大容量交换机结构设计与线卡实现

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1、在OSI分层模型中，数据传输的最关键的概念是：虽然数据的实际传输方向是垂直的，但每一层在编程时却好像是水平传输的（即在对等实体间传输）。在80年代中后期，为了减小同一物理网络内的竞争冲突，提高网络容量，开始使用“网桥（Bridge）”设备。但随着网络规模的扩展和广播流量的增加，以及网桥对广播流量的控制能力有限，这种方式已不能满足网络的扩展需求。为了解决扩展问题，一些公司（如Cisco，Wellfleet）开始开发“路由器[3]（Router）”。路由器与“交换机（Switch）”不同的是，传统交换

2、机从网桥发展而来，属于OSI第二层即数据链路层设备，它根据MAC地址寻址，通过站表选择路由，站表的建立和维护由交换机自动进行。路由器则属于OSI第三层即网络层设备，它根据IP地址进行寻址，通过路由表路由协议产生。交换机最大的好处是快速，由于交换机只须识别数据帧中MAC地址，直接根据MAC地址产生选择转发端口算法简单，便于ASIC实现，因此转发速度极高。最初的设计遵守“80/20规则”——即80％的本地流量，20％的网间流量，通常一个子网占用路由器的一个端口，但随着个人主机处理能力的提高和应用需求的

3、快速发展，如多媒体、分布式计算等，用户需要更高的带宽，“80/20规则”变成了“50/50规则”[4,5]——本地流量和网间流量各占50％，甚至变为倒80/20规则。为了提高传输速率又再次引入了第二层的交换技术，子网之间的连接方式发展成了“路由器＋交换机”的模式。Internet防火墙路由器服务器服务器交换机网络打印机...客户端1客户端2客户端3客户端n图1-2基本网络结构图2 基本网络结构如图1-2所示。只要交换机的端口支持相应设备的端口类型都可以直接连接在交换机的端口，共同构成星形网络。

4、在星形连接中，交换机的各端口连接设备都彼此平等，可以相互访问（除非做了限制）。上图所示的仅是一个最基本的星形架构，实际的星形企业网络比这可能要复杂许多。这复杂性不仅表现在网络设备如何高档，配置如何复杂，更重要的是表现在网络交换层次比较复杂。企业网络中的路由器和防火墙通常只需配备一个，但交换机通常不会只是一个（除了只有20个用户左右的小型网络）。如果用户数比较多，如上百个，甚至上千个，就必须依靠交换机的级联或者堆栈扩展连接了。1.2大容量交换机的产生及研究进展目前的交换机通常是基于总线和集中处理器结

5、构的，其处理能力一般为几十万个包/秒，最大的吞吐能力约为1Gbit/s左右。随着Internet骨干网上业务量的激增，对交换机的处理能力、容量提出了更高的要求，这样必然就出现了许多新的交换机设计，这些新型交换机抛弃了传统的总线/背板加集中处理器的结构，代之以高性能的专用或通用的交换矩阵，有些甚至直接采用了ATM交换矩阵；同时将原来集中在中央处理器的职能尽量分散至各个接口处理模块，希望通过高速缓存和其他的路由预处理手段来加速数据包的转发，经过一系列结构上的改进，交换机的吞吐量有了很大的提高，形成了下

6、一代高速网络的核心——高速路由器/交换机。随着Internet高速化、宽带化的日益发展，其上的业务量几乎呈现出指数级的增长速度，但是网络各个环节的发展是不平衡的，由于光传输技术的飞速进步，无论是单波长载荷速率还是单纤可用波长数量，每年都以极其惊人的速度在增长，使得传输设备的发展速度远远大于交换设备的发展速度，因而在Internet网络中，现有的高速路由器/交换机已经成为网络发展的瓶颈[6]。而光传输、光网络和大容量路由器/交换机将是构成下一代网络核心的三个基本要素，只有同步发展，才能满足网络宽带日

7、益增长的需要。而现在的路由器/交换机由于处理能力不够，还不能全面支持这些标准接口和应用，致使这一巨大的宽带资源未得3到充分利用。发展下一代网络，大容量路由器/交换机的作用至关重要。1.2大容量交换机国内外研究现状与发展趋势在传输和交换市场，国内与国外的差距不大，未来对大容量交换机的发展和需求是渐进的过程，它由若干小容量的交换机组成，但组成的大容量交换机是一个整体，内部交换应无阻塞。Avici、Nexabit（现已被Lucent公司收购）和Pluris是在研制大容量交换机/路由器方面领先的三家公司，

8、典型的产品有AviciTSR、LucentNX64000和PlurisTNR。AviciTSR是全球第一个商用太比特交换路由器，它采用可扩展的立方体交换网络结构，单机架吞吐量400Gbit/s，最多可以将14个机架互连起来，达到5.6Tbit/s的总交换容量。LucentNX64000是世界上单机架交换容量最大的路由器，达到6.4Tbit/s，它能支持高性能光互连，可直接和DWDM连接。Pluris太比特网络路由器（TNR）不采用传统的电交换背板，而是使用新颖的光纤背板和超立方体交