三种网络硬件架构的原理及优劣势剖析

随着互联网业务的高速发展，对构建互联网基础架构的网络设备提出了更高要求，例如容量、性能、扩展性以及QoS等诸多关键特性，而这往往是由其所采用的硬件架构决定的。以框式核心交换机为例，先后出现了多种硬件架构，而现在最为常用的有三种：Full-Mesh交换架构、Crossbar矩阵交换架构和基于Cell的CLOS交换架构。本文将通过对这三种硬件架构、报文转发流程等原理的分析，全面剖析三种架构的优劣势。

名词解释

Full-Mesh架构说明

 

图1：Full-Mesh架构图

如图1所示，所有业务线卡通过背板走线连接到其它线卡，因为Full-Mesh不需要外部的交换芯片，而是任意两个节点间都有直接连接，故得名全连接。

由于各线卡需要Full-Mesh互联，一个节点数为N的Full-Mesh，连接总数为【N×（N-1）】÷2，所以随着节点数量增加连接总数也急剧上升，因而可扩展性较差，仅适用于槽位数量较少的核心设备。

报文转发流程

1.报文从线卡进入，跨卡报文送到与目的线卡连接的背板通路；

2.报文到达目的线卡。

Crossbar架构说明

 

图2:Crossbar架构图

如图2所示，业务线卡通过背板走线连接到Crossbar芯片上，Crossbar芯片集成在主控引擎上。

图3:Crossbar芯片架构

Crossbar芯片架构如图3所示，每一条输入链路和输出链路都有一个CrossPoint，在CrossPoint处有一个半导体开关连接输入线路和输出线路，当来自某个端口的输入线路需要交换到另一个端口的输出点时，在CPU或交换矩阵的控制下，将交叉点的开关连接，数据就被发到另一个接口。

简单地说，Crossbar 架构是一种两级架构，它是一个开关矩阵，每一个CrossPoint都是一个开关，交换机通过控制开关来完成输入到特定输出的转发。如果交换具有N个输入和N个输出，那么该Crossbar Switch就是一个带有N*（N-1）≈N？个CrossPoint点的矩阵，可见，随着端口数量的增加，交叉点开关的数量呈几何级数增长。对于Crossbar芯片的电路集成水平、矩阵控制开关的制造难度、制造成本都会呈几何级数增长。所以，采用一块Crossbar交换背板的交换机，所能连接的端口数量也是有限的。

报文转发流程

无缓存Crossbar

每个交叉点没有缓存，业务调度采用集中调度的方式，对输入输出进行统一调度，报文转发流程如下：

1.报文从线卡进入，线卡先向Arbiter请求发送；

2.Arbiter根据输出端口队列拥塞情况，决定是否允许线卡发送报文到输出端口；

3.报文通过Crossbar转发到目的线卡输出端口。

由于是集中调度，所以仲裁器的调度算法复杂度很高，扩展性较差，系统容量大时仲裁器容易形成瓶颈，难以做到精确调度。

缓存式Crossbar

最早的缓存式Crossbar只有交叉节点带缓存，而输入端是无缓存的，被称为”bus matrix”，后来，CICQ的概念被引入，即在输入端用大的Input Buffer，在中间节点用小的CrossPoint Buffer。

这种结构采用分布式调度的方式进行业务调度，即输入和输出端都有各自的调度器，报文转发流程如下：

1.报文从线卡进入，输入端口通过特定的调度算法（如RR算法）独立地选择有效的VOQ；

2.将VOQ队列头部分组发送到相应的交叉点缓存；

3.输出端口通过特定的算法在非空的交叉点缓存中选择进行服务。

由于输入和输出的调度策略相互独立，所以很难保证交换系统在每个时隙整体上达到最佳匹配状态，并且调度算法复杂度和交换系统规模有关，限制了其扩展性。

CLOS架构说明

 

图4:CLOS架构图

如图4所示，每块业务线卡和所有交换网板相连，交换芯片集成在交换网板上，实现了交换网板和主控引擎硬件分离。CLOS架构是一种多级架构，每个入口级开关和每个中间级开关之间只有一个连接，并且，每个中间级开关正好连接到每个出口级开关，这种架构的优点是可以通过多个小型Crossbar 开关来实现大量输入和输出端口之间的连接，CrossPoint数量级别低于Crossbar架构的N的2次方，降低了芯片实现难度。

报文转发流程

基于Cell的动态负载

1.入方向线卡将数据包切分为N个cell，其中：N=下一跳可用线路数量；

2.交换网板采用动态路由方式，即根据下一级各链路的实际可用交换能力，动态选路和负载均衡，通过多条路径将分片发送到出方向线卡；

3.出方向线卡重组报文。

动态负载关键点在于能负载分担地均衡利用所有可达路径，由此实现了无阻塞交换。

CLOS架构交换机的分类

非正交背板设计

 

图5：非正交背板

如图5所示，业务线卡与交换网板互相平行，板卡之间通过背板走线连接。

背板走线会带来信号干扰，背板设计也限制了带宽的升级，同时，背板上PCB的走线要求很高，从背板开孔就成了奢望，这直接导致纯前后的直通风道设计瓶颈一直无法突破。

正交背板设计

 

图6：正交背板

如图6所示，交换机线卡与交换网板分别与背板对接。

同非正交背板设计一样，背板带宽限制了带宽的升级，同时也增加了散热的难度。

正交零背板设计

 

图7：正交零背板

如图7所示，业务线卡与交换网板互相垂直，背板走线为零，甚至无中板。

正交设计能减少背板走线带来的高速信号衰减，提高了硬件的可靠性，无背板设计能够解除背板对容量提升的限制，当需要更大带宽的时候，只需要更换相应板卡即可，大大缩短业务升级周期，并且因为没有了背板的限制，交换机直通风道散热问题迎刃而解，完美匹配数据中心机房空气流的走向，形成了贯穿前后板卡的高速、通畅的气流。

总结

下表将对以上三种架构做出总结：

对于高端机架式交换机，以Crossbar交换架构和CLOS交换架构为主。其中CLOS交换架构是当前大容量数据中心核心交换机的理想架构。锐捷网络RG-N18000-X系列交换机基于无阻塞的CLOS架构，并且首次采用“零背板”技术，在提供高效、稳定交换服务的同时，可实现未来10年网络可持续平滑升级。

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