什么是Fabric, Switched交換結(jié)構(gòu)

考慮一種多連接裝置,連接中一個(gè)網(wǎng)孔上一邊連接輸入,另一邊連接輸出。任意輸入可立刻交換為任意輸出。這就是一種交換結(jié)構(gòu)。交換結(jié)構(gòu)對(duì)路由器的總體性能和擴(kuò)展性有很大的影響。交換結(jié)構(gòu)可以用多種方式實(shí)現(xiàn)，包括總線、crossbar、共享內(nèi)存或者多級(jí)結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在從實(shí)現(xiàn)機(jī)制上大體上可分為兩類：時(shí)分交換結(jié)構(gòu)、空分交換結(jié)構(gòu)。

時(shí)分結(jié)構(gòu)

時(shí)分結(jié)構(gòu)通過(guò)一個(gè)共享設(shè)施 ，如內(nèi)部底板或內(nèi)存，路由所有交換信息從輸入端口到輸出端口。在時(shí)分交換結(jié)構(gòu)中，交換單元不能同時(shí)交換一個(gè)以上的輸入端口數(shù)據(jù)。從交換結(jié)構(gòu)的角度看，每個(gè)輸入端口數(shù)據(jù)的處理是串行的。多路時(shí)分最直接的形式是使用共享總線。信元通過(guò)這個(gè)共享設(shè)施進(jìn)行傳輸，必須先請(qǐng)求，獲準(zhǔn)后才可存取總線。共享存儲(chǔ)交換結(jié)構(gòu)要求交換機(jī)中的所有端口共享對(duì)交換存儲(chǔ)器的存取。

時(shí)分交換有一個(gè)設(shè)備吞吐量的固定上限，這種交換能力的限制不能隨端口的增加而增加。 所以 ，當(dāng)對(duì)公共資源的需求增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)受到影響。交換的吞吐量是由公共資源的速度確定的，一般不能擴(kuò)展，所以無(wú)法滿足容量的增加。

空分結(jié)構(gòu)

與時(shí)分交換結(jié)構(gòu)相比，空分交換結(jié)構(gòu)適用范圍更廣，它提供通過(guò)交換構(gòu)架的多條路徑。與共享存儲(chǔ)或底板結(jié)構(gòu)不同，它不依賴于共享設(shè)施，可以分為單級(jí)交換結(jié)構(gòu)、多級(jí)交換結(jié)構(gòu)、群集交換結(jié)構(gòu)。

空分結(jié)構(gòu)具有良好的硬件擴(kuò)展性，可以增加端口而不影響交換器的吞吐量，端口不必競(jìng)爭(zhēng)單一的共享資源。另外 ，空分結(jié)構(gòu)隨著端口數(shù)的增加，性能也獲得提高。由于交換機(jī)性能可隨端口的增加而提高， 所以在理論上交換機(jī)可容納多少端口不存在上限。

（1）單級(jí)交換結(jié)構(gòu)

交換結(jié)構(gòu)的引入逐步克服了共享總線的以上缺點(diǎn)。從技術(shù)上,目前使用較多的交換結(jié)構(gòu)有共享內(nèi)存和Crossbar兩種。而Crossbar的結(jié)構(gòu)由于其簡(jiǎn)單性得到了更多的青睞和更廣泛的采用。

共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)是通過(guò)共享輸入輸出端口的緩沖器，從而減少了對(duì)總存儲(chǔ)空間的需求。分組的交換是通過(guò)指針調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這提高了交換容量。但它的速度受限于內(nèi)存的訪問(wèn)速度。 Crossbar可以同時(shí)提供多個(gè)數(shù)據(jù)通路。一個(gè)Crossbar結(jié)構(gòu)由N×N交叉矩陣構(gòu)成。交叉點(diǎn)由調(diào)度器控制。調(diào)度器在每個(gè)調(diào)度時(shí)隙內(nèi)收集各輸入端口有關(guān)數(shù)據(jù)包隊(duì)列的信息，經(jīng)過(guò)一定的調(diào)度算法得到輸入端口和輸出端口之間的一個(gè)匹配，并配置相應(yīng)交叉點(diǎn)，提供輸入端口到輸出端口的通路。因此，調(diào)度器的調(diào)度效率決定了Crossbar的交換速率，調(diào)度器就是Crossbar交換結(jié)構(gòu)的核心。

（2）多級(jí)交換結(jié)構(gòu)

