核心交換機設計中的發展方向

2019-11-05 01:47:48

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供稿：網友

Buffered Crossbar

　　Crossbar背板由于為每個線卡提供獨立的帶寬連接，多個線卡可以并行收發數據，克服前二代背板分時處理數據的效率影響，因此大量地應用于現代高端交換機的設計中，組成非阻塞系統。根據Crossbar芯片內部的每一個交叉點是否擁有Buffer緩存，Crossbar芯片分為Bufferless Crossbar和Buffered Crossbar。

　　Bufferless Crossbar（無緩存Crossbar）采用集中調度，由于每個交叉點沒有Buffer，數據轉發需要入口和出口線卡直接端到端連接，假如直接處理變長數據包，將因極其復雜的調度和部分線卡的某些VOQ（Virtual Output Queues）隊列始終無法得到服務而產生嚴重的延遲或丟包，因此，商用的Bufferless Crossbar都只能處理固定長度的數據包（信元），當處理實際網絡環境中長度不一的各種變長數據包時，Crossbar需要對這些數據包進行信元分割，信元通過Crossbar交換以后，在出口處進行重新的組裝。包分割和組裝帶來了巨大的損耗，嚴重影響了Crossbar芯片的速率。為了提高Crossbar芯片的效率，避免無謂的損耗，最新的Crossbar芯片支持在每個交叉點加入小容量的Buffer，稱為Buffered Crossbar（緩存Crossbar）。

　　在Buffered Crossbar的工作機制里，調度是由每個交叉點的緩存獨立決定的，形成“分布式調度”，每個VOQ隊列都盡力發送數據，如圖所示，2、3都同時發送數據到C（發送到交叉點的Buffer里），而1在發送給C的數據還沒有被完全處理完之前已經發送數據給A，在交叉點沒有空閑緩存時才通過背壓流控方式間接地調整VOQ不再發送數據。調度變得非常簡單，不需要判定每個線卡的VOQ，不需要配置整個系統的所有“輸出輸入線卡對”，不會帶來Crossbar的調度損耗。

　　 LPM+HDR

　　在傳統的交換機工作模式中，對數據三層轉發采用“一次路由、多次交換”的方式，即每種數據流的第一個數據包采用CPU軟件實現路由，然后交換機把數據三層轉發需要的相關信息表項下載到ASIC芯片，該數據流的后續數據包通過ASIC芯片進行精確匹配（每種流一個表項）。因此，在傳統的交換機工作模式下，存在的缺點可以通過LPM+HDR技術得到很好解決。

　　最長匹配（LPM）三層交換技術是面向提高非主機路由效率而設計的，LPM技術支持在沒有第一次CPU參與路由的情況下，交換機把直連路由、靜態路由等都直接自動下載到硬件路由轉發表，并且支持一個網段目的ip地址使用一條硬件轉發路由表項，而不明目的網段IP地址的數據包（例如病毒和攻擊行為數據包）直接通過缺省路由轉發。因此，LPM技術的優點是在處理非主機路由時不占用任何CPU資源，同時極大地節約存儲空間，避免了存儲空間溢出問題，即使在病毒和攻擊網絡環境下依然可以良好地運行。

　　而主機直接路由（HDR）支持主機路由表在沒有第一次CPU參與路由的情況下，在ARP協議運行過程中直接自動把主機路由表下載到硬件路由轉發表，從而不占用CPU資源，避免了“一次路由、多次交換”的效率影響。

　　采用LPM+HDR相結合的硬件路由方式極大地提高了交換機的路由效率，并且不需要CPU的參與以及盡量少的存儲空間消耗，在大型網絡、應用繁多、病毒和攻擊網絡下都可以正常地高效運行。