新型骨干數據交換機的結構特點
2019-11-03 10:15:45
供稿：網友
□ 中國建設銀行北京分行 陸明 徐川零
近年來，隨著技術的不斷發展， 語音、數據、視頻的融合逐漸成為趨勢，傳統數據網絡的概念發生了變化， 面對迅速增加的信息， 如何保證信息的高速，可靠傳輸是擺在每一個電信運營商面前的難題。
縱觀當今數據網的應用，骨干數據交換機在技術上的最大挑戰就是高速交換能力。而這一能力主要表現在交換機的背板（BACKPLANE）技術上。背板提供了數據從一個端口到達另一端口的通道及隊列（QUEUE）機制，傳統的背板技術采取的是共享模式，也就是所有接口卡共享一組互為備份的總線（BUS），這種結構來源于計算機，它的設計比較簡單且容易實現，但缺點非常明顯，當來自所有端口的數據總和超過總線容量（BANDWIDTH）時，很快就能把緩存耗盡，最終出現數據丟失。同時BUS的容量因受電子技術的限制不可能無限度增加，一般認為最高在20Gbit/s左右，這種速度支持少量百兆以太網還可以，對付動輒就是每端口2.4Gbit/s的高速網絡交換機就顯得很不夠了。為解決這個問題，新型骨干交換機普遍采用了交換型背板（SWITCH BACKPLANE）技術，其中很有代表性的一種采取了矩陣交換（CROSSBAR SWITCH）技術（如圖1），它可最大限度的保證端口之間的并行數據交換。同時，一般這種交換機會有一條專用的控制總線，用于交換機內部的管理以減小對背板的打擾，背板的數據交換功能由一種叫交換引擎（FABIC）的板卡提供，總體來說背板的能力隨著交換引擎數量的增多而提高，每塊接口卡與多個交換引擎同時連接，這種結構在正常情況提高了接口卡的數據吞吐量，當一個交換引擎發生故障時，可提供備份。
交換機內部接口卡與交換引擎之間是點對點（POINT TO POINT）連接，CMOS技術已使這個連接的速率達到1Gbit/s，在將來更可以達到4-10Gbit/s，假設一個有8個接口卡的交換機，每個接口卡與4個交換引擎連接，則整個機箱的處理能力可達到32Gbit/s（1Gbit/s×4×8）。
當今高性能骨干數據交換機內部都是以固定長度單元（CELLS）進行背板數據交換的，因為CELLS有固定的長度再結合時間片（TIME SLOT）概念使每一個時間片結束時，入口（INPUT）隊列和出口（OUTPUT）隊列同時達到空閑，這將極大的提高交換機效率。 基于矩陣（CROSSBAR）交換技術的數據交換機需要解決的一個問題叫“HOL”（HEAD OF LINE）阻塞，這種現象是由于FIFO（先進先出）隊列機制造成的，FIFO首先處理的是在隊列中最靠前的數據，而這時隊列后面的數據對應的出口緩存可能已空閑，但因為得不到時間片，隊列中靠后的數據不能被背板交換出去，造成整個交換機吞吐量的下降(一般可下降40%)，這就如同你在只有一條行車線的馬路上右轉，但你前面有直行車，雖然這時右行線已空閑，但你也只能等待。 解決這個問題的方法是增加一種叫虛擬輸出隊列（VOQ）的機制，即在輸入緩存隊列中為每一個輸出緩存單獨建立FIFO機制。 在時間片到來時，輸入緩存中的數據可直接進入輸出緩存。 這將使交換機背板的能力接近理論值。
高速數據交換所面臨的第二個挑戰就是中央處理器（CPU）的處理能力，因為受單個CPU處理能力的限制，當今的交換機早已放棄依靠單一CPU承擔所有工作的傳統工作模式，現在的交換機使用了大量的專用芯片（ASIC），這些ASIC芯片完成的工作包括數據的拆裝及重組，數據包標記重置，數據包的過濾等。 新型交換機的中央CPU一般只負責路由表的維護及向各接口卡分發路由表的“快照”，在有些公司設計的交換機中所有接口卡都有RISC芯片，其內部的緩存可達幾十兆乃至幾百兆可保留完整路由表，如果整個機箱沒有路由變化的話，數據的路由選擇可直接由接口卡完成。 由于新型數據交換機改進了背板技術, 使用了大量ASIC芯片，使其處理能力發生了驚人的變化，一般可達幾十兆或上百兆包/每秒的能力，而傳統設備的這個指標只能達到1兆包/每秒。
高速數據交換所面臨的第三個挑戰就是接口卡的種類及端口數量（密度），接口卡可按多種方式來歸類，如用于廣域網的接口卡有ATM卡，POS卡，T1/E1，T3/E3等；用于局域網的卡有百兆位以太網卡，千兆位以太網卡，十兆位/百兆位自適應以太網卡等，每種接口卡不僅有標稱的速率，是否支持光纖的區別，同時有些接口卡還支持特殊的長距離傳輸，有些接口卡可為用戶提供通道化應用的能力（channelized）。 新型交換機在努力向用戶提供更高速率的接口卡的同時，接口卡上端口的數量也成為相互競爭的重要指標，在這方面用戶不僅要求端口數量越多越好，還要求有方便的端口類型組合，如多數廣域網端口加上少量局域網端口的接口卡就會受到電信運營商的喜愛，而多數局域網端口加上少量高速廣域網端口的接口卡則被企業用戶所青睞，總之好的端口組合可節省用戶投資。 但在選擇接口卡時，必須考慮背板的處理能力，如要求每個端口為全線速工作，則最好保證整個交換機的端口線速率小于背板的交換能力，同時只依靠中心CPU的交換機是不能保證端口的全線速的。
高速數據交換所面臨的最后一個挑戰就是可靠性。 我們常看到某某設備支持99.99%的可靠性，這意味著該設備一年只能出現5分鐘的故障，為了實現這個目標，新型骨干交換機一般都會提供冗余電扇、冗余電源及冗余的交換引擎（FABRIC），其中要實現電源冗余應注意計算交換機內板卡實際的用電量，不能簡單的認為多個電源就可以實現電源冗余。 同時，是否支持板級的在線插撥也是必須考查的因素，但一般來說，交換機只允許在線（帶電）更換完全相同類型的模塊，否則系統需要重起。
總之，新型骨干數據交換機的結構決定了它的特殊地位，在選擇時，應特別注意其背板技術和ASIC芯片的使用，這將是決定整個交換機能力的最重要的物質基礎，其次，整個設備的模塊化也是非常重要的，它將最終保證整個設備的可靠性。
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