IM开发者的零基础通信技术入门(一)：通信交换技术的百年发展史(上)

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1、本系列文章目录

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2、本文内容概述

本文（上下两篇）将带你了解当今通信交换技术最初的模样以及发展过程。学习技术更要了解技术的前世今生，技术本无聊，故事很有趣。

3、“电话”的出现

1876年2月，一位名叫亚历山大·贝尔的29岁年轻人，向美国专利局提交了一项发明专利申请并获得批准。这项专利，就是日后影响了整个人类社会进程的通信神器——电话。

▲ 亚历山大·格拉汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell）

在这之后的第二年，贝尔创办了贝尔电话公司（也就是美国AT&T公司和朗讯公司的前身，贝尔实验室的发起者），开始了电话的商业化运营。到了年底，用户数很快就达到了3000户。没过多久，贝尔又完成了波士顿和纽约之间的首次长途电话实验（相距300多公里），进一步刺激了电话的快速普及。

▲ 当时的宣传海报

4、“交换机”的出现

随着电话数量和通话距离的迅速增加，人们发现，传统的电话连线方式存在很大的问题。当时的连线方式，是直连模式，也就是1对1模式。

▲ 直连模式

这种模式，适用于最早期用户数量很少的情况。随着用户数增加，就会带来很高的成本。

▲ 直连模式需要大量的电话线连接

如上图所示，当采用直连方式，连接N个电话，需要N*(N-1)/2条电话线例如，10000个电话，就需要49,995,000条电话线。

于是，人们开始引入了“交换（switch）”的概念。所谓“交换”，就是“进和出”。交换机，就是控制消息从哪里来，到哪里去。有了交换机之后，将大幅减少线缆和线杆成本，并且有利于管理和维护。

▲ N个电话，只需要N条线

1878年，也就是电话发明两年后，世界上最早的电话交换机出现了。这种交换机，是由话务员进行人工操作的，所以称为“人工交换机”。

▲ 话务员和人工交换机

人工交换机由用户线、用户塞孔、绳路（塞绳和插塞）和信号灯等设备组成。

用户要打电话，先与话务员通话，告诉话务员要找谁，然后由话务员帮你接续。人工交换机，根据当时电话的分类，也分为两种：磁石式和共电式。最初的电话机，电能由自身提供，主要由送话器、受话器、手摇发电机、电铃、干电池等部件构成。因为手摇发电机上有两块永久磁铁，所以得名“磁石电话机”。

▲ 早期的磁石电话机

1880年，出现了“共电式电话机”，通话双方可以共同使用电话局的电源。这项改进，使电话机的结构大大简化了，而且使用方便，拿起电话便可呼叫。

▲ 共电电话机（摇把没了）

5、“步进制电话交换机”的出现

人工交换机的缺点是显而易见的：容量很小，需要占用大量人力，工作繁重，效率低下，而且容易出错。1891年，有一个名叫史端乔的殡仪馆老板，就吃了人工交换机的大亏。

▲ A.B.史端乔（Almon Brown Strowger）

他发现，打到自己店里的生意电话，总会被话务员转接到另一家殡仪馆。后来才知道，原来当地话务员是那家殡仪馆老板的堂弟。于是，他很生气，发誓一定要发明一个不需要人工操作的交换机。结果，他还真的做到了。他在自己的车库里，制作了世界上第一台步进制电话交换机。

▲ 为了纪念他，这种交换机也被称为“史端乔交换机”

这种交换机，由预选器、选组器和终接器等部件组成，以机械动作代替话务员的人工动作。当用户拨号时，选择器随着拨号发出的脉冲电流，一步一步地改变接续位置，从而将主叫和被叫用户间的电话线路自动接通。

▲ 步进制交换机工作原理图

话说，史端乔确实是一个发明天才，除了步进制交换机之外，大家经常在电视上看到的旋转式拨号盘，也是他发明的。有人还专门给他建了一个网站，以示纪念（网址就是他的名字：www.almonbrownstrowger.com）。

▲ 旋转式拨号盘

1892年，第一个“史端乔步进制电话局”在美国投入使用。后来，在史端乔步进制交换机的基础上，又出现了旋转式和升降式的交换机。

1909年，德国西门子公司对史端乔步进制电话交换机进行了改进，主要是将三磁铁上升旋转型选择器改为二磁铁的选择器，制成西门子步进制电话交换机。

▲ 1929年在中国澳门安装使用的西门子F1步进制电话交换机

6、“机电制自动电话交换机”的出现

步进制交换机虽然实现了替代人工，但是仍然存在很多缺点，例如接点是滑动式的，可靠性差，易损坏，动作慢，结构复杂，体积大等。

▲ 日本富士通信机制造株式会社生产的A29步进制交换机（1940年）

于是，工程师们继续寻求更好的解决方案。1919年，瑞典工程师贝塔兰德和帕尔姆格伦共同发明了一种“纵横接线器”的新型选择器，并为之申请了专利。

▲ 纵横制接线器

这种接线器，将过去的滑动式改成了点触式，从而减少了磨损，提高了使用寿命。

▲ 纵横连接器交叉点示意图

在“纵横连接器”的基础上，1926年，世界上第一个大型纵横制自动电话交换机在瑞典松兹瓦尔市投入使用。到了1938年，美国开通了1号纵横制自动电话交换系统。紧接着，法国、日本等国家也相继生产和使用该类系统。从此，人类正式进入纵横制交换机的时代。到20世纪50年代，纵横制交换系统已经非常成熟和完善。

▲ 纵横制交换机

“纵横制”和“步进制”，都是利用电磁机械动作接线的，所以它们同属于“机电制自动电话交换机”。

7、“程控交换机”的出现

就在纵横制不断完善的同时，随着晶体管的发明，半导体技术和电子技术飞速发展，人们开始考虑，在电话交换机中引入电子技术。

▲ 世界上第一个晶体管

由于当时电子元件的性能还无法满足要求，所以出现了电子和传统机械结合的交换机技术，被称为“半电子交换机”、“准电子交换机”。后来，微电子技术和数字电路技术进一步发展成熟，终于有了“全电子交换机”。1965年，美国贝尔成功生产了世界上第一台商用存储程式控制交换机（也就是“程控交换机”），型号为No.1 ESS（Electronic Switching System）。

▲ No.1 ESS程控交换机

1970年，法国在拉尼翁开通了世界上第一个程控数字交换系统E10，标志着人类开始了数字交换的新时期。程控交换机的实质，就是电子计算机控制的交换机。

▲ NEC程控交换机

它以预先编好的程序来控制交换机的接续动作，优点非常明显：接续速度快、功能多、效率高、声音清晰、质量可靠，其容量可大至万门。

注：这里所说的“门”，是交换机容量的一种单位，可以简单理解为最大支持的接续电话数量。如此巨大的容量，意味着占地面积更小。程控交换机的机架数仅为纵横制的1/10，而且每个机架的重量减轻一半多，非常有利于安装和维护。