通信交換技術及其發展趨勢

王 頤 鮑 巖

[摘 要]對電信行業而言,交換是一個非常重要的概念。從傳統的步進制交換機,到縱橫制交換機,直至程控數字交換機和ATM交換機都離不開交換的概念。所以對傳統的電信行業,20世紀實際上是一個以交換為核心的世紀。然而在數據技術領域引入交換這個名詞則實為一種時髦。因為交換在人們的印象中是一種很“COOL”的概念,以至于不采用交換一詞就無法顯示數據節點機的時代價值。其實,數據交換的本質是“存儲轉發”,當存儲轉發的過程快到一定程度時,人們就習慣地將其稱之為交換。也就是說,交換在數據領域是一個相對概念。

[關鍵詞]電信行業 交換 數據領域

[中圖分類號]F632[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0054-02

在新世紀到來的時候,其實人們早已將交換概念的內涵擴展了,其外延一直延伸至廣義的信息交換。這樣做的結果一方面豐富了交換的概念,另一方面也導致了一些困惑。所以我們說人類技術的進步已經進入了一個交換新世紀。這里交換的概念不僅涉及對延時敏感的話音,而且包含數據交換和視頻交換。也就是說現在的交換概念不再是電路交換,也不完全是分組交換,而是信息交換。

由于分層概念是新通信基礎設施的關鍵之一,所以信息傳遞也是分層的,這才有了分層交換的概念,才有了我們經常聽到的各種交換的新名詞,如第二層(L2)交換、第三層(L3)交換、第四層(L4)交換。其實最基本的交換還是第一層,即物理層的交換,傳統電話交換系統就是采用的這種交換。在其它層的交換實際上是一種軟交換(Soft Switching)或虛擬交換(Virtual Switching)。

最初交換的概念是由硬件派生出來的,但是現在已經可以由軟件和固件實現,如采用ASIC實現的第二層(L2)、第三層交換(L3),甚至是第四層交換(L4)。正是這種概念的革新,才常使一些墨守經典交換概念的人感到費解和困惑。

過去,交換的概念幾乎是面向連接的服務的專利,但是現在交換的概念已將會晤(Session)過程分解為更多的子過程,只要其中一部分采用了交換,就對此技術冠以時髦的交換概念/名稱。過去的交換概念主要在物理層,所以具有確定性和穩定性,譬如PSTN交換機、DDN和交叉連接設備,但是現在交換的概念已經擴展至協議推的各層,而且是從統計的角度來定義的。這里連接的概念已經讓位給流(Flow/Stream)的概念,當然流是需要識別的,因此才有了標簽(Tag/Label)技術。當然,不同的應用協議會帶來不同的流特征和標簽體系。

具體而言,新交換的概念可以應用在局域網和/或廣域網。最早在局域網中的交換概念是第二層交換,它是為了解決以太網共享帶寬瓶頸問題而提出的,采用了MAC地址作為識別交換端口的標識。但是值得注意的是,在廣域網中早就采用了第二層交換,如幀中繼和ATM交換。

在現代數據網中,路由器是網絡的核心構件。但是由于它對每個分組都要進行第三層處理,所以速度受到限制。因此,路由器設備廠商便千方百計提高節點機的速率,當然采用硬件實現原來由軟件實現的第二層,甚至第三層功能是一種方案,再者簡化第二層和第三層的處理功能也是一種方案。顯然,將兩者同時實現更是一種理想。交換技術相對于路由技術的好處就是快,當網絡規模很大時,高速,大容量路由器是十分必要的。另一方面,由于現代通信網絡大都采用光纖技術,所以現在數據網絡的主要瓶頸是節點/路由器。現在的L3交換、路由交換或其它名詞都是這種思路的結果。雖然L3交換最初也是為LAN設計的,它采用目的IP地址進行交換,但是現在這種技術也已經開始在WAN中使用。

在網絡邊緣,由于服務器應用越來越多,出現了新的網絡邊緣瓶頸,因此第四層交換的概念開始在用戶側或局域網測產生。L4層能夠基于端口地址實現交換,通常聽到的基于策略的路由選擇就是在L4層完成的、L4交換多用于分布式系統,以提高訪問速度。顯然,目前在廣域網中還無法應用L4交換,但是未來的網絡智能節點有可能在第四層實現某種形式的交換。

交換的概念固然很好,但是其發展并非一帆風順。如果我們能夠利用硬件實現路由器的各層功能,就可以實現端口線速處理能力,消除路由器的處理瓶頸。挑戰10Gb/S、100Gb/S、甚至1000Gb/S的交換式路由器將是新世紀初的艱卜仟務。但是這里的挑戰實往太多,怎樣才能在既提高速度,又不失靈活性的條件下實現高速路由器呢?未來的趨勢將是軟件硬件化(Hard Software),即用智能硬件實現傳統的軟件功能,以及硬件軟件化(Soft Hardware),即可編程硬件。人們希望演過電路(Evolutionary Circuit)將在下一世紀為高速信息交換敞開大門。另外,協議的并行處理技術也將個新世紀扮演十分重要的角色。

在人們對自然、社會和信息應用以及對事物的認識總是從簡單到復雜,從確知規律到統計規律。信息交換技術發展的規律也不例外,在下一世紀,這種潮流將逐漸形成主流。更多的統計和智能控制技術將應用于交換系統,產生諸如Active Flow,Smart Stream等新的交換模型。其實,信息交換技術一直在不停地發展,各層獨立發展的道路似乎已經走到了盡頭。因此才有將各層交換集成在一起的MPLS(多協議標簽交換)和能動網絡(Active Network)的出現。智能交換(Intelligent Switching)或可編程交換(ProgrammableSwitching)將是下代信息交換的曙光。目前,采用智能代理(SmartAgnet)和分布式處理來管理各層交換的效率和最佳交換方式的新時代已經并始,讓我們用智慧交換新時代,讓新時代交換智慧的成果。