模塊化的千兆交換機

2019-11-05 02:10:25

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供稿：網友

隨著企業網絡化應用的發展，人們已經不滿足于100兆的桌面網絡速度。很多人在尋找更快速的局域網連接技術，使用千兆以太網或者更快的萬兆技術。

這樣的變化不僅僅是發生在園區網的骨干，也同樣發生在每一個配線間中，企業的IT治理人員希望能為每一個桌面用戶提供10倍于以前的網絡連接。

選擇有很多種理由，了解是選擇的基礎。您了解千兆以太網交換機嗎？在本期交換機?？?，我們選擇了這樣一個命題，希望能帶您走進千兆交換機的內部，看看它是怎樣工作、怎樣構成的，為什么能有如此不同，等等。隨著這些問題的解決，您選擇產品的基礎會更雄厚。

設備制造商們在設計交換機時，通常需要通過不同的設置項來滿足客戶的需求，這些需求通常包括以下幾個方面：

1. 可以堆疊以得到充分的可擴展性；

2. 可以通過機框結構得到彈性的骨干擴展能力；

3. 可以和服務器設備集成，以達到計算和網絡的集成；

4. 中小型企業會要求固定端口或者說可獨立工作的交換機；

5. 對于沒有IT部門的小公司，非治理型設備會更受歡迎。

另外還有一些其他需求，如降低設計、生產和裝配成本。這些需求很多是相互矛盾的，但是它們又是真實存在的。滿足它們的方法是通過不同種類的交換機產品來實現，而不斷進步的半導體技術使得交換機的設計和制造進入了高度模塊化和集成化階段，為設計不同種類的交換機提供了技術上的便捷。下面，我們就不同類型的交換機逐一展示其設計原理和體系結構，幫您判定什么樣的交換機才是您真正需要的。

可堆疊交換機

這些交換機往往用于連接用戶到高速的園區網骨干。通常，它們有一些所謂的高速“用戶”端口，并且具有很強的可擴展性。當數據從這些端口匯總上來時，會從更高速的數據上聯通路傳遞出去，以實現和中心服務器、ip PBX等設備的數據交互?？啥询B交換機通常會放置在企業的配線間或者機房中，它能適應增長中的網絡。假如有新的用戶加入到網絡中，治理員只需簡單地在原來的設備上面放置一臺新的設備，然后通過一個外部的“堆疊”接口將所有的交換機連接起來。事實上，這就像您自己又開發了一臺新的、更大的交換機一樣，可以方便地和原先的交換機一起治理，只是容量增大了。

有一個高速的堆疊端口是可堆疊交換機的基本特征。

機框式交換機

這種類型的交換機應用于高性能的網絡骨干層。該系統有很多插槽，可以用來接插很多冗余的網絡接口卡，包括系統總線、電源、安全模塊等。整個系統能被設置成高冗余性的系統，在出現不可控的災難或故障時仍能提供可用的網絡服務。性能是機框式設備的重要考量指標，但是更重要的是系統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檢修時間不超過5分鐘。

假如將圖2的可堆疊交換機上聯堆疊端口連接一個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計，就構成了一臺核心的機框式交換機。高速交換陣列芯片結構如圖3所示。

集成數據服務器的交換機

這種交換機也可以稱之為集成交換機的應用服務器。我們通常提到的刀片服務器就屬于這類產品，它們通過高速的數據通道和刀片服務器的機框相連，而刀片服務器的機框就像這樣一臺交換機。刀片服務器的交換背板通常都是千兆級的，它答應服務器之間以極高的速度互連，這使高速的、分布式計算成為可能，而這些正是網絡計算的發展方向。

和機框式交換機一樣，刀片服務器的背板同樣是一塊高速背板，它可以看做一臺交換機。圖4是一種可用于刀片服務器背板的交換芯片，它同樣可用于普通的獨立或者可堆疊交換機的設計。

獨立（固定端口）交換機

這是最常見的交換機，它為成長型企業提供了廉價的網絡解決方案。該系統有著固定的接口（不能擴展），當企業成長需要擴大交換機端口數時，網絡治理員必須再購買一些交換機。

總的說來，交換機的構成和一臺普通的計算機很相似。交換機有自己的CPU、內存、外部存儲器Flash（功能上類似計算機的硬盤）、啟動存儲器（類似于計算機的BIOS）以及重要的交換芯片和網絡接口芯片（類似于計算機中的網卡）。如圖5所示。

與普通計算機不同的是，網絡接口芯片收到數據后，大部分就通過交換芯片執行存儲和轉發操作，并不經過系統的CPU，上文提到的獨立（固定端口）交換機和非治理型交換機就是這樣的結構。
所不同的是，獨立（固定端口）交換機只是在端口擴展性上略輸于更高級的交換機，但是根據設計的不同，在系統中可以使用很高級的CPU和大量的內存。這樣多層交換機可以用系統的CPU來處理諸如路由、網絡安全等策略，實現高級的網絡應用。很多交換機使用了通用的CPU，當然不是我們常見的Intel，而是像摩托羅拉MPC8245或者MIPS等RISC芯片。

圖5中BCM5464是一塊4端口的千兆位電信號收發器，具有集成銅線/光纖媒質接口。這就是我們所謂的網絡接口芯片，它需要和光纖或者銅線的物理層定義設備（PHY）一同工作，構成以太網原始信號的收發接口。然后，它向上和一個12端口的千兆位交換芯片連接，三片BCM5464所傳遞上來的12路千兆信號在交換芯片BCM5691中完成交換，在交換芯片中，會建立對應的MAC學習機制和映射表，再通過相應的BCM5464轉發到目的端口。

對于不可治理型的交換機，因為需求更簡單，所以在設計時可以使用更少的內存和更低能耗、更低成本的CPU，常見的有ARM內核的各種CPU。這種簡單的設計只是起到啟動系統，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。

結語

網絡產品的研發人員和供貨商設計一套成熟穩定的網絡設備是需要很大投入的，他們都希望在設計的過程中把握核心技術和能力，以最快的速度推出產品。正是基于這樣的需求，網絡設備的半導體芯片廠商已經將交換機芯片設計成模塊化方式，不論是開發一臺簡單的交換機，還是最尖端的核心路由交換機，其設計思路都會像小時后玩的拼圖游戲一樣簡單。網絡設備芯片供給商Broadcom公司副總裁Ford Tamer博士說：“相對于競爭對手，Broadcom芯片方案的優勢就在于低成本和高性能。”

記者對作為交換芯片市場領導者的Broadcom公司的這番言論開始很感意外，但是又很快明白: 靠技術優勢推出更簡化和更貼近市場的芯片，靠規模優勢降低成本，這正是國際領袖企業的生存之道。

模塊化設計意味著更多優秀的產品可以很快地進入市場，同時也意味著競爭已經從產品本身向上轉移到產品核心構建（building blocks）的技術競爭上，因此中國廠商具有更多的機會。我們期待著中國廠商有所作為。

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