模塊化的千兆交換機(jī)

2019-11-05 02:10:25

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供稿：網(wǎng)友

隨著企業(yè)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的發(fā)展，人們已經(jīng)不滿足于100兆的桌面網(wǎng)絡(luò)速度。很多人在尋找更快速的局域網(wǎng)連接技術(shù)，使用千兆以太網(wǎng)或者更快的萬兆技術(shù)。

這樣的變化不僅僅是發(fā)生在園區(qū)網(wǎng)的骨干，也同樣發(fā)生在每一個(gè)配線間中，企業(yè)的IT治理人員希望能為每一個(gè)桌面用戶提供10倍于以前的網(wǎng)絡(luò)連接。

選擇有很多種理由，了解是選擇的基礎(chǔ)。您了解千兆以太網(wǎng)交換機(jī)嗎？在本期交換機(jī)專刊中，我們選擇了這樣一個(gè)命題，希望能帶您走進(jìn)千兆交換機(jī)的內(nèi)部，看看它是怎樣工作、怎樣構(gòu)成的，為什么能有如此不同，等等。隨著這些問題的解決，您選擇產(chǎn)品的基礎(chǔ)會(huì)更雄厚。

設(shè)備制造商們?cè)谠O(shè)計(jì)交換機(jī)時(shí)，通常需要通過不同的設(shè)置項(xiàng)來滿足客戶的需求，這些需求通常包括以下幾個(gè)方面：

1. 可以堆疊以得到充分的可擴(kuò)展性；

2. 可以通過機(jī)框結(jié)構(gòu)得到彈性的骨干擴(kuò)展能力；

3. 可以和服務(wù)器設(shè)備集成，以達(dá)到計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)的集成；

4. 中小型企業(yè)會(huì)要求固定端口或者說可獨(dú)立工作的交換機(jī)；

5. 對(duì)于沒有IT部門的小公司，非治理型設(shè)備會(huì)更受歡迎。

另外還有一些其他需求，如降低設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和裝配成本。這些需求很多是相互矛盾的，但是它們又是真實(shí)存在的。滿足它們的方法是通過不同種類的交換機(jī)產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)，而不斷進(jìn)步的半導(dǎo)體技術(shù)使得交換機(jī)的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)入了高度模塊化和集成化階段，為設(shè)計(jì)不同種類的交換機(jī)提供了技術(shù)上的便捷。下面，我們就不同類型的交換機(jī)逐一展示其設(shè)計(jì)原理和體系結(jié)構(gòu)，幫您判定什么樣的交換機(jī)才是您真正需要的。

可堆疊交換機(jī)

這些交換機(jī)往往用于連接用戶到高速的園區(qū)網(wǎng)骨干。通常，它們有一些所謂的高速“用戶”端口，并且具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性。當(dāng)數(shù)據(jù)從這些端口匯總上來時(shí)，會(huì)從更高速的數(shù)據(jù)上聯(lián)通路傳遞出去，以實(shí)現(xiàn)和中心服務(wù)器、ip PBX等設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。可堆疊交換機(jī)通常會(huì)放置在企業(yè)的配線間或者機(jī)房中，它能適應(yīng)增長中的網(wǎng)絡(luò)。假如有新的用戶加入到網(wǎng)絡(luò)中，治理員只需簡單地在原來的設(shè)備上面放置一臺(tái)新的設(shè)備，然后通過一個(gè)外部的“堆疊”接口將所有的交換機(jī)連接起來。事實(shí)上，這就像您自己又開發(fā)了一臺(tái)新的、更大的交換機(jī)一樣，可以方便地和原先的交換機(jī)一起治理，只是容量增大了。

有一個(gè)高速的堆疊端口是可堆疊交換機(jī)的基本特征。

機(jī)框式交換機(jī)

這種類型的交換機(jī)應(yīng)用于高性能的網(wǎng)絡(luò)骨干層。該系統(tǒng)有很多插槽，可以用來接插很多冗余的網(wǎng)絡(luò)接口卡，包括系統(tǒng)總線、電源、安全模塊等。整個(gè)系統(tǒng)能被設(shè)置成高冗余性的系統(tǒng)，在出現(xiàn)不可控的災(zāi)難或故障時(shí)仍能提供可用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。性能是機(jī)框式設(shè)備的重要考量指標(biāo)，但是更重要的是系統(tǒng)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機(jī)檢修時(shí)間不超過5分鐘。

假如將圖2的可堆疊交換機(jī)上聯(lián)堆疊端口連接一個(gè)具有更大交換容量交換陣列芯片的交換背板，加上冗余的電源和治理模塊設(shè)計(jì)，就構(gòu)成了一臺(tái)核心的機(jī)框式交換機(jī)。高速交換陣列芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

集成數(shù)據(jù)服務(wù)器的交換機(jī)

這種交換機(jī)也可以稱之為集成交換機(jī)的應(yīng)用服務(wù)器。我們通常提到的刀片服務(wù)器就屬于這類產(chǎn)品，它們通過高速的數(shù)據(jù)通道和刀片服務(wù)器的機(jī)框相連，而刀片服務(wù)器的機(jī)框就像這樣一臺(tái)交換機(jī)。刀片服務(wù)器的交換背板通常都是千兆級(jí)的，它答應(yīng)服務(wù)器之間以極高的速度互連，這使高速的、分布式計(jì)算成為可能，而這些正是網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的發(fā)展方向。

