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(huán)形交換

3. 共享內(nèi)存

4. Crossbar＋共享內(nèi)存

5. 分布式Crossbar

6. 共享總線

總線交換是最古老的一種數(shù)據(jù)交換方式，這種方式的主要特點是沒有專門的交換網(wǎng)芯片，通過共享背板總線進行各線卡之間的數(shù)據(jù)傳遞，各線卡分時占用背板總線，共享總線不可避免內(nèi)部沖突；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(tǒng)，并且隨著背板總線帶寬的增加，碼流的同步控制也成為一大瓶頸；目前采用這種交換方式的系統(tǒng)交換容量一般小于32G，并且一般都是有阻塞的系統(tǒng)。這種交換形式在一些老機型上仍有使用，新的系統(tǒng)不會采用這種交換形式。這種交換形式將逐漸被淘汰。

2. 環(huán)形交換

環(huán)形交換實質(zhì)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；采用這種交換方式的系統(tǒng)容量在32G-64G之間，一般來講都是有阻塞的系統(tǒng)；這種交換形式也將逐漸被淘汰。

3. 共享內(nèi)存

共享內(nèi)存結構的交換機使用大量的高速RAM來存儲輸入數(shù)據(jù)，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(xiàn)，但在交換容量擴展到一定程度時內(nèi)存操作會產(chǎn)生延遲，另外在這種設計中由于總線互連的問題增加冗余交換引擎相對比較復雜，所以這種交換機如果提供雙引擎的話要做到非常穩(wěn)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(wǎng)絡核心交換機往往都是單引擎，尤其是隨著交換機端口的增加,由于需要內(nèi)存容量更大,速度也更快,中央內(nèi)存的價格變得很高。交換引擎會成為性能實現(xiàn)的瓶頸。

4. Crossbar（交換矩陣）＋共享內(nèi)存
   
   隨著網(wǎng)絡核心交換機的交換容量從幾十個Gbps發(fā)展到今天的幾百個Gbps，一種稱之為CrossBar的交換模式逐漸成為網(wǎng)絡核心交換機的首選。CrossBar(即CrossPoint)被稱為交叉開關矩陣或縱橫式交換矩陣。它能很好的彌補共享內(nèi)存模式的一些不足。

首先，CrossBar實現(xiàn)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為點到點連接，實現(xiàn)起來更加方便，從而更加容易保證大容量交換機的穩(wěn)定性;

其次，CrossBar內(nèi)部無阻塞（相對的）。一個CrossBar，只要同時閉合多個交叉節(jié)點(crosspoint)，多個不同的端口就可以同時傳輸數(shù)據(jù)。從這個意義上，我們認為所有的CrossBar在內(nèi)部是無阻塞的，因為它可以支持所有端口同時線速交換數(shù)據(jù)。另外，由于其簡單的實現(xiàn)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(jīng)可以用傳統(tǒng)CMOS技術制造出10Gbit/s以上速率的點對點串行收發(fā)芯片。

基本上2000年以后出現(xiàn)的網(wǎng)絡核心交換機基本上都選擇了CrossBar結構的ASIC（一種為專門目的而設計的集成電路）芯片作為核心，但由于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(nèi)存方式來設計業(yè)務板，從而降低整機的成本因此，“CrossBar+共享內(nèi)存”成為比較普遍的核心交換架構。但這種結構下，依然會存在業(yè)務板總線和交換網(wǎng)板的Crossbar互連問題。由于業(yè)務板總線上的數(shù)據(jù)都是標準的以太網(wǎng)幀，而一般Crossbar都采用信元交換的模式來體現(xiàn)Crossbar的效率和性能。因此在業(yè)務板上采用的共享總線的結構在一定程度上影響Crossbar的效率，整機性能完全受限于交換網(wǎng)板Crossbar的性能。

