伊 鹏 董雨果 郭云飞
一、引言
从传统的观点看，电路交换技术不适用于数据业务网络，而分组交换技术则是当今因特网技术的主流。但是随着光传输技术的发展，带宽已不再是网络的瓶颈。技术的进步使得原本分组交换的优势和电路交换的缺陷在当今已不再有意义，而且随着应用领域的扩大，原本处于优势的分组交换技术也暴露出越来越多的问题，而有些问题若使用电路交换技术则很容易解决。光交换技术的发展，更是为我们开辟了一个新的天地。本文讨论了在高速网络中传统交换技术存在的问题，介绍了高速网络中新兴的交换技术，分析了在高速交换中如何结合分组交换和电路交换优势的问题，并讨论了它们与光传输技术的融合趋势，最后重点对光交换技术进行了探讨。
二、电路交换和分组交换
电路交换技术很少用于数据业务网络，主要是因为其资源利用率低。分组交换技术通过统计复用方式，提高了资源利用效率；而且当出现线路故障时，分组交换技术可通过重新选路重传，提高了可靠性。但是现状是：许多线路资源由于缺少交换能力而未被使用，使用的线路资源利用率往往不到10%，路由器平均一年的当机时间不到5s，发生故障的概率很小。因此资源利用率和可靠性对于当今选择交换技术没有意义。
另一方面，分组交换是面向非连接的，对于一些实时性业务有着先天的缺陷，虽然有资源预留等一系列缓解之道，但并不足以解决根本问题。因此这些业务的QoS问题较为复杂。而电路交换技术是面向连接的，很适用于实时业务，其QoS问题要简单得多。同时，与分组交换技术相比，电路交换技术实现简单，价格低廉，易于用硬件高速实现，且由于其不需要缓冲区，因此它更易于与光技术融合。当然，电路交换技术的用户与WDM之间的流量粒度不匹配问题也有待进一步解决。如果抛开现有设施重新组网的话，或许选择电路交换技术的可能性甚至大于选择分组交换技术。这里可以举出一个例子对电路交换技术和分组交换技术做一个比较。假设一个服务器通过一条1Mbit/s的链路与100个用户连接，如果如表1所示。
表1 两种交换方式的性有比较
电路交换 分组交换
带宽 1Mbit/s 10kbit/s
平均时延 50s 100s
最大时延 100s 100s
显然此例中，采用电路交换技术，99%的用户将先完成业务。如果能很好的解决电路交换技术的用户与WDM（波分复用）之间的流量粒度不匹配问题，因特网可能会完全采用电路交换技术。
三、当前高速交换应用中的问题
当前因特网的主干线路采用的是SONET（同步光纤网）或是SDH（同步数字系列），就其本质应属于电路交换技术。而本地网接入则采用的是IP路由器，属于分组交换技术。所以当今的因特网采用的应是电路交换技术和分组交换技术结合，而且在主干线路中，电路交换技术的用户与WDM之间的流量粒度不匹配问题也不存在，因而工作得相当出色。
由于线路资源的增长速度是每7个月翻一倍，包处理能力的增长速度是每18个月翻一倍，大大落后于线路资源的增长，因此为了避免路由器成为因特网的瓶颈，我们必须在分组交换的实现中采用新的技术，开发高性能路由器。当前限制路由器处理能力的主要因素是对存储器的随机访问时间。因为路由器采用的是分组交换，它必须能够缓存线一包不可预计的时间。对高性能路由器而言，如果选用SRAM（静态RAM），能够实现较快的随机访问速度，但存储密度极低；选用DRAM（动态RAM）能实现高密度存储，但访问速度太慢。目前通常采用的是SRAM和DRAM混合的方法。通过采用更多的并行结构，这一问题可以解决。通过并行结构构成的路由器具有更大的交换能力和更快的速度，同时降低了对单个子路由器存储力的要求。但是这种方案功耗较大，需要更大的空间，而且不易于控制，其QoS很难保证；同时互连中的许多子路由器将是高度冗余的，浪费较大。
另一个限制路由器处理能力的因素是路由快速查找问题。路由的快速查找方案，是报文线速度转发的前提和骨干路由器最关键的技术之一。传统的软件查表方法，很难直接应用到高速的骨干路由器上，很难实现线速度查表。传统的硬件实现方案如内容关联存储器（Content Addressable Memories,CAM）方案，可以在几十纳秒内输出查找结果，路由更新速度也很快。但是，成熟商用的CAM在容量上还只能保存1K、4K或8K的表项，容量太小。用CAM存放512K的表项，要级连上百个小CAM，价格非常昂贵，而且管腿数非常多，所以不适合存放骨干路由器的大表。可以通过两步交换的方式，从外部接入包首先在内部进行复再均衡，然后再进行交换，这样可以限制路由表的规模。同时，采用并行的路由器结构，也可以增强路由的快速查找能力。
四、与光技术的结合
电路交换技术与光交换技术在本质上极为相似，因此随着速率的增长，自然而然引入了光传输技术，通过光电转换技术，实现了高速交换，极大地扩展了带宽。分组交换技术虽然在本质上与光交换技术差异极大，但现在的高性能路由器中也已采用了光技术，线卡与交换部分一般都采用光连接。
高速线卡设计是决定高怀能路由器背板交换速率的一个关键因素。科研试验中，Siemens公司设计的Tbit/s路由器已实现80x40Gbit/s的背板交换速率，其线卡速率为40Gbit/s。Nortel公司已实现80x80Gbit/s的背板交换速率，其线卡速率为80Gbit/s。另一个决定高性能路由器背板交换速率的因素是光的密集波分复用技术（DWDM）。Alcatel公司实现了在单一光纤上传输速率达10.2Tbit/s（256x40Gbit/s）的最新世界纪录。Tbit/s路由器多采取“波长交换和IP路由的综合路由交换”系统方案。该方案是按照多速率颗粒度和节点直通/上下路流量的基本思想设计的。这一方案将波长路由与IP路由结合，根据不同的信息颗粒度，分别进行光和电的路由，实现Tbit/s路由交换系统。可见光技术的进步在提高路由器的交换速度方面起了极为重要的作用。
