1、公共電話交換網路

1.1電話系統結構

• 貝爾發明電話後，最初的市場是電話銷售，當時電話是成對出售的，顧客必須自己在一對電話之間拉上一條線，如果電話主人想跟其他n個電話主人通話，則他必須拉n根單獨的電話線到n個朋友家，雜亂無章如圖a。貝爾預見了這個問題，組建了貝爾電話公司。該公司將為每個客戶拉一條通到家裡或者辦公室的電話線。當客戶要打電話的時候，首先搖動手柄使得電話公司辦公室的鈴聲響起，接線員手工通過短跳線電纜把主叫方和被叫方連線起來，單個交換局模式如圖b。由於需求增長，貝爾系統將交換局連線起來，隨後又出現了二級交換局，如圖c，最終電話系統的整個層次增長到了五級。
• 1890年，電話系統的三個部分已經全部就位：交換局、客戶機與交換局之間的線路（現在（2011出版）使用的是平衡型絕緣雙絞線，原來使用有接地迴路的裸線），以及交換局之間的長距離連線。以下描述電話系統的基本面貌：每部電話機有兩根銅線連線到電話公司最近的端局（本地中心局）。每個客戶機與端局之間的雙線連線在電話行業中稱為本地迴路。連線某個端局的使用者如果呼叫另一個也連線此端局的使用者，則局內的交換機制會在兩個本地迴路之間建立一條直接的電氣連線；如果另一個使用者不連線此端局，而它們的端局連線到同一個長途局（如果它們在同一個本地地區則稱為匯接局），端局與長途局之間的線路稱為長途連線中繼線。類似的，如果使用者之間沒有共同的長途局，它們之間的路徑將在更高層次上的某個地方建立。此後，這種連線方式被更靈活的非層次路由所取代。
• 電信領域用到了各種傳輸介質。現代化寫字樓通常使用5類雙絞線，接入家庭的本地迴路多數是3類雙絞線，交換局之間，廣泛使用的是同軸電纜、微波，特別是光纖。過去，整個電話系統中的傳輸都是模擬的，實際的語音訊號以電壓的形式從源端傳到目標端。隨著光纖、數位電路和計算機的出現，中繼線和交換裝置都採用數字的，只有本地迴路是模擬的。數字傳輸之所以成為優先選擇，是因為它不需要想模擬傳輸那樣經過一系列放大器之後必須精確還原出模擬波。對數字傳輸而言，只需要接收方能夠正確地區分出位元0和1就足夠了。這種特性使得數字傳輸比模擬傳輸更可靠。而且，系統的維護工作更加容易廉價。
• 總而言之，電話系統由以下三個主要部分構成：本地迴路（進入家庭和公司的模擬雙絞線）；中繼線（連線交換局的數字光纖）；交換局（電話呼叫在這裡中一條中繼線被接入到另一條中繼線）

1.2電話政治化

• AT&T的前身是由電話發明人貝爾於1877年建立的美國貝爾電話公司。1895年，貝爾公司將其正在開發的美國全國範圍的長途業務專案分割，建立了一家獨立的公司稱為美國電話電報公司（AT&T)。 1899年，AT&T整合了美國貝爾的業務和資產，成為貝爾系統的母公司。該公司一直是美國長途電話技術的先行者。1984年，美國司法部依據《反托拉斯法》拆分AT&T，分拆出一個繼承了母公司名稱的新AT&T公司(專營長途電話業務)和七個本地電話公司(即“貝爾七兄弟”，由23個Bell執行公司（BOC）組成)，美國電信業從此進入了競爭時代。
• 新的競爭框架導致一種關鍵技術被加入到電話網路體系結構中。美國被分為164個本地接入和傳輸區域（LATA，local access and transport areas）。在每個LATA內部，有一個本地交換運營商（LEC），它壟斷該區域的傳統電話服務，最重要的是的LEC是BOC。LATA之間的流量需要一種完全不同型別的公司處理，稱為跨區運營商（IXC）。如圖，3個LATA都有幾個端局，LATA2和LATA3還有一個內含匯接局的小型層次結構。
• IXC可以在LATA內建立一個稱為存點（POP）的交換局。LEC負責負責將每個IXC POP連線到每個端局，可以直接如LATA1和LATA3，也可以間接如LATA2。通過這種方式，LATA1中的電話使用者可以選擇任何一個IXC來呼叫LATA3中的使用者。
• IXC與LEC被禁止涉及對方的業務，1995年，美國國會看到試圖維護各類公司的業務界限的方法已經不合時宜，於是擬定一份草案允許有線電視公司、本地電話公司、長途電話運營商和行動電話運營商進入彼此的業務領域。結果是某些BOC變成了IXC，而某些公司（比如有線電視運營商）開始提供電話服務與LEC進行競爭。

