華為3Com 王愛農(nóng)

S8500萬兆核心交換機是由華為3Com公司自主開發(fā)的新一代高性能萬兆核心路由交換機產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于運營商ip城域網(wǎng)核心層、匯聚層、園區(qū)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)核心層，為新一代網(wǎng)絡(luò)提供強勁動力。S8500基于10G平臺設(shè)計，并在國內(nèi)廠商中率先提供10GE接口，能夠為城域網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心提供超高速鏈路，構(gòu)建端到端以太網(wǎng)，打造低成本、高性能、具有豐富業(yè)務(wù)支持能力的網(wǎng)絡(luò)。

S8500系列核心路由交換機包括提供5個業(yè)務(wù)槽位的S8505和12個業(yè)務(wù)槽位的S8512，S8505和S8512的唯一區(qū)別就是容量不同，各種業(yè)務(wù)特性完全一致，各種單板完全兼容。圖1為外觀圖，表1為主要性能指標(biāo)。

圖1 S8500外觀

表1 S8500主要性能指標(biāo)

S8500采用業(yè)界最新技術(shù)，將ASIC技術(shù)和NP技術(shù)有機融合起來，具有靈活高效的業(yè)務(wù)提供能力、平滑升級能力、完善的QoS控制機制、高可靠性，最低成本網(wǎng)絡(luò)方案等特性。本文簡要介紹S8500體系架構(gòu)的特點。

一、  業(yè)界領(lǐng)先的交換網(wǎng)絡(luò)。

從高端交換機，高端路由器的發(fā)展來看，共出現(xiàn)了3種交換網(wǎng)絡(luò)形式。第一種是總線交換，第二種是環(huán)形交換，第三種是共享內(nèi)存交換，第四種是Crossbar交換。

1、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(jìn)行各線卡之間的數(shù)據(jù)傳遞，各線卡分時占用背板總線。主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)和技術(shù)比較簡單，突出缺點是交換容量受背板總線帶寬限制，無法構(gòu)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，因此這種交換形式將逐漸被淘汰。如圖2。

圖2 共享總線

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(jìn)點就是將總線移到了芯片中，而不是在背板上。如圖3所示：

圖3 環(huán)形交換

優(yōu)點是帶寬有所提高，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)存交換。共享內(nèi)存交換與上述兩種交換方式有本質(zhì)不同，是一種全新的交換方式。這種方式的特點就是實現(xiàn)簡單，方便可靠，成本低廉，缺點就是受內(nèi)存速度的限制無法支持大容量交換，交換容量一般在20G－80G，交換時延一般比較大。因此這種交換方式適合應(yīng)用于小容量設(shè)備和大容量設(shè)備的線卡內(nèi)部交換。如圖4。

圖4 共享內(nèi)存

4、Crossbar交換。這種交換結(jié)構(gòu)是業(yè)界公認(rèn)的用于構(gòu)建大容量系統(tǒng)的首選交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。前面三種交換結(jié)構(gòu)都是某種程度上的共享帶寬，背板交換共享背板總線帶寬，環(huán)形交換共享環(huán)形總線帶寬，共享內(nèi)存交換共享RAM帶寬。而Crossbar結(jié)構(gòu)的交換網(wǎng)完全突破了這種限制，在交換網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部沒有帶寬的瓶頸，既不會因為帶寬資源不夠而產(chǎn)生阻塞。Crossbar結(jié)構(gòu)的交換網(wǎng)采用了一種矩陣結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了無阻塞交換，如圖5所示。

圖5 Crossbar交換

大家從圖中可以看出，Crossbar交換網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)平面沒有任何瓶頸。這正是因為Crossbar引入了交換矩陣這種新的交換方式，摒棄了共享帶寬的交換方式，在數(shù)據(jù)交換方式上是一種革命性的變化。Crossbar交換網(wǎng)的擴展能力非常強，交換容量可以做的很大，基本不受硬件條件限制，目前單顆芯片交換容量在256G－700G之間，多顆芯片可以構(gòu)建T級乃至幾T容量的大型交換網(wǎng)絡(luò)，足以滿足當(dāng)前和未來幾年網(wǎng)絡(luò)對交換容量的需求，并且隨著硬件集成技術(shù)的進(jìn)步，單顆Crossbar芯片支持的容量會更大。Crossbar交換結(jié)構(gòu)的大容量和強大的擴容能力正是高端設(shè)備首選這種結(jié)構(gòu)的原因，這種交換結(jié)構(gòu)極大的提高了高端設(shè)備的容量和未來的擴展能力。并且Crossbar交換結(jié)構(gòu)具有良好的QoS保障機制，如仲裁，低時延，按端口按優(yōu)先級的流控功能。值得一提的是與共享緩存相比，Crossbar的交換時延幾乎可以忽略不計。

