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发表于 2017-10-9 20:46:19 |显示全部楼层
本帖最后由 h68810115 于 2017-10-9 20:51 编辑

2.3光传输
2.3.1 光纤的诞生

        光线非直线传播

        1870年的一天,英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理,他做了一个简单的实验:在装满水的木桶上钻个孔,然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到,放光的水从水桶的小孔里流了出来,水流弯曲,光线也跟着弯曲,光居然被弯弯曲曲的水俘获了,也就是说光线不再直线前进了,通过其他实验发现,光还能顺着弯曲的玻璃棒前进。这些现象引起了丁达尔的注意,经过他的研究,发现这是全反射的作用,由于水等介质密度由于比周围的物质(如空气)大,即光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。表面上看,光好像在水流中弯曲前进。

         根据上述的理论,一直有科学家在使用光进行通信的研究。实际上真正研究光纤通信之前,在1880-实际上贝尔就首先演示了光束通话传输,但是由于经济性,可靠性及容量的约束,并没有商业化的基础,所以在光纤通信诞生之前,几乎所有的传输都是采用同轴电缆或者微波传输。同轴电缆由于成本高,通信容量较低,而微波传输虽然部署方便,但是可靠性及容量依然是一个问题。因此传输,特别是长途传输逐渐的成为通信的一个瓶颈。

          光纤之父

         在这个时候,光纤通信之父,高锟适时出现。
2.3 01高坤.jpg
高锟

       高锟,1934年12月5日年出生在上海陆家嘴,并住在英租界,父亲是国际法庭的法官。入学前,父亲就聘请老师到家,教学的主要内容四书五经等传统文化,10岁,高锟就读国际学校,除了要读中文之外,也要读俄文和德文,学校聘请留德的学者回来教授,高锟开始接触中国之外的人事文化。

      1948年全家移居香港,中学毕业后,他考入香港大学。但由于当时港大没有电机工程系,他远赴英国东伦敦伍尔维奇理工学院(现英国格林威治大学)求学,并于1957年毕业。1957年,高锟进入国际电话电报公司(ITT),并在其英国子公司——标准电话与电缆有限公司(StandardTelephones and Cables Ltd.)任工程师。1960年,高坤进入ITT在英国的研究机构任职,并工作10年。正是在这段时期,高锟教授成为光纤通讯领域的先驱。

    其实,本来高锟工作重点是研究和改进微波传送通讯系统。研究了三年后,他发现这个技术面临着各种限制,没办法从根本改善通讯。高锟的在 STL 的上司 Antoni Karbowiak 带领着他,寻找了另一种不同的方法。Antoni希望用光通讯来取代传统的毫米波通讯技术,他试图使用薄膜波导结构来实现传输,研究了很久但一直没办法实现,后来Antoni离开了 STL 去了澳洲任教。

       高锟和另一个同事 George Hockham继承并改进了Antoni 的研究,高锟放弃了薄膜波导结构,改用玻璃纤维进行传输。通过研究波导的结构和介质的损耗性质,发现了玻璃纤维的损耗是由于玻璃中的金属杂质引起的,高纯度的玻璃介质能实现光通信,最后还计算出当玻璃介质的损耗低于20dB/km 时,便可实现光速通讯,也就是1966年题为《光频率介质纤维表面波导》的论文,并指出原材料的提纯和拉制光纤工艺改进降低折射率不均匀是可以制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤。

2.3 02高坤实验室.jpg
高锟在实验室

      在发表论文的时代,同轴电缆的衰减比光纤要小很多,每公里衰减几十dB(分贝),而1960年最好的光纤的衰减都在1000dB以上,世界上最好的光学玻璃的损耗是 700dB/km。不要以为1000dB和几十dB是仅仅是几十倍的关系,因为分贝实际上是对数的关系,差不多3dB的衰减就是信号的能量差一倍,也就是说这个衰减之间的差异实际上是几千倍的差异。而高坤的论文对现代光通信的主要支撑是,给出能够用光纤通信的理论依据,并指出光纤改进的主要的主要方向。

      在论文发表之后,在通讯业界其实并不是都认可高坤的理论和结果,包括贝尔实验室都还是继续致力于研究空心光波导系统。高锟访问贝尔实验室,想寻求帮助时,受到了冷遇。但是高锟的执着打动了另外一个关键角色,英国邮政总局。