1.3本地迴路：調變解調器、ADSL和光纖

• 本地迴路常常被稱為“最後一英里”，雖然其真正的長度可達數英里。本地迴路運載模擬資訊已有100多年的歷史，由於轉換成數字系統的高成本，它可能在未來一段時間發揮同樣的作用。許多努力致力於從已經部署的本地迴路的銅介質上擠出資料網路。電話調變解調器在狹窄的通道上傳送數字資料，而這些通道原本是用於語音通話的。調變解調器漸漸被ADSL這樣的寬度技術所替代。ADSL重用了電話系統的本地迴路。在其上把數字從客戶端傳送到端局，在那裡它們被虹吸到Internet。調變解調器和ADSL必須能處理本地迴路的一些限制：相對窄的頻寬、訊號失真和衰減，以及諸如串音等電器噪聲的敏感性。在一些地方，本地迴路被光纖所取代，光纖是未來發展方向。

電話調變解調器

• 執行數字位元流和模擬訊號流之間轉換的裝置稱為調變解調器，調變解調器是調製器和解調器的縮寫。調變解調器分為許多型別：電話調變解調器、DSL調變解調器、有線電視調變解調器和無線調變解調器等。調變解調器可內置於計算機（現在常見的電話調變解調器）中。從邏輯上將，調變解調器安裝在（數字）計算機和（模擬）電話系統之間。如圖所示：
• 語音級電話線被限制在3100Hz內，即使是一個完美的3000Hz線路（不可能完美），根據尼奎斯特定理，最多隻能以6000波特的速度傳送符號（符號可以表示成n進位制的資訊），大多數調變解調器的傳送速率是2400符號/秒或2400波特，它們關注的重點在於從每個符號中能獲得多少個位元。同時還要允許從兩個方向同時傳送（不同方向使用不同頻率）。低階的2400bps調變解調器用0伏電壓表示邏輯0，1伏電壓表示1，每個符號為1個位元。進一步，它可以使用4種不同的符號，類似於QPSK的4個相位，從而以每個符號傳2個位元的方式得到4800bps的資料傳輸效率。較高速率需要一組更大的符號或星座，由於有太多的符號，在探測幅度或相位時即使存在很少量的噪聲都有可能導致一個錯誤，為了減少出錯的的機會，高速調變解調器標準採用了一些額外符號進行差錯檢測，這種方案稱為網格編碼調製（TCM）。V.32調變解調器標準使用了32星座點，每個符號傳輸4個數據位元和1個校檢位元，以2400波特率獲得具有差錯檢測能力的9600bps資料率；V.32bis每個符號傳輸6個數據位元和1個校檢位元；V.34每個符號傳輸12個數據位元；V.34bis每個符號傳輸14個數據位元，以2400波特率達到33600bps資料率。
• 對於標準的調變解調器，之所以停留在33600bps源於電話系統受制於夏農極限。該機限制大約為35kbps，這是根據本地迴路的平均長度和這些線路質量推算出來的，高於這個速度將會違反物理定律（熱力學）。然而，35kbps的限制指存在兩個本地迴路的的情況，即每一端都有一條本地迴路，這樣會在兩端引入噪聲，如果去掉一條，就能提高信噪比，將最大速率提高一倍。因此當家庭使用者連線的一端是高品質的數字訊號，能獲得最大傳輸速率可達70kbps，兩個家庭使用者通過調變解調器和模擬線路連線，能獲得的最高速率仍然只有33.6kbps。
• 使用56kbps（而不是70kbps）調變解調器的原因是由尼奎斯特定理決定的。電話系統內的電話通道運載的是數字樣本值。每個電話通道4000Hz寬，包括保護帶在內。因此重構訊號所需要的取樣數應該是每秒8000次。美國樣本值為8位元，其中1位元用於控制目的，所以每個使用者可以獲得56000bps的資料速率；歐洲則是64000bps；國際協議標準選擇的是56000bps。最終結果是V.90和V.92調製解調標準。它們分別提供了56kbps的下行通道（ISP到使用者）及33.6kbps和48kbps的上行通道（使用者到ISP）。這種不對稱是因為從ISP傳輸到使用者的資料量比其他方式傳輸的資料量要多得多，這也意味著更多的有限頻寬被分配給下行通道來增加它以56kbps工作的機會。