五、光交换技术
长期以来，高速全光网的梦想一直受到交换问题的困扰。因为传统的交换技术需要将数据转换成电信号进行交换，然后再转换为光信号传输。虽然传统的交换技术与光技术结合，在带宽和速度上有十分积极的意义，但是其中的光电转换设备体积过于庞大且费用昂贵，因此自然地呼唤光交换技术。目前光交换技术发展主要有以下几种：
1、微电子机械系统（MEMS）的光交换机
目前商用的自由空间光交换系统有很多不同的构成形式，其中最通用的是电光和光机械两种。基于同电子机械系统（MEMS）的光交换机在集成规模、产换吞吐量、交换速度等方面具有无可比拟的优越性，因而成为目前研究的热点。微电子机械光开关是机械开关的原理，但又能像波导开关那样，集成在单片硅基底上，因此兼有机械光开关和波导光开关的优点，同时克服了它们所固有的缺点。基于MEMS的光交负机在入口光纤和出口光纤之间使用微镜阵列，阵列中的镜元可以在光纤之间任意改变角度来改变光束传输方向，达到实时对光信号进行重新选路的目的。当一路波长光信号照到镜面时，镜面倾斜以便将其导引到某一特定出口光纤中，从而实现光路倒换的目的。基于MEMS技术的8x8光交换芯片尺寸可以做到1cmx1cm大小，需要的电压为80V，最高交换速度为400us，最小插入损耗为3dB，隔离度在60dB以上。2000年OFC2000会方式上报道的MEMS型OXC（光交叉连接器）用2组2轴微镜和一个反射镜组成112x112光交叉连接器，容量达35.8Tbit/s（112x320Gbit/s），交换速度小于10ms，插入损耗为7.5+2.5dB，信号串扰低于-50dB；微镜数量2N倍光口，总尺寸10cm，工作波长1525-1565nm。
2、无交换式光路由器
自由空间光交换除了硅微电子机械MEMS技术以外，还有一种使用空间衍射光栅技术的所谓无交换光路由器，也称作无交换光交叉连接器。它使用具有波长发射和控制功能的交换功能模块取代了传统的外围光开关交换网络。其关键模块是一种自由空间色差校正（aberration-corrected）凹面光栅，通过它将入射光纤阵列中的波长信道进行发散，灰后再聚集到出射光纤阵列中相互独立的单路光纤上，就可实现91x91的波长路由器功能。由于它没有传统的交换设备，所以称其为地交换型波长路由器。该路由器使用的自由空间校色差凹面光珊，其凹面经过特殊设计，不但能够使输入光纤阵列的入射光束发生衍射分光，而且能够将衍射光原路汇聚到出口光纤阵列中。长期以来，衍射光栅都以它低串扰、高解析度而被广泛应用于各种光谱仪和分光仪中，但由于要求它必须能够将不同谱元素在空间进行严格分离而不是仅仅进行谱分解，所以要真正实现灵活的色差控制也并非易事。由于光栅是一种两维设备，任何串扰或散射光都是按照一个固定的夹角而均匀分布的，这样可以大大降低不必要的光功率损耗。自由空间衍射光栅型路由器可以进行大规模集成。
3、阵列波导光栅路由器
AWG（Array Waveguide Grating）集成阵列波导光栅是一种平面光波回路的无源器件，其结构为将一个阵列波导光栅与输入输出波导阵列、聚集平板波导集成在同一块衬底上。构成阵列波导光栅的是许多长度按L线性递增（即各路光波的相位差恒定）的光臂，可实现波分复用与解复用以及静态波长路由功能，并且具备双向传输的特性。WDM信号从一端口输入，经一入射波导到达聚集平面波导，被衍射产耦合到各阵列波导中，各路光经不同的相位延迟后在出射波导端合成不同波长的光波。如果输入端只有单路的多波长信号，则构成1xN的解复用器，如果输入端为M路多波长信号，购构成MxN的路由器。所以说，AWG是一种光栅型的波长路由器，具有双向性，即一个方向输入为解复用方式，则另一个方向输入为复用方式。波导光栅路由器（AWG）利用热光效应实现上/下波长的可调谐性。该研究的技术关键在于掌握厚层波导的制备技术，设法避免因应力引入偏振色散，甚至导致器件破裂。尽管从理论上来说，它可以实现大规模集成，但如何精确控制AWG中各个光臂的长度差以消除不同路径之间的串扰是该设备进行大规模集成的最大限制因素，另外制备材料的折射率等参数的温度敏感性使得该设备必须使用温度控制技术，所以信道串扰、温度稳定性是AWG实际应用所面临的最大技术障碍。
六、结束语
光交换的优点在于光信号通过光交换单元时，无须经过光电/电光转换，因此它不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制。它对比特率和调制方式透明，可以大大提高交换单元的吞吐量，因此，光交换必将成为高速网络交换技术的中坚力量。光交换技术费用不受接入端口带宽的影响，因为它在进行光交换时并不区分带宽，而且不受光波传输数据速率的影响，因此在传统的交换技术费用随带宽增加而大幅提高，因此在高带宽的情况下，光交换更具吸引力。随着光技术的进一步发展，光交换一定会在交换领域占据越来越重要的地位。
摘自《现代通信》（2002年第5期）
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