5. 分布式Crossbar（CLOS）
   
   傳統(tǒng)的園區(qū)網(wǎng)交換機一般采用“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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的工作，跨槽位的流量轉(zhuǎn)發(fā)報文需要經(jīng)背板到引擎板的Crossbar芯片進行轉(zhuǎn)發(fā)。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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的工作，因此在引擎出現(xiàn)主備倒換時必然會出現(xiàn)丟包。此外引擎1＋1冗余，也使得Crossbar交換網(wǎng)只能是1＋1的冗余，冗余能力無法做的更高。 性能限制：受制于業(yè)界當前Crossbar芯片的工藝以及引擎PCB板卡布線等制造工藝，將Crossbar交換網(wǎng)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(shù)據(jù)中心級交換機產(chǎn)品將控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面物理分離，一般有獨立的引擎板和交換網(wǎng)板，同時采用CLOS多級交換架構，大大提高設備的可靠性及性能。分布式Crossbar設計中，CPU也采用了分布式設計。設備主控板上的主CPU負責整機控制調(diào)度、路由表學習和下發(fā);業(yè)務板從CPU主要負責本地查表、業(yè)務板狀態(tài)維護工作。這就實現(xiàn)了分布式路由計算和分布式路由表查詢，大大緩解主控板的壓力，提高了交換機轉(zhuǎn)發(fā)效率，這也是業(yè)務板本地轉(zhuǎn)發(fā)能夠提高效率的重要原因。這種分布式Crossbar、分布式交換的設計理念是核心網(wǎng)絡設備設計的發(fā)展方向，保證了現(xiàn)在的網(wǎng)絡核心能支撐未來海量的數(shù)據(jù)交換和靈活的多業(yè)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(qū)別？

提起核心交換機與普通交換機有什么區(qū)別？相信很多朋友都有點迷惑，今天我們一起來了解下。

核心交換機并不是交換機的一種類型，而是放在核心層（網(wǎng)絡主干部分）的交換機叫核心交換機。

一般大型企業(yè)網(wǎng)絡和網(wǎng)吧需要購買核心交換機來實現(xiàn)強大的網(wǎng)絡擴展能力，以保護原有的投資，電腦達到一定數(shù)量才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(wǎng)絡架構而言，如果是個幾臺電腦的小局域網(wǎng)，一個8口的小交換機就可以稱之為核心交換機。

核心交換機的優(yōu)勢

相比較普通交換機而言，數(shù)據(jù)中心交換機需要具備以下特質(zhì)：大緩存、高容量、虛擬化、FCOE、二層TRILL技術、可擴展性和模塊冗余等方面的特征。

1. 大緩存技術

數(shù)據(jù)中心交換機改變了傳統(tǒng)交換機的出端口緩存方式，采用分布式緩存構架，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。對于每端口在萬兆全線速條件下達到200ms的突發(fā)流量緩存能力，從而在突發(fā)流量的情況下，大緩存仍能保證網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)零丟包，正好適應數(shù)據(jù)中心服務器量大，突發(fā)流量大的特點。

2. 高容量設備

數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡流量具有高密度應用調(diào)度、浪涌式突發(fā)緩存的特點，而普通交換機以滿足互聯(lián)互通為目的，無法實現(xiàn)對業(yè)務精準識別與控制，在大業(yè)務情況下無法做到快速響應和零丟包，無法保證業(yè)務的連續(xù)性，系統(tǒng)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(shù)據(jù)中心的需要，數(shù)據(jù)中心交換機需要具備高容量轉(zhuǎn)發(fā)特點，數(shù)據(jù)中西交換機必須支持高密萬兆板卡，也就是48口萬兆板卡，為使48口萬兆板卡能夠權限蘇轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)中心交換機只能采用CLOS分布式交換架構。
除此之外，隨著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(shù)據(jù)中心交換機40G、100G的板卡早已出現(xiàn)進入市場，從而滿足數(shù)據(jù)中心高密度應用的需求。

3. 虛擬化技術

數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡設備需要具有高管理性和高安全可靠性的特點，因此數(shù)據(jù)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(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌峡梢怨芾淼馁Y源，以打破物理結構之間的壁壘，網(wǎng)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(wǎng)絡設備統(tǒng)一管理，也可以對一臺設備上的業(yè)務進行完全隔離，從而可以將數(shù)據(jù)中心管理成本減少40%，將IT利用率提高大約25%。

