縱橫式交換矩陣的分布式轉(zhuǎn)發(fā)處理

夏麟

【摘要】交叉開關(guān)矩陣或縱橫式交換矩陣（crossbar），是交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中構(gòu)建大容量系統(tǒng)的一種工具。交叉開關(guān)矩陣交換網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)平面沒有任何瓶頸，摒棄了共享帶寬的交換方式，具有很強的擴展能力，交換容量可以做的很大，基本不受硬件條件限制，本文主要闡述了交叉開關(guān)矩陣在數(shù)據(jù)交換過程及其外圍的工作流程，介紹線路交換行之有效的方法與途徑。

【關(guān)鍵詞】縱橫式交換矩陣；高級數(shù)據(jù)鏈路控制；交換網(wǎng)絡(luò)

【Abstract】Crossbar matrix or crossbar， which is a tool for building large capacity systems in a switched network architecture. Cross-switch matrix switching network in the data plane without any bottlenecks， abandon the shared bandwidth of the exchange， with strong scalability， the exchange capacity can be done very large， basically not subject to hardware constraints， this paper describes the cross-switch matrix in the Data exchange process and its peripheral workflow， introduced the line exchange line of effective methods and ways.

【Key words】Vertical and horizontal switching matrix；Advanced data link control；Switching network

1. 背景

為了提供多點對多點的數(shù)據(jù)交換，完成多部用戶終端的連接和互通，必須采用軟硬件設(shè)備實現(xiàn)路由占用，接續(xù)控制，時隙同步等功能。最一開始人們采用程控數(shù)字交換機，通過類似于計算機的芯片接收用戶終端數(shù)據(jù)，通過確定的協(xié)議進行轉(zhuǎn)發(fā)，通常采用高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程，有較高的數(shù)據(jù)鏈路傳輸效率；所有幀采用CRC檢驗，對信息幀進行順序編號，可防止漏收或重發(fā)，傳輸可靠性高；傳輸控制功能與處理功能分離，具有較大靈活性。程控數(shù)字交換機處理幾路經(jīng)過時分復(fù)用的PCM信號，在寄存器當(dāng)中先寫入后讀出。在線路不復(fù)雜用戶不多的情況下也是行之有效的方法，但是對于大用戶多接口的要求顯然已經(jīng)無法滿足。這時就出現(xiàn)了更加先進的交換設(shè)備-縱橫式交換矩陣，用以將用戶間通話60%以上的靜止時間利用起來，使交換變得十分靈活高效。

2. 縱橫式交換矩陣交換結(jié)構(gòu)

（1）一個交叉開關(guān)矩陣的示意圖如圖1所示，只要同時閉合多個交叉節(jié)點，多個不同的端口就可以同時傳輸數(shù)據(jù)。從這個意義上，我們認為所有的縱橫開關(guān)矩陣在內(nèi)部是無阻塞的，因為它可以支持所有端口同時線速交換數(shù)據(jù)。

（2）在支持縱橫交叉矩陣技術(shù)的三層交換機中，一般采用了兩類三層交換芯片：一類是可以出千兆、百兆端口的交換芯片；一類是僅僅出內(nèi)部高速接口（往往是10G以上的速率）的縱橫交叉矩陣芯片，用于各個模塊之間的互聯(lián)。

（3）隨著網(wǎng)絡(luò)中用戶數(shù)量的增多，用戶需要對MAC地址、IP地址、TCP/UDP端口號等信息進行控制，從而實現(xiàn)了嚴格限制局域網(wǎng)資源的訪問，同時也用這個功能限制局域網(wǎng)用戶對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身的訪問。特別是最近一兩年侵占和威脅網(wǎng)絡(luò)資源的網(wǎng)絡(luò)病毒的出現(xiàn)，極大地影響了三層交換機的穩(wěn)定性。

（4）如圖2所示，交叉開關(guān)通過上述控制功能，在有效控制了用戶業(yè)務(wù)的同時，也有效地保護了自身的安全和可靠性。此時三層交換機也就發(fā)展為“智能多層交換機”，主要就是具備了以上的控制功能。這種交換機的交換芯片支持一次處理64字節(jié)以上的內(nèi)容，所以可以直接一次處理以太網(wǎng)幀MAC地址頭、IP包頭、TCP/UDP包頭，從而實現(xiàn)了2～4層的基于硬件線速訪問控制。還有一些智能控制功能如802.1X認證協(xié)議的支持，通過對RADIUS等AAA協(xié)議的擴展，達到對用戶更加嚴格的控制。

3. 分布式CrossBar架構(gòu)

（1）隨著網(wǎng)絡(luò)核心交換機的交換容量發(fā)展到了幾百個Gbps、同時支持多個萬兆接口并規(guī)模應(yīng)用在城域網(wǎng)骨干和園區(qū)網(wǎng)核心的時候，分布式的Crossbar架構(gòu)很好的解決了在新的應(yīng)用環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)核心交換機所面臨的高性能和靈活性的挑戰(zhàn)。也就是說，除了交換網(wǎng)板采用了縱橫交叉矩陣架構(gòu)之外，在每個業(yè)務(wù)板上也采用了縱橫交叉矩陣+交換芯片的架構(gòu)。

（2）在業(yè)務(wù)板上加交換芯片可以很好地解決了本地交換的問題，而在業(yè)務(wù)板交換芯片和交換網(wǎng)板之間的縱橫交叉矩陣芯片解決了把業(yè)務(wù)板的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信元化從而提高了交換效率，并且使得業(yè)務(wù)板的數(shù)據(jù)類型和交換網(wǎng)板的信元成為兩個平面，也就是說可以有非常豐富的業(yè)務(wù)板，比如可以把防火墻、IDS系統(tǒng)、路由器、內(nèi)容交換、IPv6等等類型的業(yè)務(wù)整合到核心交換平臺上，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)核心交換機的業(yè)務(wù)擴充能力。同時這個縱橫交叉矩陣有相應(yīng)的高速接口分別連接到兩個主控板或者交換網(wǎng)板，從而大大提高了雙主控主備切換的速度。

分布式縱橫交叉矩陣設(shè)計中，CPU也采用了分布式設(shè)計。設(shè)備主控板上的主CPU負責(zé)整機控制調(diào)度、路由表學(xué)習(xí)和下發(fā)；業(yè)務(wù)板從CPU主要負責(zé)本地查表、業(yè)務(wù)板狀態(tài)維護工作。這就實現(xiàn)了分布式路由計算和分布式路由表查詢，大大緩解主控板的壓力，提高了交換機轉(zhuǎn)發(fā)效率，這也是業(yè)務(wù)板本地轉(zhuǎn)發(fā)能夠提高效率的重要原因。這種分布式縱橫交叉矩陣、分布式交換的設(shè)計理念是核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備設(shè)計的發(fā)展方向，保證了現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)核心能支撐未來海量的數(shù)據(jù)交換和靈活的多業(yè)務(wù)支持的需求。

參考文獻

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[文章編號]1619-2737（2017）07-20-669endprint