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交换机——交换架构_monologuezjp_交换机架构

发布时间:2022-10-24 17:06:15 iOS 0次 标签:网络 交换机
交换机的交换架构是框式交换机才有的概念,它最主要的作用是任意输入端可以交换为任意输出端。交换结构的最基本组成为:输入端口、输出端口和连接输入输出端口的交换网络。业界主要的三种交换架构......

??????? 交换机的交换架构是框式交换机才有的概念,它最主要的作用是任意输入端可以交换为任意输出端。交换架构的最基本组成为:输入端口、输出端口和连接输入输出端口的交换网络。

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业界主要的三种交换架构如下图所示:

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为什么会出现架构的变化?交换架构本质的出现就是为了解决多个端口之间转发效率的问题。随着数据量的增大,客户对交换机接口数量的要求增多,框式交换机灵活的端口扩展,这些情况导致在硬件上,传统的架构很难部署,在转发效率上,也容易出现转发瓶颈。

一、MESH架构

??????? MESH架构又叫全连接架构。实际上就是将交换机的每一个端口(线卡),都通过背板走线的方式连接在一起, 每两个端口之间都有一条线直接连接,所有的数据都是直接从输入端转发到输出端。

????????线卡和线卡之间通过背板直接相连。每两两线卡之间都通过背板走线相连。典型为两级交换架构,即 LC<--->LC。

????????架构图如下图所示:

数据报文转发流程:

1、报文从线卡1进入,跨卡报文送到与目的线卡连接的背板通路;

2、线卡1发送到背板的报文通过Hash等算法实现流量的均衡;

3、报文到达目的线卡发出。

?整个架构优势如下:

专用高速通道,数据可以无阻塞交换转发时延小,线卡之间直接转发数据绿色节能,没有交换芯片,降低整个机身的功耗

架构缺点:

对背板走线要求高由于需要全端口互联,所以仅适合底槽位的设备,原因如下:

????????1、全互联,扩展性差
????????2、槽位数越多,需要连的线越多
????????3、槽位越多,需要的走线越长,走线越长信号越差,影响通讯的质量

转发速率受限于背板带宽,因为没有转发芯片,所以转发效率不是很高。

业界典范:

思科N7004

华为S7703/S9303/S9703

锐捷N18007、S8605E、S8607E、S7505C

二、Crossbar架构

Crossbar介绍

????????为了解决MESH架构无法灵活扩展,转发效率不高等问题,设计除了Crossbar架构。在该架构中,将交换业务交给交换网板或者集成了交换芯片的引擎来完成。

????????线卡之间需要经过交换网板才能转发出去。

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Crossbar架构特征:

??????? 包含一到多个并行工作的Crossbar芯片,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。业务调度和均衡通常采用集中仲裁或者Hash方式
多级交换,典型为三级:LC<--crossbar-->LC。

Crossbar交换芯片架构:

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?????????如图所示,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 架构是一种三级架构,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)≈N2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。

优点:
????????CrossBar内部无阻塞(相对的)。一个CrossBar,只要同时闭合多个交叉节点(crosspoint),多个不同的端口就可以同时传输数据。从这个意义上,我们认为所有的CrossBar在内部是无阻塞的,因为它可以支持所有端口同时线速交换数据

劣势:
????????线卡间虽有多路径,但无法实现严格的负载均衡和无阻塞。且受限于Crossbar芯片,在满插槽位的情况下,也可能无法支持无阻塞。引擎和交换芯片集成在一起,一旦引擎挂了,就不能转发数据了。

????????Crossbar在实现上又具体分为两种架构,一种是无缓存的Crossbar架构,一种是有缓存的Crossbar架构,主要区别就是在每个Crosspoint处是否有缓存,当然随着技术的发展,有缓存的Crossbar架构也逐渐在输入端加了缓存。

无缓存的Crossbar架构

????????所谓的无缓存的Crossbar架构,就是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,线卡先向仲裁器请求发送;

