交換機技術分解

交換機技術分解

一. 交換架構的演進介紹（主要以框式）

1. 共享總線

2. 環形交換

3. 共享內存

4. Crossbar＋共享內存

5. 分佈式Crossbar

6. 共享總線

總線交換是最古老的一種數據交換方式，這種方式的主要特點是沒有專門的交換網芯片，通過共享背板總線進行各線卡之間的數據傳遞，各線卡分時佔用背板總線，共享總線不可避免內部衝突；結構和技術比較簡單，但交換容量受背板總線帶寬限制，無法構建大容量系統，並且隨着背板總線帶寬的增加，碼流的同步控制也成爲一大瓶頸；目前採用這種交換方式的系統交換容量一般小於32G，並且一般都是有阻塞的系統。這種交換形式在一些老機型上仍有使用，新的系統不會採用這種交換形式。這種交換形式將逐漸被淘汰。

2. 環形交換

環形交換實質上仍然是一種總線交換方式，改進點就是將總線移到了芯片中，而不是在背板上；

帶寬有所提高，但是沒有根本改善；採用這種交換方式的系統容量在32G-64G之間，一般來講都是有阻塞的系統；這種交換形式也將逐漸被淘汰。

3. 共享內存

共享內存結構的交換機使用大量的高速RAM來存儲輸入數據，同時依賴中心交換引擎來提供全端口的高性能連接，由核心引擎檢查每個輸入包以決定路由。這類交換機設計上比較容易實現，但在交換容量擴展到一定程度時內存操作會產生延遲，另外在這種設計中由於總線互連的問題增加冗餘交換引擎相對比較複雜，所以這種交換機如果提供雙引擎的話要做到非常穩定相對比較困難。所以我們可以看到早期在市場上推出的網絡核心交換機往往都是單引擎，尤其是隨着交換機端口的增加,由於需要內存容量更大,速度也更快,中央內存的價格變得很高。交換引擎會成爲性能實現的瓶頸。

4. Crossbar（交換矩陣）＋共享內存
   
   隨着網絡核心交換機的交換容量從幾十個Gbps發展到今天的幾百個Gbps，一種稱之爲CrossBar的交換模式逐漸成爲網絡核心交換機的首選。CrossBar(即CrossPoint)被稱爲交叉開關矩陣或縱橫式交換矩陣。它能很好的彌補共享內存模式的一些不足。

首先，CrossBar實現相對簡單。共享交換架構中的線路卡到交換結構的物理連接簡化爲點到點連接，實現起來更加方便，從而更加容易保證大容量交換機的穩定性;

其次，CrossBar內部無阻塞（相對的）。一個CrossBar，只要同時閉合多個交叉節點(crosspoint)，多個不同的端口就可以同時傳輸數據。從這個意義上，我們認爲所有的CrossBar在內部是無阻塞的，因爲它可以支持所有端口同時線速交換數據。另外，由於其簡單的實現原理和無阻塞的交換結構使其可以運行在非常高的速率上。半導體廠商目前已經可以用傳統CMOS技術製造出10Gbit/s以上速率的點對點串行收發芯片。

基本上2000年以後出現的網絡核心交換機基本上都選擇了CrossBar結構的ASIC（一種爲專門目的而設計的集成電路）芯片作爲核心，但由於Crossbar芯片的成本等諸多因素，這時的核心交換設備幾乎都選擇了共享內存方式來設計業務板，從而降低整機的成本因此，“CrossBar+共享內存”成爲比較普遍的核心交換架構。但這種結構下，依然會存在業務板總線和交換網板的Crossbar互連問題。由於業務板總線上的數據都是標準的以太網幀，而一般Crossbar都採用信元交換的模式來體現Crossbar的效率和性能。因此在業務板上採用的共享總線的結構在一定程度上影響Crossbar的效率，整機性能完全受限於交換網板Crossbar的性能。