數字使用者線

• 調變解調器之所以如此慢，是因為本地迴路連線到端局的那裡有個濾波器把所有300Hz以下、3400Hz以上的頻率都削弱下去，兩者之間的寬度是3100Hz，通常被當做4000Hz來引用，所以資料被限制在這一狹窄的頻段中。xDSL（數字使用者線路所有服務的簡稱）工作時，入境線路被連線到一種沒有濾波器的交換機上，因而可以充分發揮本地迴路的全部承載能力，於是通訊能力受到限制的因素就變成了本地迴路的物理特性（粗略支援1MHz）。然而，本地迴路的容量隨著使用者住宅與端局之間的距離增大而快速下降，因而信好的衰減也隨著距離的增加而相應地遞增。本地迴路的容量還依賴於雙絞線的粗細和綜合質量。圖給出了潛在頻寬和距離的函式關係，該圖假設所有其他因素都是最佳的（新的線路、適當的捆紮）。
• 所有的xDSL服務都有特定的設計目標。第一，服務必須在現有的本地迴路3類雙絞線上工作。第二，它不能影響客戶原來的電話和傳真業務。第三，它們必須比56kbps快。第四，這些服務應該總是可用的，按月租收費而不是按分鐘收費。為了滿足技術目標，本地迴路的1.1MHz頻譜被分成256條獨立的通道，每條通道寬4312.5Hz。這樣安排如圖所示。前一節所學的OFDM（正交頻分複用）編碼方案可用在這些通道上傳送資料，在ADSL文件中它被稱為離散多音（DMT）。通道0用於簡單老式電話服務，通道1~5空閒以防止語音訊號與資料訊號相互干擾。剩下的250條通道中，有兩條分別用於上行流和下行流控制，其他通道全部用於使用者資料。
• 原理上，剩下的每條通道都可以用作全雙工資料流，但是諧波、串音和其他影響使得實際系統的效能大大低於理論限制。因為大多數使用者的下載資料量超過上載資料量，這種選擇恰好暗示了ADSL中的第一個字母（非對稱）。一種常見的分法是32條信到用於上行資料流，其餘用於下行資料流。還有一種可能的做法是讓最高階的一些上行通道稱為雙向通道，以便增加頻寬，但是這種優化要求增加一部分特殊的電路來消除回聲。
• ADSL國際標準於1999年獲得批准，稱為G.dmt。它允許高達8Mbps的下行速度和1Mbps的上行速度。2002年的ADSL2標準上行速度仍是1Mbps，下行速度達12Mbps。ADSL+標準使用雙絞線上的雙倍寬頻（2.2MHz）把下行速度翻了一倍，達到24Mbps。這裡所引用的數字是針對端局比較近（1~2千米內）的良好線路上的最快速度。實際上很少有線路支援這樣的速度。
• 每條通道內使用了QAM（正交調幅調製方案，速率約為4000符號/秒，不同的通道可能有不用的資料傳輸率：具有高SNR（信噪比）的通道傳送的每個符號可以攜帶多達15個位元，而低SNR的通道，每個符號攜帶的位元可以降至0。
• 典型的ADSL部署結構如圖。客戶住所必須安裝一個網路介面裝置，靠近此處有一個分離器（模擬濾波器），它將老式電話服務使用的0~4000Hz頻段與資料分開，然後語音訊號被路由到電話機或者傳真機；資料訊號則被路由到ADSL調變解調器，它處理實現OFDM（正交頻分複用）。由於當前大多數的ADSL調變解調器都是外接的，所以計算機必須通過高速方式與它連線，如使用乙太網、USB電纜或者802.11。在電話公司端局也要安裝一個對應的分離器：在這裡，訊號中的語音部分被過濾出來後送到語音交換機中。頻率在26kHz以上的訊號被路由到數字使用者線路接入複用器（DSLAM），該裝置包含一個數據信號處理器，與ADSL調變解調器中的一樣，一旦從訊號中恢復出位元，就可以由此構造出資料包，併發送給ISP。由於需要安裝網路介面裝置和分離器，技術人員會到客戶處實施，產生昂貴的上門服務費用；另一種無分離器的設計已經標準化（稱為G.lite），部署與圖示一樣，只不過客戶住處沒有分離器，電話與電話線之間或者ADSL調變解調器與電話線之間的電話插孔中裝入一個微濾波器。電話的濾波器是一個低通濾波器（消除3400Hz以上的頻率），ADSL調變解調器的濾波器是一個高通濾波器（消除26kHz以下的頻率）。然而這個系統的可靠性不如帶分離器的系統，過意它的實際使用至多隻能達到1.5Mbps（而帶分離器的ADSL可以達到8Mbps）。

