新一代交换机

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1、新一代交换机摘 要 本文首先介绍了交换机的发展史，然后通过对数据中心的介绍引入了 新一代交换机。接着，对数据中心交换机的变革做了详细分析。最后 从交换架构的角度进行了技术探讨。关键词 交换机 数据中心 虚拟化 企业云 交换架构 CLOS世界在进步，科技在发展，网络也 在不断的提速。从第一块网卡的问世， 到现在通用的千兆以太网卡、万兆网 卡。这标示着，世界正在发生翻天覆 地的变化，数据流量正在不断地增加， 传统的交换机已经不能满足现在日趋 复杂的网络和庞大的流量。为了能够 更好的承载视频、语音、文件等各种 服务，需要高速的硬件和新一代的交 换系统来处理越来越大的数据流量。 随着云计算的发展越来越

2、快，对于数 据中心的建立将带来更大的考验，对 交换机的性能、背板带宽要求也更加 高。数据中心交换机在此大环境下孕 育而生，接替了传统的交换机工作在 数据中心，提供了更高的可靠性、更 稳定的性能、更大的吞吐量和更新的 技术。1 交换机的发展1.1 第一代交换机 交换机的出现，首先应该从最早的 共享式 HUB 说起，在网络出现的初期， 网络互联的目的也仅限于进行科学计 算和学术研究，所以网络的应用范围 极其有限，而这一切反过来又限制了 网络技术的发展，当时人们使用网络 的目的非常简单，只要能把计算机联 在一起，可以传输数据就行，伴随着 以太网技术的出现，最简单的网络互 联设备 HUB 出现了，它的

3、出现只是简 单的将多台计算机物理链路上连接在 了一起，并不能有效的满足网络用户 传输数据的要求，因为当一个用户传 输数据时，其它的用户就会不能传输， 所以虽然是计算机联网了，但由于经 常的数据冲突，网络的利用率非常低， 而且由于 HUB 只是物理链路层的设 备，所以它不能有效的控制冲突，网 络规模也受到限制。随着网络技术的 发展，出现了可以控制冲突的设备网 桥，网桥可以将不同的端口之间分割 成不同的冲突域，使得冲突域大大的 减少。刚开始的时候，网桥的端口相 当少，可能只有两口，但是随着科技 的发展，网桥的端口变得越来越多， 就形成了现在的交换机。可以说网桥 就是交换机的前身，因为他们的转发 方

4、式是相同的。但是随着科技的发展， 数据流量也越来越大，于是网卡迅速 得到了升级，从开始的IOM到100M, 最后到使用普遍使用的 1000M 网卡， 使得网络的传输在不断的升级中得到 了解决。但是数据流量的增加也会带 来新的问题。1.2 第二代交换机 交换机的出现解决了冲突域，但是 广播风暴也使得传统的二层交换机变 得弱不禁风，大量的广播消耗着交换 机的性能，使得交换机的转发效率变 的相当的低。网络也在越来越复杂， 流量也越来越大。有没有一种交换机 能够隔离广播， vlan 技术的出现了解 决了这个难题。不同 vlan 之间的广播 不在能够进行随意的传播，广播的范 围得到了很好的限制，提高了交

5、换机 的效率。正是因为 vlan 的流量不能进 行互通，解决了广播风暴，可是现实 中的局域网，位于不同 vlan 之间的通 信就成 了一个问题，需要路由器进行 路由才能到达另一个vian,虽然这样 做可以解决不同 vlan 之间的通信，也 产生了额外的开销,需要多购买一个 路由器。如果交换机能够进行二层转 发的同时,自己还能实现路由,就不 再需要额外的路由器来处理。三层交换机顺应着时代的发展,满 足了这样的要求。可以说三层交换机 就是路由器和交换机的融合。具备了 二层交换机的所有的功能的同时,还 使其拥有了路由的功能。三层交换机 已经成为当今网络组网中不可或缺的 设备。即使在三层交换技术相当成

