通信交换技术及其发展趋势

王 颐 鲍 岩

[摘 要]对电信行业而言,交换是一个非常重要的概念。从传统的步进制交换机,到纵横制交换机,直至程控数字交换机和ATM交换机都离不开交换的概念。所以对传统的电信行业,20世纪实际上是一个以交换为核心的世纪。然而在数据技术领域引入交换这个名词则实为一种时髦。因为交换在人们的印象中是一种很“COOL”的概念,以至于不采用交换一词就无法显示数据节点机的时代价值。其实,数据交换的本质是“存储转发”,当存储转发的过程快到一定程度时,人们就习惯地将其称之为交换。也就是说,交换在数据领域是一个相对概念。

[关键词]电信行业 交换 数据领域

[中图分类号]F632[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0054-02

在新世纪到来的时候,其实人们早已将交换概念的内涵扩展了,其外延一直延伸至广义的信息交换。这样做的结果一方面丰富了交换的概念,另一方面也导致了一些困惑。所以我们说人类技术的进步已经进入了一个交换新世纪。这里交换的概念不仅涉及对延时敏感的话音,而且包含数据交换和视频交换。也就是说现在的交换概念不再是电路交换,也不完全是分组交换,而是信息交换。

由于分层概念是新通信基础设施的关键之一,所以信息传递也是分层的,这才有了分层交换的概念,才有了我们经常听到的各种交换的新名词,如第二层(L2)交换、第三层(L3)交换、第四层(L4)交换。其实最基本的交换还是第一层,即物理层的交换,传统电话交换系统就是采用的这种交换。在其它层的交换实际上是一种软交换(Soft Switching)或虚拟交换(Virtual Switching)。

最初交换的概念是由硬件派生出来的,但是现在已经可以由软件和固件实现,如采用ASIC实现的第二层(L2)、第三层交换(L3),甚至是第四层交换(L4)。正是这种概念的革新,才常使一些墨守经典交换概念的人感到费解和困惑。

过去,交换的概念几乎是面向连接的服务的专利,但是现在交换的概念已将会晤(Session)过程分解为更多的子过程,只要其中一部分采用了交换,就对此技术冠以时髦的交换概念/名称。过去的交换概念主要在物理层,所以具有确定性和稳定性,譬如PSTN交换机、DDN和交叉连接设备,但是现在交换的概念已经扩展至协议推的各层,而且是从统计的角度来定义的。这里连接的概念已经让位给流(Flow/Stream)的概念,当然流是需要识别的,因此才有了标签(Tag/Label)技术。当然,不同的应用协议会带来不同的流特征和标签体系。

具体而言,新交换的概念可以应用在局域网和/或广域网。最早在局域网中的交换概念是第二层交换,它是为了解决以太网共享带宽瓶颈问题而提出的,采用了MAC地址作为识别交换端口的标识。但是值得注意的是,在广域网中早就采用了第二层交换,如帧中继和ATM交换。

在现代数据网中,路由器是网络的核心构件。但是由于它对每个分组都要进行第三层处理,所以速度受到限制。因此,路由器设备厂商便千方百计提高节点机的速率,当然采用硬件实现原来由软件实现的第二层,甚至第三层功能是一种方案,再者简化第二层和第三层的处理功能也是一种方案。显然,将两者同时实现更是一种理想。交换技术相对于路由技术的好处就是快,当网络规模很大时,高速,大容量路由器是十分必要的。另一方面,由于现代通信网络大都采用光纤技术,所以现在数据网络的主要瓶颈是节点/路由器。现在的L3交换、路由交换或其它名词都是这种思路的结果。虽然L3交换最初也是为LAN设计的,它采用目的IP地址进行交换,但是现在这种技术也已经开始在WAN中使用。

在网络边缘,由于服务器应用越来越多,出现了新的网络边缘瓶颈,因此第四层交换的概念开始在用户侧或局域网测产生。L4层能够基于端口地址实现交换,通常听到的基于策略的路由选择就是在L4层完成的、L4交换多用于分布式系统,以提高访问速度。显然,目前在广域网中还无法应用L4交换,但是未来的网络智能节点有可能在第四层实现某种形式的交换。

交换的概念固然很好,但是其发展并非一帆风顺。如果我们能够利用硬件实现路由器的各层功能,就可以实现端口线速处理能力,消除路由器的处理瓶颈。挑战10Gb/S、100Gb/S、甚至1000Gb/S的交换式路由器将是新世纪初的艰卜仟务。但是这里的挑战实往太多,怎样才能在既提高速度,又不失灵活性的条件下实现高速路由器呢?未来的趋势将是软件硬件化(Hard Software),即用智能硬件实现传统的软件功能,以及硬件软件化(Soft Hardware),即可编程硬件。人们希望演过电路(Evolutionary Circuit)将在下一世纪为高速信息交换敞开大门。另外,协议的并行处理技术也将个新世纪扮演十分重要的角色。

在人们对自然、社会和信息应用以及对事物的认识总是从简单到复杂,从确知规律到统计规律。信息交换技术发展的规律也不例外,在下一世纪,这种潮流将逐渐形成主流。更多的统计和智能控制技术将应用于交换系统,产生诸如Active Flow,Smart Stream等新的交换模型。其实,信息交换技术一直在不停地发展,各层独立发展的道路似乎已经走到了尽头。因此才有将各层交换集成在一起的MPLS(多协议标签交换)和能动网络(Active Network)的出现。智能交换(Intelligent Switching)或可编程交换(ProgrammableSwitching)将是下代信息交换的曙光。目前,采用智能代理(SmartAgnet)和分布式处理来管理各层交换的效率和最佳交换方式的新时代已经并始,让我们用智慧交换新时代,让新时代交换智慧的成果。