Switching Principles（交换原理）
交换是通信网的核心机制：在源和目的终端之间建立通信信道、传送信息。当多终端需要互连时，全互连需要 N(N-1)/2 线对 + 每终端多路选择开关 → 引入交换节点降低复杂度。
通信网三要素：终端设备、交换设备、传输设备。
交换方式演进
从电路到虫孔，本质是用更多中间状态换更短延迟：
| 交换方式 | 状态位置 | 延迟特征 | 典型场景 |
|---|---|---|---|
| 电路交换 | 端点（专用通路） | 传输期确定、无争用 | 电话网、NVLink 虚电路 |
| 报文交换 | 每跳整包缓冲 | 跳数 × 整包传输时间 | 早期 MIN |
| 分组交换 | 每跳固定大小包 | 平衡利用率与延迟 | IP/Ethernet |
| 虫孔交换 | head flit 路径上流水 | 跳数 × 单 flit 时间 + 填充 | NoC、Cerebras WSE |
电路交换（Circuit Switching）
最早、最普遍的交换方式（电话网，100+ 年历史）。
三阶段：连接建立 → 信息传送 → 连接拆除
| 特性 | |
|---|---|
| 连接方式 | 面向连接（物理连接） |
| 复用 | 同步 TDM（固定带宽） |
| 差错控制 | 无 |
| 信息处理 | 透明传输（不作处理） |
| 流量控制 | 呼叫损失制（拒绝超额请求） |
电路交换下 N 跳通路独占沿途全部物理链路——对 WSE 级高并发短消息流量不可行（见 Cerebras WSE）。
报文交换（Message Switching）
整报文存储-转发：必须完整到达下一节点才转发。简单、容错好，但大报文阻塞链路、延迟高。
分组交换（Packet Switching）
存储-转发机制，以分组为单位交换。源自报文交换，但分组更小所以更快。
| 特性 | |
|---|---|
| 连接方式 | 面向连接（逻辑）或无连接 |
| 复用 | 统计 TDM（动态带宽） |
| 差错控制 | 有 |
| 信息处理 | 处理首部、路由 |
| 流量控制 | 呼叫延迟制（排队等待） |
两种模式：
| 虚电路 (VC) | 数据报 (DG) | |
|---|---|---|
| 连接 | 面向连接（逻辑） | 无连接 |
| 分组头 | 简单（逻辑信道号） | 复杂（完整选路信息） |
| 选路 | 基于虚连接表（建立时一次性） | 每分组独立选路 |
| 顺序 | 保序 | 可能失序 |
| 故障敏感性 | 敏感（连接中断需重建） | 不敏感（自动重路由） |
| 适用 | 连续数据流 | 询问/响应型 |
虫孔交换（Wormhole Switching）
包拆成 flit：head flit 选路并流水前进，body flit 跟随。延迟 ≈ 跳数 × 单 flit 传输 + 流水线填充，缓冲需求远小于报文交换。
| 优势 | 劣势 |
|---|---|
| 极低延迟、小 buffer | 头阻塞（HoL blocking）锁住物理通道 |
| 适合短突发消息 | 需 VC 避免路由死锁 |
WSE 选用虫孔变体：LLM 推理的 activation/gradient 为短突发、高并发流量；电路交换建路开销远大于数据本身。详见 NoC Router 微架构。
历史里程碑
| 年份 | 里程碑 | 意义 |
|---|---|---|
| 1960s | Clos Network | 严格无阻塞三级结构 → Switching Networks |
| 1987 | Wormhole Routing (Dally & Seitz) | 极低延迟 NoC 基础 |
| 2001 | ”Route Packets, Not Wires” (Dally) | NoC 概念正式提出 |
| 2019+ | Cerebras WSE-2/WSE-3 | 90 万 PE 晶圆级虫孔 Mesh |
时代脉络：电话网（电路/TDM）→ ARPANET（分组）→ HPC MIN/Mesh → SAN/LAN → SoC/NoC → 晶圆级/CXL。每层对应新物理介质与新优化目标，见 Interconnection Network Protocol Stack。
三对基本概念
1. 面向连接 vs 无连接
- 面向连接：先建连接 → 传信息 → 释放连接。又分物理连接（独占通路）和逻辑连接（虚电路）
- 无连接：边选路边传递，每个分组独立路由
2. 同步时分复用 vs 统计时分复用
- 同步 TDM（位置化信道）：按时间轴位置区分信道，无信息时也占位，子信道速率恒定
- 统计 TDM（标志化信道）：用标志码标识信道，与时间位置无关，统计复用提高利用率
3. 固定带宽 vs 动态带宽
- 固定分配：每信道带宽恒定
- 动态分配：按需分配（类似潮汐车道）
交换系统基本结构
┌─────────────────────────────────────┐
│ 控制系统 │
│ 控制结构、多处理机架构 │
├─────────┬──────────┬────────────────┤
│ 接口技术 │ 交换网络 │ 信令技术 │
│ 用户/中继│ 互联拓扑 │ 用户/局间信令 │
│ 模拟/数字│ 选路策略 │ │
│ │ 阻塞特性 │ │
│ │ 多播/故障 │ │
└─────────┴──────────┴────────────────┘
与 AI 基础设施的关联
- Deterministic Execution：电路交换的确定性通路思想与 LPU 确定性执行一脉相承
- Scale-up fabric：NVLink/C2C 网络本质上是高速电路交换/虚电路（固定路径、低 jitter）
- Scale-out fabric：Ethernet/IP 网络是数据报模式（无连接、逐跳路由）
- TDM 概念：同步 TDM 对应固定时隙调度，统计 TDM 对应 packet switching → 理解 Nvidia Groq 3 Lpx 中 C2C 确定性互联 vs Spectrum-X Ethernet 的设计选择
- 虚电路 vs 数据报：AFD 中 token routing 的 dispatch/combine 操作需要在确定性路径（虚电路式）和灵活路由（数据报式）之间权衡
相关页面
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Deterministic Execution — 确定性执行（与电路交换思想对应）
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Nvidia Groq 3 Lpx — LPX C2C 网络（确定性互联）
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Disaggregated Inference — AFD token routing
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Interconnection Network Design Space — 四层设计空间
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Interconnection Network Protocol Stack — 协议栈与 NI 边界
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Deadlock-Free Routing CDG and Dally Theorem — 虫孔易死锁与 CDG（Day 13）
Citations
[1] 浅谈交换原理（1）——概述.md [2] interconn-study-21d-day-02.md — Dally & Towles Ch.2 学习笔记 [3] interconn-study-21d-day-13.md — 虫孔死锁与 CDG（Day 13）