6、熟 的现在,三层交换机也从来没有停止 过它的发展,主要是因为三层交换机 的应用环境正在面临巨大的变化。随 着时间的推移,以太网的传输速度从 10Mbps 逐步扩展到 100Mbps、1Gbps、 lOGbps，以太网的价格也跟随摩尔定律 以及规模经济而迅速下降。如今,以 太网已经成为局域网(LAN)中的主导网 络技术,而且随着万兆以太网的出现, 以太网正在向城域网(MAN)大步迈进， 因此也拉动了三层交换机的更深层次 的变革。1.3 第三代交换机 今天的核心交换机的交换容量已 经达到了上百Gbps的水平，可以满足 十几个万兆端口和几百个千兆端口的 线速转发，能够很好地在网络融合的 趋势下承载各

7、种业务。In ter net的发展 是快速的，现在的交换机已经能够承 载庞大的流量，特别是机箱式交换机， 交换容量已经达到了上千 Gbps 的水 平，而虚拟化和云计算的发展对交换 机有一次带来了考验。需要更大吞吐 量的交换机来对数据进行转发，更需 要更新的技术对数据提供更高的可靠 性，还必须利于网络管理员的管理。 为了能够在数据中心承载大量的吞吐 量的同时，提供高可靠性，数据中心 交换机也随着时代的发展而出现了。2 数据中心下的交换机数据中心对于当代互联网的发展 极为重要。人们把数据存储在数据中 心里，但数据的产生和使用可以在任 何地方，包括Web、移动应用、分支 机构、合作伙伴站点或子公司。

8、由于 数据无所不在，因此，网络就成为Data Center 的基础平台。由于网络具有很 多内在的性质，因而可以作为提供共 享数据中心基础设施的基础。它能够 触及到数据中心运作的方方面面，无 论是远程还是分布式，都能以统一、 一致的方式提供服务。因此同时无论 何种类型的数据中心都必须具备高带 宽、高密度、高管理性和高安全可靠 性的基本要求。2.1 新一代交换机的要求：1) 高带宽、高密度。可以说对于 数据中心交换机的与普通的交换机最 大的区别就在于高带宽，以及相对较 高的密度，使得数据中心交换机采用 那么大的吞吐量。例如 CiSCO nexus 7000最大支持 15Tbps 以上、Arista

9、 7500 最大支持lOTbps、华为CloudEngine系 列交换机最大支持48Tbps，提供了更 加恐怖的吞吐量。2) 支持数据中心以太网(DCE)的能 力。它可以说是下一代数据中心进行 整合的技术标准，为数据中心的新架 构和业务部署提供基础硬件条件。3) 虚拟化的能力。支持存储网和 数据网的整合(Unified Fabric)、支持设 备的虚拟化管理和调配、支持跨物理 设备的虚拟集成，等等。4) 全业务处理能力。众所周知， 应用的复杂度实在不断提升，同时伴 随着网络的融合，应用对网络的交互 是必然，可以预见的是网络的复杂度 也将不断的提升。2.2 数据中心交换机技术变革问题 探讨：1

10、) FCoE ： Fibre Channel over Ether net，以太网光纤通道。FCoE 技术标准可以将光纤通道映射到 以太网中，将光纤通道信息插入到以 太网信息包内，从而让服务器-SAN存 储设备的光纤通道请求和数据可以通 过以太网连接来传输，而不在需要专 门的光纤通道。简单的来说，它就是 把存储网(SAN)的数据帧封装在以太网 帧内进行转发的技术。由于该项技术 的简单性、高效率、经济型，使得其 它的解决方案相形见绌，目前包括存 储厂商、网络设备厂商、主机厂商、 网卡厂商都在研发该项技术，并使之 商用。2) 虚拟化难题 服务器虚拟化能够极大地提高服务器 的利用率，节约服务器的购置

11、成本和 管理成本，这是众所周知的，但服务 器虚拟化也为眼下的数据中心交换环 境带来了不少难题，驱使交换技术作 出变革。首先，由于每台物理服务器 都有很多虚拟机，每个虚拟机又都有 自己的地址，这将导致包发送变得很 混乱，影响虚拟机之间的通信。最简 单的解决方法是在虚拟机中设置软交 换，设置了软交换的服务器对网络交 换机来说它只有一个地址，而对服务 器内的虚拟机来说，它又起着交换机 的作用。另一种解决办法就是需要由服务 器和软交换的维护人员来保证所有网 络的跟踪和控制都得到执行。这就需 要服务器管理员和交换设备管理员之 间有良好的协作，同时服务器管理员 还需要了解网络方面的配置当然，如 果采用同一

