機框式核心交換機硬件架構演進

【框式交換機】以框式核心交換機為例，先后出現了多種硬件架構，本文將通過對三種硬件架構、報文轉發流程等原理的分析，全面剖析三種架構的優劣勢。

發布時間：2018-12-13
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隨著互聯網業務的高速發展，對構建互聯網基礎架構的網絡設備提出了更高要求，例如容量、性能、擴展性以及QoS等諸多關鍵特性，而這往往是由其所采用的硬件架構決定的。以框式核心交換機為例，先后出現了多種硬件架構，而現在最為常用的有三種：Full-Mesh交換架構、Crossbar矩陣交換架構和基于Cell的CLOS交換架構。本文將通過對這三種硬件架構、報文轉發流程等原理的分析，全面剖析三種架構的優劣勢。

名詞解釋

Full-Mesh

架構說明

▲圖1：Full-Mesh架構圖

如圖1所示，所有業務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，一個節點數為N的Full-Mesh，連接總數為[N×(N-1)]÷2，所以隨著節點數量增加連接總數也急劇上升，因而可擴展性較差，僅適用于槽位數量較少的核心設備。

報文轉發流程

1、報文從線卡進入，跨卡報文送到與目的線卡連接的背板通路；

2、報文到達目的線卡。

Crossbar

架構說明

▲圖2:Crossbar架構圖

如圖2所示，業務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

Crossbar芯片架構如圖3所示，每一條輸入鏈路和輸出鏈路都有一個CrossPoint，在CrossPoint處有一個半導體開關連接輸入線路和輸出線路，當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，將交叉點的開關連接，數據就被發到另一個接口。

簡單地說，Crossbar 架構是一種兩級架構，它是一個開關矩陣，每一個CrossPoint都是一個開關，交換機通過控制開關來完成輸入到特定輸出的轉發。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)≈N²個CrossPoint點的矩陣，可見，隨著端口數量的增加，交叉點開關的數量呈幾何級數增長。對于Crossbar芯片的電路集成水平、矩陣控制開關的制造難度、制造成本都會呈幾何級數增長。所以，采用一塊Crossbar交換背板的交換機，所能連接的端口數量也是有限的。

報文轉發流程

• 無緩存Crossbar

每個交叉點沒有緩存，業務調度采用集中調度的方式，對輸入輸出進行統一調度，報文轉發流程如下：

1、報文從線卡進入，線卡先向Arbiter請求發送；

2、Arbiter根據輸出端口隊列擁塞情況，決定是否允許線卡發送報文到輸出端口；

3、報文通過Crossbar轉發到目的線卡輸出端口。

由于是集中調度，所以仲裁器的調度算法復雜度很高，擴展性較差，系統容量大時仲裁器容易形成瓶頸，難以做到精確調度。

• 緩存式Crossbar

最早的緩存式Crossbar只有交叉節點帶緩存，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，在中間節點用小的CrossPoint Buffer。

這種結構采用分布式調度的方式進行業務調度，即輸入和輸出端都有各自的調度器，報文轉發流程如下：

1、報文從線卡進入，輸入端口通過特定的調度算法（如RR算法）獨立地選擇有效的VOQ；

2、將VOQ隊列頭部分組發送到相應的交叉點緩存；

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行服務。

由于輸入和輸出的調度策略相互獨立，所以很難確保交換系統在每個時隙整體上達到理想匹配狀態，并且調度算法復雜度和交換系統規模有關，限制了其擴展性。

CLOS

架構說明

▲圖4:CLOS架構圖

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

報文轉發流程

• 基于Cell的動態負載

1、入方向線卡將數據包切分為N個cell，其中：N=下一跳可用線路數量；

2、交換網板采用動態路由方式，即根據下一級各鏈路的實際可用交換能力，動態選路和負載均衡，通過多條路徑將分片發送到出方向線卡；

3、出方向線卡重組報文。

動態負載關鍵點在于能負載分擔地均衡利用所有可達路徑，由此實現了無阻塞交換。

CLOS架構交換機的分類

• 非正交背板設計