新型大容量光交换的关键技术和应用

　　摘要：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。

　　关键词：光交换；微机电光开关；循环阵列波导光栅；波长选择开关

　　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"[1]。

　　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[2-3]。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。