模塊化的千兆交換機

nana1983

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)生在每一個配線間中，企業(yè)的IT管理人員希望能為每一個桌面用戶提供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)交換機嗎？在本期交換機專刊中，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(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)會更雄厚。
　　
　　設(shè)備制造商們在設(shè)計交換機時，通常需要通過不同的設(shè)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(jié)構(gòu)得到彈性的骨干擴展能力；
　　
　　3. 可以和服務(wù)器設(shè)備集成，以達(dá)到計算和網(wǎng)絡(luò)的集成；
　　
　　4. 中小型企業(yè)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，非管理型設(shè)備會更受歡迎。
　　
　　另外還有一些其他需求，如降低設(shè)計、生產(chǎn)和裝配成本。這些需求很多是相互矛盾的，但是它們又是真實存在的。滿足它們的方法是通過不同種類的交換機產(chǎn)品來實現(xiàn)，而不斷進步的半導(dǎo)體技術(shù)使得交換機的設(shè)計和制造進入了高度模塊化和集成化階段，為設(shè)計不同種類的交換機提供了技術(shù)上的便捷。下面，我們就不同類型的交換機逐一展示其設(shè)計原理和體系結(jié)構(gòu)，幫您判斷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(qū)網(wǎng)骨干。通常，它們有一些所謂的高速“用戶”端口，并且具有很強的可擴展性。當(dāng)數(shù)據(jù)從這些端口匯總上來時，會從更高速的數(shù)據(jù)上聯(lián)通路傳遞出去，以實現(xiàn)和中心服務(wù)器、IP PBX等設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。可堆疊交換機通常會放置在企業(yè)的配線間或者機房中，它能適應(yīng)增長中的網(wǎng)絡(luò)。如果有新的用戶加入到網(wǎng)絡(luò)中，管理員只需簡單地在原來的設(shè)備上面放置一臺新的設(shè)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(fā)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管理，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(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)難或故障時仍能提供可用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。性能是機框式設(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檢修時間不超過5分鐘。
　　
　

　　如果將圖2的可堆疊交換機上聯(lián)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，加上冗余的電源和管理模塊設(shè)計，就構(gòu)成了一臺核心的機框式交換機。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
　　這種交換機也可以稱之為集成交換機的應(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)器的機框相連，而刀片服務(wù)器的機框就像這樣一臺交換機。刀片服務(wù)器的交換背板通常都是千兆級的，它允許服務(wù)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(wǎng)絡(luò)計算的發(fā)展方向。
　　
　　和機框式交換機一樣，刀片服務(wù)器的背板同樣是一塊高速背板，它可以看做一臺交換機。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立或者可堆疊交換機的設(shè)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(yè)提供了廉價的網(wǎng)絡(luò)解決方案。該系統(tǒng)有著固定的接口（不能擴展），當(dāng)企業(yè)成長需要擴大交換機端口數(shù)時，網(wǎng)絡(luò)管理員必須再購買一些交換機。
　　
　　總的說來，交換機的構(gòu)成和一臺普通的計算機很相似。交換機有自己的CPU、內(nèi)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(wǎng)絡(luò)接口芯片（類似于計算機中的網(wǎng)卡）。如圖5所示。
　　

　　與普通計算機不同的是，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)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)操作，并不經(jīng)過系統(tǒng)的CPU，上文提到的獨立（固定端口）交換機和非管理型交換機就是這樣的結(jié)構(gòu)。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(jù)設(shè)計的不同，在系統(tǒng)中可以使用很高級的CPU和大量的內(nèi)存。這樣多層交換機可以用系統(tǒng)的CPU來處理諸如路由、網(wǎng)絡(luò)安全等策略，實現(xiàn)高級的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。很多交換機使用了通用的CPU，當(dāng)然不是我們常見的Intel，而是像摩托羅拉MPC8245或者MIPS等RISC芯片。
　　
　　圖5中BCM5464是一塊4端口的千兆位電信號收發(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)原始信號的收發(fā)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(yīng)的MAC學(xué)習(xí)機制和映射表，再通過相應(yīng)的BCM5464轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口。
　　
　　對于不可管理型的交換機，因為需求更簡單，所以在設(shè)計時可以使用更少的內(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)計只是起到啟動系統(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)計的過程中掌握核心技術(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)將交換機芯片設(shè)計成模塊化方式，不論是開發(fā)一臺簡單的交換機，還是最尖端的核心路由交換機，其設(shè)計思路都會像小時后玩的拼圖游戲一樣簡單。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備芯片供應(yīng)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(yōu)勢就在于低成本和高性能�！�
　　
　　記者對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)勢推出更簡化和更貼近市場的芯片，靠規(guī)模優(yōu)勢降低成本，這正是國際領(lǐng)袖企業(yè)的生存之道。
　　
　　模塊化設(shè)計意味著更多優(yōu)秀的產(chǎn)品可以很快地進入市場，同時也意味著競爭已經(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會。我們期待著中國廠商有所作為。

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