2. 仲裁器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;

????????每个输入口会定期去检查自己链路是否拥塞,反馈给仲裁器。

????????业务调度通常采用集中仲裁器,连到所有的输入输出FA芯片和Crossbar芯片;出口FA定时或实时地向仲裁器报告出口拥塞情况

3. 报文通过Crossbar转发到目的线卡输出端口。

??????? 但由于是集中调度,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架构

????????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(联合输入交叉点排队 )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(虚拟输出队列);

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。

????????基于CICQ的Crossbar同时满足了较大容量交换和较好的业务调度的需求,是一种比较完善的交换架构,交换容量可以从几百G到几T,通常支持10G接口但无法支持40G和100G接口。由于交换容量不是很大,交换网通常集成在主控板上,采用1+1主备或负荷分担工作方式。

??????? 这种交换网版集成在主控板上的方式,好处是减少了槽位的占用,但是缺点比较多,比如:一旦主控板挂了,交换芯片也就挂了,无法继续进行转发;芯片在管理板上,与线卡互联,因为线的速率是有限的,且不能扩展交换网版,所以交换性能是有限的。

??????? 至于为什么Crossbar架构无法支持40G以上接口的流量呢?个人觉得有以下几个原因:

初步觉的不支持40G以上的接口是受交换容量的限制。交换芯片毕竟是集成在引擎上的,每块芯片的容量有上线,最多只能有两块交换芯片的前提下,交换容量的上限无法满足40G端口的需求。查阅资料说crossbar的数据转发静态IP转发,也就是说同一条IP的数据会走同一条路径,可能出现源自同一IP的大流量数据,被转发到同一条路径中,造成阻塞,而此时其他路径却是空闲的。比如当使用40G以上端口进行视频业务转发时,路径压力会变大,导致造成阻塞。由于是通过仲裁器集中调度,所以系统流量大时,调度算法的设计会很复杂,不好设计。

业界典范:

思科N7K系列(7004除外)

华为S7700/S9300/S9700系列(3槽\10槽除外)

H3C S75E、S10506/S10510、S7506E-X/S7510E-X【不配独立FE情况下就是Crossbar架构】

锐捷 S12000、S8600、S7808C

MESH与Crossbar架构区别:

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?三、CLOS架构

????????近二十年来包交换网络的高速发展,10G接口已经逐渐无法满足要求,40G口甚至100G口的交换机开始出现在市场,迫切需要超大容量和具备优异可扩展性的交换架构,CLOS这个古老而新颖的技术再一次焕发出旺盛的生命力。

??????? CLOS交换架构是一个多级架构;在每一级,每个交换单元都和下一级的所有交换单元相连接。一个典型的CLOS交换三级架构由(k,n)两个参数定义,如下图所示,参数k是中间级交换单元的数量,n表示的是第一级(第三级)交换单元的数量。第一级和第三级由n个k×k的交换单元组成,中间级由k个n×n的交换单元组成。整个构成了k×n的交换网络,即该网络有k×n个输入和输出端口。

????????对于需要更高容量的交换网,中间级也可以是一个3级的CLOS网络(即CLOS网络可以递归构建),比如4个第一(三)级n×n芯片加上2个n×n的第二级芯片可构成一个2n×2n的交换网。由于CLOS网络的递归特性,它理论上具有无与伦比的可扩展性,支持交换机端口数量、端口速率、系统容量的平滑扩展。

????????CLOS交换架构可以做到严格的无阻塞(Non-blocking)、可重构(Re-arrangeable)、可扩展(Scalable)。

(下图是个人对上图理解后画的个人理解图。 )

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CLOS架构特征:包含多块独立的交换网板(简称 FE),每块网板上包含1个或多个FE交换芯片。

