交換機的交換架構是框式交換機才有的概念，它最主要的作用是任意輸入端可以交換為任意輸出端。交換架構的最基本組成為：輸入端口、輸出端口和連接輸入輸出端口的交換網絡。

        業界主要的三種交換架構如下圖所示：

    為什么會出現架構的變化？交換架構本質的出現就是為了解決多個端口之間轉發效率的問題。隨著數據量的增大，客戶對交換機接口數量的要求增多，框式交換機靈活的端口擴展，這些情況導致在硬件上，傳統的架構很難部署，在轉發效率上，也容易出現轉發瓶頸。

    一、MESH架構

    MESH架構又叫全連接架構。實際上就是將交換機的每一個端口（線卡），都通過背板走線的方式連接在一起， 每兩個端口之間都有一條線直接連接，所有的數據都是直接從輸入端轉發到輸出端。

線卡和線卡之間通過背板直接相連。每兩兩線卡之間都通過背板走線相連。典型為兩級交換架構，即 LC<--->LC。

架構圖如下圖所示：

    數據報文轉發流程：

    1、報文從線卡1進入，跨卡報文送到與目的線卡連接的背板通路；

    2、線卡1發送到背板的報文通過Hash等算法實現流量的均衡；

    3、報文到達目的線卡發出。

   整個架構優勢如下：

• 專用高速通道，數據可以無阻塞交換

• 轉發時延小，線卡之間直接轉發數據

• 綠色節能，沒有交換芯片，降低整個機身的功耗

    架構缺點：

• 對背板走線要求高

• 由于需要全端口互聯，所以僅適合底槽位的設備，原因如下：

    1、全互聯，擴展性差

    2、槽位數越多，需要連的線越多

    3、槽位越多，需要的走線越長，走線越長信號越差，影響通訊的質量

• 轉發速率受限于背板帶寬，因為沒有轉發芯片，所以轉發效率不是很高。

   

    二、Crossbar架構

    Crossbar介紹

    為了解決MESH架構無法靈活擴展，轉發效率不高等問題，設計除了Crossbar架構。在該架構中，將交換業務交給交換網板或者集成了交換芯片的引擎來完成。線卡之間需要經過交換網板才能轉發出去。

    Crossbar架構特征：

    包含一到多個并行工作的Crossbar芯片，業務線卡通過背板走線連接到Crossbar芯片上，Crossbar芯片集成在主控引擎上。業務調度和均衡通常采用集中仲裁或者Hash方式

多級交換，典型為三級：LC<--crossbar-->LC。

    Crossbar交換芯片架構：

    如圖所示，每一條輸入鏈路和輸出鏈路都有一個CrossPoint，在CrossPoint處有一個半導體開關連接輸入線路和輸出線路，當來自某個端口的輸入線路需要交換到另一個端口的輸出點時，在CPU或交換矩陣的控制下，將交叉點的開關連接，數據就被發到另一個接口。

    簡單地說，Crossbar 架構是一種三級架構，它是一個開關矩陣，每一個CrossPoint都是一個開關，交換機通過控制開關來完成輸入到特定輸出的轉發。如果交換具有N個輸入和N個輸出，那么該Crossbar Switch就是一個帶有N*(N-1)≈N²個CrossPoint點的矩陣，可見，隨著端口數量的增加，交叉點開關的數量呈幾何級數增長。對于Crossbar芯片的電路集成水平、矩陣控制開關的制造難度、制造成本都會呈幾何級數增長。所以，采用一塊Crossbar交換背板的交換機，所能連接的端口數量也是有限的。

    優點：CrossBar內部無阻塞（相對的）。一個CrossBar，只要同時閉合多個交叉節點(crosspoint)，多個不同的端口就可以同時傳輸數據。從這個意義上，我們認為所有的CrossBar在內部是無阻塞的，因為它可以支持所有端口同時線速交換數據

    劣勢：線卡間雖有多路徑，但無法實現嚴格的負載均衡和無阻塞。且受限于Crossbar芯片，在滿插槽位的情況下，也可能無法支持無阻塞。引擎和交換芯片集成在一起，一旦引擎掛了，就不能轉發數據了。

    Crossbar在實現上又具體分為兩種架構，一種是無緩存的Crossbar架構，一種是有緩存的Crossbar架構，主要區別就是在每個Crosspoint處是否有緩存，當然隨著技術的發展，有緩存的Crossbar架構也逐漸在輸入端加了緩存。

    無緩存的Crossbar架構

    所謂的無緩存的Crossbar架構，就是每個交叉點沒有緩存，業務調度采用集中調度的方式，對輸入輸出進行統一調度，報文轉發流程如下：

    1. 報文從線卡進入，線卡先向仲裁器請求發送;

