網(wǎng)絡(luò)核心交換機技術(shù)架構(gòu)的演進

前言

應(yīng)用永遠是技術(shù)發(fā)展的原動力。在目前日益復(fù)雜的業(yè)務(wù)應(yīng)用面前，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的技術(shù)架構(gòu)成為一個設(shè)備適用范圍的關(guān)鍵因素，不同的應(yīng)用環(huán)境需要不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。比如NGN的應(yīng)用需要基于SoftSwitch技術(shù)架構(gòu)的設(shè)備;比如縱向網(wǎng)就需要關(guān)注路由器;園區(qū)網(wǎng)重點則是交換機等等，這都說明一種技術(shù)架構(gòu)的出現(xiàn)必然是為解決某種應(yīng)用而服務(wù)的。

那么在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)大融合的趨勢下，核心交換機需要一種什么樣的架構(gòu)呢?

交換架構(gòu)的演進

隨著Internet用戶的增加和帶寬的擴大，交換機的結(jié)構(gòu)也在不斷的發(fā)展，從推出的時間看，交換架構(gòu)主要經(jīng)歷了總線型和CrossBar兩個階段。但由于以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日進千里，因此這兩種架構(gòu)的交換機目前都活躍在市場上。

1、總線型交換架構(gòu)

基于總線結(jié)構(gòu)的交換機一般分為共享總線和共享內(nèi)存型總線兩大類。

最開始的以太網(wǎng)交換就是構(gòu)建在共享總線的基礎(chǔ)之上的。共享總線結(jié)構(gòu)所能提供的交換容量有限，一方面是因為共享總線不可避免內(nèi)部沖突;另一方面共享總線的負載效應(yīng)使得高速總線的設(shè)計難度相對比較大。隨著用戶對“獨享帶寬”的渴求，這種共享總線的結(jié)構(gòu)很快發(fā)展為共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)。

共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)的交換機使用大量的高速RAM來存儲輸入數(shù)據(jù)，同時依賴中心交換引擎來提供全端口的高性能連接，由核心引擎檢查每個輸入包以決定路由。這類交換機設(shè)計上比較容易實現(xiàn)，但在交換容量擴展到一定程度時內(nèi)存操作會產(chǎn)生延遲，另外在這種設(shè)計中由于總線互連的問題增加冗余交換引擎相對比較復(fù)雜，所以這種交換機如果提供雙引擎的話要做到非常穩(wěn)定相對比較困難。所以我們可以看到早期在市場上推出的核心交換機往往都是單引擎，尤其是隨著交換機端口的增加,由于需要內(nèi)存容量更大,速度也更快,中央內(nèi)存的價格變得很高。交換引擎會成為性能實現(xiàn)的瓶頸。

2、CrossBar+共享內(nèi)存架構(gòu)

隨著核心交換機的交換容量從幾十個Gbps發(fā)展到今天的幾百個Gbps，一種稱之為CrossBar的交換模式逐漸成為核心交換機的首選。

CrossBar(即CrossPoint)被稱為交叉開關(guān)矩陣或縱橫式交換矩陣。它能很好的彌補共享內(nèi)存模式的一些不足。

首先，CrossBar實現(xiàn)相對簡單。共享交換架構(gòu)中的線路卡到交換結(jié)構(gòu)的物理連接簡化為點到點連接，實現(xiàn)起來更加方便，從而更加容易保證大容量交換機的穩(wěn)定性;

其次，CrossBar內(nèi)部無阻塞。一個CrossBar只要同時閉合多個交叉節(jié)點(crosspoint)，多個不同的端口就可以同時傳輸數(shù)據(jù)。從這個意義上，我們認為所有的CrossBar在內(nèi)部是無阻塞的，因為它可以支持所有端口同時線速交換數(shù)據(jù)。

另外，由于其簡單的實現(xiàn)原理和無阻塞的交換結(jié)構(gòu)使其可以運行在非常高的速率上。半導(dǎo)體廠商目前已經(jīng)可以用傳統(tǒng)CMOS技術(shù)制造出10Gbit/s以上速率的點對點串行收發(fā)芯片。