??????? CLOS架构中,我们又分为广义CLOS架构和狭义CLOS架构。但一般来说,我们所说的CLOS架构都是指的狭义CLOS架构。

3.1 广义CLOS架构

????????广义CLOS架构类似于Crossbar架构,只不过是将交换举证与管理引擎分离了,交换矩阵可以有多块,具备多级交换架构

??????? 在几何拓扑上将多个Crossbar连成与上文描述的CLOS架构相类似的形式,并采用静态路由方式,即业务流进入交换网前,根据源端口指定基于Hash算法选择一条路径。所以,属于同一条流的所有报文将选择同一条路径进入交换网。显然,当系统中业务流较为单一时,被Hash算法选中的路径容易形成阻塞,而其它路径则较为空闲。类似道理,业务流从第二级交换到第三级时,也容易形成阻塞。这种架构不是严格意义上的无阻塞CLOS交换架构,其交换性能与基于CIOQ的Crossbar相当。

3.2 狭义CLOS架构

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转发方式(基于动态路由的转发方式)

因为这个转发方式需要将数据包切成cell进行转发,所以也叫做基于Cell的动态负载。
1. 第一级线卡,每个业务流可通过Round-robin或随机方式均匀发送到k条连到第二级的路径上

2.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;

3. 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;

4. 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。

????????动态路由关键点在于能负荷分担地均衡利用所有可达路径。对于第一级,每个业务流可通过Round-robin或随机方式均匀发送到k条连到第二级的路径上(通常基于信元的发送);到达第二级的业务流将基于信元自路由技术(Cell-based Self-routing),根据交换网路由选择相应路径交换到第三级目的端口。第三级收到所有来自第二级的信元时,把信元重组成报文,并保证报文顺序正确。动态路由方式由此实现了严格的无阻塞交换,并有利于减小加速比从而提高有效端口容量。

????????动态路由方式有一个突出优点,即平滑支持更高速率的网络端口,比如40GE/100GE。这是因为它可以充分利用所有可用路径形成一个大的数据流通道,比如24条3.125Gbps通道可以支持100GE数据流。相反,静态路由方式则受限于单条路径的带宽,比如基于XAUI接口的Crossbar交换,网络端口速率最高只能达到10Gbps,无法支持40GE和100GE。

????????基于动态路由的CLOS架构,再结合合适的业务调度机制,就可以支持完善的QoS。采用CLOS交换架构的典型设备有:锐捷N18000统一交换架构核心交换机,Juniper T1600核心路由器。在2009年2月初,Juniper刚刚发布了TX-Matrix Plus,通过多框互联技术支持把16台T1600构建成一个25Tbps的无阻塞交换系统,显示了CLOS架构卓越的可扩展性。2004年,Cisco发布了其路由器旗舰产品CRS-1,采用了三级动态自路由的Benes交换架构,支持72个机架的互联,达到46T/92T的系统容量。Benes交换实质上是CLOS交换架构的一个特例。

????????由于CLOS交换系统容量很大,物理实现上,通常采用N+1个独立的交换网槽位,与主控板控制平面彻底分离,一方面提高了系统容量可扩展性,另一方面极大程度上提高了转发平面的可靠性,避免了控制平面出现故障或进行倒换时对转发平面的影响。

CLOS与Crossbar的对比:

?业界典范:

华为CE12800系列

H3C S12500-X、S12500-X-AF系列

锐捷 N18000+C类交换网板、N18000-X系列

四、交换机网板设计

交换网板主要有三种设计,分别是非正交背板,正交背板,正交零背板

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 图一?????????????????????????????????????? 图二??????????????????????????????????????????? 图三

??????? 如图1所示,非正交背板结构,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。因为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。所以背板带宽限制了带宽的升级,同时也增加了散热的难度。

?????? 我们发现正交结构能够很好的减少背板走线,降低了信号衰减。因此将非正交背板改成了正交背板。 但是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。因此我们就考虑,是不是可以不要背板呢?正交零背板的方式因此出现。

????????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,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。由于正交结构的优势,我们逐步转变为了正交背板结构。

五、总结——架构对比一览

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