4. TRILL技術

數(shù)據(jù)中心在構建二層網(wǎng)絡方面，原先的標準是FTP協(xié)議，但其固有的缺陷如：STP是通過端口阻止來工作的，所有冗余鏈路不進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，造成寬帶資源的良妃，STP整網(wǎng)只有一顆生成樹，數(shù)據(jù)報文都要經(jīng)過根橋中轉(zhuǎn)收才能到達，影響了整網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)效率。

所以STP將不再適合超大型數(shù)據(jù)中心的擴展，TRILL正是因為應了STP 的這些缺陷而產(chǎn)生，視為數(shù)據(jù)中心應用而生的技術，TRILL協(xié)議把二層配置和靈活性與三層融合和規(guī)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(xiàn)整網(wǎng)無環(huán)路轉(zhuǎn)發(fā)。TRILL技術是數(shù)據(jù)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(tǒng)的數(shù)據(jù)中心往往存在一張數(shù)據(jù)網(wǎng)和一張存儲網(wǎng)絡，而新一代的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡融合趣事越來越明顯，FCOE技術的出現(xiàn)使網(wǎng)絡融合成為可能，FCOE就是把存儲網(wǎng)的數(shù)據(jù)幀封裝在以太網(wǎng)幀內(nèi)進行轉(zhuǎn)發(fā)的技術。實現(xiàn)這一融合技術必然是在數(shù)據(jù)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、冗余、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(wěn)定性等。

1）鏈路聚合

是將兩個或更多數(shù)據(jù)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(xiàn)。鏈路聚合一般用來連接一個或多個帶寬需求大的設備，例如連接骨干網(wǎng)絡的服務器或服務器群。它可以用于擴展鏈路帶寬，提供更高的連接可靠性。

舉例：公司有2層樓，分別運行著不同的業(yè)務，本來兩個樓層的網(wǎng)絡是分開的，但都是一家公司難免會有業(yè)務往來，這時我們就可以打通兩樓之前的網(wǎng)絡，使具有相互聯(lián)系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(wǎng)絡，且SwitchA和SwitchB之間有較大的數(shù)據(jù)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余度，保證數(shù)據(jù)傳輸和鏈路的可靠性。

創(chuàng)建Eth-Trunk接口并加入成員接口，實現(xiàn)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(wǎng)絡就可以正常通信了。

2）鏈路冗余

為了保持網(wǎng)絡的穩(wěn)定性，在多臺交換機組成的網(wǎng)絡環(huán)境中，通常都使用一些備份連接，以提高網(wǎng)絡的效率、穩(wěn)定性，這里的備份連接也稱為備份鏈路或者冗余鏈路。

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(huán)路連接起來。交換機的硬件負責將數(shù)據(jù)包在雙環(huán)路上做負載均衡。環(huán)路在這里充當了這個大的邏輯交換機的背板的角色，在雙環(huán)路都正常工作時，數(shù)據(jù)包在這臺邏輯交換機上的傳輸率為32Gbps。

當一個數(shù)據(jù)幀需要傳輸時，交換機的軟件會進行計算看哪條環(huán)路更可用，然后數(shù)據(jù)幀會被送到該環(huán)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，并將受影響的環(huán)路斷開，而邏輯交換機仍然可以以單環(huán)的狀態(tài)工作，此時的數(shù)據(jù)包通過率為16Gbps。交換機的堆疊采用菊花鏈方式，連接的方式參考下圖。

堆疊增加交換機端口與帶寬的穩(wěn)定性。

4）熱備份（HSRP)

核心交換機是整個網(wǎng)絡的核心和心臟，如果核心交換機發(fā)生致命性的故障，將導致本地網(wǎng)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(jīng)常會看到有的核心交換機具有堆疊或熱備份等功能。

