路由器硬件基础知识–交换网

一、相关术语

术语	解释
背板容量	背板是路由器内部各单元互联的重要部件。背板容量是路由器背板上业务槽位到交换单元的数据总线带宽的总和，它通常大于依据路由器吞吐量和实际性能测试所得到的容量。
交换网容量	交换网容量是指路由器交换网单元能够处理的最大容量。对于无阻塞的交换网，它等于交换网所有端口的容量之和；对于多平面的交换网，交换网的容量等于各个交换网平面的交换容量之和。
加速比	加速比（用S表示）是一个衡量交换网性能的重要指标，加速比大的交换网，因其内部阻塞或出口阻塞的概率小，性能一般会更好，对系统的多播性能和QoS支持会更好。（并非绝对，可能是因为交换算法做得太简单，需要用较大的加速比来平衡。）
备份方式	为提高路由器的可靠性，需要考虑交换网的冗余保护功能。常见的备份方式有主备保护方式（Master-Slave）和负载分担保护（Load Balanced）方式。
主备保护方式	主备保护方式是指，主用交换网进行正常的流量交换，备用交换网不进行流量交换。一旦系统检测到主用交换网出现故障，会将该故障交换网降为备用交换网，同时原备用交换网升级为主用交换网，继续进行业务交换。
负载分担保护方式	负载分担保护方式是指，系统中的所有交换网都同时工作，当有任意一个出现故障时，系统自动将它的流量平均分配给其他交换网，保证系统性能不受影响。
交换网吞吐量	交换网吞吐率是衡量交换网每秒处理的报文的能力，对于定长交换的交换网（Cell-based）是指每秒处理的定长信元数，对于变长交换的交换网（Packet-based）是每秒处理的数据包数，单位为Mpps。
交换网延时	交换网的延时是指从向交换网申请数据交换到目的端口输出数据之间的时间间隔，包括数据包等待进入交换网的时间和交换网转发数据时间之和。
交换网扩展性	交换网的端口数，一般以N×M表示，N为输入端口数，M为输出端口数。一般来说，在路由器的交换网中，N=M。
反压	反压是一种流控（Flow control）方式，即常说的单向流控，主要用于缓解拥塞持续恶化，从而减轻，直至解除拥塞。当A、B两个端口通信时，如果A端口发现自身接收缓冲区拥塞，A端口会把一个特殊的数据帧（即反压帧）发送给B端口。B端口收到反压帧后会停止向A端口发送数据，直到A端口接受缓冲区无阻塞。

二、相关计算

背板容量=所有LPU槽位与所有SFU槽位之间互联的Serdes数量×每路Serdes的速率

整机交换网容量=交换网端口总数×每路Serdes的速率×Serdes编码效率=背板容量×Serdes编码效率

S =(交换网接口带宽)/(物理接口带宽)=(交换网Serdes数量×Serdes速度×Serdes编码效率)/(物理端口数量×物理端口速度)

三、交换网的分类

常见的分类方式为：根据上送交换网的报文类型分类（可分为信元交换和包交换，又称定长交换和变长交换）、根据缓存所处交换网的位置分类（可分为输出排队OQ、输入排队IQ、输入输出相结合排队CIOQ）、根据数据交换次数分类（可分为单级交换网和多级交换网）、根据数据通过交换网的方式分类（可分为直通式交换网和存储转发式交换网）。

1、根据上送交换网的报文类型分类

• 信元交换

  采用和ATM交换类似的方式，数据在进入交换网之前被切割成定长的信元，加上一定的信元头信息，送到交换网中进行交换。

• 包交换

  直接使用变长的报文进行交换，没有报文分片的操作。一般用于共享内存式的交换，直接使用报文的头，或者添加一定的报文头进入交换网交换，其优点是不需要报文分片和重组，在以太网交换机中得到比较广泛的应用。

