伊 鵬 董雨果 郭云飛
一、引言
從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)看，電路交換技術(shù)不適用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，而分組交換技術(shù)則是當(dāng)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(jìn)步使得原本分組交換的優(yōu)勢(shì)和電路交換的缺陷在當(dāng)今已不再有意義，而且隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，原本處于優(yōu)勢(shì)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(gè)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(shì)的問題，并討論了它們與光傳輸技術(shù)的融合趨勢(shì)，最后重點(diǎn)對(duì)光交換技術(shù)進(jìn)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(wù)網(wǎng)絡(luò)，主要是因?yàn)槠滟Y源利用率低。分組交換技術(shù)通過統(tǒng)計(jì)復(fù)用方式，提高了資源利用效率；而且當(dāng)出現(xiàn)線路故障時(shí)，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(dāng)機(jī)時(shí)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(duì)于當(dāng)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(duì)于一些實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)有著先天的缺陷，雖然有資源預(yù)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(wù)的QoS問題較為復(fù)雜。而電路交換技術(shù)是面向連接的，很適用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，其QoS問題要簡(jiǎn)單得多。同時(shí)，與分組交換技術(shù)相比，電路交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，易于用硬件高速實(shí)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(dāng)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(jìn)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(gè)例子對(duì)電路交換技術(shù)和分組交換技術(shù)做一個(gè)比較。假設(shè)一個(gè)服務(wù)器通過一條1Mbit/s的鏈路與100個(gè)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(shí)延 50s 100s
最大時(shí)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(wù)。如果能很好的解決電路交換技術(shù)的用戶與WDM（波分復(fù)用）之間的流量粒度不匹配問題，因特網(wǎng)可能會(huì)完全采用電路交換技術(shù)。
三、當(dāng)前高速交換應(yīng)用中的問題
當(dāng)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(yīng)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(dāng)今的因特網(wǎng)采用的應(yīng)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(dāng)出色。
由于線路資源的增長(zhǎng)速度是每7個(gè)月翻一倍，包處理能力的增長(zhǎng)速度是每18個(gè)月翻一倍，大大落后于線路資源的增長(zhǎng)，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(shí)現(xiàn)中采用新的技術(shù)，開發(fā)高性能路由器。當(dāng)前限制路由器處理能力的主要因素是對(duì)存儲(chǔ)器的隨機(jī)訪問時(shí)間。因?yàn)槁酚善鞑捎玫氖欠纸M交換，它必須能夠緩存線一包不可預(yù)計(jì)的時(shí)間。對(duì)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(jī)訪問速度，但存儲(chǔ)密度極低；選用DRAM（動(dòng)態(tài)RAM）能實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ)，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(shí)降低了對(duì)單個(gè)子路由器存儲(chǔ)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(shí)互連中的許多子路由器將是高度冗余的，浪費(fèi)較大。
另一個(gè)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(bào)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(yīng)用到高速的骨干路由器上，很難實(shí)現(xiàn)線速度查表。傳統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案如內(nèi)容關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)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(xiàng)，容量太小。用CAM存放512K的表項(xiàng)，要級(jí)連上百個(gè)小CAM，價(jià)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�？梢酝ㄟ^兩步交換的方式，從外部接入包首先在內(nèi)部進(jìn)行復(fù)再均衡，然后再進(jìn)行交換，這樣可以限制路由表的規(guī)模。同時(shí)，采用并行的路由器結(jié)構(gòu)，也可以增強(qiáng)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(zhǎng)，自然而然引入了光傳輸技術(shù)，通過光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速交換，極大地?cái)U(kuò)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(jì)是決定高懷能路由器背板交換速率的一個(gè)關(guān)鍵因素�？蒲性囼�(yàn)中，Siemens公司設(shè)計(jì)的Tbit/s路由器已實(shí)現(xiàn)80x40Gbit/s的背板交換速率，其線卡速率為40Gbit/s。Nortel公司已實(shí)現(xiàn)80x80Gbit/s的背板交換速率，其線卡速率為80Gbit/s。