       光传输的诞生

       1967 年,英国邮政总局拨款1200 万英磅给高锟研究纤维光学,并在J.Bray推动和影响下,各国邮电部门及主要的通讯公司包括贝尔系统公司,都给予了极大的关注,并开始研究光纤通信。这种巨大的联合努力足以攻克各种课题。
2.3 03光纤通信原理.jpg
光通信系统主要原理

         在光纤上,当时世界最大的玻璃公司康宁(Corning,现在也是主要的手机屏幕玻璃供应商)先后斥资 3000 万美元,持续在光纤的制造上面进行研究,并在1970 年首次研制成功损耗为 20dB/km 光纤。

        贝尔实验室则发挥了在科技界多面手的优势,在1970年,贝尔实验室研制出世界上第一只可以在室温下连续波工作的砷化镓铝半导体激光器,而在此之前,所有的激光器都只能在低温下工作,并在随后的几年中大大提高了激光器的可用时间,并在1977年,几乎和是日本日本电报电话公司(NTT)同时发明了可以工作100万小时(实际使用大概在10年左右)的激光器。与此同时,贝尔实验室在光纤的改进上面也持续投入,1973年,美国贝尔实验室研制的光纤损耗降低到 2.5dB/km,并1974年继续提升至1.1dB/KM。

        至此,光传输的支撑的两大关键技术都已经取得了突破性进展。在43年之后的2009年, 76 岁的高琨因“开创性的研究与发展光纤通讯系统中低损耗光纤”与两位美国科学家因“发明半导体成像器件电荷耦合器件”共享获得诺贝尔物理学奖。在此前,诺贝尔奖偏重于基础研究领域的成果,高锟是首位以应用物理研究获诺贝尔物理学奖的人。

         在上述技术突破的基础上,1976-美国在亚特兰大的贝尔实验室地下管道开通了世界上第一条光纤通信系统的试验线路。采用一条拥有144根光纤的光缆以45Mbps的速率传输信号,中继距离为10 km。1977-世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用,速率为45Mb/s。而中国的光通信研究虽然比海外晚一些,但是并没有晚多少。1973年武汉邮电科学研究院(烽火通信的控股股东)开始研究光纤通信,并在1979年,拉制出中国第一根具有实用价值,每公里衰耗只有4分贝的光纤。1982年开通中国第一个自主知识产权的光传输系统,虽然当时的8M传输速率比最快的光传输系统还有不少差距,但是这个也是烽火通信前行的基础。

       光传输优势

       相比传统的同轴电缆的传输系统,光传输的优势是不言而喻的:

       通信容量大:原来的同轴电缆原来传输的容量相对比较小,一个干线电缆也就是几千几万组通话的带宽,但是光纤通信,虽然在起步阶段通信容量并不是很高,但是光纤的理论上的通信容量要要比同轴电缆要高很多。

      损耗低通信距离长: 一般情况下,电信号传输一段距离之后由于损耗的原因,信号就衰减了,必须采用中继站进行信号的放大,但是光传输由于技术的进步,损耗小,最好的光纤能够实现0.2dB/km,可以实现无中继传输几千公里。

      保密性强:因为光纤的基本成分是石英,只传光,在其中传输的光信号不受电磁场的影响,故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此,在光纤中传输的信号不易被窃听,因而利于保密。抗干扰能力强

       成本低:
对应IT业界的摩尔定律,在光传输领域初期有一个光学定律(OpticalLaw):光纤传输信息的带宽,每6个月增加1倍,而价格降低1倍。铺设1000公里的同轴电缆大约需要500吨铜,改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英,几乎是取之不尽的。低成本光传输就为互联网的发展提供充足的传输带宽。



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发表于 2017-10-10 09:57:28 |显示全部楼层
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发表于 2017-10-10 16:23:14 |显示全部楼层
好,学习通信发展史

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发表于 2017-10-10 17:18:28 来自手机 |显示全部楼层
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发表于 2017-10-13 11:31:21 |显示全部楼层
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发表于 2017-10-14 09:50:29 |显示全部楼层
继续等待更新,谢谢大元帅

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发表于 2017-10-15 14:37:11 |显示全部楼层
2.3.2 产业化之后的光传输技术发展:

       随着光传输的商业化和产业化,面对通信市场对大容量的迫切需求,光传输设备普及非常快,技术进步和容量提升(单根光纤的容量)也是一日千里。

        光传输诞生以后,产品发展前期主要是是提升光传输的容量和传输距离,随着应用的数量增多,成本的降低,光传输就逐渐下层,目前为止,光传输进户成为主流的,因此降低光纤到户的成本及提升可靠性也成为一个重要的演进方向。

       AT&T的第一个光传输系统仅45Mbps,而现在(2017)在一根光纤实验室的传输带宽已经达到400Tb/s,足可以支持48亿人同时通话。每个2Mbps可以支持30人同时通话,而1TB=1000GB=1000*1000Mbps,也就是光纤诞生之后40年的时间里面,光纤的容量提升了几百万倍。

       光纤单载波的变化

       在光传输诞生后开始是使用的PDH(准同步传输)传输体系,随后很快演进到SDH(同步传输系统),并广泛应用,随着IP技术应用,产品层面又演进为MSTP及PTN,这个只是产品形态上面的变化,核心的变化是从过去的TDM(时分复用)传输向IP传输演进的过程,而真正影响传输容量变化的是单载波容量的提升。

        进入SDH时代之后,光纤的单载波的速率155Mbps,并很快提升至622Mbps,并到2.5G。155/622M 的传输主要应用在边缘节点,而2.5G的传输主要应用在干线上。随后,由北电在1999~2000年率先实现了10G光传输的商用,这个应该算是一个里程碑,因为人们当时普遍认为2.5G传输可能是传输速率的上限(芯片,编码等其他技术没有突破的情况下),从而打开了单通道传输速率提升的持续提升。但是随着速率的提升,技术要求及复杂度也越来越高,单载波10Gbps商用从2000年算起,一直到2011年才首次进行了100G商用传输系统的部署,差不多花了10年时间。

         波分系统

         在单波长传输速率提升同时,业界又想到了另外一个提升光传输的路径,那就是波分复用。波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带传输信息)在发送端经复用器(亦称合波器,Multiplexer)汇合在一起,并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术;在接收端,经解复用器(亦称分波器或称去复用器,Demultiplexer)将各种波长的光载波分离,然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术,称为波分复用。在此基础上,将更多的光载波信号复用,也称为密集波分复用。
2.3 04波分复用.jpg
                              
         业界第一个波分复用是AT&T的双波长WDM(1310/1550nm)系统,在80年代在美国AT&T网中使用。AT&T随后根据自身系统应用及发展,在1991提出密集波分复用的理论。波分和密集波分系统的关键就是在一个光纤上传输的光载波之间的间隔,间隔越小,则能够承载的波的数量就越多。密集波分系统的光载波的间隔从最初的100G以上,降低到50G,甚至到25G,载波间隔越小,则能够承载的载波就越多。

        光传输容量的复合提升

        如果将单载波容量和波分系统进行叠加那么传输容量的提升就是指数级别。

容量Gbps
16波
32波
64波
128波
2.5G
40
80
160
320
10G
160
320
640
1,280
100G
1,600
3,200
6,400
12,800

        如表格所示,如果单根光纤单载波是2.5G的速率,叠加16载波,最大容量也就40G的容量,但是如果用100G的单载波速率,叠加128载波,这可以提升至12800G,差不多相当于载波2.5G容量的5000倍。当然这个仅仅是理论的计算,实际上100G叠加128载波的技术复杂度是非常高的。

        目前(2017年)实验室测试的单根光纤最大的传输速率已经达到400T=4000000GB

       传输的距离提升

        虽然在之前光传输的商用条件之一就是低损耗的光纤,但是开始定义的低损耗是相对于短距离的低损耗,比如几公里或者几十公里。从光传输诞生之日起,业界厂商就把提升光传输的传输距离作为技术提升的关键目标之一。而传输距离和速率,复用的波数及光纤的质量有很强的关系,传输的带宽越宽,传输的距离就越小。

        一般在行业上,把长距分为常规长距离传输,亚超长距离传输及超长距离传输。1000公里以内的可以称为常规长距离,1000~2000的成为亚超长距离传输,而2000公里以上的,可以称为超长距离传输。超长跨距系统无任何中继设备,运营维护成本低,一般应用在特殊场合,如城际、近海、无人区(沙漠、沼泽、森林)。比如跨大西洋的光缆,就需要4000公里以上,无任何中继,而跨太平洋则需要10000公里以上的无中继传输。因此超长距传输需求主要是来自于跨洋光缆上。

