伊 鵬 董雨果 郭云飛
一、引言
從傳統的觀點看，電路交換技術不適用于數據業務網絡，而分組交換技術則是當今因特網技術的主流。但是隨著光傳輸技術的發展，帶寬已不再是網絡的瓶頸。技術的進步使得原本分組交換的優勢和電路交換的缺陷在當今已不再有意義，而且隨著應用領域的擴大，原本處于優勢的分組交換技術也暴露出越來越多的問題，而有些問題若使用電路交換技術則很容易解決。光交換技術的發展，更是為我們開辟了一個新的天地。本文討論了在高速網絡中傳統交換技術存在的問題，介紹了高速網絡中新興的交換技術，分析了在高速交換中如何結合分組交換和電路交換優勢的問題，并討論了它們與光傳輸技術的融合趨勢，最后重點對光交換技術進行了探討。
二、電路交換和分組交換
電路交換技術很少用于數據業務網絡，主要是因為其資源利用率低。分組交換技術通過統計復用方式，提高了資源利用效率；而且當出現線路故障時，分組交換技術可通過重新選路重傳，提高了可靠性。但是現狀是：許多線路資源由于缺少交換能力而未被使用，使用的線路資源利用率往往不到10%，路由器平均一年的當機時間不到5s，發生故障的概率很小。因此資源利用率和可靠性對于當今選擇交換技術沒有意義。
另一方面，分組交換是面向非連接的，對于一些實時性業務有著先天的缺陷，雖然有資源預留等一系列緩解之道，但并不足以解決根本問題。因此這些業務的QoS問題較為復雜。而電路交換技術是面向連接的，很適用于實時業務，其QoS問題要簡單得多。同時，與分組交換技術相比，電路交換技術實現簡單，價格低廉，易于用硬件高速實現，且由于其不需要緩沖區，因此它更易于與光技術融合。當然，電路交換技術的用戶與WDM之間的流量粒度不匹配問題也有待進一步解決。如果拋開現有設施重新組網的話，或許選擇電路交換技術的可能性甚至大于選擇分組交換技術。這里可以舉出一個例子對電路交換技術和分組交換技術做一個比較。假設一個服務器通過一條1Mbit/s的鏈路與100個用戶連接，如果如表1所示。
表1 兩種交換方式的性有比較
電路交換 分組交換
帶寬 1Mbit/s 10kbit/s
平均時延 50s 100s
最大時延 100s 100s
顯然此例中，采用電路交換技術，99%的用戶將先完成業務。如果能很好的解決電路交換技術的用戶與WDM（波分復用）之間的流量粒度不匹配問題，因特網可能會完全采用電路交換技術。
三、當前高速交換應用中的問題
當前因特網的主干線路采用的是SONET（同步光纖網）或是SDH（同步數字系列），就其本質應屬于電路交換技術。而本地網接入則采用的是IP路由器，屬于分組交換技術。所以當今的因特網采用的應是電路交換技術和分組交換技術結合，而且在主干線路中，電路交換技術的用戶與WDM之間的流量粒度不匹配問題也不存在，因而工作得相當出色。
由于線路資源的增長速度是每7個月翻一倍，包處理能力的增長速度是每18個月翻一倍，大大落后于線路資源的增長，因此為了避免路由器成為因特網的瓶頸，我們必須在分組交換的實現中采用新的技術，開發高性能路由器。當前限制路由器處理能力的主要因素是對存儲器的隨機訪問時間。因為路由器采用的是分組交換，它必須能夠緩存線一包不可預計的時間。對高性能路由器而言，如果選用SRAM（靜態RAM），能夠實現較快的隨機訪問速度，但存儲密度極低；選用DRAM（動態RAM）能實現高密度存儲，但訪問速度太慢。目前通常采用的是SRAM和DRAM混合的方法。通過采用更多的并行結構，這一問題可以解決。通過并行結構構成的路由器具有更大的交換能力和更快的速度，同時降低了對單個子路由器存儲力的要求。但是這種方案功耗較大，需要更大的空間，而且不易于控制，其QoS很難保證；同時互連中的許多子路由器將是高度冗余的，浪費較大。
另一個限制路由器處理能力的因素是路由快速查找問題。路由的快速查找方案，是報文線速度轉發的前提和骨干路由器最關鍵的技術之一。傳統的軟件查表方法，很難直接應用到高速的骨干路由器上，很難實現線速度查表。傳統的硬件實現方案如內容關聯存儲器（Content Addressable Memories,CAM）方案，可以在幾十納秒內輸出查找結果，路由更新速度也很快。但是，成熟商用的CAM在容量上還只能保存1K、4K或8K的表項，容量太小。用CAM存放512K的表項，要級連上百個小CAM，價格非常昂貴，而且管腿數非常多，所以不適合存放骨干路由器的大表。可以通過兩步交換的方式，從外部接入包首先在內部進行復再均衡，然后再進行交換，這樣可以限制路由表的規模。同時，采用并行的路由器結構，也可以增強路由的快速查找能力。
四、與光技術的結合
電路交換技術與光交換技術在本質上極為相似，因此隨著速率的增長，自然而然引入了光傳輸技術，通過光電轉換技術，實現了高速交換，極大地擴展了帶寬。分組交換技術雖然在本質上與光交換技術差異極大，但現在的高性能路由器中也已采用了光技術，線卡與交換部分一般都采用光連接。