12、家厂商提供的软交换机作 为网络交换机，协调会更容易些。第三种方案是让虚拟服务器的所 有通信消息都发送到网络交换机，这 可以简化虚拟机的软交换配置，使此 时的软交换机不具备安全策略和标记 数据包的能力，而把这部分功能转嫁 到网络交换机上。从网络交换机的角 度来说，虚拟机就像是直接连到物理 服务器上。这个方法具有一定的吸引 力，因为它无需改变已有的工作流程， 每个管理人员所应承担的职责也没有 改变。但由于生成树不允许交换机在 一个端口接收和返回同一个数据包， 因此需要消除生成树的这一限制。虚 拟化的第二个难题是要在保证服务器 有足够的吞吐量的同时，确保数据包 沿着最佳路径到达目的地。随着物理 服务

13、器上处理器数目的不断增多，虚 拟机也越来越多，导致进出服务器的 数据流量激增，解决方法是部署万兆 甚至十万兆的网络，但这只能在一定 程度上使问题有所缓解。由于数据中 心需要创建非常低的延迟和无阻塞多 路径结构，因此还需要采用两个适配 器连接到不同的交换机让整个路由实 现多条路径发送，有助于解决低延迟 问题这时生成树问题再次出现，解决 方法是取消生成树，以保证两个适配 器都可同时使用。事实上，新一代的 两层交换机越来越像路由器，在第二 层执行各自的链路状态路由协议版 本。3) 光纤通道与 IP 整合 多年来，存储网络正逐步走向 IP 化，大量的存储已经通过 NAS， ISCSI 等设备来完成。目

14、前正实现光纤通道 与 IP 交换机的直连，独立的光纤通道 存储区域网络逐渐退出市场。此举通 过减少每个服务器中的适配器的数量 能达到成本节约的目的。目前，服务 器都需要设置一台以太网适配器和一 台光纤存储适配器。为提高可用性， 每种适配器都需要配备 2 台，导致每 台服务器共有 4 台适配器。而采用统 一的IP网络后，IP网络数据、光纤通 道数据，或是ISCSI数据都可以共用一 台适配器，这就能将适配器数目减少 到 2 台。适配器减半意味着交换接口 和电缆数目也将减少，最终达到运营 和维护成本的降低。支持光纤通道存储是升级交换机 的一个重要原因。交换机需要支持存 储数据通过IP网络访问NAS、

15、ISCSI和 FCoE等设备。除了增加FCoE协议以外， 必须提供更高的跨区域带宽支持，以 及取消生成树。因为光纤通道要求两 个适配器都是活动的，并能同时传输 数据。如果交换机仍然采用生成树算 法将无法满足这些要求。4）企业云计算 数据中心的交换技术变革第三个 推动因素是企业云。过去当应用程序 收到一个请求时，一般是由应用程序 本身或服务器独立执行完成多年来， 这种应用实施方式已经发生改变。当 越来越多的请求到达服务器，应用程 序只需承担小部分任务，更多的是将 任务提交给数据中心的其它应用共同 完成。这样数据中心就形成一个庞大 的内部云直接将存储建立到 IP 云中会 增加流经交换机的关键数据流

16、的数 量，这就要求交换机提供低延迟且保 证数据包零丢弃。之所以要求低延迟 的原因是：如果程序的执行发生在服 务器内，每次存储只需要几纳秒到几 微秒的时间来完成，而随着企业逐渐 过渡到虚拟数据中心，并开始采用基 于云的服务，交换机要获取企业云数 据可能需要50100微秒（具体取决 于造成延迟的程序调用的次数），如果 交换机丢弃数据包，延迟时间将变得 更长，唯一的办法是企业云计算要求 低延迟且不丢包。相对于传统数据中心使用的交换 机产品，新一代交换机实现了跨越性 的性能突破，为平滑升级到 40G 和 100G 以太网接入做好了准备，尤其是 在未来数据中心三网融合成为大势所 趋的情况下，这一场技术变

