电讯光网络的能源效.docx

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电讯光网络的能源效

电信光网络的能源效率

摘要——近年来随着能源危机和环境保护被人们越来越多地关注，发明科学的能源保护方法的新研究正在多学科领域开展着。

特别是，由于ICT（信息通讯技术）领域能源消耗的剧增，人们的目光正聚焦于“绿色”ICT的方法上。

在本论文中，我们为与在电信网络领域能源消耗最小化最密切相关的研究活动提供综合评述，并重点阐述那些应用中的光技术。

我们借助光技术调查了能源最小化消耗的机会，分类总结了在不同网络领域中现存的方法，包括核心网、城域网、接入网。

一部分致力于描述能源高效利用的办法，而针对当下一些电信光网络技术的重要应用，如：

网格计算和数据中心。

我们提供了在光网络这一领域不断进行的标准化努力的概述。

这项工作展示了对不断增加的研究活动综合、及时的调查，而这些研究涵盖了电信光网络能源消费的大多数方面。

我们的目的在于为不断增加的研究未来光网络能源高效利用的研究人员们提供一个电信光网络领域综合的参考。

索引词——能源、效率、电信、光学的、网络

.介绍

近

年来，节能逐渐获得社会越来越多的兴趣，作为当今最具吸引力、也是最关键的研究问题之一，人们就将其放入首要研究议程中的必要性越来越普遍的达成了共识。

今天，传统的能源资源，比如：

化石燃料能源，满足了人类资源需求的绝大部分；像美国，化石燃料供给了电力所需的85%的基础能源[1]，但是这种能源是不可再生的，并且预计终将在不久的将来用尽。

另外，化石燃料的燃烧释放了大量的温室气体（GHG），这是导致全球变暖的一个主要因素。

两个研究方向的探索正用于应对这个情形。

第一，可再生的资源正被利用以取代传统的化石燃料资源，这不但创造了减少二氧化碳排放的机会，而且为可持续的环境友好型的社会发展铺平了道路[2]。

第二，能源保护方法的探索正在多个科技领域开展着——低能耗的装备和部件正被研发，不仅为减少能源消耗，也是为了促进保护我们的环境。

技术的发展可以使降低人类发展所必需的能源消耗量成为可能，在几乎所有的这些科学技术领域，为研发出新的资源保护办法，研究的努力继续着。

ICT（信息通讯技术）是追求节能最有前景的领域之一，ICT被广泛的用于社会的许多方面，而且一直有着环境友好的形象。

这种声誉的形成主要是因为事实上，世界范围的电信网络已经改变了我们的社会，并且提供了实用的方法来减少人类活动对自然的冲击（细想，举个例：

电信应用的远程办公、可视会议、电子商务，以及它们对人类活动的影响）。

然而，ICT却有一个下降的趋势，在人们无论私下的还是职业上的日常生活中，ICT的普遍存在带来了另外一个问题——电脑和网络设备的资源消耗正成为全球资源消费中一个重要的部分[3]、[4]、[5]。

随着ICT覆盖率在世界范围内快速的扩大，ICT能源的消费也在快速的增加，因为每年都有更多的用于网络和交流的设备和部件被部署。

来自2009年的数据显示，ICT消耗了全世界电能总和的8%[6],电信网络，这个ICT的重要代表部分，将在不久贯穿我们的日常生活中。

宽频带电信网络的流量在快速的增加，由它带来的能源消费也在快速的增多。

图形一给出了在未来几年电信网络不断增长的（百分比）能源消费的一个预测[7]、[8]。

考虑到廉价可用化石燃料的减少导致的能源价格上涨和增加的对温室足以引起政府政策转变影响的担忧，ICT的能源消费已经在提出问题，这将急切的促使发展节能的电信方法。

我们需要设计新的组网范例，来保证在未来消费更少能源的情况下使ICT保持相同水平的功能[3]、[9]。

图一电信网络的能源消耗预测[7]、[8]