光纖到戶

• 已經部署的銅製本地迴路限制了ADSL和電話調變解調器的效能。，而光纖有著很好的效能。一般來說，住宅光纖被捆綁在一起，用一根光纖連線至端局，每根光纖包括一組大約100個住戶。在下行流方向，光分離器把端局傳來的訊號分離開，使得它們到達所有住戶，如果只允許一家對訊號進行解碼，則必須對訊號加密。在上行流方向，光合並器把來自各個住戶的訊號合成一個訊號傳送給端局，這種體系稱為無源光網路（PON），如圖，它通常使用一個波長被所有住戶共享，用作下行流的傳輸，使用另一個波長被所有住戶共享，用作上行流的傳輸。
• 即使訊號分離，光纖具有的巨大頻寬和低衰減意味著PON可為20千米範圍內的使用者提供高資料速率的傳輸。比較常見的PON有兩種。千兆級PON（GPON）來自電信世界，有ITU標準定義。乙太網PON（EPON）更傾向於Internet世界，由IEEE標準定義。兩者都以千兆級速率執行。為了在不同住戶之間共享端局的單根光纖容量，需要某種協議的支援。下行流方向比較容易，端局可以按照一定的次序將訊息傳送到每個不同的住戶。在上行流方向，不同的住戶卻不能同時傳送資訊，否則來自不同住戶的訊號會發生衝突，解決方案是在使用者傳送資訊前先請求，獲得由端局分配的時間槽，然後在該時間槽傳送。

1.4中繼線和多路複用

• 中繼線傳輸比本地迴路快得多；中繼線傳輸數字資訊（即位元）而不是模擬資訊（聲音）；中繼線同時進行數以千計甚至百萬級的電話呼叫，其共享可通過TDM和FDM多路複用方法實現。

數字化語音訊號

• 多年來人們一直利用FDM技術把4kHz的語音通道（3100Hz加上保護帶）多路複用到越來越大的單位。例如，60~108kHz（12*4k=108k-60k）波段的12個電話呼叫組成一組，稱為群組，5個群組再組成一組，稱為超群。然而，FDM需要類比電路，而且並不適用計算機的處理，而TDM完全通過數位電子來處理，因此近年來受到了更為普遍的應用。由於TDM只能用於資料數字傳輸而本地迴路產生的又是模擬訊號，因此必須在端局把模擬訊號轉換成數字訊號，所有個人本地迴路被組合在一起傳送到出境中繼線上。
• 在端局，把模擬訊號數字化的工作由一個稱為編碼解碼器的裝置完成。編碼解碼器每秒採集8000個樣值（125微秒/樣值），根據尼奎斯特定理，這個取樣率足以捕捉一切來自4kHz電話通道頻寬上的資訊。每個訊號的樣值幅度被量化成一個8位元的數字。這種技術就是脈衝編碼調製（PCM）。在電話呼叫的另一端，必須從隨時傳來的量化樣值中重新生成模擬訊號。為了減少由於量化帶來的誤差，量化級別被設定成不均勻形狀（非均化量化的基本方法是對大訊號使用大的量化間隔，而小訊號則利用小的量化間隔）。使用對數尺度，讓相對較小的訊號幅度用更多的位元表示，而相對較大的訊號幅度用較少的位元表示。（量化指將訊號的連續取值（或者大量可能的離散取值）近似為有限多個（或較少的）離散值的過程。量化主要應用於從連續訊號到數字訊號的轉換中。連續訊號經過取樣成為離散訊號，離散訊號經過量化即成為數字訊號。）
• 廣泛使用的量化版本有兩個：μ-law和A-law。前者被廣泛用在北美和日本地區，後者被應用在歐洲和世界其他各地區。它們都遵守ITU G.711規定的標準。整個處理過程可以想象成：訊號的動態範圍（從最大值到最小值）在（均勻）量化之前被壓縮了，然後在模擬訊號被還原時再被恢復擴充套件。基於這個原因，它被稱為壓縮擴充套件，對這個數字化後的樣值還可以進一步壓縮，一般在頻寬小於64kbps的通道上傳輸。