5、S8500采用了Crossbar交換矩陣做為核心交換網(wǎng)，使整機交換容量達(dá)到720G，并且具有可平滑擴容到1.44T, 乃至2.88T的能力。線卡內(nèi)部采用Crossbar和共享緩存相結(jié)合的交換結(jié)構(gòu)，Crossbar使線卡容量具有良好的可擴展性，共享緩存提高了系統(tǒng)吸收突發(fā)的能力，從而可以平滑網(wǎng)絡(luò)流量，減少因突發(fā)引起的數(shù)據(jù)丟失。如圖6。

圖6 S8500交換體系架構(gòu)

S8500交換網(wǎng)絡(luò)支持復(fù)雜的流控反壓機制，從任何一個交換網(wǎng)端口到另外任何一個交換網(wǎng)端口有多達(dá)8個VoQ隊列，可有效的避免頭阻塞，避免系統(tǒng)因局部阻塞導(dǎo)致的整個系統(tǒng)阻塞，并且可以保證優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)得到優(yōu)先處理，提高整個系統(tǒng)的QoS指標(biāo)。S8500交換網(wǎng)基于可變長度Cell交換，Cell的長度范圍是4－64字節(jié)。Cell交換與Packet交換相比，因為Cell的長度遠(yuǎn)小于Packet，所以Cell交換能以更小的粒度減小數(shù)據(jù)流的抖動，提高系統(tǒng)流量的均勻性，從而提高系統(tǒng)的QoS，同時避免了短包等長包的現(xiàn)象。一般基于Cell的交換網(wǎng)都是定長交換，這種交換會產(chǎn)生N+1問題。例如：某系統(tǒng)Cell長度為64字節(jié)，有一個數(shù)據(jù)包長度為65字節(jié)，因為Cell為定長，所以這個數(shù)據(jù)包會被拆分成2個64字節(jié)的Cell，這樣長度變成了2x64＝128字節(jié)，與原數(shù)據(jù)包長度65字節(jié)相比，幾乎長了一倍，這就是所謂的N+1問題。N+1問題會浪費帶寬，極限情況下幾乎浪費一半帶寬，就象上述的例子。而S8500通過采用變長Cell技術(shù)巧妙的解決了這個問題。在S8500交換網(wǎng)絡(luò)中，Cell的長度的范圍是4－64字節(jié)，變化的粒度是4字節(jié)，既Cell的長度可以是4、8、12、16 …… 64字節(jié)。例如，一個長度為262字節(jié)的數(shù)據(jù)包會被拆分成5個Cell，Cell0＝Cell1＝Cell2＝Cell3＝64字節(jié)，Cell4＝8字節(jié)。因此最后一個Cell可以根據(jù)實際情況選擇最佳長度，這樣就有效避免了N+1問題。

因此S8500的交換體系架構(gòu)是以Crossbar為核心，以共享緩存為補充的三級分布式交換網(wǎng)絡(luò)。這種體系架構(gòu)使S8500具有大容量、高性能、高可靠性等特點，具有優(yōu)良的擴展能力。

二、 平滑升級能力

S8500在設(shè)計上充分考慮了未來的平滑升級能力。S8500采用了業(yè)界擴展性最好的Crossbar交換網(wǎng)，這種交換網(wǎng)具有天然的可擴展性，另外在系統(tǒng)設(shè)計上為將來容量升級預(yù)留了充足的資源。S8500的背板帶寬是按3.6T設(shè)計的，可以在不更換背板的情況下保證系統(tǒng)交換容量從720G升級到1.44T再到2.88T。系統(tǒng)設(shè)計充分考慮了向下兼容能力，所有老的線卡都可以在升級后的系統(tǒng)中工作。所以在容量升級過程中，只需要更換交換網(wǎng)板，而且在升級過程中可以保證不中斷業(yè)務(wù)：先將備用網(wǎng)板換下，然后更換主用網(wǎng)板。升級后的系統(tǒng)支持大容量線卡和所有老線卡。