17、革将推动 整个新一代数据中心的加速发展。来，网络流量在迅速增长，流量模型 更加复杂，交换网技术又到了一个跨 越发展的路口一CLOS这个最古老的交 换架构结合最新的技术进展，再次焕 发了生机，为我们打开了 100Gbit/s端 口时代的大门。核心网络设备交换架构的一般模 型如图 1 所示，在逻辑上由数据通道 资源、控制通道资源这两个相辅相成 的部分构成。数据通道资源具体包括 交换网及其端口带宽、交换网适配器 （ FA， Fabric Adaptor ）、流量管理器 （TM, Traffic Manager）、缓存以及用 于互联的高速总线。控制通道资源则 包括用于资源分配、业务调度、拥塞 管理的流

18、控单元、调度器（Scheduler）， 调度器有时也叫仲裁器（Arbiter）。完 整意义上的交换架构还包括报文处理 器（PP）或网络处理器（NP）。数据中心作为面向应用的综合业 务平台和未 来云计算的 核心基础架 构，对网络设备的交换架构提出了更 全面、更苛刻的要求，主要包括支持 统一交换架构，大容量及可扩展性， 转发性能，业务调度和精细化服务质 量控制（QoS），智能弹性。下面进行 详细说明。3 面向数据中心的新一代交换架构交换网经历了共享总线交换、共享 存储交换、 Crossbar 矩阵交换等多个历 史发展阶段。而随着云计算时代的到图 1 交换架构一般模型数据中心目前存在相对独立的三 张

19、网：数据网、存储网和高性能计算 网。为了便于未来的业务整合和服务 提供、简化管理、降低建设成本和运 营维护成本，三网将逐步走向融合。 从目前业界的技术发展趋势来看，基于以太网技术融合承载存储网和计算 网成为主流，这就要求数据中心网络 设备的交换架构能方便地扩展和支持 FCoE、FC 等技术，从而与存储网络无 缝融合；支持融合增强型以太网（CEE, Convergence Enhanced Ethernet）等 新型接口,使以太网从传统的“尽力 而为”变更为成熟的“无损网络”, 实现与计算网络的无缝融合。交换容量、端口容量和端口速率是 衡量系统交换能力和未来可扩展能力 关键指标。新一代机架式数据

20、中心交 换机交换容量在11OTbit/s级别，集 群系统更高达几十太比特。端口容量 则指产品当前版本所能提供的最大网 络端口容量，由网络端口速率乘以相 应的线速端口数得出，表征了产品当 前实际所能支持的线速转发能力。同 样交换容量的产品，在不同版本和阶 段，可能有不同的端口容量；同样交 换容量的产品，由于交换架构总开销 不同，所能支持的端口容量也会不同。核心交换机转发性能通常通过线 速转发性能和转发延时和抖动两个指 标来衡量。线速转发性能通常是指 64byte 小分组的线速转发能力，表征 了系统处理报文头的能力，在相同大 小的端口转发流量下， 64byte 小分组 要求系统在单位时间内处理更多

21、的报 文数。转发性能还要关注线速一致性， 即大分组小分组都能线速，都不会丢 失分组；Pair模式、Full Mesh模式都 能线速转发。智能弹性是指部件出现故障或人 为操作失误时，能够自动检测到，并 对故障进行隔离，从而让系统功能性 能不受损失或尽可能少受损失。包括 冗余性和容错性。采用与主控板物理 上独立的 N +1 交换网板，即转发平面 和控制平面物理上分离有利于进一步 提高系统的弹性。CLOS 交换 架构 由贝尔实验室 Charles Clos博士在1953年的无阻塞 交换网络研究论文中首次提出，后 被广泛应用于 TDM 网络，为纪念这一 重大成果，便以他的名字CLOS命名这 一架构。近

22、20年来分组交换网络的高 速发展，迫切需要超大容量和具备优 异可扩展性的交换架构， CLOS 这个古 老而新颖的技术再一次焕发出旺盛的 生命力。CLOS交换架构是一个多级架 构；在每一级，每个交换单元都和下 一级的所有交换单元相连接。一个典 型的 CLOS 交换三级架构由（ k ， n ） 两个参数定义，如图 2 所示，参数 k 是 中间级交换单元的数量， n 表示的是 第一级（第三级）交换单元的数量。 第一级和第三级由n个k Xk的交换 单元组成，中间级由k个n Xn的交 换单元组成。整个构成了 k Xn 的交 换网络，即该网络有 k Xn 个输入和 输出端口。对于需要更高容量的交换 网，中

