伊 鵬 董雨果 郭云飛
一、引言
從傳統(tǒng)的觀點看，電路交換技術(shù)不適用于數(shù)據(jù)業(yè)務網(wǎng)絡(luò)，而分組交換技術(shù)則是當今因特網(wǎng)技術(shù)的主流。但是隨著光傳輸技術(shù)的發(fā)展，帶寬已不再是網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。技術(shù)的進步使得原本分組交換的優(yōu)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(lǐng)域的擴大，原本處于優(yōu)勢的分組交換技術(shù)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(shù)則很容易解決。光交換技術(shù)的發(fā)展，更是為我們開辟了一個新的天地。本文討論了在高速網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)交換技術(shù)存在的問題，介紹了高速網(wǎng)絡(luò)中新興的交換技術(shù)，分析了在高速交換中如何結(jié)合分組交換和電路交換優(yōu)勢的問題，并討論了它們與光傳輸技術(shù)的融合趨勢，最后重點對光交換技術(shù)進行了探討。
二、電路交換和分組交換
電路交換技術(shù)很少用于數(shù)據(jù)業(yè)務網(wǎng)絡(luò)，主要是因為其資源利用率低。分組交換技術(shù)通過統(tǒng)計復用方式，提高了資源利用效率；而且當出現(xiàn)線路故障時，分組交換技術(shù)可通過重新選路重傳，提高了可靠性。但是現(xiàn)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(fā)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(shù)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(yè)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(yè)務的QoS問題較為復雜。而電路交換技術(shù)是面向連接的，很適用于實時業(yè)務，其QoS問題要簡單得多。同時，與分組交換技術(shù)相比，電路交換技術(shù)實現(xiàn)簡單，價格低廉，易于用硬件高速實現(xiàn)，且由于其不需要緩沖區(qū)，因此它更易于與光技術(shù)融合。當然，電路交換技術(shù)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(xiàn)有設(shè)施重新組網(wǎng)的話，或許選擇電路交換技術(shù)的可能性甚至大于選擇分組交換技術(shù)。這里可以舉出一個例子對電路交換技術(shù)和分組交換技術(shù)做一個比較。假設(shè)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(shù)，99%的用戶將先完成業(yè)務。如果能很好的解決電路交換技術(shù)的用戶與WDM（波分復用）之間的流量粒度不匹配問題，因特網(wǎng)可能會完全采用電路交換技術(shù)。
三、當前高速交換應用中的問題
當前因特網(wǎng)的主干線路采用的是SONET（同步光纖網(wǎng)）或是SDH（同步數(shù)字系列），就其本質(zhì)應屬于電路交換技術(shù)。而本地網(wǎng)接入則采用的是IP路由器，屬于分組交換技術(shù)。所以當今的因特網(wǎng)采用的應是電路交換技術(shù)和分組交換技術(shù)結(jié)合，而且在主干線路中，電路交換技術(shù)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(wǎng)的瓶頸，我們必須在分組交換的實現(xiàn)中采用新的技術(shù)，開發(fā)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(tài)RAM），能夠?qū)崿F(xiàn)較快的隨機訪問速度，但存儲密度極低；選用DRAM（動態(tài)RAM）能實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，這一問題可以解決。通過并行結(jié)構(gòu)構(gòu)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(zhuǎn)發(fā)的前提和骨干路由器最關(guān)鍵的技術(shù)之一。傳統(tǒng)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(xiàn)線速度查表。傳統(tǒng)的硬件實現(xiàn)方案如內(nèi)容關(guān)聯(lián)存儲器（Content Addressable Memories,CAM）方案，可以在幾十納秒內(nèi)輸出查找結(jié)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(shù)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(nèi)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(guī)模。同時，采用并行的路由器結(jié)構(gòu)，也可以增強路由的快速查找能力。
四、與光技術(shù)的結(jié)合
電路交換技術(shù)與光交換技術(shù)在本質(zhì)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(shù)，通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)了高速交換，極大地擴展了帶寬。分組交換技術(shù)雖然在本質(zhì)上與光交換技術(shù)差異極大，但現(xiàn)在的高性能路由器中也已采用了光技術(shù)，線卡與交換部分一般都采用光連接。