基于众多的网络技术，在这篇文章中，我们主要关注光网络的节能技术。

正是由于光技术的高速度，大容量和其他的吸引人的性质[10]，目前光技术被广泛的应用于电信网络，而且继续成为全世界大多数地方的基础物理网络的底层结构。

光网络技术也在最近十年取得了可喜的进步。

调查了光网络不同的特征，很多想法也被提出用于提高光网络的性能。

举个例：

路由，波长分配，交通疏导策略已经被提议用于光网络成本效益的提高[11]。

由于一个光学通信频道占有大量的带宽[12]，光网络的生存性已经被侧底的调查，因为光网络链接和节点的一个失误将会导致重大的损失。

不过在最近几年才被提出的节能光网络是一个全新的概念，从节能光网络将通过ICT技术保护能源的消耗、长远的减少社会能源的消费和保护我们的环境开始，越来越多的研究机构开始专注于它。

光网络能源消耗的最小化大体上可以分为四个级别：

元件级、传送级、网络级、应用级。

在元件的等级上，高度集成的全光组件的加工，比如：

光学缓冲器、交换机的构造、波长整流器正在被研发中，这无疑将极大的减少能源的耗费[13]、[14]，光学交换结构（OSF）比起电子底板和互联更加的节能[15]、[16]；在传送的等级上，低衰减和低色散光纤，节能的光学发射机和接收机的引进[17]，提高了传送级别上的节能水平；在网络的等级上，节能资源分配机制、绿色路由、远距离光学接入网[18]等等，正在被研发用于减少光网络能源的消耗；在应用的等级上，节能网络连通性机制比如：

“代理”和绿色云运算[20]接入正被提议用于减少能源耗费。

在这儿，我们的目的主要是调查网络级别的节能方法，特别地，一个电信网络能细分为三个领域：

核心网、城域网、接入网，光学技术在这些领域扮演着重要的角色，而且我们调查研究的目的就是提高在这三领域光网络节能的方法。

正如图形2所示，核心网是电信层的中心部分，并且提供全国性甚至全球性的覆盖，核心网络的链接跨越很远的距离——一条链接（使用光纤）的长度在几百公里到几千公里长不等，链接提供了美国各大主要城市的联系途径。

特别地，核心网依赖网状拓扑来提供增加的适应性保护和网络资源使用效率。

典型城域网跨越一个几十到几百公里范围的大都市区域，并且是以SONET/SDH（同步光纤网络）光环网一种深层次的遗赠为基础构建的。

接入网跨越数公里，并且连接了终端用户和即时服务运营商，使用户（商业和家庭用户）能够连接剩余的网络基础设施，光学接入网常以树状拓扑为基础。

图二电信网络层状结构图

在本论文中，我们调查了三个网络领域的能耗数据和节能方法，我们也回顾了一些相关的在应用层的节能方法和数据中心的节能架构，因为这些领域：

（

）包含了消耗电信网络有效能源的网络元素；（

）大量的包含了光学组网技术。

一份综合的关于光网络节能新方法的调查是非常及时和实用的贡献，因为在光网络研究背景下，从事光网络节能的研究人员可能会受益于旁边有一份收集好的关于一个光网络不同组件的能源消耗的基本信息；并且一份综合的带有当前努力和研究方向的分类能够激发研究人员节能研究的新思路。

我们的研究包含这两方面并且预期将来可能的研究领域，当然，要注意不同的国际标准化组织，比如ITU（国际电信联盟），IEEE（电气与电子工程师协会）和其他的组织，当前都致力于发展新的标准来加强该领域的研究[21]。

本论文中，我们也有一个关于这些标准化努力的总结。

本论文剩下部分的安排如下，第

部分分类了光技术被应用的网络领域，并且提供了在不同网络领域使用的光组件和系统的能耗数据；第

部分总结了电信网络节能化设计的标准化努力；第

部分提供了在核心网络实现能耗最小化技术和架构的概述，而第

部份提供了光城域网和接入网通信的处理方法；第

部分描述了一些关于怎样利用光网络技术来提高数据中心和应用层节能效率最新的方法；最后，第

部分总结了本论文，描出了节能光网络将来可能的研究重点。

．网络领域

电信网络能被分为三个网络领域：

核心网，城域网，接入网；这些网络的目的都是为了支持更高传输速度和更高性价比的数据转换。

在此部分，我们描述了三个网络领域并且介绍每个领域最重要的网络单元。

对于这些网络单元，我们也提供了代表性的数据和关于它们能耗的参考。

.核心网络

经由核心网络，我们常提及一个电信网络的骨干基础设施，实现跨越全国的、大陆的、甚至是洲际距离的大城市（作为网络节点）的互联。

核心网络是典型的依赖一种网格互联模式和携带海量的外围地区收集到的电信业务，所以它需要配备合适的接口连接用于业务收集和业务分配的城域网和接入网，以便于被远距离隔开的用户们能通过核心（主干网）网络实现通讯。

