随着互联网营业的高速生长，对构建互联网基础架构的网络装备提出了更高要求，例如容量、性能、扩展性以及QoS等诸多要害特征，而这往往是由其所接纳的硬件架构决议的。以框式焦点交流机为例，先后泛起了多种硬件架构，而现在最为常用的有三种：Full-Mesh交流架构、Crossbar矩阵交流架构和基于Cell的CLOS交流架构。本文将通过对这三种硬件架构、报文转发流程等原理的剖析，周全剖析三种架构的优劣势。

名词诠释

Full-Mesh

架构说明

▲图1：Full-Mesh架构图

如图1所示，所有营业线卡通过背板走线毗连到其它线卡，由于Full-Mesh不需要外部的交流芯片，而是恣意两个节点间都有直接毗连，故得名全毗连。

由于各线卡需要Full-Mesh互联，一个节点数为N的Full-Mesh，毗连总数为[N×(N-1)]÷2，以是随着节点数目增添毗连总数也急剧上升，因而可扩展性较差，仅适用于槽位数目较少的焦点装备。

报文转发流程

1、报文从线卡进入，跨卡报文送到与目的线卡毗连的背板通路；

2、报文抵达目的线卡。

Crossbar

架构说明

▲图2:Crossbar架构图

如图2所示，营业线卡通过背板走线毗连到Crossbar芯片上，Crossbar芯片集成在主控引擎上。

▲图3:Crossbar芯片架构

Crossbar芯片架构如图3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毗连输入线路和输出线路，当来自某个端口的输入线路需要交流到另一个端口的输出点时，在CPU或交流矩阵的控制下，将交织点的开关毗连，数据就被发到另一个接口。

简朴地说，Crossbar 架构是一种两级架构，它是一个开关矩阵，每一个CrossPoint都是一个开关，交流机通过控制开关来完成输入到特定输出的转发。若是交流具有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，随着端口数目的增添，交织点开关的数目呈几何级数增添。关于Crossbar芯片的电路集成水平、矩阵控制开关的制造难度、制造本钱都会呈几何级数增添。以是，接纳一块Crossbar交流背板的交流机，所能毗连的端口数目也是有限的。

报文转发流程

• 无缓存Crossbar

每个交织点没有缓存，营业调理接纳集中调理的方法，对输入输出举行统一调理，报文转发流程如下：

1、报文从线卡进入，线卡先向Arbiter请求发送；

2、Arbiter凭证输出端口行列拥塞情形，决议是否允许线卡发送报文到输出端口；

3、报文通过Crossbar转发到目的线卡输出端口。

由于是集中调理，以是仲裁器的调理算法重漂后很高，扩展性较差，系统容量大时仲裁器容易形成瓶颈，难以做到准确调理。

• 缓存式Crossbar

最早的缓存式Crossbar只有交织节点带缓存，而输入端是无缓存的，被称为”bus matrix”,厥后，CICQ的看法被引入，即在输入端用大的Input Buffer，在中心节点用小的CrossPoint Buffer。

这种结构接纳漫衍式调理的方法举行营业调理，即输入和输出端都有各自的调理器，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理算法（如RR算法）自力地选择有用的VOQ；

2、将VOQ行列头部分组发送到响应的交织点缓存；

3、输出端口通过特定的算法在非空的交织点缓存中选择举行效劳。

由于输入和输出的调理战略相互自力，以是很难确保交流系统在每个时隙整体上抵达理想匹配状态，并且调理算法重漂后和交流系统规模有关，限制了其扩展性。

CLOS

架构说明

▲图4:CLOS架构图

如图4所示，每块营业线卡和所有交流网板相连，交流芯片集成在交流网板上，实现了交流网板和主控引擎硬件疏散。CLOS架构是一种多级架构，每个入口级开关和每其中心级开关之间只有一个毗连，并且，每其中心级开关正好毗连到每个出口级开关，这种架构的优点是可以通过多个小型Crossbar 开关来实现大宗输入和输出端口之间的毗连，CrossPoint数目级别低于Crossbar架构的N的2次方，降低了芯片实现难度。

报文转发流程

• 基于Cell的动态负载

1、入偏向线卡将数据包切分为N个cell，其中：N=下一跳可用线路数目；

2、交流网板接纳动态路由方法，即凭证下一级各链路的现实可用交流能力，动态选路和负载平衡，通过多条路径将分片发送到出偏向线卡；

3、出偏向线卡重组报文。

动态负载要害点在于能负载分担地平衡使用所有可达路径，由此实现了无壅闭交流。

CLOS架构交流机的分类

• 非正交背板设计

▲图5:非正交背板

如图5所示，营业线卡与交流网板相互平行，板卡之间通过背板走线毗连。

背板走线会带来信号滋扰，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透风道设计瓶颈一直无法突破。

• 正交背板设计

▲图6:正交背板

如图6所示，交流机线卡与交流网板划分与背板对接。

同非正交背板设计一样，背板带脱期制了带宽的升级，同时也增添了散热的难度。

• 正交零背板设计

▲图7:正交零背板

如图7所示，营业线卡与交流网板相互笔直，背板走线为零，甚至无中板。

正交设计能镌汰背板走线带来的高速信号衰减，提高了硬件的可靠性，无背板设计能够扫除背板对容量提升的限制，当需要更大带宽的时间，只需要替换响应板卡即可，大大缩短营业升级周期，并且由于没有了背板的限制，交流机直透风道散热问题迎刃而解，匹配数据中心机房空气流的走向，形成了贯串前后板卡的高速、通畅的气流。

总结

下表将对以上三种架构做出总结：

关于高端机架式交流机，以Crossbar交流架构和CLOS交流架构为主。其中CLOS交流架构是目今大容量数据中心焦点交流机的理想架构。55世纪网络RG-N18000-X系列交流机基于无壅闭的CLOS架构，并且接纳“零背板”手艺，在提供高效、稳固交流效劳的同时，可实现未来10年网络可一连平滑升级。

本期作者：李莹

55世纪网络互联网系统部行业咨询

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