大容量交换技术的解析与应用

　　为了实现更大容量的光交换，需要突破矩阵光开关的规模化“瓶颈”。微机电光开关（MEMS）、循环阵列波导光栅（CAWG）、波长选择开关（WSS）等具有多端口规模化特征，能够实现良好的模块化扩展，具有使交换容量倍增的潜力。MEMS、CAWG、WSS 在大型数据中心、大容量光交叉连接、灵活栅格光分插复用等系统的应用中具有独特优势和良好前景。

　　大容量光交换的需求来自于网络流量的迅猛增长，尤其是互联网流量的指数式增长。自从1993 年提出“信息高速公路”以来，引发了全球建设“信息高速公路”的浪潮，发展到今天，数据业务已经完全取代话音业务，成为网络的主导业务，网络视频、云计算、物联网等进一步加速了这一进程，至此，互联网流量以40%复合年均增长率增长。

　　随着2012 年又提出了“大数据时代”的来临，数据的价值更加丰富，数据的种类更加多样，进一步加剧了数据流量的“爆涨”。

　　网络节点的处理能力一直是“信息高速公路”的“瓶颈”，此问题已愈加突出，迫切需要研究和发展新型大容量的节点处理技术。学术界主要从两个方面进行了探索。其一，以分组交换为核心的集群式大容量路由器技术，不断地提高路由器的吞吐量，十余年来从吉比特每秒发展到太比特每秒量级，即将迈入帕比特每秒量级。其二，以电路交换为核心的大容量电交叉和光交叉系统，亦从吉比特每秒量级发展到太比特每秒量级量级，但从公布的数据来看，其最大容量仍落后于路由器。本文将对此两方面做简单回顾，然后，重点探讨后者的关键技术、大容量扩展方法与典型应用示例。

　　1 交换容量增长之路

　　为了应对互联网流量的指数式增长，业界一直没有停止追求大容量节点交换的努力，细分为3 条技术路径：路由器（IP）、光传送网（OTN）、光交叉连接（OXC），形成了你追我赶之势，如同“龟免赛跑”，强有力地推动了“信息高速公路”的发展进程，时至今日，仍未停歇。

　　（1）路由器

　　路由器是一种基于IP 分组的存储转发技术，是互联网的基石，自20世纪90 年代中后期发展以来，可谓进步神速。

　　2004 年，思科公司推出了电信级路由系统（CRS-1），因其创纪录的超大吞吐量而被收入《吉尼斯世界记录大全》。它基于集群方式，采用三级自路由Benes 架构，最多可以支持1 152 个40 Gb/s 的线卡插槽，是当时业界唯一可以扩展到92 Tb/s 的电信级路由系统。时隔6 年之后，2010年，思科又宣布推出CRS-1 的升级产品-- 新型运营商级路由系统（CRS-3），流量处理能力是其前身CRS-1 的3 倍多，最高可达322 Tb/s。

　　此时，中国的路由器研发生产能力也有了重大突破。2009 年，中国设备供应商宣布推出采用自主芯片的超大容量集群路由器ZXR10 T8000，可提供1 024 个100G 接口，最高交换容量可达200 Tb/s。2012 年，中国设备供应商推出的高性能核心交换机具备无阻塞三级CLOS 交换架构，业务板卡与交换网板正交设计，实现多级多平面交换，单槽位支持2T 带宽（可平滑演进至4T），整机容量提升至64 Tb/s 交换容量。

　　（2）光传送网

　　光传送网对各种高速传输的时分复用信号进行封装、交叉、分插、疏导和传输，是“信息高速公路”的基础性承载平台。

　　2007 年，中国设备供应商宣布推出OTN 产品，高端系统集成了可重构光分插复用（ROADM）、太比特统一交换、自动交换光网络/通用多协议标记交换（ASON/GMPLS）智能控制、100 Mb/s~100 Gb/s 全颗粒调度、10~400 Gb/s 高速传送等功能，单子架12.8 Tb/s 交叉的超大容量调度，未来可扩展至20 Tb/s+ 交叉。但是，总体上OTN 容量都不及路由器的容量322 Tb/s，相差一个量级。

　　（3）光交叉连接

　　光交叉连接直接在光层提供波长颗粒的透明交换，其发展历程可谓起伏曲折，在发明了三维微机电光开关（MEMS）之时发展到顶峰，最后演变成今天的多维度ROADM。

　　早在1999 年11 月，原朗讯公司以贝尔实验室技术-- 微机械光开关（MEMS）为基础，推出了256×256全光交叉连接--WaveStar LambdaRouter，是当时世界上第一个可商用化的全光交叉连接系统，作为当时光通信会展的一颗明星而轰动一时。