5. 分佈式Crossbar（CLOS）
   
   傳統的園區網交換機一般採用“Crossbar+共享緩存”的交換架構，引擎板繼承擔控制平面的工作，同時也承擔數據轉發平面的工作，跨槽位的流量轉發報文需要經背板到引擎板的Crossbar芯片進行轉發。這種架構限制了設備的可靠性和性能： 可靠性限制：引擎需要承接數據轉發平面的工作，因此在引擎出現主備倒換時必然會出現丟包。此外引擎1＋1冗餘，也使得Crossbar交換網只能是1＋1的冗餘，冗餘能力無法做的更高。 性能限制：受制於業界當前Crossbar芯片的工藝以及引擎PCB板卡布線等製造工藝，將Crossbar交換網與CPU主控單元集中在一塊引擎板上的結構，一般單塊引擎的交換容量不可能做的太高（一般約1TB左右）。 數據中心級交換機產品將控制平面與轉發平面物理分離，一般有獨立的引擎板和交換網板，同時採用CLOS多級交換架構，大大提高設備的可靠性及性能。分佈式Crossbar設計中，CPU也採用了分佈式設計。設備主控板上的主CPU負責整機控制調度、路由表學習和下發;業務板從CPU主要負責本地查表、業務板狀態維護工作。這就實現了分佈式路由計算和分佈式路由表查詢，大大緩解主控板的壓力，提高了交換機轉發效率，這也是業務板本地轉發能夠提高效率的重要原因。這種分佈式Crossbar、分佈式交換的設計理念是核心網絡設備設計的發展方向，保證了現在的網絡核心能支撐未來海量的數據交換和靈活的多業務支持的需求。

二．核心交換機和普通交換機

核心交換機和普通交換機有何區別？

提起核心交換機與普通交換機有什麼區別？相信很多朋友都有點迷惑，今天我們一起來了解下。

核心交換機並不是交換機的一種類型，而是放在覈心層（網絡主幹部分）的交換機叫核心交換機。

一般大型企業網絡和網吧需要購買核心交換機來實現強大的網絡擴展能力，以保護原有的投資，電腦達到一定數量纔會要用上核心交換機，而基本在50臺以下無需用核心交換機，有個路由器即可，所謂的核心交換機是針對網絡架構而言，如果是個幾臺電腦的小局域網，一個8口的小交換機就可以稱之爲核心交換機。

核心交換機的優勢

相比較普通交換機而言，數據中心交換機需要具備以下特質：大緩存、高容量、虛擬化、FCOE、二層TRILL技術、可擴展性和模塊冗餘等方面的特徵。

1. 大緩存技術

數據中心交換機改變了傳統交換機的出端口緩存方式，採用分佈式緩存構架，緩存比普通交換機也大許多，緩存能力可達1G以上，而一般的交換機只能達到2-4m。對於每端口在萬兆全線速條件下達到200ms的突發流量緩存能力，從而在突發流量的情況下，大緩存仍能保證網絡轉發零丟包，正好適應數據中心服務器量大，突發流量大的特點。

2. 高容量設備

數據中心的網絡流量具有高密度應用調度、浪湧式突發緩存的特點，而普通交換機以滿足互聯互通爲目的，無法實現對業務精準識別與控制，在大業務情況下無法做到快速響應和零丟包，無法保證業務的連續性，系統的可靠性主要依賴設備的可靠性。

所以普通交換機無法滿足數據中心的需要，數據中心交換機需要具備高容量轉發特點，數據中西交換機必須支持高密萬兆板卡，也就是48口萬兆板卡，爲使48口萬兆板卡能夠權限蘇轉發，數據中心交換機只能採用CLOS分佈式交換架構。
除此之外，隨着40G和100G的普及，支持8端口40G板卡和4端口的100G板卡也逐漸商用，數據中心交換機40G、100G的板卡早已出現進入市場，從而滿足數據中心高密度應用的需求。

3. 虛擬化技術

數據中心的網絡設備需要具有高管理性和高安全可靠性的特點，因此數據中心的交換機也需要支持虛擬化，虛擬化就是把物力資源轉變爲邏輯上可以管理的資源，以打破物理結構之間的壁壘，網絡設備的虛擬化包括多虛一，一虛多等技術。

通過虛擬化技術，可以對多臺網絡設備統一管理，也可以對一臺設備上的業務進行完全隔離，從而可以將數據中心管理成本減少40%，將IT利用率提高大約25%。

4. TRILL技術

數據中心在構建二層網絡方面，原先的標準是FTP協議，但其固有的缺陷如：STP是通過端口阻止來工作的，所有冗餘鏈路不進行數據轉發，造成寬帶資源的良妃，STP整網只有一顆生成樹，數據報文都要經過根橋中轉收才能到達，影響了整網的轉發效率。

所以STP將不再適合超大型數據中心的擴展，TRILL正是因爲應了STP 的這些缺陷而產生，視爲數據中心應用而生的技術，TRILL協議把二層配置和靈活性與三層融合和規模有效結合在一起 ，大二層不需要配置的情況下，就可以實現整網無環路轉發。TRILL技術是數據中心交換機二層基本特性，這是普通交換機不具備的。

