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交换机的体系结构和各部件说明

交换机
2022-11-01
2592
更新：2022-11-01 10:38:58

> 作者：Pipci
> 出处：cnblogs.com（本文有修改）

最近在研究交换机，把从网上学习的和自己理解的总结下如果那里有错误请多多指教。

<span style="background-color: LightPink; font-size: 20pt">**一、交换机形态**</span>

交换机从外形主要分为盒式交换机和框式交换机，盒式交换机和框式交换机内部主要功能部件都一样，只是形态和性能上有很大的区别。

<span style="font-size: 18pt">**1、盒式交换机**</span>

外形如下图：

硬件模块逻辑结构如下图：

<span style="font-size: 18pt">**2、框式交换机**</span>

外形如下图（每个品牌的布局可能不一样）：

<span style="background-color: LightPink; font-size: 20pt">**二、交换架构的演进介绍（主要以框式）**</span>

1，共享总线
2，环形交换
3，共享内存
4，Crossbar＋共享内存
5，分布式Crossbar

总线交换是最古老的一种数据交换方式，这种方式的主要特点是没有专门的交换网芯片，通过共享背板总线进行各线卡之间的数据传递，各线卡分时占用背板总线，共享总线不可避免内部冲突；结构和技术比较简单，但交换容量受背板总线带宽限制，无法构建大容量系统，并且随着背板总线带宽的增加，码流的同步控制也成为一大瓶颈；目前采用这种交换方式的系统交换容量一般小于32G，并且一般都是有阻塞的系统。这种交换形式在一些老机型上仍有使用，新的系统不会采用这种交换形式。这种交换形式将逐渐被淘汰。

环形交换实质上仍然是一种总线交换方式，改进点就是将总线移到了芯片中，而不是在背板上；
带宽有所提高，但是没有根本改善；采用这种交换方式的系统容量在32G-64G之间，一般来讲都是有阻塞的系统；这种交换形式也将逐渐被淘汰。

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，同时依赖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容易实现，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，所以这种交换机如果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网络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,中央内存的价格变得很高。交换引擎会成为性能实现的瓶颈。

<span style="font-size: 18pt">**4、Crossbar（交换矩阵）＋共享内存**</span>

随着网络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网络核心交换机的首选。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。
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，从而更加容易保证大容量交换机的稳定性;
其次，CrossBar内部无阻塞（相对的）。一个CrossBar，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年以后出现的网络核心交换机基本上都选择了CrossBar结构的ASIC（一种为专门目的而设计的集成电路)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。

<span style="font-size: 18pt">**5、分布式Crossbar（CLOS）**</span>

传统的园区网交换机一般采用“Crossbar+共享缓存”的交换架构，引擎板继承担控制平面的工作，同时也承担数据转发平面的工作，跨槽位的流量转发报文需要经背板到引擎板的Crossbar芯片进行转发。这种架构限制了设备的可靠性和性能： 可靠性限制：引擎需要承接数据转发平面的工作，因此在引擎出现主备倒换时必然会出现丢包。此外引擎1＋1冗余，也使得Crossbar交换网只能是1＋1的冗余，冗余能力无法做的更高。 性能限制：受制于业界当前Crossbar芯片的工艺以及引擎PCB板卡布线等制造工艺，将Crossbar交换网与CPU主控单元集中在一块引擎板上的结构，一般单块引擎的交换容量不可能做的太高（一般约1TB左右)。 数据中心级交换机产品将控制平面与转发平面物理分离，一般有独立的引擎板和交换网板，同时采用CLOS多级交换架构，大大提高设备的可靠性及性能。分布式Crossbar设计中，CPU也采用了分布式设计。设备主控板上的主CPU负责整机控制调度、路由表学习和下发;业务板从CPU主要负责本地查表、业务板状态维护工作。这就实现了分布式路由计算和分布式路由表查询，大大缓解主控板的压力，提高了交换机转发效率，这也是业务板本地转发能够提高效率的重要原因。这种分布式Crossbar、分布式交换的设计理念是核心网络设备设计的发展方向，保证了现在的网络核心能支撑未来海量的数据交换和灵活的多业务支持的需求。

<span style="background-color: LightPink; font-size: 20pt">**三、 主控单板、交换网板（数据交换从主控分离出来）、接口单板、背板的介绍**</span>

主控单板、交换网板、接口单板是华为的名称，其他品牌各有自己的名称，如思科的名称是、管理引擎、交换矩阵、线卡，虽然名称不一样但是都是同类部件，这些概念都是针对框式交换机，即机框+可插拔板卡形式的交换机。

是机框背部内侧的一块板子，背板是框式交换机用于连接引擎、交换矩阵、线卡、风扇、电源等的PCB板，类似计算机的主板(显卡、声卡等都插入主板)，提供插卡的供电、数据、管理、控制平面的各种通道。背板技术每家又大不相同，华为的主控单板、交换网板、接口板都插在同一侧属于平行结构，而思科等交换机品牌最大的特点就是业务线卡和交换矩阵采用了正交硬件架构技术，正交架构最大的特点就是业务线卡和交换矩阵通过背板90°直接连接。相对于传统的无源铜背板技术，正交硬件架构大大缩短了业务线卡与交换矩阵卡之间的高速信号传输距离，为交换机的高速信号稳定传输提供了硬件架构基础。现在的交换机，为了提高背板器件可用性，一般不会在背板上设计芯片，而全部是硬件链路，将器件故障率降低。

提供设备的管理和控制功能以及数据平面的协议处理功能，负责处理各种通信协议；作为用户操作的代理，根据用户的操作指令来管理系统、监视性能，并向用户反馈设备运行情况；对接口板、交换模块、风扇、电源进行监控和维护。

主要是负责跨接口单板卡之间的数据转发交换，负责各接口板之间报文的交换、分发、调度、控制等功能。通常交换单元采用高性能的ASIC芯片，提供线速转发。从接口单板A到接口单板B的数据转发路径是接口单板A->背板->交换网板->背板->接口单板B。交换网板上一般会有一个或者多个交换芯片，交换机芯片通过交换网板内部链路、背板与各个接口单板相连，提供接口单板之间的数据交换。

也称为接口单元或业务处理板，提供业务传输的外部物理接口，完成报文接收和发送。对于分布式系统，承担部分协议处理和交换/路由功能。

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