戶的電話機聯通。用戶通過話機將呼叫號碼告訴交換臺，話務員用帶插頭的塞繩連接兩個用戶塞孔便可把用戶和呼叫方的電話接通。人工電話交換機又稱總機，包括磁石式和供電式交換機兩種類型，如圖1-19和圖1-20所示。

1878年9月1日，埃瑪.M.娜特成為世界上第一位女性接線員。

1879年底，電話號碼出現。

1881年，意大利羅馬、法國巴黎、德國柏林先后開通了各自的第一個電話網絡。

1889年3月12日，美國堪薩斯市的實業家史端喬最先獲得步進制交換機的關鍵部件的專利，并提出了步進制交換機的原理。此前他發覺，電話局的話務員不知是有意還是無意，常常把他的生意電話接到他的競爭者那里，使他的多筆生意因此丟掉。為此他大為惱火，發誓要發明一種不要話務員接線的自動接線設備。1892年11月3日，用史端喬發明的接線器制成的“步進制自動電話交換機”在美國印第安納州的拉波特城投入使用，這便是世界上第一個自動電話局。不久，這臺交換機就以“不需要話務員小姐、不耍態度”而聞名。有了它，不需手工操作就能自動處理用戶的呼叫和電話的接通工作。從此，電話通信跨入了一個新時代。步進式交換機是靠用戶的撥號脈沖控制選擇器完成先上升、后旋轉的動作，使弧刷與觸點接觸構成通路，可連通99個用戶。但是，這種滑動接點的接續方法，存在元件磨損大、壽命低、速度慢、雜音大等缺點。

1896年，撥號電話問世，使自動交換機的作用能更有效地發揮出來。有了步進制交換機，原來由話務員根據用戶呼叫接通對方電話的操作就被用戶發出的撥號信號代替。在步進制交換機中，一種稱為選擇器的大型設備代替了接線員。用戶撥出對方的號碼后，選擇器就會按照這個號碼自動“尋找”對方的電話線，并正確地搭接到對方的電話線路上。后來西門子公司把選擇器改為兩個電磁鐵，稱為西門子式步進制交換機。

1912年，辦公用排列機出現，這種排列機通過主機可同時帶有17個電話分機，每個分機都可以打出去，并且分機之間也可互相接通，這與用戶小交換機PBX相似。

1915年前后，貝爾公司同時開發出旋轉式和升降式兩種步進制交換機。

1919年，瑞典的電話工程師帕爾姆格倫和貝塔蘭德發明了“縱橫制接線器”，并申請了專利。1923年，瑞典首先制造出可實際使用的縱橫制接線器。1926年，瑞典制造出第一臺大容量縱橫制電話交換機。1929年，瑞典松茲瓦爾市建成了世界上第一個大型縱橫制電話局，擁有3500個用戶。縱橫制交換機是機電式交換機中最完善的一種，它的接續元件為縱橫接線器，控制元件為繼電器。縱橫制交換機使用縱橫接線器進行接線，其工作方式與繼電器相似。縱橫制交換機采取交換和控制兩種功能分離的方式，可以大大簡化通話接續部分的電路，控制接線部分可以公用。它的接線器采用貴金屬推壓式接點，比步進制可靠、雜音小、通話質量好，此外還有機件不易磨損、壽命長、障礙少、維護簡單、功能多、組網靈活方便、容易實現長途電話自動化等優點。20世紀50~60年代，縱橫制交換機在世界各地得到廣泛的應用。然而，縱橫制交換機仍未跳出機械動作的圈子，縱橫制交換機耗費貴金屬較多，制造成本高，機房占地面積大。因此，當計算機技術興起后，它逐步被電子自動交換機取代。

20世紀60年代，電話交換進入了電子交換時代。開始采用晶體管電子元件代替電磁繼電器，用干簧管接線器代替縱橫制接線器。干簧管接線器工作速度較高，能與電子元件的控制電路配合工作。

1965年5月，由美國貝爾公司計算機控制的1號電子交換機問世，這是世界上第一部開通使用的程控電話交換機。在程控交換機的控制中，使用了專門的電子計算機，人們根據需要把預先編制好的程序存入計算機后即可自動完成電話的交換功能。1965年美國薩加桑納開通的2000門空分程控電話交換機，從1965年到1975年這10年間，絕大部分程控交換機都是空分的、模擬的。

1970年，世界上第一部程控數字交換機在法國巴黎開通投入商用試驗，這標志著數字電話的全面實用和數字通信新時代的到來。采用時分復用技術和大規模集成電路，解決了數字電話信號的交換問題。

1996年，美國政府與大學分別提出下一代網絡（NGN）技術。

1997年，貝爾實驗室提出軟交換的概念。

2010年，隨著軟交換技術的興起，傳統程控電話交換設備逐漸被軟交換設備取代。

2006年，軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）誕生于美國GENI項目資助的斯坦福大學Clean Slate課題，斯坦福大學Nick McKeown教授為首的研究團隊提出了OpenFlow的概念用于校園網絡的試驗創新，后續基于OpenFlow給網絡帶來可編程的特性，SDN的概念應運而生。