5. FCOE技術

傳統的數據中心往往存在一張數據網和一張存儲網絡，而新一代的數據中心網絡融合趣事越來越明顯，FCOE技術的出現使網絡融合成爲可能，FCOE就是把存儲網的數據幀封裝在以太網幀內進行轉發的技術。實現這一融合技術必然是在數據中心的交換機上，普通交換機一般不具備這些功能。

鏈路聚合、冗餘、堆疊、熱備份等這些功能也非常重要，決定了核心交換機在實際應用中的性能、效率、穩定性等。

1）鏈路聚合

是將兩個或更多數據信道結合成一個單個的信道，該信道以一個單個的更高帶寬的邏輯鏈路出現。鏈路聚合一般用來連接一個或多個帶寬需求大的設備，例如連接骨幹網絡的服務器或服務器羣。它可以用於擴展鏈路帶寬，提供更高的連接可靠性。

舉例：公司有2層樓，分別運行着不同的業務，本來兩個樓層的網絡是分開的，但都是一家公司難免會有業務往來，這時我們就可以打通兩樓之前的網絡，使具有相互聯繫的部門之間高速通信。如下圖：

如上圖所示，SwitchA和SwitchB通過以太鏈路分別都連接VLAN10和VLAN20的網絡，且SwitchA和SwitchB之間有較大的數據流量。

用戶希望SwitchA和SwitchB之間能夠提供較大的鏈路帶寬來使相同VLAN間互相通信。同時用戶也希望能夠提供一定的冗餘度，保證數據傳輸和鏈路的可靠性。

創建Eth-Trunk接口並加入成員接口，實現增加鏈路帶寬，2臺交換機分別配置Eth-Trunk1 分別將需要通信的3條線路的端口加入Eth-Trunk1，設置端口trunk， 允許相應的vlan通過；這樣兩樓的網絡就可以正常通信了。

2）鏈路冗餘

爲了保持網絡的穩定性，在多臺交換機組成的網絡環境中，通常都使用一些備份連接，以提高網絡的效率、穩定性，這裏的備份連接也稱爲備份鏈路或者冗餘鏈路。

3）交換機的堆疊

通過專有的堆疊電纜連接起來，可將多臺交換機堆疊成一臺邏輯交換機。該邏輯交換機中的所有交換機共享相同的配置信息和路由信息。當向邏輯交換機增加和減少單體交換機時不會影響其性能。

疊加的交換機之間通過兩條環路連接起來。交換機的硬件負責將數據包在雙環路上做負載均衡。環路在這裏充當了這個大的邏輯交換機的背板的角色，在雙環路都正常工作時，數據包在這臺邏輯交換機上的傳輸率爲32Gbps。

當一個數據幀需要傳輸時，交換機的軟件會進行計算看哪條環路更可用，然後數據幀會被送到該環路上。如果一條堆疊電纜出故障，故障兩端的交換機都會偵測到該故
障，並將受影響的環路斷開，而邏輯交換機仍然可以以單環的狀態工作，此時的數據包通過率爲16Gbps。交換機的堆疊採用菊花鏈方式，連接的方式參考下圖。

堆疊增加交換機端口與帶寬的穩定性。

4）熱備份（HSRP)

核心交換機是整個網絡的核心和心臟，如果核心交換機發生致命性的故障，將導致本地網絡的癱瘓，所造成的損失也是難以估計的。所以我們在選擇核心交換機時，經常會看到有的核心交換機具有堆疊或熱備份等功能。

對核心交換機採用熱備份是提高網絡可靠性的必然選擇。在一個核心交換機完全不能工作的情況下，它的全部功能便被系統中的另一個備份路由器完全接管，直至出現問題的路由器恢復正常，這就是熱備份路由協議。
實現HSRP的條件是系統中有多臺核心交換機，它們組成一個“熱備份組”，這個組形成一個虛擬路由器。在任意時刻，一個組內只有一個路由器是活動的，並由它來轉發數據包，如果活動路由器發生了故障，將選擇一個備份路由器來替代活動路由器，但是在本網絡內的主機看來，虛擬路由器沒有改變。所以主機仍然保持連接，沒有受到故障的影響，這樣就較好地解決了核心交換機切換的問題。

爲了減少網絡的數據流量，在設置完活動核心交換機和備份核心交換機之後，只有活動核心交換機和備份核心交換機定時發送HSRP報文。如果活動核心交換機失效，備份核心交換機將接管成爲活動核心交換機。如果備份核心交換機失效或者變成了活躍核心交換機，將由另外的核心交換機被選爲備份核心交換機。