時分多路複用

• 基於PCM的TDM可在中繼線上運送多路電話語音，每125微秒為每路電話傳送一個語音樣值。（PCM模式沒有統一的國際標準，也意味著世界各國難以相容）。北美和日本地區使用的是T1載波（從技術上講，稱為DS1），如圖。T1載波包含24條被複用在一起的語音通道，每個通道一次將8位元的樣值插入到輸出流中。每幀包含24*8=192個位元，在加上一個額外一個位元用於控制，因而每125微秒產生193個位元。這樣得到的資料傳輸速率為1.544Mbps（1s=8000*125微秒，1.544M=125*193，每秒8000幀），其中8kbps用於信令控制。第193個位元用於幀同步和信令。在一種基於該基本方法的變異情況下，第193個位元的使用涉及群內24個時隙（規定劃分），稱為擴充套件超幀。分佈在第4、8、12、16、20、24個幀的第一個位元稱為定幀位元，6個位元共同構成定幀序列001011（DSl ESF；而DSl SF包括12個基幀，每個基幀 包括193個位元，並且每個基幀的第一個位元為定幀位元，12個定幀位元共同組成定幀序 列100011011100 ）……通常情況下接收方必須不斷檢查這個固定模式，以確保自己沒有失去同步。然後再用6個位元的差錯校檢碼來幫助接收方確定自己是否獲得同步，如果不同步則利用差錯校檢碼重新獲得同步，其餘的12個位元則用於網路操作和維護資訊的控制資訊。
• 在北美及日本地區，使用2.048Mbps的E1載波代替T1載波。E1載波有32個8位元資料樣值被封裝在125微秒的幀中。32個通道中的30個用於傳輸資訊，2個用於信令。每四個幀為一組，提供了64個位元（8*2*4）信令位元，其中一半用於信令，另一半用於幀同步或各個國家保留使用。
• 時分多路複用允許將多個T1載波複用到一個更高階的載波中。如圖，左側4條通道被複用到一條T2通道中（每個週期插入4條通道中的一個位元），4個1.544Mbps的T1流應該產生6176Mbps，但實際上是6.312Mbps。這些多出來的位元用於成幀，或者當載波失去同步時的恢復。T1和T3廣泛用於顧客，T2和T4僅用於電話系統內部。圖示是美國按照4、7、6逐步升級的方案，而ITU標準要求每一級都是講4個流複用到同一個流中，這一點各個國家不盡相同。
  

