高速网络中的交换技术

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。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。
　　表1 两种交换方式的性有比较
　　带宽 1Mbit/s 10kbit/s
　　最大时延 100s 100s
　　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。
　　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。
　　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