和機(jī)框式交換機(jī)一樣，刀片服務(wù)器的背板同樣是一塊高速背板，它可以看做一臺(tái)交換機(jī)。圖4是一種可用于刀片服務(wù)器背板的交換芯片，它同樣可用于普通的獨(dú)立或者可堆疊交換機(jī)的設(shè)計(jì)。

獨(dú)立（固定端口）交換機(jī)

這是最常見的交換機(jī)，它為成長型企業(yè)提供了廉價(jià)的網(wǎng)絡(luò)解決方案。該系統(tǒng)有著固定的接口（不能擴(kuò)展），當(dāng)企業(yè)成長需要擴(kuò)大交換機(jī)端口數(shù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)治理員必須再購買一些交換機(jī)。

總的說來，交換機(jī)的構(gòu)成和一臺(tái)普通的計(jì)算機(jī)很相似。交換機(jī)有自己的CPU、內(nèi)存、外部存儲(chǔ)器Flash（功能上類似計(jì)算機(jī)的硬盤）、啟動(dòng)存儲(chǔ)器（類似于計(jì)算機(jī)的BIOS）以及重要的交換芯片和網(wǎng)絡(luò)接口芯片（類似于計(jì)算機(jī)中的網(wǎng)卡）。如圖5所示。

與普通計(jì)算機(jī)不同的是，網(wǎng)絡(luò)接口芯片收到數(shù)據(jù)后，大部分就通過交換芯片執(zhí)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)操作，并不經(jīng)過系統(tǒng)的CPU，上文提到的獨(dú)立（固定端口）交換機(jī)和非治理型交換機(jī)就是這樣的結(jié)構(gòu)。
所不同的是，獨(dú)立（固定端口）交換機(jī)只是在端口擴(kuò)展性上略輸于更高級(jí)的交換機(jī)，但是根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，在系統(tǒng)中可以使用很高級(jí)的CPU和大量的內(nèi)存。這樣多層交換機(jī)可以用系統(tǒng)的CPU來處理諸如路由、網(wǎng)絡(luò)安全等策略，實(shí)現(xiàn)高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。很多交換機(jī)使用了通用的CPU，當(dāng)然不是我們常見的Intel，而是像摩托羅拉MPC8245或者M(jìn)IPS等RISC芯片。

圖5中BCM5464是一塊4端口的千兆位電信號(hào)收發(fā)器，具有集成銅線/光纖媒質(zhì)接口。這就是我們所謂的網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它需要和光纖或者銅線的物理層定義設(shè)備（PHY）一同工作，構(gòu)成以太網(wǎng)原始信號(hào)的收發(fā)接口。然后，它向上和一個(gè)12端口的千兆位交換芯片連接，三片BCM5464所傳遞上來的12路千兆信號(hào)在交換芯片BCM5691中完成交換，在交換芯片中，會(huì)建立對(duì)應(yīng)的MAC學(xué)習(xí)機(jī)制和映射表，再通過相應(yīng)的BCM5464轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口。

對(duì)于不可治理型的交換機(jī)，因?yàn)樾枨蟾唵危栽谠O(shè)計(jì)時(shí)可以使用更少的內(nèi)存和更低能耗、更低成本的CPU，常見的有ARM內(nèi)核的各種CPU。這種簡單的設(shè)計(jì)只是起到啟動(dòng)系統(tǒng)，將簡單控制指令下載到交換芯片的作用，無法完成高層次的交換。

結(jié)語

網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的研發(fā)人員和供貨商設(shè)計(jì)一套成熟穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是需要很大投入的，他們都希望在設(shè)計(jì)的過程中把握核心技術(shù)和能力，以最快的速度推出產(chǎn)品。正是基于這樣的需求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的半導(dǎo)體芯片廠商已經(jīng)將交換機(jī)芯片設(shè)計(jì)成模塊化方式，不論是開發(fā)一臺(tái)簡單的交換機(jī)，還是最尖端的核心路由交換機(jī)，其設(shè)計(jì)思路都會(huì)像小時(shí)后玩的拼圖游戲一樣簡單。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備芯片供給商Broadcom公司副總裁Ford Tamer博士說：“相對(duì)于競爭對(duì)手，Broadcom芯片方案的優(yōu)勢(shì)就在于低成本和高性能。”

記者對(duì)作為交換芯片市場領(lǐng)導(dǎo)者的Broadcom公司的這番言論開始很感意外，但是又很快明白: 靠技術(shù)優(yōu)勢(shì)推出更簡化和更貼近市場的芯片，靠規(guī)模優(yōu)勢(shì)降低成本，這正是國際領(lǐng)袖企業(yè)的生存之道。

模塊化設(shè)計(jì)意味著更多優(yōu)秀的產(chǎn)品可以很快地進(jìn)入市場，同時(shí)也意味著競爭已經(jīng)從產(chǎn)品本身向上轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品核心構(gòu)建（building blocks）的技術(shù)競爭上，因此中國廠商具有更多的機(jī)會(huì)。我們期待著中國廠商有所作為。

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