电路交换、分组交换和光交换

ilikemaths

为了提高带宽利用效率，近来分组交换逐步取代了传统的电路交换。但是随着光传输技术的发展，网络带宽已不再是主要矛盾，而分组交换所固有的非面向连接性在应用中又面临着一系列问题，使得电路交换又成为大规模应用的一个很好的选择，尤其是光电技术的融合，更使其显示出巨大的潜力。
    从传统的观点看，电路交换技术不适合用于数据业务网络，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今天已不再有意义，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，而这些问题若使用电路交换技术则很容易解决。光技术的发展，更是为新业务开辟了一个新的天地。本文主要讨论分组交换和电路交换各自的优缺点和当前应用中可行的解决方案，以及各自与光传输技术的融合，并对新兴的光交换技术进行初步的探讨。

    一、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效率和可靠性低。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。但是现实情况是：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百分之十，路由器平均一年的宕机时间不到5秒，发生故障的概率很小。因此上述原因对于当今选择交换技术没有意义。
    而另一个方面，分组交换是非面向连接的，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，很适合用于实时业务，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且价格低廉，易于用硬件高速实现。且由于其不需要缓冲区，而光缓冲技术似乎还比较遥远，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。如果抛开现有的设施，从头组网的话，相信大家选择电路交换技术的可能性要大得多。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，其结果如表1所示。
    表1  1Mbit/s链路与100个用户连接结果表：      
     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，采用电路交换技术百分之九十九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。
   
    二、当前高速交换应用中的关键技术

    当前因特网的主干线路采用的是SONET或是SDH，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和分组交换相结合的技术。也许由于其中电路交换技术在当中的交换功能较简单，所以往往为人们所忽略。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，因而工作的相当出色。
    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，因此包处理落后于线路资源的增长。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，来开发高性能路由器。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，它必须能够缓存每一包一个不可预计的时间。对高性能路由器而言，如果选用SRAM则能够实现很快的随机访问速度，选用DRAM不但其存储密度极低且访问速度也慢，但它能实现高密度存储。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，上述问题可以得到解决。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能力的要求。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，是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ns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。这样就可以通过两步交换的方式，从外部接入包首先在内部进行负载均衡，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。
   
    三、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，自然而然的引入了光传输技术，通过光电转换技术，实现了高速交换，极大的扩展了带宽。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性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80*40Gbit/s的背板交换速率，其线卡速率为40Gbit/s 。Nortel公司已实现80*80Gbit/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(256*40Gbit/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/上下路流量的统计规律的基本思想设计的。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。

    四、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，然后在转换为光信号传输。虽然传统的交换技术与光技术结合，再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，因此自然的呼唤光交换技术的到来。
    研究人员已试验过的光交换方式有微镜阵列、液晶和喷墨气泡。微镜阵列通过静电或磁力控制微小镜元，属于微电机械系统（MEMS）技术。如果这些镜元只能有开关两种状态，微镜阵列被称为二维MEMS，如果镜元能绕两个轴旋转停在多个位置，则称此微镜阵列为三维MEMS。而二维微镜阵列是最为常用的光交换方式。微小镜元置于两根光纤之间，当开关断开时，微小镜元不工作，让光信号从一根光纤传到另一根光纤，当开关闭合时，通过静电场作用，将微小镜元支起，使光信号被反射回去。通过光开关阵列即可实现交换。喷墨气泡通过气泡使光束偏转实现交换功能，液晶交换是通过光的偏振实现的。以色列正研制的利用全息技术的光交换前景似乎更好。利用全息技术的光交换，是通过在排列成网格状的晶体里构造带状全息图，他能有选择的使特定的光波偏转而其他的光波可不受影响的通过。这一特性使其更适合用于交换。
    光交换技术费用不受接入端口带宽的影响，因为他在进行光交换时并不区分带宽，而且他不受光波传输数据速率的影响。而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。