        随着超长距离方面的宽带喇曼放大器,超强FEC编码纠错等关键技术突破,超长距离无中继光传输实验室已经达到了1万公里以上,而实际商用的10G,100G的举例也已经超过3000公里。比如在21世纪初期,朗讯就已经能够达到128波10G速率的波分4000Km无中继,而在同时期,华为的光传输也可以实现40*10G的4600公里的无中继传输。

        传输设备技术的变化

        电信运营商的干线网络开始还是以承载电路交换(语音)为主,互联网的流量占比还是比较小。因此在20世纪80,90年代开始的光传输建设还全部是电路交换的SDH为主,随着互联网流量逐渐增长,运营商的传输网络建设的传输技术也经历了PDH-SDH-MSTP-PTN发展过程。

        PDH:PlesiochronousDigital Hierarchy,准同步数字系统,在数字通信网的每个节点上都分别设置高精度的时钟,这些时钟的信号都具有统一的标准速率。尽管每个时钟的精度都很高,但总还是有一些微小的差别。由于PDH发展的初期,由各个设备商和标准化组织各自制定标准,因此PDH没有全球性标准,欧洲、北美和日本的速率各部相同,并且也没有通用的光接口规范,结构复杂,缺乏灵活性,网络运行、维护和管理能力差,因此PDH很快就不能满足传输建网的需求,很快就被SDH所淘汰。

       SDH:Synchronous Digital Hierarchy,同步数字体系,它规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级,接口码型等特性,规范和统一了光接口,增强了管理能力,成为很长一段时间里面光传输的建设主力标准。所有要经过SDH的各种业务信号通过映射、定位和复用形成SDH标准化的传输模式,统一标准,SDH的最小单元是个容器,其大小是固定的,大大简化了SDH的设备的复杂度及互联互通的难度,这也是SDH在电路交换的语音时代大获成功的核心原因。但是随着互联网业务带来的数据业务流量的增加,也带来传输管道点到点同带宽的管道刚性不足,传输效率不是很高。

        MSTP: Multi-ServiceTransmission Platform,多业务传输平台。随着SDH传输的日益普及,和电信网上数据业务的比例越来越高,各种各样接入的业务都需要在SDH上承载,因此逐渐发展出了MSTP技术,通过GFP,HDLC,PPP等封装协议,MSTP把非固定带宽业务封装到SDH帧中。因此,MSTP可以支持ETHERNET,ATM/IMA等业务的接入,在SDH的用户侧增加了以太网接口或ATM接口,实现IP化接口,也就是IP over SDH。

       MSTP的核心仍然是SDH,在SDH的基础上进行了改进。IP是三层协议,也就是网络层,而SDH属于物理层,那么IP over SDH就需要在IP和SDH之间有一个二层的东西进行转换。也就是说需要把IP包封装为帧在SDH上进行传送。

       PTN:Packet translate network,分组传送网。因为MSTP/SDH电路交换为核心,承载IP业务效率低,带宽独占,调度灵活性差,在互联网流量已经占到传输主流的时候,还用SDH通过各种协议和业务转换来承载互联网流量,就显得传输效率和维护消息都比较·低效。所以,PTN应运而生。PTN吸取了SDH的优势,其增强了编码中的开销,加强对业务的保护,底层直接采用IP的包交换,避免了各种转化,去掉了IP协议在骨干传输中不需要的协议,通过吸收SDHOAM业务管理的优点,避免了传统的IP路由技术是不可管理、不可控制、问题难以定位的等劣势。

      随着语音的承载也逐渐向IP承载转型,电信网络里面的设备逐渐向全IT话转型,并且转型的速度越来越快,新安装的设备已经是以IP设备为主。

      海底光缆

      海底通信电缆是从1850年法国电报公司在英法之间铺设的海底电缆开始,但是当时的海底电缆只能发送莫尔斯电报信号。而第一条海底光缆是1988年的大西洋海底光缆,在美国与英国、法国之间敷设了越洋的海底光缆(TAT-8)系统,全长6700公里。这条光缆含有3对光纤,每对的传输速率为280Mb/s,中继站距离为67公里。这是第一条跨越大西洋的通信海底光缆,标志着海底光缆时代的到来。