另一個(gè)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(fù)用技術(shù)（DWDM）。Alcatel公司實(shí)現(xiàn)了在單一光纖上傳輸速率達(dá)10.2Tbit/s（256x40Gbit/s）的最新世界紀(jì)錄。Tbit/s路由器多采取“波長(zhǎng)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(diǎn)直通/上下路流量的基本思想設(shè)計(jì)的。這一方案將波長(zhǎng)路由與IP路由結(jié)合，根據(jù)不同的信息顆粒度，分別進(jìn)行光和電的路由，實(shí)現(xiàn)Tbit/s路由交換系統(tǒng)�？梢姽饧夹g(shù)的進(jìn)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(zhǎng)期以來，高速全光網(wǎng)的夢(mèng)想一直受到交換問題的困擾。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的交換技術(shù)需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行交換，然后再轉(zhuǎn)換為光信號(hào)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(fèi)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(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的光交換機(jī)
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(jī)械兩種�；谕娮訖C(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的光交換機(jī)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(diǎn)。微電子機(jī)械光開關(guān)是機(jī)械開關(guān)的原理，但又能像波導(dǎo)開關(guān)那樣，集成在單片硅基底上，因此兼有機(jī)械光開關(guān)和波導(dǎo)光開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了它們所固有的缺點(diǎn)。基于MEMS的光交負(fù)機(jī)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(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行重新選路的目的。當(dāng)一路波長(zhǎng)光信號(hào)照到鏡面時(shí)，鏡面傾斜以便將其導(dǎo)引到某一特定出口光纖中，從而實(shí)現(xiàn)光路倒換的目的�；贛EMS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(huì)方式上報(bào)道的MEMS型OXC（光交叉連接器）用2組2軸微鏡和一個(gè)反射鏡組成112x112光交叉連接器，容量達(dá)35.8Tbit/s（112x320Gbit/s），交換速度小于10ms，插入損耗為7.5+2.5dB，信號(hào)串?dāng)_低于-50dB；微鏡數(shù)量2N倍光口，總尺寸10cm，工作波長(zhǎng)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(jī)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(zhǎng)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(zhǎng)信道進(jìn)行發(fā)散，灰后再聚集到出射光纖陣列中相互獨(dú)立的單路光纖上，就可實(shí)現(xiàn)91x91的波長(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)，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(zhǎng)期以來，衍射光柵都以它低串?dāng)_、高解析度而被廣泛應(yīng)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(jìn)行嚴(yán)格分離而不是僅僅進(jìn)行譜分解，所以要真正實(shí)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?dāng)_或散射光都是按照一個(gè)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(jìn)行大規(guī)模集成。
3、陣列波導(dǎo)光柵路由器
AWG（Array Waveguide Grating）集成陣列波導(dǎo)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(gè)陣列波導(dǎo)光柵與輸入輸出波導(dǎo)陣列、聚集平板波導(dǎo)集成在同一塊襯底上。構(gòu)成陣列波導(dǎo)光柵的是許多長(zhǎng)度按L線性遞增（即各路光波的相位差恒定）的光臂，可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用與解復(fù)用以及靜態(tài)波長(zhǎng)路由功能，并且具備雙向傳輸?shù)奶匦浴DM信號(hào)從一端口輸入，經(jīng)一入射波導(dǎo)到達(dá)聚集平面波導(dǎo)，被衍射產(chǎn)耦合到各陣列波導(dǎo)中，各路光經(jīng)不同的相位延遲后在出射波導(dǎo)端合成不同波長(zhǎng)的光波。如果輸入端只有單路的多波長(zhǎng)信號(hào)，則構(gòu)成1xN的解復(fù)用器，如果輸入端為M路多波長(zhǎng)信號(hào)，購(gòu)構(gòu)成MxN的路由器。所以說，AWG是一種光柵型的波長(zhǎng)路由器，具有雙向性，即一個(gè)方向輸入為解復(fù)用方式，則另一個(gè)方向輸入為復(fù)用方式。波導(dǎo)光柵路由器（AWG）利用熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)上/下波長(zhǎng)的可調(diào)諧性。該研究的技術(shù)關(guān)鍵在于掌握厚層波導(dǎo)的制備技術(shù)，設(shè)法避免因應(yīng)力引入偏振色散，甚至導(dǎo)致器件破裂。盡管從理論上來說，它可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，但如何精確控制AWG中各個(gè)光臂的長(zhǎng)度差以消除不同路徑之間的串?dāng)_是該設(shè)備進(jìn)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?dāng)_、溫度穩(wěn)定性是AWG實(shí)際應(yīng)用所面臨的最大技術(shù)障礙。
六、結(jié)束語(yǔ)
光交換的優(yōu)點(diǎn)在于光信號(hào)通過光交換單元時(shí)，無須經(jīng)過光電/電光轉(zhuǎn)換，因此它不受監(jiān)測(cè)器和調(diào)制器等光電器件響應(yīng)速度的限制。它對(duì)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(jiān)力量。