23、间级也可以是一个三级的 CLOS 网络（即 CLOS 网络可以递归构建）， 比如 4 个第一（三）级 n X n 芯片加 上2个n Xn的第二级芯片可构成一 个2n X2n的交换网。由于CLOS网络 的递归特性，它理论上具有无与伦比 的可扩展性，支持交换机端口数量、 端口速率、系统容量的平滑扩展。 CLOS 交换架构可以做到严格的无阻塞、可重构和可扩展。TxkStage 2Ingressnxn #1nxn #2nxn #kkxk廿1图 2 CLOS 交换架构CLOS 架构定义了一种几何拓扑结 构，在早期TDM及语音应用中，其可 重构特性通常由软件计算和配置完 成。对于高速分组交换系统，大量业

24、务流的目的端口在频繁而快速地变化(如ns级)，通过软件来对转发路径进 行选择和重配置变得不现实。因此， 需要采用近些年专门针对用于包交换 系统的CLOS架构而设计的动态路由方 式。动态路由关键点在于能负荷分担 地均衡利用所有可达路径。对于第一 级，每个业务流可通过 Round-robin 或 随机方式均匀发送到 k 条连到第二级 的路径上(通常基于信元的发送，；到 达第二级的业务流将基于信元自路由 技术(Cell-based Self-routing),根据交 换网路由选择相应路径交换到第三级 目的端口。第三级收到所有来自第二 级的信元时，把信元重组成报文，并 保证报文顺序正确。动态路由方式由

25、 此实现了严格的无阻塞交换，并有利 于 减 小 加速 比从 而 提高 有 效端 口 容 量。动态路由方式有一个突出优点， 即平滑支持更高速率的网络端口，比 如40Gbit/s和100Gbit/s。这是因为它 可以充分利用所有可用路径形成一个 大的 数据 流通道， 比如 24 条 3.125Gbit/s通道可以支持100Gbit/s数 据流。相反，静态路由方式则受限于 单条路径的带宽，比如基于 XAUI 接口 的 Crossbar 交换，网络端口速率最高 只能达 到 10Gbit/s， 无法 支 持 40Gbit/s和100Gbit/s。基于动态路由 的 CLOS 架构，再结合合适的业务调度 机

26、制，就可以支持完善的QoS。采用 CLOS 交换架构的典型设备有 H3C S12500 统一交换架 构核心交 换机， Juniper T1600核心路由器。在2009年 2 月初， Juniper 刚刚发布了 TX-Matrix Plus，通过多框互联技术支持把16台 T1600构建成一个25Tbit/s的无阻塞交 换系统，显示了 CLOS架构卓越的可扩 展性。 2004年， Cisco 发布了其路由器 旗舰产品CRS-1，米用了三级动态自路 由的 Benes 交换架构，支持 72 个机架 的互联，达到46T/92Tbit/s的系统容量。Benes 交换实质上是 CLOS 交换架构的 一个特例

27、。由于 CLOS 交换系统容量很 大，物理实现上，通常采用 N +1 个独 立的交换网槽位，与主控板控制平面 彻底分离，一方面提高了系统容量可 扩展性，另一方面极大程度上提高了 转发平面的可靠性，避免了控制平面 出现故障或进行倒换时对转发平面的 影响。4.结束语随着云计算和虚拟化技术的迅速 发展，数据中心业务的融合，对交换 机的性能、功能、可靠性等提出了更 高的要求。但由于数据中心交换机能 够承载各种业务，对数据的传输提供 较好的保障。而数据中心交换机将来 还会承载未来更多的业务，对未来网 络的发展有很好的扩展性。所以相信 对于未来数据中心的建立，数据中心 交换机会随着时代发展，针对网络中 的需求研发出更高性能、稳定和更新 技术的交换机。现在已经步入数据时 代，相信数据中心交换机必定会大展 宏图。5.参考文献1 周洋浅谈网络核心交换机架构 的演讲J.科海故事博览科教 创新2010(1)2 吴圣才浅析三层交换技术J科技传播，2009(04)3 news/2009/091709-remaking-data -center.html4 陈进坤,构建智能的虚拟化数 据中心J.信息方略；2009年 12 期