2.3 052015年海底电缆图.jpg
世界海缆图
      海底光缆一般的设计使用寿命为25年,截至2014年,海底通讯光缆数量已达到285条,其中22条不再使用,被称之为“黑光缆”。从容量的角度上说,海底光缆在服役期内具有经济上的可行性。过去10年时间里,全球数据消费量呈爆炸性增长趋势。2013年,互联网流量达到人均5GB,2018年将增至14GB。这种增长无疑会带来容量问题,因此可能会出现因为容量过小而提前将铺设的光缆退休。

2.3.4     传输的年谱


2.3 06光传输产业年谱.jpg

点评

fssw  记得老兄是无线出身,写传输还是有些吃力。 关于速率,传输不说bps,都是bit/s,数通一般说bps。 MSTP的本质还是TDM,只不过把分组业务用GFP适配到VC中。有的厂家的MSTP设备可以理解成SDH设备内置了一块IP打包  详情 回复 发表于 2017-10-16 19:41

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发表于 2017-10-16 11:20:39 |显示全部楼层
期待中。。。

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发表于 2017-10-16 15:53:41 |显示全部楼层
坐等更新!

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发表于 2017-10-16 19:41:53 |显示全部楼层
h68810115 发表于 2017-10-15 14:37
2.3.2 产业化之后的光传输技术发展:
       随着光传输的商业化和产业化,面对通信市场对大容量的迫切需求 ...

记得老兄是无线出身,写传输还是有些吃力。

关于速率,传输不说bps,都是bit/s,数通一般说bps。

MSTP的本质还是TDM,只不过把分组业务用GFP适配到VC中。有的厂家的MSTP设备可以理解成SDH设备内置了一块IP打包机。

PTN和IPRAN算传输技术的一个大演进。没提IPRAN?

期待老兄早日完成大作。。。通信界从《浪潮之巅》后就没什么好书了。。。

不过通信发展史,不能放过咱们的老祖宗,烽火狼烟传讯,不同烟柱代表不同含义,这也算编码调制了

点评

红塔山  老祖宗的智慧  详情 回复 发表于 2017-10-19 21:20
芙蓉落叶  是吴军博士的那本《浪潮之巅》吗?  详情 回复 发表于 2017-10-19 09:46
h68810115  的确,我原来是搞无线出生,写传输是有点吃力,毕竟原来只知道点皮毛。 没提IPRAN主要是自己没有识别出来IPRAN和PTN的不同,后续补上。  详情 回复 发表于 2017-10-16 21:44

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发表于 2017-10-16 21:44:03 |显示全部楼层
本帖最后由 h68810115 于 2017-10-16 21:44 编辑
fssw 发表于 2017-10-16 19:41
记得老兄是无线出身,写传输还是有些吃力。

关于速率,传输不说bps,都是bit/s,数通一般说bps。

的确,我原来是搞无线出身,写传输是有点吃力,毕竟原来只知道点皮毛。
没提IPRAN主要是自己没有识别出来IPRAN和PTN的不同,后续补上。

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发表于 2017-10-17 22:30:47 |显示全部楼层

既生瑜何生亮--ATM与IP之争

本帖最后由 h68810115 于 2017-10-17 22:38 编辑

2.4 数据通信
2.4.1 杀出血路的以太网与TCPIP

       TCP/IP

      这里的TCP/IP是指的IP技术,是指当前互联网中的IP相关技术的总称。
      互联网及TCP/IP是起源于ARPA NET,而ARPA则是美国的高级研究项目局的简称,而高级研究局则是为了应对苏联发射卫星而成立的技术研究机构。ARPANET顾名思义就是ARPA的网络,是在1969年由国防部创建,最初用来验证计算机联网的不同方式,当时它的研究也仅限于军事用途,之后也将部分高校的网络连接进来。