在核心网络，光技术被广泛的用于支持物理的基础设施和实现高速度，高容量，可扩展等。

为了智能化控制和管理光网络，不少高级的管理设备和技术已经被发明了，举个例：

基于光传输网络、波分复用光网络、或者波分复用光传输网络的架构在过去20年里已经被部署了[22]、[23]。

作为核心网络多层网络架构的展示，核心网络的能耗应该在两个网络层，即光学网络层和电子网络层予以考虑。

让我们以波分复用光网络为例说明，如图三所示——波分复用光网络元件的能耗能够在交换（路由）水平和传输水平中体现出来，在交换水平上，主要的能源消耗者是电子层交换电信号的数字交叉互联器（DXC）和IP路由器，以及在光学层光纤里交换光信号的光学交叉互联器（OXC）；而在传输系统里，WDM技术就是复用许多携带了不同信号的不同波长的激光进入一个光纤信道里面传输，如图三所示，一个WDM传输系统[24]在发射机处使用一个复用器来复合信号并且在

图三核心网络

接收机处使用一个解复用器实现总信号的分解，转发器用来发射和接收信号，而升压机可以放大能量来补偿复用器导致的能量衰减，前端放大器用来放大光学信号的能量从而增加接收机的敏感性，一个WDM传输系统的所有元件都要消耗能量，用于在光学层放大光信号的掺饵光纤放大器（EDFAs）同样是要消耗能源的：

光学放大器的能源消费以及计量方法可能依赖于光学放大器的运转方法[25]。

其次，我们提供了核心网络最重要的网络元件的一些典型的能耗数据。

表一给出了这些元件的能耗数据，表一中显示的能量的价值评价与通信设备能够服务的最大负载量紧密相关，除去全光设备，这是由于它的系统透明性和比特率使能量的价值评价很难计算成为一个特殊的综合值，不过，以上描述的透明性使光学设备比电子设备更具有扩展性（增加容量）。

通过分析这些数据，可以很清晰地显示电子层比光学层消耗多得多的能源，换句话说，通过探索光学技术来进行节能网络设计的时候应把光学交换比电子交换更节能看成是基本观点之一

B．城域网

作为电信网络一部分的城域网典型地覆盖了大都市的区域，它连接了用于本地用户通信量（比如，提供分散接入网的接口，如不同类别的数字用户线路（xDSL）和光纤到家或光纤到用户（FTTx））汇聚的设备，它也提供了同核心网的直接连接保证了因特网的连通性。

世界范围内不同的网络技术已经被部署用于不同的城域网络，如图四所示，SONET（同步光网络），光学WDM环，以及城域以太网，是城域网的三个核心技术

举个例，城域以太网是一种基于以太网标准的常见的城域网络基础设施[35]，边缘路由器，宽带网络网关，和以太网交换机是它的基础元件。

一些城域以太网设备的能耗数据在表一中给出。

城域网WDM环网络已经被提议利用光技术，如更高速和更强扩展性[36]，在城域网WDM环网络中，能耗主要来自于复用和解复用光信号的OADMs（光分插复用器），SONET环架构也被广泛提议用于城域网络，因为它可以聚集城域网低比特率流量和核心网的高带宽通道[10]。

SONETADM（分叉复用器）用来汇集和分散网络流量，一个SONETADM的能耗在表一中列出。

表一电信网络不同元件典型的能耗数据

C．接入网

连接电信CO（中央办公室）和终端用户的接入网是一个电信网络的“最后一公里”，包含了很大一部分电信网络，由于接入网存在大量的活跃元素[7]，导致了它也成为一个主要的能源消费者。

像xDSL（数字用户线路）、CM（电缆调制解调器）、无线上网和蜂窝网络，FTTx（光纤接入）、WOBAN（无线光学宽带接入网）等，这些接入技术已被提出和投放市场。

加强的铜绞线或者xDSL系统覆盖了不同的技术，比如ADSL（非对称数字用户线路），VDSL（极高速数字用户线路），和HDSL（高比特率数字用户线路），xSDL技术使用现存的PSTN（公用开关电话网络）基础设施来提供因特网服务。