    2. 仲裁器根據輸出端口隊列擁塞情況，決定是否允許線卡發送報文到輸出端口;

    3. 報文通過Crossbar轉發到目的線卡輸出端口。

    但由于是集中調度，所以仲裁器的調度算法復雜度很高，擴展性較差，系統容量大時仲裁器容易形成瓶頸，難以做到精確調度。

    緩存式Crossbar架構

    最早的緩存式Crossbar只有交叉節點帶緩存，而輸入端是無緩存的，被稱為”bus matrix”,后來，CICQ（聯合輸入交叉點排隊 ）的概念被引入，即在輸入端用大的Input Buffer，在中間節點用小的CrossPoint Buffer。這種結構采用分布式調度的方式進行業務調度，即輸入和輸出端都有各自的調度器，報文轉發流程如下：

    1. 報文從線卡進入，輸入端口通過特定的調度算法(如RR算法)獨立地選擇有效的VOQ（虛擬輸出隊列）;

    2. 將VOQ隊列頭部分組發送到相應的交叉點緩存;

    3. 輸出端口通過特定的算法在非空的交叉點緩存中選擇進行服務。

     由于輸入和輸出的調度策略相互獨立，所以很難保證交換系統在每個時隙整體上達到最佳匹配狀態，并且調度算法復雜度和交換系統規模有關，限制了其擴展性。

    基于CICQ的Crossbar同時滿足了較大容量交換和較好的業務調度的需求，是一種比較完善的交換架構，交換容量可以從幾百G到幾T，通常支持10G接口但無法支持40G和100G接口。由于交換容量不是很大，交換網通常集成在主控板上，采用1+1主備或負荷分擔工作方式。

    這種交換網版集成在主控板上的方式，好處是減少了槽位的占用，但是缺點比較多，比如：一旦主控板掛了，交換芯片也就掛了，無法繼續進行轉發；芯片在管理板上，與線卡互聯，因為線的速率是有限的，且不能擴展交換網版，所以交換性能是有限的。

    至于為什么Crossbar架構無法支持40G以上接口的流量呢？海翎光電的小編覺得有以下幾個原因：

• 初步覺的不支持40G以上的接口是受交換容量的限制。交換芯片畢竟是集成在引擎上的，每塊芯片的容量有上線，最多只能有兩塊交換芯片的前提下，交換容量的上限無法滿足40G端口的需求。

• 查閱資料說crossbar的數據轉發靜態IP轉發，也就是說同一條IP的數據會走同一條路徑，可能出現源自同一IP的大流量數據，被轉發到同一條路徑中，造成阻塞，而此時其他路徑卻是空閑的。比如當使用40G以上端口進行視頻業務轉發時，路徑壓力會變大，導致造成阻塞。

• 由于是通過仲裁器集中調度，所以系統流量大時，調度算法的設計會很復雜，不好設計。

MESH與Crossbar架構區別：

    三、CLOS架構

    近二十年來包交換網絡的高速發展，10G接口已經逐漸無法滿足要求，40G口甚至100G口的交換機開始出現在市場，迫切需要超大容量和具備優異可擴展性的交換架構，CLOS這個古老而新穎的技術再一次煥發出旺盛的生命力。

    CLOS交換架構是一個多級架構；在每一級，每個交換單元都和下一級的所有交換單元相連接。一個典型的CLOS交換三級架構由（k，n）兩個參數定義，如下圖所示，參數k是中間級交換單元的數量，n表示的是第一級（第三級）交換單元的數量。第一級和第三級由n個k×k的交換單元組成，中間級由k個n×n的交換單元組成。整個構成了k×n的交換網絡，即該網絡有k×n個輸入和輸出端口。

    對于需要更高容量的交換網，中間級也可以是一個3級的CLOS網絡（即CLOS網絡可以遞歸構建），比如4個第一（三）級n×n芯片加上2個n×n的第二級芯片可構成一個2n×2n的交換網。由于CLOS網絡的遞歸特性，它理論上具有無與倫比的可擴展性，支持交換機端口數量、端口速率、系統容量的平滑擴展。

    CLOS交換架構可以做到嚴格的無阻塞（Non-blocking）、可重構（Re-arrangeable）、可擴展（Scalable）。

（下圖是海翎光電的小編對上圖理解后畫的理解圖。 ）

    CLOS架構特征：包含多塊獨立的交換網板（簡稱 FE），每塊網板上包含1個或多個FE交換芯片。

      CLOS架構中，我們又分為廣義CLOS架構和狹義CLOS架構。但一般來說，我們所說的CLOS架構都是指的狹義CLOS架構。

    3.1 廣義CLOS架構

     廣義CLOS架構類似于Crossbar架構，只不過是將交換舉證與管理引擎分離了，交換矩陣可以有多塊，具備多級交換架構

     在幾何拓撲上將多個Crossbar連成與上文描述的CLOS架構相類似的形式，并采用靜態路由方式，即業務流進入交換網前，根據源端口指定或基于Hash算法選擇一條路徑。所以，屬于同一條流的所有報文將選擇同一條路徑進入交換網。顯然，當系統中業務流較為單一時，被Hash算法選中的路徑容易形成阻塞，而其它路徑則較為空閑。類似道理，業務流從第二級交換到第三級時，也容易形成阻塞。這種架構不是嚴格意義上的無阻塞CLOS交換架構，其交換性能與基于CIOQ的Crossbar相當。