時(shí)分交換結(jié)構(gòu)與Crossbar交換結(jié)構(gòu)都是單級(jí)交換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單。當(dāng)考慮大型交換系統(tǒng)時(shí)，就要采用多級(jí)交換結(jié)構(gòu)。多級(jí)交換結(jié)構(gòu)是由多個(gè)交換單元互聯(lián)起來(lái)的，每個(gè)交換單元具有一整套輸入輸出，與普通交換機(jī)類似，提供輸入輸出的連接。通過(guò)多個(gè)小的交換單元互連構(gòu)造出一個(gè)大型的、容量可擴(kuò)展的交換網(wǎng)絡(luò)。多級(jí)結(jié)構(gòu)之間的不同取決于交換單元之間是如何互聯(lián)的。典型的結(jié)構(gòu)包括Benes網(wǎng)、Butterfly網(wǎng)、Clos網(wǎng)等形式。

Benes網(wǎng)使用方形交換單元（即：輸入輸出端口數(shù)相同）進(jìn)行多級(jí)互聯(lián)。一般來(lái)說(shuō)，3級(jí)N部Benes網(wǎng)的每一級(jí)均可以用N個(gè)輸入/輸出端口和N個(gè)交換單元來(lái)構(gòu)造。這個(gè)格形結(jié)構(gòu)在每個(gè)輸入端和每個(gè)輸出端之間形成N個(gè)可能的通路。Benes輸出可以擴(kuò)展至任意奇數(shù)級(jí)。

Clos網(wǎng)是Benes網(wǎng)的推展，用非方形交換單元構(gòu)造，交換單元的互連方式與Benes網(wǎng)相同。在3級(jí)Clos網(wǎng)中，Clos網(wǎng)在輸入級(jí)有d×r個(gè)交換單元，中間級(jí)有N/d乘N/d交換單元，輸出級(jí)有r×d交換單元。增加r將增加輸入和輸出間的通道數(shù)量和減少每通道所需的帶寬。但是，網(wǎng)絡(luò)總帶寬（即成本）與r的值無(wú)關(guān)。Benes網(wǎng)的配置取r=N/d，即方形交換單元，是一種較便于實(shí)現(xiàn)的方案。

3DTM網(wǎng)由大小固定的交換單元互連而成，每個(gè)交換單元被連成一個(gè)三維環(huán)繞的格形網(wǎng)，通過(guò)單向或雙向鏈路與它的6個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)連接，并具有一個(gè)雙向外部鏈路。路由選擇時(shí)要求在每個(gè)方向上分別經(jīng)過(guò)若干轉(zhuǎn)接點(diǎn)。在任一方向上的平均轉(zhuǎn)接點(diǎn)隨端口數(shù)的立方根比例增長(zhǎng)。要實(shí)現(xiàn)無(wú)阻塞，系統(tǒng)的成本差不多與N4/3成正比。

雖然對(duì)于小型系統(tǒng)單級(jí)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)低，但是它不能滿足下一代Internet擴(kuò)展的需要。多級(jí)結(jié)構(gòu)在操作上較復(fù)雜，但是可以擴(kuò)展到成百上千個(gè)端口，這對(duì)于下一代Internet核心路由系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是絕對(duì)有必要的。在多級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Benes結(jié)構(gòu)是最佳的選擇，因?yàn)樗南到y(tǒng)復(fù)雜程度最低，性能好且滿足可擴(kuò)展的要求。

多級(jí)交換結(jié)構(gòu)中，級(jí)數(shù)越少，交換延遲也就越小，但交換通路也相應(yīng)減少，這導(dǎo)致碰撞阻塞的更容易產(chǎn)生，因此多級(jí)交換結(jié)拓?fù)涞拇_定有一個(gè)各項(xiàng)性能之間的折中。

（3）群集交換結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖峡矗杭粨Q結(jié)構(gòu)與多級(jí)交換結(jié)構(gòu)相類似，也是通過(guò)一些小的交換結(jié)構(gòu)構(gòu)建一個(gè)大的交換結(jié)構(gòu)。不同的是，多級(jí)交換結(jié)構(gòu)內(nèi)部的交換單元不與輸入輸出端口相連，而群集交換結(jié)構(gòu)通過(guò)各線卡上的交換單元堆疊成一個(gè)大的交換結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，隨著Internet流量的迅猛增大，市場(chǎng)迫切需要采用一種可由小容量平滑過(guò)渡到大容量的數(shù)據(jù)交換結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的交換結(jié)構(gòu)，如共享內(nèi)存、Crossbar等，正越來(lái)越受到多級(jí)交換結(jié)構(gòu)、群集交換結(jié)構(gòu)的挑戰(zhàn)。事實(shí)上，很多廠商如：Juniper、Avici、Pluris等公司生產(chǎn)的某些大規(guī)模路由器都已經(jīng)采用了新的交換結(jié)構(gòu)。

路由器：http://www.zgby.cn/printpage.asp?BoardID=133&ID=262741

Juniper公司：http://cn.juniper.net/products/glance/

Avici 公司：http://www.avici.com/

Pluris 產(chǎn)品：http://www.civil.uminho.pt/planning/pluris2006/