电缆调制解调技术使用同轴电缆来提供伴随数字电视的因特网服务。

光纤接入有多

图四、城域网和接入网络

种潜在的技术，如直接光纤，共享光纤和最重要的——PON（无源光网络）。

PON是光纤接入网部署的首要选择，因为它在纤维植物里含有唯一的无源元件（见图四），表一给出了在一个PON架构里两个主要的网络元素的能耗数据，分别是位于CO的OLT（光线路终端）和位于（接近于）终端用户的ONU（光网络单元）。

无线接入技术包含WiFi（无线网络），WiMAX（全球微波接入互操作性）和蜂窝数据服务（如LTE（长期演进）），WOBAN是一个新奇的接入架构，在首尾端包含了一个通过光学回传的无线网络，能够提供高带宽的服务。

.标准化努力

在网络领域节能的重要性已经得到了一些新的属于国际标准化组织的团队的承认，这些团队包括ITU（国际电信联盟），IEEE（电气与电子工程师协会），ETSI（欧洲电信标准协会），TIA（电信工业协会），ATIS（电信业解决方案联盟），ECR（能耗等级）首创，TEEER（电信设备节能要求）等，正在制定新的适用于节能网络[21]的标准.他们定义了的新奇的绿色网络的概念，并且他们的科研活动能够给从事实用研究的人员以指导。

绿色网络作为一个重要的创新，ITU正在组织召开关于ICT和气候变化[37]的专题会议，这些会议汇集了该领域的顶级专家：

从决策者到工程师，设计师，规划师，政府官员，调整者，标准化专家，和其他的人员。

被提出和讨论的话题包括ICT和其他部门应对气候变化的适应性和影响的缓解性，“绿色”ICT政策结构，以及ICT在气候变化科学和紧急情形下的使用，ITU电信标准化部门已经宣布研究节能技术的SG（研究小组）—15已经成立，被考虑在计划内的技术包括光学传输网络，像DSL和PON一样的接入网技术，总的来说，这些技术代表了一个世界范围内的重要能耗。

IEEE正在发展一个节能以太网的标准——IEEEP802.3az[38]，目的有（

）定义一个机制来减少低连接使用PHY（物理层协议）时的能耗；（

）定义一个协议来协调过渡或者一个并不改变连接状态和抛弃帧的低水平的能耗；（

）定义一个10兆的并且减少了发射振幅要求的物理层协议，从而能耗能够被减少，这个努力预计2010年9月的时候完成。

绿色议程是ETSI主要的策略重点之一[39],这项努力将执行ISO的14001:

2004和14004:

2004这两项环境管理标准，另外，ETSI绿色议程包括生态工程，其由以下部分组成：

（

）“DTR/EE-00002”工作项目：

电信网络设备和相关基础设施能耗的减少；（

）“DTR/EE-00004”工作项目：

电信设备安装的时候选择性的使用资源；（

）“DTS/EE-00005”工作项目：

宽带电信网络设备的能耗；（

）“DTS/EE-00006”工作项目：

环保的户外设备安装考虑；（

）“DTS/EE-00007”工作项目：

无线接入网络设备的能量效率。

另外，ETSIATTM（接入、终端、传输和复用）“DTR/ATTM-06002“工作项目：

关于xDSL收发机能量最优化正在进行标准化。

在DTS/EE-00005工作项目里，是最接近本论文的中心，ETSI努力引领着定义有线和无线的宽带电信网络设备能耗目标和计量方法。

在第一阶段，DSL，ISDN（综合业务数字网）等已经被考虑了；在第二阶段，WiMAX和PLC（电力线通信）将被调查[39]。

TIA于2008年开始了“绿色倡议”，所谓EIATRACK[40]。

它为公司提供未来在新的市场增长和环保意识下的战略举措。

其主要产品的合规性问题是关于回收电池，限用物质，环境设计和包装，超过1500多件的立法进行跟踪，通过实施，其中包括所有主要的欧洲地区，亚太，北美和南美地区，包含准确的，以及最新的内容，由广泛的国际法律和技术标的物专家，以及EEE（电气和电子设备）和RoHS（限制使用某些有害物质）在欧洲和其他司法管辖区的专家提供。

