【PConline 乾貨鋪】隨著網際網路業務的高速發展，對構建網際網路基礎架構的網路裝置提出了更高要求，例如容量、效能、擴充套件性以及QoS等諸多關鍵特性，而這往往是由其所採用的硬體架構決定的。

　　我們以框式核心交換機為例，先後出現了多種硬體架構，而現在最為常用的有三種：Full-Mesh交換架構、Crossbar矩陣交換架構和基於Cell的CLOS交換架構。本文將通過對這三種硬體架構、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

　　如上圖所示，所有業務線卡通過背板走線連線到其它線卡，因為Full-Mesh不需要外部的交換晶片，而是任意兩個節點間都有直接連線，故得名全連線。

　　由於各線卡需要Full-Mesh互聯，一個節點數為N的Full-Mesh，連線總數為【N×(N-1)】÷2，所以隨著節點數量增加連線總數也急劇上升，因而可擴充套件性較差，僅適用於槽位數量較少的核心裝置。

　　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線的背板通路；

　　2.報文到達目的線卡。

　　Crossbar
　　架構說明

　　如上圖所示，業務線卡通過背板走線連線到Crossbar晶片上，Crossbar晶片整合在主控引擎上。

　　Crossbar晶片架構圖所示，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線輸入線路和輸出線路，當來自某個埠的輸入線路需要交換到另一個埠的輸出點時，在CPU或交換矩陣的控制下，將交叉點的開關連線，資料就被髮到另一個介面。

　　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，那麼該Crossbar Switch就是一個帶有N*(N-1)≈N²個CrossPoint點的矩陣，可見，隨著埠數量的增加，交叉點開關的數量呈幾何級數增長。對於Crossbar晶片的電路整合水平、矩陣控制開關的製造難度、製造成本都會呈幾何級數增長。所以，採用一塊Crossbar交換背板的交換機，所能連線的埠數量也是有限的。

　　報文轉發流程
　　無快取Crossbar 

　　每個交叉點沒有快取，業務排程採用集中排程的方式，對輸入輸出進行統一排程，報文轉發流程如下：

　　1.報文從線卡進入，線卡先向Arbiter請求傳送；

　　2.Arbiter根據輸出埠佇列擁塞情況，決定是否允許線卡傳送報文到輸出埠；

　　3.報文通過Crossbar轉發到目的線卡輸出埠。

　　由於是集中排程，所以仲裁器的排程演算法複雜度很高，擴充套件性較差，系統容量大時仲裁器容易形成瓶頸，難以做到精確排程。

　　快取式Crossbar

　　最早的快取式Crossbar只有交叉節點帶快取，而輸入端是無快取的，被稱為”bus matrix”,後來，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。

　　這種結構採用分散式排程的方式進行業務排程，即輸入和輸出端都有各自的排程器，報文轉發流程如下：

　　1.報文從線卡進入，輸入埠通過特定的排程演算法（如RR演算法）獨立地選擇有效的VOQ；

　　2.將VOQ佇列頭部分組傳送到相應的交叉點快取；

　　3.輸出埠通過特定的演算法在非空的交叉點快取中選擇進行服務。

　　由於輸入和輸出的排程策略相互獨立，所以很難保證交換系統在每個時隙整體上達到最佳匹配狀態，並且排程演算法複雜度和交換系統規模有關，限制了其擴充套件性。

　　CLOS
　　架構說明

　　如上圖所示，每塊業務線卡和所有交換網板相連，交換晶片整合在交換網板上，實現了交換網板和主控引擎硬體分離。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線，並且，每個中間級開關正好連線到每個出口級開關，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埠之間的連線，CrossPoint數量級別低於Crossbar架構的N的2次方，降低了晶片實現難度。

　　報文轉發流程
　　基於Cell的動態負載

　　1.入方向線卡將資料包切分為N個cell，其中：N=下一跳可用線路數量；

　　2.交換網板採用動態路由方式，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傳送到出方向線卡；

　　3.出方向線卡重組報文。

　　動態負載關鍵點在於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

　　如上圖所示，業務線卡與交換網板互相平行，板卡之間通過背板走線連線。

　　背板走線會帶來訊號干擾，背板設計也限制了頻寬的升級，同時，背板上PCB的走線要求很高，從背板開孔就成了奢望，這直接導致純前後的直通風道設計瓶頸一直無法突破。

　　正交背板設計

　　正如上圖所示，交換機線卡與交換網板分別與背板對接。

　　同非正交背板設計一樣，背板頻寬限制了頻寬的升級，同時也增加了散熱的難度。

　　正交零背板設計

　　上圖中，業務線卡與交換網板互相垂直，背板走線為零，甚至無中板。

　　正交設計能減少背板走線帶來的高速訊號衰減，提高了硬體的可靠性，無背板設計能夠解除背板對容量提升的限制，當需要更大頻寬的時候，只需要更換相應板卡即可，大大縮短業務升級週期，並且因為沒有了背板的限制，交換機直通風道散熱問題迎刃而解，完美匹配資料中心機房空氣流的走向，形成了貫穿前後板卡的高速、通暢的氣流。

　　總結

　　下表將對以上三種架構做出總結：

　　對於高階機架式交換機，以Crossbar交換架構和CLOS交換架構為主。其中CLOS交換架構是當前大容量資料中心核心交換機的理想架構。銳捷網路RG-N18000-X系列交換機基於無阻塞的CLOS架構，並且首次採用“零背板”技術，在提供高效、穩定交換服務的同時，可實現未來10年網路可持續平滑升級。