2、根据缓存所处交换网的位置分类

• 输出排队OQ

  信元缓存全部放在交换矩阵之后，信元被送到输出端口进行排队，等待输出。输出排队型交换网，要求输出端口的缓存能够处理所有输入同时流向同一输出的突发情况，对缓存的访问带宽有很高的要求。

• 输入排队IQ

  信元缓存全部放在交换矩阵之前, 一旦数据被调度，直接穿过交换网从输出端口输出，输入端口排队有可能因为输入端口始终得不到调度引起端口拥塞，也可能因为前面低优先级的数据得不到调度，引起线头阻塞HOL。

• 输入输出相结合排队CIOQ

  信元缓存部分放在交换矩阵之前，部分放在交换矩阵之后。输入输出相结合的排队方式能够有效地解决对输出缓存带宽要求较高和输入线头阻塞的问题。

3、根据数据交换次数分类

4、根据数据通过交换网的方式分类

• 直通式交换网

  并不等输入端口进来的数据帧接收完成，就开始向输出端口发送数据。理论上，具有较快的转发速率，较低的转发延迟，在端口速率适配、容错性等方面具有缺陷。

• 存储转发式交换网

  将整个数据帧接收完成，进行必要的数据校验之后，才会向输出端口发送数据。存储转发式交换网具有很好的容错性，应用较广泛。

四、交换网发展历程

1、共享总线式交换网（第1代交换网）

共享总线式的交换结构是第一个成功应用的交换结构，。所有的输入、输出端口都连接到一条共享使用的总线上，通过一定的仲裁申请机制，在相同时刻，只允许有一对输入/输出端口利用该总线进行通信。

缺点：在共享总线系统中，无阻塞的交换意味着所有端口的带宽之和必须小于共享总线的带宽，也就是说系统的交换性能受限于共享总线的容量，同时，系统的性能还受限于中央仲裁器（CPU）的处理速度。

2、共享内存式交换网（第2代交换网）

共享内存式的交换结构基于大容量的共享内存，每块内存区域由单独的内存控制器负责存取访问。内存控制器将所控制的内存区域按块分配给不同的端口，将输入端口的数据按照一定的规则存放到内存中，然后通知输出端口将对应内存区域中的数据取走，完成一次数据交换。

3、交叉矩阵式交换网（第3代交换网）

• 单级Crossbar交换网

  单纯的Crossbar是一种简单的空分交换开关，可将N个输入端口与N个输出端口任意互连。作用是根据输入队列的状态，决定每个调度周期输入端口和输出端口间的连接关系，仲裁机构仲裁输入端口对输出端口的访问，根据仲裁结果，控制器打开或关闭交叉点开关。Crossbar还可以实现将一个输入端口和多个输出端口相连，因而很容易实现组播。

  优点：同其他交换结构相比，Crossbar可在一个信元周期内并行传送N个信元，因而有较高的吞吐量。外加电路实现简单，因此在交换网中得到广泛应用。

  缺点：Crossbar交换网随着端口数量的增加，仲裁器的复杂性随之增加。

  

• 多级Crossbar交换网

  多级交换结构是由多个单级交换单元互联起来的，每个交换单元都有一整套输入和输出，与普通矩阵交换类似，提供输入输出的连接。通过互联多个小的交换单元，就可以制造一个大型可扩展的交换结构。

  

  不同的单级交换单元和不同的级联方式，构成了多样的多级交换网络。最常见的是Benes交换网和Clos交换网：

  • Benes交换网

    Benes网络在任意输入端口/输出端口之间提供N/d条可能的通路；提供较好的冗余度，中间交换级可以做到不停机维护。但Benes网络不能保证信元的先后顺序，因此需要额外的报文顺序整合措施。

    

• Clos交换网

  Clos第二级采用方形交换单元，而第一级、第三级采用非方形交换单元，即交换单元输入端口数和输出端口数可以不同。实现相同容量的交换网时，采用Clos结果可以减少交叉点，从而使网络具有更好的扩展性。