ATIS已成立一个委员会，名为NIPP（网络接口电源，并保护委员会），正忙于制定覆盖网络接口，电源，电器，和实物保护的标准和技术报告[41]。

NIPP委员会的“绿色”活动主要重点是：

（一）制定可供服务提供商使用的评估真正电信设备能源需求的标准；

（二）RoHS的电子设备，及（iii）调查减少DSL调制解调器在网络和客户端[21]能耗的方法。

NIPP也建立了TEE（电信能源效率）小组委员会，致力于发展提出关于电信设备的能源效的标准和技术报告，他们正在努力确定能源效率指标，测量技术，以及电信组件，系统和设施[42]的新技术和操作练习。

总之，就像上面列出的标准化组织，ATIS也注重于在物理和网络层的“绿色”技术。

ECR的概念（能耗评价）也是最近发起的。

由于世界各地的政府和企业都在紧缩能源消耗和碳排放预算，电信设备制造商称正开发新的节能设备。

需要这些核查的数据来支持绿色”的营销主张，ECR定义来衡量以瓦/Gbps为度量单位的网络设备的能源效率，作为一个基本指标，ECR被用来衡量功耗和传输带宽的比例，新标准也可用于确定网络行业[43]能源效率的实际问题。

TEEER公制定量（电信设备的能效要求）已经伴随着Verizon公司能源效率首创—VZ.TPR.9205.的成功而实现，这一方案的目的是设置Verizon技术的采购需求和促进发展高效节能的电信设备，从而减少温室气体排放，TEEER被定义为设备在多利用水平下能耗的平均评级，TEEER度量适用于由Verizon2009[44]年1月1日之后购买的所有新设备。

.核心网

在核心网络，能源主要是消耗在网络传输和交换设备，如路由器，OXCs，（光分叉互联器），掺铒光纤放大器，转发器。

基于第二节的数据，核心网络的能耗量是巨大的，然而，目前的网络架构和运作计划一般并不对能源效率多加注意。

因此，最近许多研究工作重点放在核心网络的能源效率。

在核心网络减少能耗的方法分为四类：

（一）、有选择地关闭网络元素

（二）、高效节能的网络设计（三）、能源效益的IP包转发，及（iv）绿色路由。

A、有选择地关闭网络元素

在核心网络节省能源的一个主要方法是在负荷减少的时候、在保证剩余网络正常工作下，有选择性的关闭一些空闲的网络元素，如果我们考虑像图2一样网络的代表性层次结构，我们可以发现总有足够的网络冗余使一些节点在没有使用为源节点和目的节点的时候完全可以被关闭，也没有必要成为换乘节点在这种情况下，一个节点可以被关闭：

（I）只有当它是完全未使用，（ii）当流量低于一个给定的的阈值，使责任为重排上层残留交通，及（iii）主动沿其他路线的交通改道，以避免交通中断。

这三种方法涉及很宽的责任，控制，管理和网络操作都被关注在内，第一种方法虽然不需要或最低限度的额外的网络控制和第二种方法需要收集拥塞信息，第三种方法只能用于有某种形式的网络自动配置和或搬迁到位。

类似的方式，当链接没有网络流量，或者流量低于一个给定的阈值，或者可能需要重新路由在其上的网络流量时，此链接是可以关闭的，不幸的是，核心网络的大部分元素都不能在不影响网络性能的前提下关闭，关闭一个中间核心节点可能导致连接要改道较长的路线，这有时可能会因拥塞、额外的延迟等多种原因不能被接受，所以可能关闭节点或链接时要在连通性和QoS（服务质量）的约束下进行仔细的评估。

在特定情况下，这个问题已经为蓝本研究网络——以最大限度地节约能源，在保证网络畅通条件下确定最大空闲节点和链接数量，这个问题已经被证明是一个NP-难的问题，并可以制定为一个MILP（混合整数线性规划）。

由于问题是难以计算的，启发式思想已经提出[46]。

此外，流量负荷在一天中不同时间是变化的。

假设，在非高峰时间的流量需求是低于高峰时期的60％，在确保资源利用率仍然是给定的阈值[47]下，关掉闲置的节点和链路，这是有可能减少供电节点的百分比到17％和链接到55％的，[48]、[49]中，作者讨论了来自互联网数据中网络稳定性，性能和功耗的关系。