     随着研究的进展,已经能够使得国防部内部分部分机构的计算机互联,从最初的4台计算机为起点,连接到网络上面的计算也越来越多。到了1972年,基于TCP/IP的计算机之间的通信就基本完成,并公布。在制定基本协议的同时,各种应用也相应诞生,比如新闻组,电子邮件等,随着应用的丰富,联网的需求也逐渐增多,以太网交换机,域名,路由器等等互联网的关键发明出来,随着欧洲粒子物理研究所提出了一个影响非常巨大的分类互联网信息的协议,真正的互联网也就诞生了了。这个协议,1991年后称为WWW(World Wide Web),基于超文本协议,也就是我们现在经常使用的WWW的来源。

      TCP/IP协议主要包括两个主要的协议,即TCP协议和IP协议,通俗的讲,TCP负责发现传输的问题,一有问题就发出信号,要求重新传输,直到所有数据安全正确地传输到目的,而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址。在IP层下面还有网络访问层,在TCP上层还有应用层。

      1)首先由TCP协议把数据分成若干数据包,给每个数据包写上序号,以便接收端把数据还原成原来的格式。

      2)IP协议给每个数据包写上发送主机和接收主机的地址,一旦写上源地址和目的地址,数据包就可以在物理网上传送数据了。IP协议还具有利用路由算法进行路由选择的功能。

     3)这些数据包可以通过不同的传输途径(路由)进行传输,由于路径不同,加上其它的原因,可能出现顺序颠倒、数据丢失、数据失真甚至重复的现象。这些问题都由TCP协议来处理,它具有检查和处理错误的功能, 必要时还可以请求发送端重发。

     总之,TCP/IP的核心各司其职,但是尽力而为,比如说,接受的包多了,就直接丢弃,发现包丢了,就请求重发。发一个包出去,通常都是要求有应答包,我这个包收到了

      以太网

      上面的TCP/IP只是高层的协议,这个协议可以跑在很多局域网标准之上,在这之下,还有的就是以太网的标准胜出,使得以太网+IP技术才组成了当前的网络完整的解决方案。

       1973年,在美国的施乐帕洛阿托研究中心(Xerox PARC),以太网创始人鲍勃·梅特卡夫(BobMetcalfe)在他的办公室里绘制了一张关于以太网的草图,并用写了一份描述以太网的备忘录,备忘录中概述了基于Aloha网络协议建立的,能通过同轴电缆连接计算机、打印机和文件的网络——以太网。3年之后的1976年,梅特卡夫和以太网另一个共同发明人大卫·博格斯(David Boggs)共同发表了一篇名为《以太网:局域计算机网络的分布式交换技术》的文章,文章中描述了具有冲突检测的多点数据通信系统,并随后获得了专利。1978年,施乐通过同轴电缆部署了一个实验性的以太网——X-Wire,而建立这个实验网络的主要目的确很简单,将打印机和复印机连接起来。

         1979年,梅特卡夫离开施乐,并创办了3COM公司。梅特卡夫对英特尔、DEC(DigitalEquipment Company,美国数字设备公司)和施乐进行游说,希望这三家公司同3COM公司一起将以太网标准化、规范化。并在1980年联合发布了X-wire以太网“DIX标准”,也就是“Digital/Intel/Xerox”标准。1982年,DIX联盟发布了以太网的第二个版本,即EthernetII,在1983年,IEEE以EthernetII标准为基础,发布了第一个正式的官方以太网标准—IEEE802.3。

        第一版本的以太网标准使用单根同轴电缆、速度为10Mbps的基带局域网络,最大传输距离不超过500米,最多可以连接100台电脑的收发器,且缆线两端必须接上50欧姆的终端电阻,这就是最早的以太网标准。1985年,IEEE 802.3正式成为国际标准。

        但是使用同轴电缆作为传输介质,价格太贵,不易安装。所有的节点连接在同一根总线的物理总线型拓扑,总线上的所有节点共享带宽,总线某处断裂就会使整个网络瘫痪,不便于查找故障,不利于结构化布线等。

        在此基础上,网络天才们提出了在非屏蔽双绞线(UTP)电话电缆上运行以太网的想法,后通过各种方法证实在非屏蔽双绞线上可以运行1Mbps的低速以太网。1986年在此基础上发布了1Mbps的低速以太网,并已经采用通过每个通信节点直接与集线器相连的拓扑结构。拓扑组网变化如下图:
2.4 01拓扑变化.jpg
                              

         在上述的双绞线和组网拓扑改变之后,在布线,组网,成本,故障排除等方面已经很方便了,唯一不足的就是速度太慢,但是只有一个特别明确的缺陷,各个公司的技术天才们也就有了明确目标,那么提升起来就很快了。