基本上2000年以后出現(xiàn)的核心交換機基本上都選擇了CrossBar結(jié)構(gòu)的ASIC芯片作為核心，但由于Crossbar芯片的成本等諸多因素，這時的核心交換設(shè)備幾乎都選擇了共享內(nèi)存方式來設(shè)計業(yè)務(wù)板，從而降低整機的成本因此，“CrossBar+共享內(nèi)存”成為比較普遍的核心交換架構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)下，依然會存在業(yè)務(wù)板總線和交換網(wǎng)板的Crossbar互連問題。由于業(yè)務(wù)板總線上的數(shù)據(jù)都是標準的以太網(wǎng)幀，而一般Crossbar都采用信元交換的模式來體現(xiàn)Crossbar的效率和性能。因此在業(yè)務(wù)板上采用的共享總線的結(jié)構(gòu)在一定程度上影響Crossbar的效率，整機性能完全受限于交換網(wǎng)板Crossbar的性能。

3、分布式CrossBar架構(gòu)

隨著核心交換機的交換容量發(fā)展到了幾百個Gbps、同時支持多個萬兆接口并規(guī)模應(yīng)用在城域網(wǎng)骨干和園區(qū)網(wǎng)核心的時候，分布式的Crossbar架構(gòu)很好的解決了在新的應(yīng)用環(huán)境下核心交換機所面臨的高性能和靈活性的挑戰(zhàn)。

也就是說，除了交換網(wǎng)板采用了Crossbar架構(gòu)之外，在每個業(yè)務(wù)板上也采用了Crossbar+交換芯片的架構(gòu)。在業(yè)務(wù)板上加交換芯片可以很好地解決了本地交換的問題，而在業(yè)務(wù)板交換芯片和交換網(wǎng)板之間的Crossbar芯片解決了把業(yè)務(wù)板的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信元化從而提高了交換效率，并且使得業(yè)務(wù)板的數(shù)據(jù)類型和交換網(wǎng)板的信元成為兩個平面，也就是說可以有非常豐富的業(yè)務(wù)板，比如可以把防火墻、IDS系統(tǒng)、路由器、內(nèi)容交換、IPv6等等類型的業(yè)務(wù)整合到核心交換平臺上，從而大大提高了核心交換機的業(yè)務(wù)擴充能力。同時這個Crossbar有相應(yīng)的高速接口分別連接到兩個主控板或者交換網(wǎng)板，從而大大提高了雙主控主備切換的速度。

分布式Crossbar設(shè)計中，CPU也采用了分布式設(shè)計。設(shè)備主控板上的主CPU負責(zé)整機控制調(diào)度、路由表學(xué)習(xí)和下發(fā);業(yè)務(wù)板從CPU主要負責(zé)本地查表、業(yè)務(wù)板狀態(tài)維護工作。這就實現(xiàn)了分布式路由計算和分布式路由表查詢，大大緩解主控板的壓力，提高了交換機轉(zhuǎn)發(fā)效率，這也是業(yè)務(wù)板本地轉(zhuǎn)發(fā)能夠提高效率的重要原因。這種分布式Crossbar、分布式交換的設(shè)計理念是核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計的發(fā)展方向，保證了現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)核心能支撐未來海量的數(shù)據(jù)交換和靈活的多業(yè)務(wù)支持的需求。

交換機架構(gòu)已經(jīng)完成了從“共享總線”到“CrossBar+共享內(nèi)存”再到“全分布式CrossBar”的演進過程，在未來的日子里必將繼續(xù)發(fā)展，港灣網(wǎng)絡(luò)作為業(yè)界最主流的交換機供應(yīng)商之一肯定會關(guān)注最新技術(shù)動態(tài)，引領(lǐng)交換技術(shù)的潮流，為用戶提供更完美的交換設(shè)備。