[50]中，作者推断能源效率限制了网络的适应性。

在真实流量观测的基础上，他们也开发了几个新的流量模型，如果网络可以按照下列资源分配模式，使资源根据流量需求分配，这样网络的能源效率将在现在的基础上获得显著的提高。

[51]中，提出一项计划是在交通负荷低时关闭闲置的线路卡（和相应的光学电路或光路），在这个计划中，物理拓扑结构没有改变，仅改变了虚拟连接就节省了能源。

同样，在[52]，作者还提出了一个计划，通过关闭闲置的线路卡以节约能源和在负荷较低时关闭IP-WDM网络中的IP路由器底盘，此外，该计划最大限度地减少了在线路卡和机箱关闭下潜在中断的流量。

B.能源高效的网络设计

另一种来实现节能的方式就是在网络设计阶段直接制订高能效的架构，例如，在[29]，作者考虑了一个IP-WDM网络的设计方法，使IP路由器，掺铒光纤放大器，和转发器的总消费达到联合最小化。

结果表明，不同的流量梳理计划对节能设计有着重大的影响[29]。

在本文中，启发式也被建议用来应对网络设备的能耗最小化，作者认为两种可能的方式来实现IP-OVERWDM网络，即非旁路和旁路光路，根据非旁路光路，所有入射到节点的光路必须截止，即所有由光路携带的数据都经过ＩＰ路由器的处理和转发，但是旁路光路允许目的是非中间节点的流量，通过一个直达光路绕过中间节点。

结果表明，旁路光路比非旁路光路可以节省更多的能量，推导这样的事实，即在使用旁路光路计划进行核心网络节能设计的时候，可以减少ＩＰ路由器的使用，此外，作者还分别估计了路由器、掺铒光纤放大器和转发器的能源消费，结果表明，在IP-WDM网络中，路由器的能源消费总量远超过掺铒光纤放大器和转发器。

核心路由器的线路卡和机箱在核心网络里消耗很高的能量，不同线路卡和机箱的配置，也就是说，不同的填充水平的底盘，导致不同的能源消耗。

较高填充的水平，将是更节能的网络[53]。

这是因为即使没有线卡的空机箱也会消耗大量能源。

因此，每传输一比特数据，具有较高填充水平的底盘比那些较低填充水平的底盘能源消耗要低。

此外，即使两个底盘有相同的吞吐量，支持更高速线路卡的机箱往往消耗的能量小于支持速度低的线路卡机箱[54]。

因此，高效节能的线路卡/机箱重新配置，可以看作是一个减少能源消耗的新颖的方式。

现有的光纤骨干网络的支持10-40Gbps线路速率，并且对更高带宽的需求正在增加。

近日，一个重要的社交网站声称，如果有的话，它现在可以使用100Gbps线路速率。

因此，未来的光骨干网将必须支持MLR（混合线路速率）（例如，10/40/100Gbps）来支持联系[55]，作者提出了一个数学模型，以确定MLR光学网络的能源效率。

利用他们的模型比较MLR和SLR（单线的能源消耗率）网络，结果表明，在降低整个网络的能源消耗时，一个MLR网络性能优于SLR网络。

C.节能的IP报文转发

能源的分组转发已被建议来降低IP层的能源消耗，[54]，作者展示IP数据包的大小影响路由器的能源消耗。

对于一个恒定比特率的场景，较小的IP数据包经路由器传输，它们消耗的能量越多。

因此，新的IP数据包转发计划可以设计具有高能效的，在通过路由器转发IP数据包时可以优化其大小节约能源，但是，在分组交换时延和高效节能的IP数据包转发之间存在一个权衡。

另一种高效节能的IP数据包转发方法是管道转发[67]。

它是一个“基于时间的”IP分组交换计划（也称为时间驱动开关），并且利用延伸到边缘网络的ＩＰ分组交换方式扩大高效节能的时间。

基于管道转发，包括两个独立的、紧密集成的并行子网的网络架构[56]已被提出，这两个子网就是当前的互联网和部署（图五）管道转发IP数据包的“超级公路”，除了带有典型的流量，如邮件，

图五　相同光纤基础设施中的并行网络

低优先级的Web浏览，文件传输，异步IP路由器是用来在管道转发的并行网络中传输