1、從720G升級到1.44T

目前S8500支持720G交換容量，但是背板已經(jīng)預(yù)留了足夠的線路資源支持系統(tǒng)升級的1.44T。升級到1.44T必須更換網(wǎng)板，同時啟用背板預(yù)留的線路資源。升級后的網(wǎng)板交換容量擴大一倍，系統(tǒng)支持40G線卡，既可以線速支持48GE線卡，線速支持4x10GE線卡。如圖7所示

圖7  1.44T系統(tǒng)

2、從720G或1.44T升級到2.88T

S8500支持交換容量升級到2.88T，需要做的工作也是僅僅更換大容量交換網(wǎng)板。在系統(tǒng)容量為720G或1.44T時，背板SerDes工作在3.125G。升級到2.88T后，新的交換網(wǎng)板支持SerDes工作到6.25G，因此背板帶寬提高了一倍。升級后的系統(tǒng)支持80G線卡，既可以線速支持8x10GE線卡。應(yīng)該指出的是，升級后的系統(tǒng)兼容所有老的線卡，網(wǎng)板與老線卡之間的SerDes工作在3.125G，與新線卡之間的SerDes工作在6.25G，如圖8所示，紅色SerDes總線工作在6.25G。

圖8 2.88T系統(tǒng)

三、  全分布式業(yè)務(wù)處理模式

S8500的業(yè)務(wù)處理都分布在各線卡上，各線卡協(xié)同工作，分別處理。這種處理模式與集中式處理模式相比，有很大的優(yōu)越性。集中式處理模式一般將業(yè)務(wù)處理放到中心處理板上，線卡只是被動的接收中心處理板的指令，這樣就輕易造成單點故障，并且集中式處理受限于中心處理板的處理能力，一般無法支持大數(shù)據(jù)量的處理。分布式處理有效的避免了集中式處理的缺陷，能更加穩(wěn)定可靠的支持大容量數(shù)據(jù)處理。目前高端設(shè)備基本都采取分布式處理模式，只是分布的程度有所不同。S8500各線卡都包含處理能力強大的Packets Engine，可以線速處理Layer2，IPv4，MPLS/VPN，IPv6等各種數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，無需中心處理板協(xié)助。各線卡都包含一顆高速CPU，可以進(jìn)行部分協(xié)議的處理和預(yù)處理工作，有效的降低了中心處理板的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的處理能力，使整個系統(tǒng)更加健壯和穩(wěn)定。

為提高可靠性，所有核心部件都有備份，雙電源，雙網(wǎng)板，雙主控。

四、 完善的QoS保障機制

QoS保障機制在網(wǎng)絡(luò)運行中是必不可少的。S8500的QoS機制可以平滑突發(fā)，均勻網(wǎng)絡(luò)流量；充分利用帶寬，降低擁塞情況下的丟包率；區(qū)分用戶優(yōu)先級，區(qū)分時延敏感、抖動敏感、丟失敏感業(yè)務(wù)流，進(jìn)行不同處理；控制數(shù)據(jù)流或端口流量；支持實時流量查看和長期流量統(tǒng)計功能，全面了解設(shè)備流量情況。

1、   S8500支持大的數(shù)據(jù)包緩存。對于Ethernet端口，支持6Mbytes/Gbps數(shù)據(jù)包緩存；對于POS端口，支持多達(dá)50Mbytes/Gbps數(shù)據(jù)包緩存。大的數(shù)據(jù)包緩存能有效吸收突發(fā)流量，降低網(wǎng)絡(luò)瞬間擁塞的丟包率，平滑網(wǎng)絡(luò)流量。因此大的數(shù)據(jù)包緩存能力對于整個網(wǎng)絡(luò)的丟包率和流量的改善有重要作用。但是這一點往往被忽視。