    3.2 狹義CLOS架構

    轉發方式（基于動態路由的轉發方式）

    因為這個轉發方式需要將數據包切成cell進行轉發，所以也叫做基于Cell的動態負載。

    1. 第一級線卡，每個業務流可通過Round-robin或隨機方式均勻發送到k條連到第二級的路徑上

    2.入方向線卡將數據包切分為N個cell，其中：N=下一跳可用線路數量;

    3. 交換網板采用動態路由方式，即根據下一級各鏈路的實際可用交換能力，動態選路和負載均衡，通過多條路徑將分片發送到出方向線卡;

    4. 出方向線卡重組報文。

    動態負載關鍵點在于能負載分擔地均衡利用所有可達路徑，由此實現了無阻塞交換。

     動態路由關鍵點在于能負荷分擔地均衡利用所有可達路徑。對于第一級，每個業務流可通過Round-robin或隨機方式均勻發送到k條連到第二級的路徑上（通常基于信元的發送）；到達第二級的業務流將基于信元自路由技術（Cell-based Self-routing），根據交換網路由選擇相應路徑交換到第三級目的端口。第三級收到所有來自第二級的信元時，把信元重組成報文，并保證報文順序正確。動態路由方式由此實現了嚴格的無阻塞交換，并有利于減小加速比從而提高有效端口容量。

    動態路由方式有一個突出優點，即平滑支持更高速率的網絡端口，比如40GE/100GE。這是因為它可以充分利用所有可用路徑形成一個大的數據流通道，比如24條3.125Gbps通道可以支持100GE數據流。相反，靜態路由方式則受限于單條路徑的帶寬，比如基于XAUI接口的Crossbar交換，網絡端口速率最高只能達到10Gbps，無法支持40GE和100GE。

    基于動態路由的CLOS架構，再結合合適的業務調度機制，就可以支持完善的QoS。采用CLOS交換架構的典型設備有：銳捷N18000統一交換架構核心交換機，Juniper T1600核心路由器。在2009年2月初，Juniper剛剛發布了TX-Matrix Plus，通過多框互聯技術支持把16臺T1600構建成一個25Tbps的無阻塞交換系統，顯示了CLOS架構卓越的可擴展性。2004年，Cisco發布了其路由器旗艦產品CRS-1，采用了三級動態自路由的Benes交換架構，支持72個機架的互聯，達到46T/92T的系統容量。Benes交換實質上是CLOS交換架構的一個特例。

    由于CLOS交換系統容量很大，物理實現上，通常采用N+1個獨立的交換網槽位，與主控板控制平面徹底分離，一方面提高了系統容量可擴展性，另一方面極大程度上提高了轉發平面的可靠性，避免了控制平面出現故障或進行倒換時對轉發平面的影響。

CLOS與Crossbar的對比：

    四、交換機網板設計

    交換網板主要有三種設計，分別是非正交背板，正交背板，正交零背板

    如圖1所示，非正交背板結構，業務線卡與交換網板互相平行，板卡之間通過背板走線連接。因為背板走線會帶來信號干擾，背板設計也限制了帶寬的升級，同時，背板上PCB的走線要求很高，從背板開孔就成了奢望，這直接導致純前后的直通風道設計瓶頸一直無法突破。所以背板帶寬限制了帶寬的升級，同時也增加了散熱的難度。

    我們發現正交結構能夠很好的減少背板走線，降低了信號衰減。因此將非正交背板改成了正交背板。但是同非正交背板設計一樣，背板帶寬限制了帶寬的升級，同時也增加了散熱的難度。因此我們就考慮，是不是可以不要背板呢？正交零背板的方式因此出現。

    正交設計能減少背板走線帶來的高速信號衰減，提高了硬件的可靠性，無背板設計能夠解除背板對容量提升的限制，當需要更大帶寬的時候，只需要更換相應板卡即可，大大縮短業務升級周期，并且因為沒有了背板的限制，交換機直通風道散熱問題迎刃而解，匹配數據中心機房空氣流的走向，形成了貫穿前后板卡的高速、通暢的氣流。由于正交結構的優勢，我們逐步轉變為了正交背板結構。

    五、總結——架構對比一覽