三種網(wǎng)絡(luò)硬件架構(gòu)的原理及優(yōu)劣勢剖析

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，對構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提出了更高要求，例如容量、性能、擴(kuò)展性以及QoS等諸多關(guān)鍵特性，而這往往是由其所采用的硬件架構(gòu)決定的。以框式核心交換機(jī)為例，先后出現(xiàn)了多種硬件架構(gòu)，而現(xiàn)在最為常用的有三種：Full-Mesh交換架構(gòu)、Crossbar矩陣交換架構(gòu)和基于Cell的CLOS交換架構(gòu)。本文將通過對這三種硬件架構(gòu)、報文轉(zhuǎn)發(fā)流程等原理的分析，全面剖析三種架構(gòu)的優(yōu)劣勢。

名詞解釋

Full-Mesh架構(gòu)說明

圖1：Full-Mesh架構(gòu)圖

如圖1所示，所有業(yè)務(wù)線卡通過背板走線連接到其它線卡，因為Full-Mesh不需要外部的交換芯片，而是任意兩個節(jié)點間都有直接連接，故得名全連接。

由于各線卡需要Full-Mesh互聯(lián)，一個節(jié)點數(shù)為N的Full-Mesh，連接總數(shù)為【N×（N-1）】÷2，所以隨著節(jié)點數(shù)量增加連接總數(shù)也急劇上升，因而可擴(kuò)展性較差，僅適用于槽位數(shù)量較少的核心設(shè)備。

報文轉(zhuǎn)發(fā)流程

1.報文從線卡進(jìn)入，跨卡報文送到與目的線卡連接的背板通路；

2.報文到達(dá)目的線卡。

Crossbar架構(gòu)說明

圖2:Crossbar架構(gòu)圖

如圖2所示，業(yè)務(wù)線卡通過背板走線連接到Crossbar芯片上，Crossbar芯片集成在主控引擎上。

圖3:Crossbar芯片架構(gòu)

Crossbar芯片架構(gòu)如圖3所示，每一條輸入鏈路和輸出鏈路都有一個CrossPoint，在CrossPoint處有一個半導(dǎo)體開關(guān)連接輸入線路和輸出線路，當(dāng)來自某個端口的輸入線路需要交換到另一個端口的輸出點時，在CPU或交換矩陣的控制下，將交叉點的開關(guān)連接，數(shù)據(jù)就被發(fā)到另一個接口。

簡單地說，Crossbar 架構(gòu)是一種兩級架構(gòu)，它是一個開關(guān)矩陣，每一個CrossPoint都是一個開關(guān)，交換機(jī)通過控制開關(guān)來完成輸入到特定輸出的轉(zhuǎn)發(fā)。如果交換具有N個輸入和N個輸出，那么該Crossbar Switch就是一個帶有N*（N-1）≈N？個CrossPoint點的矩陣，可見，隨著端口數(shù)量的增加，交叉點開關(guān)的數(shù)量呈幾何級數(shù)增長。對于Crossbar芯片的電路集成水平、矩陣控制開關(guān)的制造難度、制造成本都會呈幾何級數(shù)增長。所以，采用一塊Crossbar交換背板的交換機(jī)，所能連接的端口數(shù)量也是有限的。

報文轉(zhuǎn)發(fā)流程

無緩存Crossbar

每個交叉點沒有緩存，業(yè)務(wù)調(diào)度采用集中調(diào)度的方式，對輸入輸出進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，報文轉(zhuǎn)發(fā)流程如下：

1.報文從線卡進(jìn)入，線卡先向Arbiter請求發(fā)送；

2.Arbiter根據(jù)輸出端口隊列擁塞情況，決定是否允許線卡發(fā)送報文到輸出端口；

3.報文通過Crossbar轉(zhuǎn)發(fā)到目的線卡輸出端口。

由于是集中調(diào)度，所以仲裁器的調(diào)度算法復(fù)雜度很高，擴(kuò)展性較差，系統(tǒng)容量大時仲裁器容易形成瓶頸，難以做到精確調(diào)度。

緩存式Crossbar

最早的緩存式Crossbar只有交叉節(jié)點帶緩存，而輸入端是無緩存的，被稱為”bus matrix”，后來，CICQ的概念被引入，即在輸入端用大的Input Buffer，在中間節(jié)點用小的CrossPoint Buffer。