2、   S8500每端口支持8個優(yōu)先級隊列，可以區(qū)分不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)。支持SP和WRR兩種調(diào)度算法，用戶可以使用其中之一，也可以將兩者結(jié)合起來使用。調(diào)度算法和隊列治理的結(jié)合使用可以對時延敏感、抖動敏感和丟失敏感業(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分處理。

3、   擁塞避免機制。對設(shè)備而言，網(wǎng)絡(luò)擁塞是不可避免的，網(wǎng)絡(luò)擁塞時丟包也是不可避免的，要害是怎樣處理擁塞，怎樣丟包。S8500支持兩級擁塞避免機制：交換網(wǎng)級和端口級。交換網(wǎng)級擁塞避免機制是保障當(dāng)一塊線卡出現(xiàn)擁塞時，通知其他線卡，其他線卡通過VoQ機制選擇丟棄的數(shù)據(jù)包，同時保障其他流量的正常轉(zhuǎn)發(fā)。端口級擁塞避免是通過端口隊列治理實現(xiàn)端口擁塞時的丟包策略,S8500在端口上支持WRED和Tail Drop兩種丟包算法。因此S8500的擁塞避免機制可以在網(wǎng)絡(luò)擁塞時盡可能少的丟包，丟優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)包。

4、   S8500支持對端口和對流的速率控制功能，可以精確的控制端口和流的實際速率。對每個出端口和每個出端口隊列的流量都可以做shaping，既可以控制出端口和出端口隊列的實際速率。還可以對入端口做CAR，設(shè)定入端口的接入速率。S8500可以控制多達(dá)64K個數(shù)據(jù)流的速率，這個特性可以用來限定用戶的接入速率，可以控制多達(dá)64K個用戶的接入速率，實現(xiàn)帶寬批發(fā)。

5、   S8500支持對端口和流的統(tǒng)計功能。S8500可以實時顯示各端口的流量情況，也可以記錄長達(dá)一周的各端口的流量情況，可用于網(wǎng)絡(luò)治理人員分析網(wǎng)絡(luò)流量情況，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹8500可以支持多達(dá)64K個數(shù)據(jù)流的流量統(tǒng)計，可以用于按時間收費的用戶治理。

五、 靈活的業(yè)務(wù)提供能力。

1、  多種不同規(guī)格線卡。

如前所述，S8500采用了業(yè)界技術(shù)發(fā)展的最新成果，完美的將ASIC技術(shù)和NP技術(shù)融合到一個系統(tǒng)中，使系統(tǒng)具有高性能，低成本的同時，具有靈活的業(yè)務(wù)提供能力。眾所周知，ASIC技術(shù)能帶來數(shù)據(jù)處理的高性能，同時降低成本，但是ASIC不可編程，業(yè)務(wù)提供不靈活，所以ASIC技術(shù)適合固化成熟業(yè)務(wù)，用以提高性能降低成本。NP具有很高的可編程能力，可以根據(jù)需要快速支持新的業(yè)務(wù)應(yīng)用，業(yè)務(wù)提供能力強大，但是，正是因為NP的這種高度靈活性，使NP結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能進(jìn)行高容量的數(shù)據(jù)處理，同時價格昂貴，所以對成熟業(yè)務(wù)來說，采用NP處理并不是一種好的方法。S8500成功的將兩種技術(shù)融合起來，為客戶提供NP線卡和ASIC線卡，客戶可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。不僅如此，S8500對成熟業(yè)務(wù)又進(jìn)行了劃分，分為基本業(yè)務(wù)和擴展業(yè)務(wù)，提供不同規(guī)格的線卡。

S8500有如下幾種線卡：

基本業(yè)務(wù)線卡（ASIC）：支持L2/L3交換，ACL，QoS

MPLS/VPN業(yè)務(wù)線卡(ASIC)：基本業(yè)務(wù)線卡規(guī)格，MPLS/VPN

IPv6業(yè)務(wù)線卡(ASIC)：基本業(yè)務(wù)線卡規(guī)格，IPv6

NP業(yè)務(wù)線卡(NP)：上述所有規(guī)格，其他業(yè)務(wù)（NAT/NAPT,Webswith…）

將所有規(guī)格都放到同一種線卡上，使成本高昂，對只需要基本業(yè)務(wù)的客戶來說，得不償失。即使對同一客戶，根據(jù)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)位置，需要的業(yè)務(wù)規(guī)格也是不同的。因此S8500給了客戶更大的選擇空間，客戶可以根據(jù)自己的網(wǎng)絡(luò)情況和業(yè)務(wù)發(fā)展情況選擇不同的線卡，如初期可以選擇基本業(yè)務(wù)線卡，當(dāng)需要提供某種業(yè)務(wù)時再選配其他高性能線卡。真正做到了按需選擇，節(jié)省建網(wǎng)成本。