SONET/SDH

• 在光纖早期階段，每個電話公司都有自己的光纖TDM系統。1985年RBOC的研究機構Bellcore開始制定標準——同步光網路（SONET），1989年，產生了SONET標準和ITU建議，建議稱為同步數字系列（SDH）（它們僅在一些很小的方面不同與美國）。在美國，幾乎所有的長途電話中繼線在物理層都執行SONET。
• SONET設計有4個主要目標。第一個也是最重要的，SONET必須定義一個公共的信令標準（涉及波長，時序，幀結構等）使不同的運營商可以協同工作。第二，需要一種用來統一美歐日數字系統的方法。第三，SONET必須提供一種辦法來複用多條數字通道。第四，SONET必須支援操作、管理和維護。
• 早期的決定是將SONET設計成一個傳統的TDM系統，光纖的全部頻寬都分配給一條通道使用，再將這條通道的時間槽劃分為不同的子通道。按照這種設計理念，SONET就是一個同步系統。每個傳送方和接收方都必須繫結到一個公共時鐘。系統由一個主時鐘控制，時鐘精度約為1/10⁹。SONET線路上的位元按照由主時鐘控制的極為精確的時間間隔傳送出去。基本SONET幀是每隔125微秒傳送長為810個位元組的資料塊。由於SONET是同步系統，所以不管是否有任何資料需要傳送，這個幀都必須傳送出去。每秒8000幀的速率正好符合所有數字電話系統中使用的PCM通道的取樣率。
• 810位元組的SONET最好描述成具有90列寬、9行高的矩形。每秒傳輸8000次，每次8*810=6480位元，總的資料傳輸率為51.84Mbps。這是基本的SONET通道，稱為同步傳輸訊號-1（STS-1）。所有的SONET中繼線都是STS-1的倍數。
• 每一幀的前三列保留用於傳輸系統資訊，如圖。前三行（前三列中）包含段的開銷；接下來的6行包含線路開銷。段開銷的生成和校檢在每一段的開始和結束時進行，而線路開銷則是在每條線路開始和結束時生成和校檢。SONET傳送器連續地傳送810個位元組的幀，幀之間沒有任何間隙，即沒有資料需要傳送時也要傳送（空資料幀）。接收方如何知道每一幀從何開始呢？每一幀的前兩個位元組有一個固定模式，接收方搜尋到就可以定位幀的起始。每幀中剩下的87列包含了87*9*8*8000=50.112Mbps的使用者資料。這些使用者資料可以是語音樣值（全部通過T1和其他載波傳送）或者資料包。承載使用者資料的同步有效載荷信封（SPE）可以從幀內任意一個地方開始，甚至可以跨越兩幀，如圖。線路開銷中的第一行包含了一個指標，它指向SPE的第一個位元組。SPE的第一列是路徑開銷（端到端路徑子層協議的頭）。
• SONET的多路複用層次如下圖。從STS-1到STS-768的資料傳輸率已經被定義，範圍在T3（44.736Mbps）到40Gbps之間。對應於STS-n的光纖載波被稱為OC-n，其複用也是按位元進行的，除了因同步所需對特定位元進行重新排序外，其他的位元不變。SDH名稱有所不同，它們從OC-3開始，因為基於ITU的系統沒有接近於51.84Mbps速率的標準，命名以4的倍數遞增。總資料包括所有的開銷，SPE資料傳輸速率不包括線路和段的開銷。使用者資料速率不包括所有開銷，並只計算87列的有效載荷。
• 如果一個載波（如OC-3）沒有被複用，而是僅承載了來自單個源的資料，則線上路名稱後面加一個字母c（表示級聯）。因此，OC-3表示由三條獨立的OC-1載波構成的一條155.52Mbps載波，而OC-3c則表示來自單個源的1552.52Mbps資料流。一條OC-3c流內的三個OC-1流按列交替插入，首先在第一列中依次插入第一個流、第二個流和第三個流，然後在第二列中插入第一個流（時分複用的原理）……以此類推，最後形成的幀包括270列寬、9行高。

波分多路複用

• 頻分多路複用的一種形式和TDM一樣，都是利用了光纖通道的巨大頻寬。這種形式被稱為波分多路複用（WDM）。光纖WDM的基本原理如圖。4條光纖匯合到一個光纖組合器中，每條光纖的能量位於不同的波長處，四束光波被組合到一條共享的光纖上，然後傳輸給接收方。在遠端，這束光又被分離到與輸入端一樣多的光纖上。每條輸出光纖包含一個短的、特殊結構的核，該核能過濾掉其他所有波長而僅留下某一個波長。然後，結果訊號被路由到它們的目的地，或者以其他不同的方式組合起來以便再次複用傳輸。這種技術實際上是極高頻率上的頻分多路複用。
  
• WDM之所以流行是因為單根光纖頻寬很大，約為25000GHz。WDM技術發展飛速，1990年前後發明，第一個商業通道系統8個通道頻寬均為2.5Gbps。到2006年，具有192個通道（通道頻寬為10Gbps）和64個通道（通道頻寬為40Gbps）的產品問世，如此高的頻寬足以每秒傳輸80部完整的DVD電影。多大200個或100個通道緊緊擠在光纖上，每個至少具有50Gbps，公司展示的技術表明，實驗室內光纖已經擁有10倍的傳輸能力。當通道數目很大，並且波長間隔非常接近，這樣的系統通常稱為密集波分多路複用。波分複用技術的驅動力之一是全光元件的發展。以前，每個100千米必須把光纖上的全部訊號分離開來，把每個通道的光訊號轉換成電子訊號做單獨的放大處理。然後再把電子訊號轉換成光訊號，合併後再發送出去。如今，全光放大器可每隔1000千米重新生成整個訊號，無需進行多次光電轉換。