        1990年,IEEE发布采用高质量的非屏蔽双绞线(5类线)10Mbps标准,允许传输的距离是100米。1993年发布全双工的以太网,1995发布100M以太网,1999年1000M以太网(也称未GE口),2002年10GE以太网,传输的介质也从最开始的非屏蔽的双绞线逐渐扩展到超5类线,6类线及光纤等,使得以太网几乎成为了网络连接的唯一标准。

        以太网和IP技术体系的胜出是在计算机几十种局域网互联标准规模竞争中胜出,这里面有技术实力的原因,也有一定的运气成分,主要是3Com和主要的计算机厂商结成了联盟,在应用上走在了市场前面,标准化协会也组织得较好,形成了产业链的共赢。

2.4.2    既生瑜何生亮--ATM与IP之争

        使用以太网和IP技术最初是在局域网内,或者小范围互联的广域网里使用,因此IP技术和ATM的技术矛盾还不算突出,但是随着互联网推广,特别是1992年随着美国副总统戈尔提出的信息高速公路计划的提出,极大的刺激了互联网的发展,这个时候ATM和IP的技术之争就出来了。

        端到端保障与尽力而为

        ATM(Asynchronous Transfer Mode),异步传输网络,也是宽带的综合业务数字网,标准的开发于1984年,主要是满足日益增多的数据传输需求,由电信设备商发起制定的标准。到80年后期,已经有了相对完善的协议及相应的设备。ATM把话音,数据,视频综合在一个网络中实现,但ATM发展的最后是被别人嘲笑为像鸭子。鸭子会飞但飞不高,会游泳但游不快,会走路但走不快。ATM也是这样,什么都能做但都做不好,因此ATM也被人嘲笑为Another Technological Mistake(另一个技术错误)。

        ATM和IP的技术之争,首先起源于设计思想和设计团队的不同。ATM的传输由电信领域专家设计,电信领域设计的特点首先是面向连接,其次就是高可靠性。因为之前的所有电信业务和设备都是面向连接的,比如电话,在通话两端的两个人不管多远,比如一个在北京,一个在上海,两个人在通话期间,必然有一条从北京到上海的一条完整链路供这两个人专用,不管这两个人是否在讲话,那么只是两个人都放下了电话而忘记挂电话。面向连接的专用链路就基本保证了高可靠性。因此ATM设计了精巧、严密、稳定的网络方案,可控性、可管理性都做的非常好,其特点是通信网络复杂而通信终端简单。也正是由于这种完善的协议,导致实现过于复杂,设备的成本相对较高,而标准化的推进过程中落后于IP。

2.4 02ATM协议栈.jpg

         IP则完全相反,IP技术则是由计算机背景的人主导了设计,IP相关技术设计的通信网络功能是简单的,尽力而为的,底层传输链路可靠性的不足由上一层来保证,甚至由应用程序来保证,也就是说,把大量关于可靠性的保证的交给终端来做。这样设计也是适用是当时的场景,因为当时需要进行IP通信的都是计算机,对于可靠性的保证和校验,只是在计算机程序里面多写几行而已,而这对需要用IP通信的程序员来说,就是小菜一碟,这样就大大简化了最初的交换机和路由器的相关设计,也就是IP通信的基本架构是通信终端复杂,但是中间的网络是比较简单的。最明显的一个例子是IP包收到顺序不一定是发的顺序,后发的可能到,而先发可能后到。

        火车运输与汽车运输

        打个不太准确的比方,ATM类似于铁路,IP类似于公路,虽然公路和铁路都是运送货物(ATM和IP都是分组交换网,运送数据包)。铁路是面向连接的,要发送的货物必须先按照货运列车的大小,打包装到列车上(ATM底层固定包长度),只要从上海到北京列车的班次排好,列车到了沿途各站,铁路扳道都是预先安排好的,肯定能够按时准点达到北京,一路畅通,保证运输质量,并且先发的列车都是比后发的列车先到。
而公路则不然,公路上面跑有皮卡,有重卡,货物的多少是不一定的(IP包的大小是不固定的),载重都是标示在车门上(IP包会包含这个包的大小信息),卡车到每一个路口都会选择如何走(路由选择),高速公路还可能会堵车,需要绕道到国道,要是拥塞情况较多时就会影响运输,或者时间延误,或者货物受到影响,质量得不到保证,堵车严重的话还会将整个交通运输网络弄摊(DOS攻击,向一个服务节点大量发短包使得瘫痪),卡车什么时候到,到的顺序,是不太能够保证的。