2、   靈活的業(yè)務(wù)提供模式。

S8500支持3種業(yè)務(wù)處理模式，集中式、虛擬機、分布式。下面以MPLS特性為例進(jìn)行描述。

A、                 集中式業(yè)務(wù)處理模式

顧名思義，集中式業(yè)務(wù)處理就是將需要某種業(yè)務(wù)處理的數(shù)據(jù)流定向到能處理這種業(yè)務(wù)的處理單元去處理。如圖9，一個需要進(jìn)行MPLS處理的數(shù)據(jù)流從普通業(yè)務(wù)板進(jìn)入系統(tǒng)，通過配置某種規(guī)則，將這個數(shù)據(jù)流重定向的MPLS處理板進(jìn)行處理，處理完畢后，MPLS處理板將這個流轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口送出系統(tǒng)。在這種模式下，MPLS處理板沒有對外端口。這種模式適用于業(yè)務(wù)開展初期，業(yè)務(wù)量比較小的情況下。

圖9 集中式業(yè)務(wù)處理模式

B、                 虛擬機業(yè)務(wù)處理模式

見圖10。在虛擬機業(yè)務(wù)處理模式中，你可以將整個系統(tǒng)理解成兩臺設(shè)備，一臺只能處理基本業(yè)務(wù)，另一臺只能處理MPLS業(yè)務(wù)。兩臺設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流傳送可以通過外部端口，也可以通過內(nèi)部交換網(wǎng)（圖中為便于理解，表示的是通過外部端口互聯(lián)）。需要MPLS處理的數(shù)據(jù)流通過互聯(lián)端口進(jìn)入虛擬MPLS交換機。這種模式適合于業(yè)務(wù)量比較大的應(yīng)用。

圖10 虛擬機業(yè)務(wù)處理模式

C、                 分布式業(yè)務(wù)處理模式

見圖11。所有的線卡都線速支持MPLS業(yè)務(wù)，同時也線速支持基本業(yè)務(wù)特性，因此叫分布式業(yè)務(wù)處理模式。

圖11 分布式業(yè)務(wù)處理模式

3、  豐富的業(yè)務(wù)接口

S8500支持多種業(yè)務(wù)接口。

支持所有類型的Ethernet接口：FE/GE/10GE。

支持豐富的WAN接口：OC-3c，OC-48c，OC-192c，2.5G RPR，10G RPR

由上面的介紹可以知道，S8500系列產(chǎn)品的體系架構(gòu)充分考慮了各種因素，融合了當(dāng)今業(yè)界最先進(jìn)的技術(shù)：交換網(wǎng)、ASIC、NP等，為客戶提供了一種高性能、大容量、多業(yè)務(wù)、成本可控的解決方案，同時在體系架構(gòu)的設(shè)計過程中充分考慮了客戶網(wǎng)絡(luò)的多樣性和業(yè)務(wù)的多樣性，使S8500產(chǎn)品適用于多種應(yīng)用場合。S8512可以用于城域網(wǎng)骨干，行業(yè)網(wǎng)骨干，大型企業(yè)網(wǎng)骨干，大型校園網(wǎng)骨干，數(shù)據(jù)中心等等，S8505可以用于城域網(wǎng)匯聚，中小型企業(yè)網(wǎng)骨干，中小型校園網(wǎng)骨干，智能化小區(qū)，數(shù)據(jù)中心等。而且S8500體系架構(gòu)充分考慮了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要，可以平滑升級到2.88T，NP可以靈活的適應(yīng)未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，完全可以滿足未來5－10年的網(wǎng)絡(luò)需求。正是因為S8500的這些特色，我們相信S8500將成為網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主力軍，為客戶的網(wǎng)絡(luò)提供源源不斷的動力。