1.3　规模扩张，交换演进

人类在发明电话和无线电报之后，将其视为两种相互独立的通信技术，分别进行研究。

我们先来看看电话的发展史。

贝尔在申请电话专利之后的第二年，创办了贝尔电话公司，开始了电话的商业化运营。到当年年底，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（相距300多千米）的首次长途电话实验，进一步推动了电话的快速普及。

随着电话用户的迅速增加，人们发现传统的电话连线方式存在很大的问题。电话的工作原理，其实就是将声音信号转换成电信号，通过电线传输之后再将电信号转换成声音信号。说白了，电话的连通与否，关键在于电线。最早的连线方式是直连模式（见图1-8），也就是一对一模式。这种模式适用于用户数量很少的情况。随着用户数的快速增长，成本也会快速增加：要连接n个电话，需要n×(n- 1)/2条电线。例如，要连接10 000个电话，就需要49 995 000条电线。

图1-8　直连模式

于是，人们开始引入“交换”（switch）的概念，发明了电话交换机。所谓“交换”，就是“进和出”。交换机所做的，就是控制消息从哪里来、到哪里去。交换机的出现不仅可以大幅减少线缆和线杆的成本，还有利于简化管理和维护。如图1-9所示，在交换模式下，n个电话只需要n条电线。

图1-9　交换模式

世界上最早的电话交换机诞生于1878年。这种交换机由话务员进行人工操作，所以称为“人工交换机”。用户在打电话时，要先与话务员通话，告诉话务员想要找谁，然后由话务员帮忙接续（见图1-10）。

图1-10　话务员和人工交换机

根据当时电话的分类，人工交换机也分为两种，分别是磁石式和共电式的。早期的电话机由自身提供电能，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“磁石式电话机”（见图1-11）。“共电式电话机”则出现于1880年。这种电话机的通话双方可以共同使用电话局的电源，从而大大简化了电话机的结构。这种电话机使用方便，拿起便可呼叫。

图1-11　早期的磁石式电话机

人工交换机虽然实现了交换的功能，但也有明显的缺点：占用大量人力，效率低下，且容易出错。1891年，有一个名叫A. B. 史端乔（Almon Brown Strowger）的殡仪馆老板就吃了人工交换机的亏。他发现，客户打到自己店里的电话总会被话务员转接到另一家殡仪馆。原来，这个话务员是另一家殡仪馆老板的堂弟。得知原因后的史端乔非常生气，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（又称为“史端乔交换机”，见图1-12）。

图1-12　早期的步进制交换机

步进制交换机由预选器、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，预选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（工作原理见图1-13）。

图1-13　步进制交换机的工作原理

值得一提的是，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（见图1-14）也是史端乔发明的。对于一个殡仪馆老板来说，他的发明天赋真的很了不起。正因为他的杰出贡献，20世纪90年代末，还有人专门给他建立了一个网站，以示纪念。

图1-14 带有旋转式拨号盘的电话机

1892年，第一个史端乔步进制电话机在美国投入使用。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改进，制造出了西门子步进制电话交换机。

总的来说，步进制交换机虽然可以替代人工交换机，但仍然存在很多缺点。例如，步进制交换机的接点是滑动式的，不仅可靠性差、易损坏，而且结构复杂、体积大、动作慢。于是，工程师们转而继续寻求更好的解决方案。

1915年，贝尔公司旗下的西部电气公司设计了一款用于切换电话呼叫的机电设备，并将其命名为坐标选择器（coordinate selector）。1919年，瑞典工程师G. A. 贝塔兰德（Gotthilf Ansgarius Betulander）和尼尔斯·帕尔姆格伦（Nils Palmgren）在坐标选择器的基础上加以改进，共同发明了一种叫作“纵横接线器”（crossbar，见图1-15）的新型选择器，并申请了专利。这种接线器没有采用过去的滑动式接点，而是改用点触式接点，从而减少了磨损，延长了使用寿命。在纵横接线器的基础上，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。1938年，美国开通了1XB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了该类系统。从此，人类正式进入纵横制交换机（见图1-16）时代。

图1-15　纵横接线器

图1-16　纵横制交换机

“纵横制”和“步进制”都利用电磁机械动作进行接线，所以它们同属于“机电制自动电话交换机”。机械终归是机械，效率低、容量小、故障多，难以满足人类日益增长的通信需求。于是，科学家们没有停下脚步，而是继续研究和探索更先进的交换处理方式。