高速線卡設計是決定高懷能路由器背板交換速率的一個關鍵因素。科研試驗中，Siemens公司設計的Tbit/s路由器已實現80x40Gbit/s的背板交換速率，其線卡速率為40Gbit/s。Nortel公司已實現80x80Gbit/s的背板交換速率，其線卡速率為80Gbit/s。另一個決定高性能路由器背板交換速率的因素是光的密集波分復用技術（DWDM）。Alcatel公司實現了在單一光纖上傳輸速率達10.2Tbit/s（256x40Gbit/s）的最新世界紀錄。Tbit/s路由器多采取“波長交換和IP路由的綜合路由交換”系統方案。該方案是按照多速率顆粒度和節點直通/上下路流量的基本思想設計的。這一方案將波長路由與IP路由結合，根據不同的信息顆粒度，分別進行光和電的路由，實現Tbit/s路由交換系統。可見光技術的進步在提高路由器的交換速度方面起了極為重要的作用。
五、光交換技術
長期以來，高速全光網的夢想一直受到交換問題的困擾。因為傳統的交換技術需要將數據轉換成電信號進行交換，然后再轉換為光信號傳輸。雖然傳統的交換技術與光技術結合，在帶寬和速度上有十分積極的意義，但是其中的光電轉換設備體積過于龐大且費用昂貴，因此自然地呼喚光交換技術。目前光交換技術發展主要有以下幾種：
1、微電子機械系統（MEMS）的光交換機
目前商用的自由空間光交換系統有很多不同的構成形式，其中最通用的是電光和光機械兩種。基于同電子機械系統（MEMS）的光交換機在集成規模、產換吞吐量、交換速度等方面具有無可比擬的優越性，因而成為目前研究的熱點。微電子機械光開關是機械開關的原理，但又能像波導開關那樣，集成在單片硅基底上，因此兼有機械光開關和波導光開關的優點，同時克服了它們所固有的缺點。基于MEMS的光交負機在入口光纖和出口光纖之間使用微鏡陣列，陣列中的鏡元可以在光纖之間任意改變角度來改變光束傳輸方向，達到實時對光信號進行重新選路的目的。當一路波長光信號照到鏡面時，鏡面傾斜以便將其導引到某一特定出口光纖中，從而實現光路倒換的目的。基于MEMS技術的8x8光交換芯片尺寸可以做到1cmx1cm大小，需要的電壓為80V，最高交換速度為400us，最小插入損耗為3dB，隔離度在60dB以上。2000年OFC2000會方式上報道的MEMS型OXC（光交叉連接器）用2組2軸微鏡和一個反射鏡組成112x112光交叉連接器，容量達35.8Tbit/s（112x320Gbit/s），交換速度小于10ms，插入損耗為7.5+2.5dB，信號串擾低于-50dB；微鏡數量2N倍光口，總尺寸10cm，工作波長1525-1565nm。
2、無交換式光路由器
自由空間光交換除了硅微電子機械MEMS技術以外，還有一種使用空間衍射光柵技術的所謂無交換光路由器，也稱作無交換光交叉連接器。它使用具有波長發射和控制功能的交換功能模塊取代了傳統的外圍光開關交換網絡。其關鍵模塊是一種自由空間色差校正（aberration-corrected）凹面光柵，通過它將入射光纖陣列中的波長信道進行發散，灰后再聚集到出射光纖陣列中相互獨立的單路光纖上，就可實現91x91的波長路由器功能。由于它沒有傳統的交換設備，所以稱其為地交換型波長路由器。該路由器使用的自由空間校色差凹面光珊，其凹面經過特殊設計，不但能夠使輸入光纖陣列的入射光束發生衍射分光，而且能夠將衍射光原路匯聚到出口光纖陣列中。長期以來，衍射光柵都以它低串擾、高解析度而被廣泛應用于各種光譜儀和分光儀中，但由于要求它必須能夠將不同譜元素在空間進行嚴格分離而不是僅僅進行譜分解，所以要真正實現靈活的色差控制也并非易事。由于光柵是一種兩維設備，任何串擾或散射光都是按照一個固定的夾角而均勻分布的，這樣可以大大降低不必要的光功率損耗。自由空間衍射光柵型路由器可以進行大規模集成。
3、陣列波導光柵路由器
AWG（Array Waveguide Grating）集成陣列波導光柵是一種平面光波回路的無源器件，其結構為將一個陣列波導光柵與輸入輸出波導陣列、聚集平板波導集成在同一塊襯底上。構成陣列波導光柵的是許多長度按L線性遞增（即各路光波的相位差恒定）的光臂，可實現波分復用與解復用以及靜態波長路由功能，并且具備雙向傳輸的特性。WDM信號從一端口輸入，經一入射波導到達聚集平面波導，被衍射產耦合到各陣列波導中，各路光經不同的相位延遲后在出射波導端合成不同波長的光波。如果輸入端只有單路的多波長信號，則構成1xN的解復用器，如果輸入端為M路多波長信號，購構成MxN的路由器。所以說，AWG是一種光柵型的波長路由器，具有雙向性，即一個方向輸入為解復用方式，則另一個方向輸入為復用方式。波導光柵路由器（AWG）利用熱光效應實現上/下波長的可調諧性。該研究的技術關鍵在于掌握厚層波導的制備技術，設法避免因應力引入偏振色散，甚至導致器件破裂。盡管從理論上來說，它可以實現大規模集成，但如何精確控制AWG中各個光臂的長度差以消除不同路徑之間的串擾是該設備進行大規模集成的最大限制因素，另外制備材料的折射率等參數的溫度敏感性使得該設備必須使用溫度控制技術，所以信道串擾、溫度穩定性是AWG實際應用所面臨的最大技術障礙。
六、結束語
光交換的優點在于光信號通過光交換單元時，無須經過光電/電光轉換，因此它不受監測器和調制器等光電器件響應速度的限制。它對比特率和調制方式透明，可以大大提高交換單元的吞吐量，因此，光交換必將成為高速網絡交換技術的中堅力量。
