核心交换机设计中的发展方向

2019-11-05 01:47:48

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供稿：网友

Buffered Crossbar

　　Crossbar背板由于为每个线卡提供独立的带宽连接，多个线卡可以并行收发数据，克服前二代背板分时处理数据的效率影响，因此大量地应用于现代高端交换机的设计中，组成非阻塞系统。根据Crossbar芯片内部的每一个交叉点是否拥有Buffer缓存，Crossbar芯片分为Bufferless Crossbar和Buffered Crossbar。

　　Bufferless Crossbar（无缓存Crossbar）采用集中调度，由于每个交叉点没有Buffer，数据转发需要入口和出口线卡直接端到端连接，假如直接处理变长数据包，将因极其复杂的调度和部分线卡的某些VOQ（Virtual Output Queues）队列始终无法得到服务而产生严重的延迟或丢包，因此，商用的Bufferless Crossbar都只能处理固定长度的数据包（信元），当处理实际网络环境中长度不一的各种变长数据包时，Crossbar需要对这些数据包进行信元分割，信元通过Crossbar交换以后，在出口处进行重新的组装。包分割和组装带来了巨大的损耗，严重影响了Crossbar芯片的速率。为了提高Crossbar芯片的效率，避免无谓的损耗，最新的Crossbar芯片支持在每个交叉点加入小容量的Buffer，称为Buffered Crossbar（缓存Crossbar）。

　　在Buffered Crossbar的工作机制里，调度是由每个交叉点的缓存独立决定的，形成“分布式调度”，每个VOQ队列都尽力发送数据，如图所示，2、3都同时发送数据到C（发送到交叉点的Buffer里），而1在发送给C的数据还没有被完全处理完之前已经发送数据给A，在交叉点没有空闲缓存时才通过背压流控方式间接地调整VOQ不再发送数据。调度变得非常简单，不需要判定每个线卡的VOQ，不需要配置整个系统的所有“输出输入线卡对”，不会带来Crossbar的调度损耗。

　　 LPM+HDR

　　在传统的交换机工作模式中，对数据三层转发采用“一次路由、多次交换”的方式，即每种数据流的第一个数据包采用CPU软件实现路由，然后交换机把数据三层转发需要的相关信息表项下载到ASIC芯片，该数据流的后续数据包通过ASIC芯片进行精确匹配（每种流一个表项）。因此，在传统的交换机工作模式下，存在的缺点可以通过LPM+HDR技术得到很好解决。

　　最长匹配（LPM）三层交换技术是面向提高非主机路由效率而设计的，LPM技术支持在没有第一次CPU参与路由的情况下，交换机把直连路由、静态路由等都直接自动下载到硬件路由转发表，并且支持一个网段目的ip地址使用一条硬件转发路由表项，而不明目的网段IP地址的数据包（例如病毒和攻击行为数据包）直接通过缺省路由转发。因此，LPM技术的优点是在处理非主机路由时不占用任何CPU资源，同时极大地节约存储空间，避免了存储空间溢出问题，即使在病毒和攻击网络环境下依然可以良好地运行。

　　而主机直接路由（HDR）支持主机路由表在没有第一次CPU参与路由的情况下，在ARP协议运行过程中直接自动把主机路由表下载到硬件路由转发表，从而不占用CPU资源，避免了“一次路由、多次交换”的效率影响。

　　采用LPM+HDR相结合的硬件路由方式极大地提高了交换机的路由效率，并且不需要CPU的参与以及尽量少的存储空间消耗，在大型网络、应用繁多、病毒和攻击网络下都可以正常地高效运行。