模块化的千兆交换机

2019-11-05 02:10:25

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供稿：网友

随着企业网络化应用的发展，人们已经不满足于100兆的桌面网络速度。很多人在寻找更快速的局域网连接技术，使用千兆以太网或者更快的万兆技术。

这样的变化不仅仅是发生在园区网的骨干，也同样发生在每一个配线间中，企业的IT治理人员希望能为每一个桌面用户提供10倍于以前的网络连接。

选择有很多种理由，了解是选择的基础。您了解千兆以太网交换机吗？在本期交换机专刊中，我们选择了这样一个命题，希望能带您走进千兆交换机的内部，看看它是怎样工作、怎样构成的，为什么能有如此不同，等等。随着这些问题的解决，您选择产品的基础会更雄厚。

设备制造商们在设计交换机时，通常需要通过不同的设置项来满足客户的需求，这些需求通常包括以下几个方面：

1. 可以堆叠以得到充分的可扩展性；

2. 可以通过机框结构得到弹性的骨干扩展能力；

3. 可以和服务器设备集成，以达到计算和网络的集成；

4. 中小型企业会要求固定端口或者说可独立工作的交换机；

5. 对于没有IT部门的小公司，非治理型设备会更受欢迎。

另外还有一些其他需求，如降低设计、生产和装配成本。这些需求很多是相互矛盾的，但是它们又是真实存在的。满足它们的方法是通过不同种类的交换机产品来实现，而不断进步的半导体技术使得交换机的设计和制造进入了高度模块化和集成化阶段，为设计不同种类的交换机提供了技术上的便捷。下面，我们就不同类型的交换机逐一展示其设计原理和体系结构，帮您判定什么样的交换机才是您真正需要的。

可堆叠交换机

这些交换机往往用于连接用户到高速的园区网骨干。通常，它们有一些所谓的高速“用户”端口，并且具有很强的可扩展性。当数据从这些端口汇总上来时，会从更高速的数据上联通路传递出去，以实现和中心服务器、ip PBX等设备的数据交互。可堆叠交换机通常会放置在企业的配线间或者机房中，它能适应增长中的网络。假如有新的用户加入到网络中，治理员只需简单地在原来的设备上面放置一台新的设备，然后通过一个外部的“堆叠”接口将所有的交换机连接起来。事实上，这就像您自己又开发了一台新的、更大的交换机一样，可以方便地和原先的交换机一起治理，只是容量增大了。

有一个高速的堆叠端口是可堆叠交换机的基本特征。

机框式交换机

这种类型的交换机应用于高性能的网络骨干层。该系统有很多插槽，可以用来接插很多冗余的网络接口卡，包括系统总线、电源、安全模块等。整个系统能被设置成高冗余性的系统，在出现不可控的灾难或故障时仍能提供可用的网络服务。性能是机框式设备的重要考量指标，但是更重要的是系统的高可靠性和高可用性。它的故障率通常被要求在平均每年的停机检修时间不超过5分钟。

假如将图2的可堆叠交换机上联堆叠端口连接一个具有更大交换容量交换阵列芯片的交换背板，加上冗余的电源和治理模块设计，就构成了一台核心的机框式交换机。高速交换阵列芯片结构如图3所示。

集成数据服务器的交换机

这种交换机也可以称之为集成交换机的应用服务器。我们通常提到的刀片服务器就属于这类产品，它们通过高速的数据通道和刀片服务器的机框相连，而刀片服务器的机框就像这样一台交换机。刀片服务器的交换背板通常都是千兆级的，它答应服务器之间以极高的速度互连，这使高速的、分布式计算成为可能，而这些正是网络计算的发展方向。

和机框式交换机一样，刀片服务器的背板同样是一块高速背板，它可以看做一台交换机。图4是一种可用于刀片服务器背板的交换芯片，它同样可用于普通的独立或者可堆叠交换机的设计。

独立（固定端口）交换机

这是最常见的交换机，它为成长型企业提供了廉价的网络解决方案。该系统有着固定的接口（不能扩展），当企业成长需要扩大交换机端口数时，网络治理员必须再购买一些交换机。

总的说来，交换机的构成和一台普通的计算机很相似。交换机有自己的CPU、内存、外部存储器Flash（功能上类似计算机的硬盘）、启动存储器（类似于计算机的BIOS）以及重要的交换芯片和网络接口芯片（类似于计算机中的网卡）。如图5所示。

与普通计算机不同的是，网络接口芯片收到数据后，大部分就通过交换芯片执行存储和转发操作，并不经过系统的CPU，上文提到的独立（固定端口）交换机和非治理型交换机就是这样的结构。
所不同的是，独立（固定端口）交换机只是在端口扩展性上略输于更高级的交换机，但是根据设计的不同，在系统中可以使用很高级的CPU和大量的内存。这样多层交换机可以用系统的CPU来处理诸如路由、网络安全等策略，实现高级的网络应用。很多交换机使用了通用的CPU，当然不是我们常见的Intel，而是像摩托罗拉MPC8245或者MIPS等RISC芯片。

图5中BCM5464是一块4端口的千兆位电信号收发器，具有集成铜线/光纤媒质接口。这就是我们所谓的网络接口芯片，它需要和光纤或者铜线的物理层定义设备（PHY）一同工作，构成以太网原始信号的收发接口。然后，它向上和一个12端口的千兆位交换芯片连接，三片BCM5464所传递上来的12路千兆信号在交换芯片BCM5691中完成交换，在交换芯片中，会建立对应的MAC学习机制和映射表，再通过相应的BCM5464转发到目的端口。

对于不可治理型的交换机，因为需求更简单，所以在设计时可以使用更少的内存和更低能耗、更低成本的CPU，常见的有ARM内核的各种CPU。这种简单的设计只是起到启动系统，将简单控制指令下载到交换芯片的作用，无法完成高层次的交换。

结语

网络产品的研发人员和供货商设计一套成熟稳定的网络设备是需要很大投入的，他们都希望在设计的过程中把握核心技术和能力，以最快的速度推出产品。正是基于这样的需求，网络设备的半导体芯片厂商已经将交换机芯片设计成模块化方式，不论是开发一台简单的交换机，还是最尖端的核心路由交换机，其设计思路都会像小时后玩的拼图游戏一样简单。网络设备芯片供给商Broadcom公司副总裁Ford Tamer博士说：“相对于竞争对手，Broadcom芯片方案的优势就在于低成本和高性能。”

记者对作为交换芯片市场领导者的Broadcom公司的这番言论开始很感意外，但是又很快明白: 靠技术优势推出更简化和更贴近市场的芯片，靠规模优势降低成本，这正是国际领袖企业的生存之道。

模块化设计意味着更多优秀的产品可以很快地进入市场，同时也意味着竞争已经从产品本身向上转移到产品核心构建（building blocks）的技术竞争上，因此中国厂商具有更多的机会。我们期待着中国厂商有所作为。

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