1.5交換

電路交換

• 當你發出一個電話呼叫時，電話系統的交換裝置就會尋找一條從你電話通向接收方電話的物理路徑。這項技術就是電路交換。過程如圖，其中6個個矩形代表了電話運營商的交換局（端局、長途局等），每個局有3條入境路線和3條出境路線。當電話呼叫通過一個交換局時，在電話入境線路與某一條出境線路之間就會建立一個物理連線。
  
• 在電話業早期，接線員在輸入插槽和輸出插槽中插入一段跳接電纜，就完成了相應的連線建立過程，之後出現了自動化電路交換裝置。圖示模型被高度簡化了，事實上，兩個電話之間的物理路徑可能部分是微波，部分是光纖。而在光纖鏈路上，會有成千上萬的電話呼叫被複用在一起，然而基本思路仍然有效，一旦一個呼叫被建立起來，在兩端之間就會存在一個專用路徑，並持續到該次呼叫結束。
• 電路呼叫的一個重要特點就是傳送資料之間需要建立一條端到端的路徑，從撥號到響鈴，電話系統在尋找到達目的地的路徑，在開始傳輸資料之前，呼叫訊號一路傳到接收方並需要接收方確認。在電話呼叫雙方之間保留路徑的好處是：一旦完成連線的建立，那麼資料傳輸的唯一延遲是電磁訊號的傳播時間，每千米大約需要5毫秒。而且不存在擁塞的危險，不會存在忙音。當然，在建立連線之前，由於交換能力或者中繼線傳輸能力不足，可能聽到忙音。

包交換
替代電路交換的一個方案是包交換，如圖。包交換無需像電路交換那樣實現設立一條專用路徑。路由器使用儲存-轉發傳輸技術，把經過它的每個資料包傳送到目的地。這個轉發過程與電路交換不同：電路交換中，連線的建立過程預留了從傳送端到接收端一路上的頻寬資源，該電路上的所有資料將走相同的路徑（讓所有資料遵循相同的路徑意味著它們到達接收端的秩序不可能出現混亂）；在資料包交換中，不同的資料包可以走不同的路徑，路徑的選擇取決於它們被傳輸時的網路狀況，所以它們到達接收端的秩序可能出現混亂。

• 包交換對資料包的大小規定了嚴格的上限。這樣可以確保沒有任何使用者可以長時間（比如許多毫秒）霸佔任何傳輸線路，因此資料包交換網路可以處理互動式的網路通訊。它能減少延遲，因為在長訊息的第二個資料包完全到達某個中間節點之前該訊息的第一個資料包已經被轉發出去了，然而，路由器記憶體中的資料包在發往下一個路由器之前積累的儲存-轉發延遲超過了電路交換的延遲，在電路交換中，位元就好像流過線路一樣通過路由器。
• 因為資料包交換過程中沒有為傳輸資料預留頻寬，資料包可能不得不等待一段時間才能轉發，這樣就引入了排隊延遲，如果許多包要在同一時間被髮送出去還會引入阻塞；資料包卻不存在使用者聽到一個忙音而無法使用網路的危險。因此，在電路交換中擁塞發生在建立電路時，而在資料包交換中擁塞發生在轉發資料包時。
• 預留頻寬如果沒有流量通過就會被浪費，從這裡看，資料包交換服務效率更高。而且資料包交換比電路交換容錯效能更好：如果某個交換機出現故障，那麼所有使用它的電路將被終止，而資料包交換可以繞過那個交換機。在電路交換中，歷史沿襲下來的做法是按距離和時間收費（對行動電話距離並不很重要，除非長途），資料包交換一般按流量計費。
• 下圖總結了電路交換和資料包交換的不同之處。傳統意義上，電話網路使用電路交換技術來提供高質量的電話呼叫服務，而計算機網路使用的的資料包交換技術則更加簡潔高效。存在一些例外：一些較老的計算機網路內部是電路交換（如X.25），一些較新的電話網路則使用了資料包交換的IP電話技術，這在外人看來是一個標準的電話呼叫，而在網路內部交換的卻是語音資料包，雖然通話質量可能比常規的電話呼叫質量更低。