高速線卡設(shè)計是決定高懷能路由器背板交換速率的一個關(guān)鍵因素。科研試驗中，Siemens公司設(shè)計的Tbit/s路由器已實現(xiàn)80x40Gbit/s的背板交換速率，其線卡速率為40Gbit/s。Nortel公司已實現(xiàn)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(shù)（DWDM）。Alcatel公司實現(xiàn)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(tǒng)方案。該方案是按照多速率顆粒度和節(jié)點直通/上下路流量的基本思想設(shè)計的。這一方案將波長路由與IP路由結(jié)合，根據(jù)不同的信息顆粒度，分別進行光和電的路由，實現(xiàn)Tbit/s路由交換系統(tǒng)。可見光技術(shù)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(shù)
長期以來，高速全光網(wǎng)的夢想一直受到交換問題的困擾。因為傳統(tǒng)的交換技術(shù)需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號進行交換，然后再轉(zhuǎn)換為光信號傳輸。雖然傳統(tǒng)的交換技術(shù)與光技術(shù)結(jié)合，在帶寬和速度上有十分積極的意義，但是其中的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備體積過于龐大且費用昂貴，因此自然地呼喚光交換技術(shù)。目前光交換技術(shù)發(fā)展主要有以下幾種：
1、微電子機械系統(tǒng)（MEMS）的光交換機
目前商用的自由空間光交換系統(tǒng)有很多不同的構(gòu)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(tǒng)（MEMS）的光交換機在集成規(guī)模、產(chǎn)換吞吐量、交換速度等方面具有無可比擬的優(yōu)越性，因而成為目前研究的熱點。微電子機械光開關(guān)是機械開關(guān)的原理，但又能像波導開關(guān)那樣，集成在單片硅基底上，因此兼有機械光開關(guān)和波導光開關(guān)的優(yōu)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(xiàn)光路倒換的目的。基于MEMS技術(shù)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(shù)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(shù)以外，還有一種使用空間衍射光柵技術(shù)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(fā)射和控制功能的交換功能模塊取代了傳統(tǒng)的外圍光開關(guān)交換網(wǎng)絡(luò)。其關(guān)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(fā)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(xiàn)91x91的波長路由器功能。由于它沒有傳統(tǒng)的交換設(shè)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(jīng)過特殊設(shè)計，不但能夠使輸入光纖陣列的入射光束發(fā)生衍射分光，而且能夠?qū)⒀苌涔庠穮R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?qū)⒉煌V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(xiàn)靈活的色差控制也并非易事。由于光柵是一種兩維設(shè)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(guī)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(xiàn)波分復用與解復用以及靜態(tài)波長路由功能，并且具備雙向傳輸?shù)奶匦浴DM信號從一端口輸入，經(jīng)一入射波導到達聚集平面波導，被衍射產(chǎn)耦合到各陣列波導中，各路光經(jīng)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(gòu)成1xN的解復用器，如果輸入端為M路多波長信號，購構(gòu)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(xiàn)上/下波長的可調(diào)諧性。該研究的技術(shù)關(guān)鍵在于掌握厚層波導的制備技術(shù)，設(shè)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(xiàn)大規(guī)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(shè)備進行大規(guī)模集成的最大限制因素，另外制備材料的折射率等參數(shù)的溫度敏感性使得該設(shè)備必須使用溫度控制技術(shù)，所以信道串擾、溫度穩(wěn)定性是AWG實際應用所面臨的最大技術(shù)障礙。
六、結(jié)束語
光交換的優(yōu)點在于光信號通過光交換單元時，無須經(jīng)過光電/電光轉(zhuǎn)換，因此它不受監(jiān)測器和調(diào)制器等光電器件響應速度的限制。它對比特率和調(diào)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(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)的中堅力量。