2007年，斯坦福大學的學生Martin Casado領導了一個關于網絡安全與管理的項目Ethane，該項目試圖通過一個集中式的控制器，讓網絡管理員可以方便地定義基于網絡流的安全控制策略，并將這些安全策略應用到各種網絡設備中，從而實現對整個網絡通信的安全控制。

2008年，基于Ethane及其前續項目Sane的啟發，Nick McKeown教授等人在ACM SIGCOMM發表了題為《OpenFlow: Enabling Innovation in Campus Networks》的論文，首次詳細地介紹了OpenFlow的概念。該篇論文除了闡述OpenFlow的工作原理外，還列舉了OpenFlow幾大應用場景。基于OpenFlow為網絡帶來的可編程的特性，Nick McKeown教授和他的團隊進一步提出了SDN的概念。2009年，SDN概念入圍Technology Review年度十大前沿技術，自此獲得了學術界和工業界的廣泛認可和大力支持。

2009年12月，OpenFlow規范發布了具有里程碑意義的可用于商業化產品的1.0版本。如OpenFlow在Wireshark抓包分析工具上的支持插件、OpenFlow的調試工具（Liboftrace）、OpenFlow虛擬計算機仿真（OpenFlowVMS）等也已日趨成熟。

2011年3月，在Nick Mckeown教授等人的推動下，開放網絡基金會（ONF）成立，主要致力于推動SDN架構、技術的規范和發展工作。4月，美國印第安納大學、Internet2聯盟與斯坦福大學Clean Slate項目宣布聯手開展網絡開發與部署行動計劃（NDDI），旨在共同創建一個新的網絡平臺與配套軟件，以革命性的新方式支持全球科學研究。NDDI利用了OpenFlow技術提供的SDN功能，并將提供一個可創建多個虛擬網絡的通用基礎設施，允許網絡研究人員應用新的因特網協議與架構進行測試與實驗，同時幫助領域科學家通過全球合作促進研究。

2012年4月，ONF發布了SDN白皮書（Software Defined Networking：The New Norm for Networks），其中的SDN三層模型獲得了業界廣泛認同。7月，軟件定義網絡（SDN）先驅者、開源政策網絡虛擬化私人控股企業Nicira以12.6億被VMware收購。Nicira是一家顛覆數據中心的創業公司，它基于開源技術OpenFlow創建了網絡虛擬平臺（NVP）。VMware的收購將Casado十幾年來所從事的技術研發全部變成了現實——把網絡軟件從硬件服務器中剝離出來，也是SDN走向市場的第一步。這年，SDN完成了從實驗技術向網絡部署的重大跨越：覆蓋美國上百所高校的Internet2部署SDN；德國電信等運營商開始開發和部署SDN；谷歌宣布其主干網絡已經全面運行在OpenFlow上，并且通過10G網絡連接分布在全球各地的12個數據中心，使廣域線路的利用率從30%提升到接近飽和。從而證明了OpenFlow不再僅僅是停留在學術界的一個研究模型，而是已經完全具備了可以在產品環境中應用的技術成熟度。年底，AT&T、英國電信（BT）、德國電信、Orange、意大利電信、西班牙電信公司和Verizon聯合發起成立了網絡功能虛擬化產業聯盟（Network Functions Virtualization，NFV），旨在將SDN的理念引入電信業。

2013年4月，思科和IBM聯合微軟、Big Switch、博科、思杰、戴爾、愛立信、富士通、英特爾、瞻博網絡、NEC、惠普、紅帽和VMware等發起成立了Open Daylight，與Linux基金會合作，開發SDN控制器、南向/北向API等軟件，旨在打破大廠商對網絡硬件的壟斷，驅動網絡技術創新力，使網絡管理更容易、更廉價。Open Daylight項目的范圍包括SDN控制器、API專有擴展等，并宣布要推出工業級的開源SDN控制器。

2014年，逐漸開始有公司報道在生產環境應用了SDN。其中以Facebook最具有代表性，Facebook不僅公布了數據中心網絡架構，還開源了FBOSS（交換機操作系統）和Wedge（TOR交換機）作為其主導的Open Compute Project的一部分。

2015年，Google確認在其Jupiter & Andromeda項目里采用SDN來管理大規模環境。Google指出，其SDN基于三個元素：白盒交換機，SDN控制器和Clos架構設計。這與Facebook的架構類似，大規模網絡架構中，似乎都傾向于采用這些SDN元素構建網絡。并且，具有一定研發實力的公司都傾向于自研自建網絡架構，而不是完全依賴網絡設備商。

2017年，VMware宣布其NSX有2400+客戶，帶來10億美元銷售額。這是商用SDN領域披露的最大一筆銷售額。