對核心交換機采用熱備份是提高網(wǎng)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(tǒng)中的另一個備份路由器完全接管，直至出現(xiàn)問題的路由器恢復正常，這就是熱備份路由協(xié)議。
實現(xiàn)HSRP的條件是系統(tǒng)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(nèi)只有一個路由器是活動的，并由它來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，如果活動路由器發(fā)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(wǎng)絡內(nèi)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。

為了減少網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量，在設置完活動核心交換機和備份核心交換機之后，只有活動核心交換機和備份核心交換機定時發(fā)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為活動核心交換機。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為備份核心交換機。

當某臺接入層交換機到主核心交換機的線路出現(xiàn)故障，切換至備機，數(shù)據(jù)流走向。

當接入層交換機1上聯(lián)至核心交換機A的數(shù)據(jù)鏈路出現(xiàn)故障，導致接入層交換機1的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包，如上圖所示。

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

6．核心交換機與普通交換機區(qū)別

1）端口的區(qū)別

普通交換機端口數(shù)量一般為24-48個，網(wǎng)口大部分為千兆以太網(wǎng)或者百兆以太網(wǎng)口，主要功能用于接入用戶數(shù)據(jù)或者匯聚一些接入層的交換機數(shù)據(jù)，這種交換機最多可以配置Vlan簡單路由協(xié)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(wǎng)絡區(qū)別

通常將網(wǎng)絡中直接面向用戶連接或訪問網(wǎng)絡的部分稱為接入層，將位于接入層和核心層之間的部分稱為分布層或匯聚層，接入層目的是允許終端用戶連接到網(wǎng)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，并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(wǎng)絡主干部分則稱為核心層，核心層的主要目的在于通過高速轉(zhuǎn)發(fā)通信，提供優(yōu)化、可靠的骨干傳輸結構，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為盒式交換機和框式交換機，盒式交換機和框式交換機內(nèi)部主要功能部件都一樣，只是形態(tài)和性能上有很大的區(qū)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（每個品牌的布局可能不一樣）：

四．主控單板、交換網(wǎng)板（數(shù)據(jù)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(wǎng)板、接口單板是華為的名稱，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(nèi)側(cè)的一塊板子，背板是框式交換機用于連接引擎、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(shù)據(jù)、管理、控制平面的各種通道。背板技術每家又大不相同，華為的主控單板、交換網(wǎng)板、接口板都插在同一側(cè)屬于平行結構，而思科等交換機品牌最大的特點就是業(yè)務線卡和交換矩陣采用了正交硬件架構技術，正交架構最大的特點就是業(yè)務線卡和交換矩陣通過背板90°直接連接。相對于傳統(tǒng)的無源銅背板技術，正交硬件架構大大縮短了業(yè)務線卡與交換矩陣卡之間的高速信號傳輸距離，為交換機的高速信號穩(wěn)定傳輸提供了硬件架構基礎?，F(xiàn)在的交換機，為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(shù)據(jù)平面的協(xié)議處理功能，負責處理各種通信協(xié)議；作為用戶操作的代理，根據(jù)用戶的操作指令來管理系統(tǒng)、監(jiān)視性能，并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(jiān)控和維護。

3. 交換網(wǎng)板：

主要是負責跨接口單板卡之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)交換，負責各接口板之間報文的交換、分發(fā)、調(diào)度、控制等功能。通常交換單元采用高性能的ASIC芯片，提供線速轉(zhuǎn)發(fā)。從接口單板A到接口單板B的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑是接口單板A->背板->交換網(wǎng)板->背板->接口單板B。交換網(wǎng)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(wǎng)板內(nèi)部鏈路、背板與各個接口單板相連，提供接口單板之間的數(shù)據(jù)交換。

4. 接口單板：

也稱為接口單元或業(yè)務處理板，提供業(yè)務傳輸?shù)耐獠课锢斫涌?#xff0c;完成報文接收和發(fā)送。對于分布式系統(tǒng)，承擔部分協(xié)議處理和交換/路由功能。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的交换机技术分解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。