        对于货运量需求大于实际承载需求的时候,对于火车运输来说,在发送端就就直接排不上计划,在中途的站点,能够运送的货物也是定的,因此只要上路,就肯定能够到。而公路则不一样,任何地点都可能会拥塞,任何地方都是瓶颈,发送端只要有能力就发送,而不管后续路上是否拥塞。路上的拥塞,要么丢弃,要么排队。

         这两种通信方式说到底其实是两个领域的人用不同的思维在争夺通信标准主导权。ATM是传统通信行业人意志的体现。而IP技术则是由计算机领域的人搞出来的。由于IP网设备简单,因而造价不高而受到了追捧,随着互联网的大发展,在ATM和IP大战中以IP完胜而告终,最终的标志是连ADSL内部的连接都从基于ATM交换转换为IP技术为基础。这个也是虽然思科在交换机和路由器领域收入很高,但是在讨论电信设备供应商的时候,通常不把思科列入电信设备供应商行列的原因之一,另外一个原因,电信的大多数的交换机和路由器不是卖给电信运营商,而卖给行业的客户,而在骨干传输网,还是由传统设备商为主导。

          IP技术的胜利还带来另外几个问题:

          1、随着IP的应用和发展,运营商建设的所有的网络都沦为管道,真正IP的发展都是在应用层,比如Google,阿里,腾讯等。虽然这个不仅仅是IP技术决定的,但是如果是ATM胜出的话,那么围绕数据通信的增值业务设计得应该是比IP会好一点。比如在移动网络上,短信,来电显示,漫游等业务设计就对运营商的用户的业务控制和增加收入就起了比较好的作用。

         2、在90年代,当时现网的所有设备,包括骨干传输网(之前都是电路交换)都面临IP化改造的问题,以便以更高的效率传输最大数据流量的IP包。

         3、IP的尽力而为的设计理念以及在传输的可管理可维护上面的薄弱也带来了实际应用中可管理和可运维的难题,初期IP网络的稳定性和可靠性都存在不少的问题,随着网络的复杂性增加以及网络在业务运营中的重要性越来越高,IP协议也逐渐可运维和可管理方向演进,也就是说,IP也从电信学到了很东西,也在不断进步。

      IP技术的获胜,也使得以思科为代表的计算机派的交换机+路由器产品组合成为互联网的基础,这里的交换机不是之前提到的程控交换机,而是计算机网络中常见的数据交换机(LanSwitch)。而传统设备厂商的ATM技术则由于投资巨大,设备复杂并且未实现规模的商用,因此就形成了ATM技术的几乎没有任何设备商从ATM技术或者产品上赚到钱结果,与ISDN一样的结果。

      IP技术的获胜,也使得思科成为运营商市场核心路由器和大容量交换机的佼佼者,而传统设备厂商在运营商的路由器市场份额一直处于追赶阶段。

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2017-10-18
发表于 2017-10-18 14:00:52 |显示全部楼层
小弟通信应届生一枚,准备实习现在找实习工作,希望各位大佬指点一二,小弟跪谢。

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  副版主

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2014-12-31
发表于 2017-10-19 09:41:21 |显示全部楼层
继续拜读~非常好的文笔和思路~

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  副版主

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2014-12-31
发表于 2017-10-19 09:46:02 |显示全部楼层
fssw 发表于 2017-10-16 19:41
记得老兄是无线出身,写传输还是有些吃力。

关于速率,传输不说bps,都是bit/s,数通一般说bps。

是吴军博士的那本《浪潮之巅》吗?

点评

fssw  是的。  详情 回复 发表于 2017-10-22 10:16

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  二级军士长

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2005-3-6
发表于 2017-10-19 21:20:01 来自手机 |显示全部楼层
fssw 发表于 2017-10-16 19:41
记得老兄是无线出身,写传输还是有些吃力。

关于速率,传输不说bps,都是bit/s,数通一般说bps。

老祖宗的智慧

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