這種結(jié)構(gòu)采用分布式調(diào)度的方式進(jìn)行業(yè)務(wù)調(diào)度，即輸入和輸出端都有各自的調(diào)度器，報文轉(zhuǎn)發(fā)流程如下：

1.報文從線卡進(jìn)入，輸入端口通過特定的調(diào)度算法（如RR算法）獨(dú)立地選擇有效的VOQ；

2.將VOQ隊列頭部分組發(fā)送到相應(yīng)的交叉點緩存；

3.輸出端口通過特定的算法在非空的交叉點緩存中選擇進(jìn)行服務(wù)。

由于輸入和輸出的調(diào)度策略相互獨(dú)立，所以很難保證交換系統(tǒng)在每個時隙整體上達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，并且調(diào)度算法復(fù)雜度和交換系統(tǒng)規(guī)模有關(guān)，限制了其擴(kuò)展性。

CLOS架構(gòu)說明

圖4:CLOS架構(gòu)圖

如圖4所示，每塊業(yè)務(wù)線卡和所有交換網(wǎng)板相連，交換芯片集成在交換網(wǎng)板上，實現(xiàn)了交換網(wǎng)板和主控引擎硬件分離。CLOS架構(gòu)是一種多級架構(gòu)，每個入口級開關(guān)和每個中間級開關(guān)之間只有一個連接，并且，每個中間級開關(guān)正好連接到每個出口級開關(guān)，這種架構(gòu)的優(yōu)點是可以通過多個小型Crossbar 開關(guān)來實現(xiàn)大量輸入和輸出端口之間的連接，CrossPoint數(shù)量級別低于Crossbar架構(gòu)的N的2次方，降低了芯片實現(xiàn)難度。

報文轉(zhuǎn)發(fā)流程

基于Cell的動態(tài)負(fù)載

1.入方向線卡將數(shù)據(jù)包切分為N個cell，其中：N=下一跳可用線路數(shù)量；

2.交換網(wǎng)板采用動態(tài)路由方式，即根據(jù)下一級各鏈路的實際可用交換能力，動態(tài)選路和負(fù)載均衡，通過多條路徑將分片發(fā)送到出方向線卡；

3.出方向線卡重組報文。

動態(tài)負(fù)載關(guān)鍵點在于能負(fù)載分擔(dān)地均衡利用所有可達(dá)路徑，由此實現(xiàn)了無阻塞交換。

CLOS架構(gòu)交換機(jī)的分類

非正交背板設(shè)計

圖5：非正交背板

如圖5所示，業(yè)務(wù)線卡與交換網(wǎng)板互相平行，板卡之間通過背板走線連接。

背板走線會帶來信號干擾，背板設(shè)計也限制了帶寬的升級，同時，背板上PCB的走線要求很高，從背板開孔就成了奢望，這直接導(dǎo)致純前后的直通風(fēng)道設(shè)計瓶頸一直無法突破。

正交背板設(shè)計

圖6：正交背板

如圖6所示，交換機(jī)線卡與交換網(wǎng)板分別與背板對接。

同非正交背板設(shè)計一樣，背板帶寬限制了帶寬的升級，同時也增加了散熱的難度。

正交零背板設(shè)計

圖7：正交零背板

如圖7所示，業(yè)務(wù)線卡與交換網(wǎng)板互相垂直，背板走線為零，甚至無中板。

正交設(shè)計能減少背板走線帶來的高速信號衰減，提高了硬件的可靠性，無背板設(shè)計能夠解除背板對容量提升的限制，當(dāng)需要更大帶寬的時候，只需要更換相應(yīng)板卡即可，大大縮短業(yè)務(wù)升級周期，并且因為沒有了背板的限制，交換機(jī)直通風(fēng)道散熱問題迎刃而解，完美匹配數(shù)據(jù)中心機(jī)房空氣流的走向，形成了貫穿前后板卡的高速、通暢的氣流。

總結(jié)

下表將對以上三種架構(gòu)做出總結(jié)：

對于高端機(jī)架式交換機(jī)，以Crossbar交換架構(gòu)和CLOS交換架構(gòu)為主。其中CLOS交換架構(gòu)是當(dāng)前大容量數(shù)據(jù)中心核心交換機(jī)的理想架構(gòu)。銳捷網(wǎng)絡(luò)RG-N18000-X系列交換機(jī)基于無阻塞的CLOS架構(gòu)，并且首次采用“零背板”技術(shù)，在提供高效、穩(wěn)定交換服務(wù)的同時，可實現(xiàn)未來10年網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)平滑升級。

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