企业网D1net-北京  6月13日   世界在进步，科技在发展，网络技术也在不断的发展。交换架构是交换机内部报文转发实现的技术方式。数据中心网络交换架构随着技术的发展而不断的发展变化。回往十几年网络交换架构技术的发展，大概经历了四次技术变革。

盒式交换架构

盒式交换架构起源于共享式HUB。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，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。这时盒式交换机出现了，它采用VLAN隔离技术，具有三层交换的功能，很好地解决了传输数据时的冲突问题。

盒式交换机采用的是盒式交换架构，即CPU+ASIC的方式，CPU加交换芯片的方式。CPU负责处理软件协议，ASIC负责转发业务报文。一般一个盒式交换机采用一个或者多个交换芯片。交换芯片提供多个外部端口，为了提供更多的外部端口，而一片交换芯片又无法提供更多的端口，这时就需要部署多片交换芯片，交换芯片之间内部采用多个端口互联。图1是盒式交换架构的示意图：

图1：盒式交换架构

盒式交换架构也一直在发展、演变。近些年多核CPU、大缓存技术也都引入到了盒式交换架构中。在数据中心中，盒式交换架构仍是接入交换机最主要的实现方式。

二、框式交换架构

盒式交换架构无法提供高密度的端口交换，无法满足在数据中心的网络汇聚与核心层部署，框式交换架构应运而生。框式交换架构采用机框+多单板的方式，每个单板相当于一个盒式交换架构，机框为所有的单板提供供电和散热。框式交换架构经历了三次变革。

主控集中转发交换架构

框式交换架构最开始的设计将单板分为主控板和接口板两个部分，主控板作为软件处理、数据交换的中心，完成三层转发和二层跨版转发的功能，接口板仅提供多端口接入，可完成二层转发的功能。

图2：框式交换架构

这种交换架构一般提供两个主控板槽位，做备份，从而保证一块主控板故障时，另一块主控板仍能正常处理业务。几乎所有的流量都需要经过主控板完成转发，所以主控板非常重要，提供双主控板就是为了降低单块主控板故障带来的风险。集中式交换架构整机的带宽受限于主控板，一块主控板无法提供过高的网络带宽，即便两块主控板都工作，采用负载分担的模式，也无法满足多块接口板线速转发的需要。因此这种架构下的单板很难达到线速转发，多是板内二层线速转发，跨板2:1、4:1或更高收敛比的转发。

CLOS交换架构

鉴于集中式交换架构带宽的限制，CLOS交换架构出现了，这种架构将主控板与转发平面分离，主控板仅作为协议软件处理，管理和监控设备的功能。新增一种单板类型叫交换网板，交换网板完成各个接口板之间的互连。接口板可独立完成二三层转发功能，交换网板提供各个接口板之间的互连。

图3：CLOS交换架构

 CLOS交换架构提供了高速的转发带宽，可以提供48端口万兆的单板、24端口40G单板以及100G单板全线速转发。但在实际应用中，就会发现这种架构也存在着一些使用限制。比如：接口板的线速是要靠多块交换网板共同转发来实现的。每一块接口板都与所有的交换网板互连，一般接口板的流量通过HASH方式去不同的交换网板，经由交换网板完成转发。当多块接口板同时工作，就存在多块接口板的流量HASH到了一块交换网板上的可能，这时在交换网板上就出现了拥塞丢包。

基于信元的CLOS交换架构

为解决CLOS交换架构的使用限制，基于信元转发的交换架构被实现，这种交换架构不是基于IP报文转发，而是将一个IP报文分割成多个信元，每个信元依次发向各个网板，根据信元来转发。从而保证每个接口板的所有流量都均匀发向各个交换网板。

图4：基于信元的CLOS交换架构

通过基于信元的交换架构，可以提升设备的转发效率。节省芯片、背板的硬件资源。转发时延更优。根据信元的大小分为FCS和VCS两种方式：

  图5：两种信元方式

采用基于信元的CLOS交换架构虽然避免了交换网板的拥塞，但由于是采用将每个IP报文都进行分割，然后再转发的方式，然后在接收端再进行报文重组，这里就存在乱序的可能。虽然通过技术手段可以降低这种乱序出现的概率，但这也会降低转发效率。

以上是目前主要的三种框式交换架构，集中式交换架构已经逐渐被淘汰掉了，CLOS交换架构和基于信元的CLOS交换架构是目前数据中心主流的交换架构。虽然都有一些使用限制，但已可适应数据中心未来几年的发展。随着技术的不断完善，交换架构也必然会不断发展与完善。总体而言，交换架构向着更高、更快、更好的方向在发展。

数据中心的网络交换架构决定了数据中心的性能，采用先进的网络交换架构将可有效发挥数据中心的服务优势，随着数据中心的应用需求不断变化，网络交换架构也必将会不断推陈出新，适应数据中心发展的需求，不断进步。