當某臺接入層交換機到主核心交換機的線路出現故障，切換至備機，數據流走向。

當接入層交換機1上聯至核心交換機A的數據鏈路出現故障，導致接入層交換機1的數據鏈路切換至核心交換機B，但在切換期間接入層交換機1分丟6個數據包，如上圖所示。

當服務器與核心交換機A之間主鏈路出現故障（如線路、網卡等），服務器主網卡切換至備用網卡上時，會丟6個數據包，但當主鏈路恢復以後，服務器會自動從備用網卡切換至主網卡，而這次切換時數據包不會丟失。

6．核心交換機與普通交換機區別

1）端口的區別

普通交換機端口數量一般爲24-48個，網口大部分爲千兆以太網或者百兆以太網口，主要功能用於接入用戶數據或者匯聚一些接入層的交換機數據，這種交換機最多可以配置Vlan簡單路由協議和一些簡單的SNMP等功能，背板帶寬相對較小。

2）連接或訪問網絡區別

通常將網絡中直接面向用戶連接或訪問網絡的部分稱爲接入層，將位於接入層和核心層之間的部分稱爲分佈層或匯聚層，接入層目的是允許終端用戶連接到網絡，因此接入層交換機具有低成本和高端口密度特性。

匯聚層交換機是多臺接入層交換機的匯聚點，它必須能夠處理來自接入層設備的所有通信量，並提供到核心層的上行鏈路，因此匯聚層交換機具備更高的性能，更少的接口和更高的交換速率。

而網絡主幹部分則稱爲核心層，核心層的主要目的在於通過高速轉發通信，提供優化、可靠的骨幹傳輸結構，因此核心層交換機應用有更高的可靠性、性能和吞吐量。
三．盒式交換機和框式交換機

交換機從外形主要分爲盒式交換機和框式交換機，盒式交換機和框式交換機內部主要功能部件都一樣，只是形態和性能上有很大的區別。

1、盒式交換機

外形如下圖：

硬件模塊邏輯結構如下圖：

2、框式交換機

外形如下圖（每個品牌的佈局可能不一樣）：

四．主控單板、交換網板（數據交換從主控分離出來）、接口單板、背板的介紹

主控單板、交換網板、接口單板是華爲的名稱，其他品牌各有自己的名稱，如思科的名稱是、管理引擎、交換矩陣、線卡，雖然名稱不一樣但是都是同類部件，這些概念都是針對框式交換機，即機框+可插拔板卡形式的交換機。

1. 背板：

是機框背部內側的一塊板子，背板是框式交換機用於連接引擎、交換矩陣、線卡、風扇、電源等的PCB板，類似計算機的主板(顯卡、聲卡等都插入主板)，提供插卡的供電、數據、管理、控制平面的各種通道。背板技術每家又大不相同，華爲的主控單板、交換網板、接口板都插在同一側屬於平行結構，而思科等交換機品牌最大的特點就是業務線卡和交換矩陣採用了正交硬件架構技術，正交架構最大的特點就是業務線卡和交換矩陣通過背板90°直接連接。相對於傳統的無源銅背板技術，正交硬件架構大大縮短了業務線卡與交換矩陣卡之間的高速信號傳輸距離，爲交換機的高速信號穩定傳輸提供了硬件架構基礎。現在的交換機，爲了提高背板器件可用性，一般不會在背板上設計芯片，而全部是硬件鏈路，將器件故障率降低。

2. 主控單板：

提供設備的管理和控制功能以及數據平面的協議處理功能，負責處理各種通信協議；作爲用戶操作的代理，根據用戶的操作指令來管理系統、監視性能，並向用戶反饋設備運行情況；對接口板、交換模塊、風扇、電源進行監控和維護。

3. 交換網板：

主要是負責跨接口單板卡之間的數據轉發交換，負責各接口板之間報文的交換、分發、調度、控制等功能。通常交換單元採用高性能的ASIC芯片，提供線速轉發。從接口單板A到接口單板B的數據轉發路徑是接口單板A->背板->交換網板->背板->接口單板B。交換網板上一般會有一個或者多個交換芯片，交換機芯片通過交換網板內部鏈路、背板與各個接口單板相連，提供接口單板之間的數據交換。

4. 接口單板：

也稱爲接口單元或業務處理板，提供業務傳輸的外部物理接口，完成報文接收和發送。對於分佈式系統，承擔部分協議處理和交換/路由功能。