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网络核心交换机技术架构的演进

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应用永远是技术发展的原动力 。在目前日益复杂的业务应用面前 ， 网络设备的技术架构成为一个设备适用范围的要害因素 ， 不同的应用环境需要不同的网络设备 。比如NGN的应用需要基于SoftSwitch技术架构的设备；比如纵向网就需要关注路由器；园区网重点则是交换机等等 ， 这都说明一种技术架构的出现必然是为解决某种应用而服务的 。

那么在当前网络大融合的趋势下 ， 核心交换机需要一种什么样的架构呢？

交换架构的演进

随着Internet用户的增加和带宽的扩大 ， 交换机的结构也在不断的发展 ， 从推出的时间看 ， 交换架构主要经历了总线型和CrossBar两个阶段 。但由于以太网技术的发展日进千里 ， 因此这两种架构的交换机目前都活跃在市场上 。

1、总线型交换架构

基于总线结构的交换机一般分为共享总线和共享内存型总线两大类 。

最开始的以太网交换就是构建在共享总线的基础之上的 。共享总线结构所能提供的交换容量有限 ， 一方面是因为共享总线不可避免内部冲突；另一方面共享总线的负载效应使得高速总线的设计难度相对比较大 。随着用户对“独享带宽”的渴求 ， 这种共享总线的结构很快发展为共享内存结构 。

共享内存结构的交换机使用大量的高速RAM来存储输入数据 ， 同时依靠中心交换引擎来提供全端口的高性能连接 ， 由核心引擎检查每个输入包以决定路由 。这类交换机设计上比较轻易实现 ， 但在交换容量扩展到一定程度时内存操作会产生延迟 ， 另外在这种设计中由于总线互连的问题增加冗余交换引擎相对比较复杂 ， 所以这种交换机假如提供双引擎的话要做到非常稳定相对比较困难 。所以我们可以看到早期在市场上推出的核心交换机往往都是单引擎 ， 尤其是随着交换机端口的增加,由于需要内存容量更大,速度也更快,中心内存的价格变得很高 。交换引擎会成为性能实现的瓶颈 。

2、CrossBar＋共享内存架构

随着核心交换机的交换容量从几十个Gbps发展到今天的几百个Gbps ， 一种称之为CrossBar的交换模式逐渐成为核心交换机的首选 。

CrossBar（即CrossPoint）被称为交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵 。它能很好的弥补共享内存模式的一些不足 。





图1 CrossBar结构图

【网络核心交换机技术架构的演进】

首先 ， CrossBar实现相对简单 。共享交换架构中的线路卡到交换结构的物理连接简化为点到点连接 ， 实现起来更加方便 ， 从而更加轻易保证大容量交换机的稳定性；

其次 ， CrossBar内部无阻塞 。一个CrossBar的示意图如图1所示 ， 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 。

另外 ， 由于其简单的实现原理和无阻塞的交换结构使其可以运行在非常高的速率上 。半导体厂商目前已经可以用传统CMOS技术制造出10Gbit/s以上速率的点对点串行收发芯片 。

基本上2000年以后出现的核心交换机基本上都选择了CrossBar结构的ASIC芯片作为核心 ， 但由于Crossbar芯片的成本等诸多因素 ， 这时的核心交换设备几乎都选择了共享内存方式来设计业务板 ， 从而降低整机的成本因此 ， “CrossBar＋共享内存”成为比较普遍的核心交换架构 。但这种结构下 ， 依然会存在业务板总线和交换网板的Crossbar互连问题 。由于业务板总线上的数据都是标准的以太网帧 ， 而一般Crossbar都采用信元交换的模式来体现Crossbar的效率和性能 。因此在业务板上采用的共享总线的结构在一定程度上影响Crossbar的效率 ， 整机性能完全受限于交换网板Crossbar的性能 。

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