100G之云内交换篇——面向数据中心的统一交换架构

　　当前云计算服务发展迅速，超大规模、超高性能、灵活与高可扩展成为云计算业务模式的特征和基本要求，传统技术基础的交换机和路由器的交换架构已不能适用这种大规模、高密集的IT集散模式，而面向统一交换架构和业务融合、更大容量和带宽、更高性能和扩展性、更精细的QoS保证、更高的可靠性和容错性能、智能化和易于管理、绿色节能等技术方向的全新基础网络交换架构，才能满足不断涌现的各种新型业务和应用、改进用户体验，并持续降低单位带宽成本。网络技术架构的进步反过来进一步推进云计算的普及和良性发展。

　　毫不夸张地说，交换架构是网络设备的核心，就像人的心脏一样重要。交换架构决定了一台设备的容量、性能、扩展性以及QoS等诸多关键属性。在其短短二十几年的历史中，先后出现了共享总线交换、共享存储交换、Crossbar矩阵交换和基于动态路由的CLOS交换架构等不同形态。对于代表业界发展水平的大容量或超大容量的机架式网络设备而言，通常采用Crossbar矩阵交换或CLOS交换架构，共享缓存交换则应用于其线卡作为全分布式业务处理和转发的组成部件。

　　一、数据中心对新一代交换架构的要求

　　交换架构的一般模型如图1所示，在逻辑上由数据通道资源、控制通道资源这两个相辅相成的部分构成。数据通道资源具体包括交换网及其端口带宽、交换网适配器(FA：Fabric Adaptor)、流量管理器(TM：Traffic Manager)、缓存(Buffering)以及用于互联的高速总线。控制通道资源则包括用于资源分配、业务调度、拥塞管理的流控单元、调度器(Scheduler)，调度器有时也叫仲裁器(Arbiter)。完整意义上的交换架构还包括报文处理器(PP：Packet Processor)或网络处理器(NP：Network Processor)。

　　图1 交换架构一般模型

　　数据中心作为面向应用的综合业务平台和未来云计算的核心基础架构，对网络设备的交换架构提出了更全面、更苛刻的要求，主要包括：支持统一交换架构，大容量及高扩展性，转发性能，业务调度和精细化QoS，弹性。

　　1、 支持统一交换架构(Unified Switch Fabric)

　　数据中心目前存在相对独立的三张网：数据网(Data)、存储网(SAN)和高性能计算网(HPC)。为了便于未来的业务整合和服务提供、简化管理、降低建设成本和运营维护成本，三网将逐步走向融合。要求网络设备的交换架构能方便地扩展和支持FCoE、FC等接口及其转发，从而与存储网络无缝融合;支持CEE(Convergence Enhanced Ethernet)增强型以太网等新型接口，使以太网从传统的“尽力而为(Best-effort)”变成更为成熟的“无损网络(Lossless)”。

　　2、 大容量及高扩展性(Capacity & Scalability)

　　超宽带时代正在来临，以Youtube、iTunes、Facebook、GoogleEarth、网真系统、移动视频等为代表的视频流、音频流、社交网络、P2P、多媒体等业务正以约70%的年增长速度发展，对未来网络提出了近乎无止境的带宽需求。要求交换机具有大容量和优异的可扩展性，即随着业务拓展而逐步扩展端口数、端口速率，从而提高端口容量。扩展性还包括能根据业务需要扩展新的端口类型，支持网络资源虚拟化，支持集群系统等。

　　作为衡量系统交换能力和未来可扩展能力关键指标，交换机的交换容量相当于汽车的排量指标。新一代机架式数据中心交换机交换容量在1～10Tbps级别，集群系统更高达几十Tbps。端口容量则指产品当前版本所能提供的最大网络端口容量，由网络端口速率乘以相应的线速端口数得出，表征了产品当前实际所能支持的线速转发能力。同样交换容量的产品，在不同版本和阶段，可能有不同的端口容量;同样交换容量的产品，由于交换架构总开销不同，所能支持的端口容量也会不同。

　　端口速率：新一代架构要求除支持千兆、万兆以太网端口之外，还要求每槽位能平滑支持一到多个40Gbps和100Gbps端口，这是带宽发展过程中一个质的飞跃。

　　3、 转发性能

　　线速转发性能：通常是指64字节小包的线速转发能力，表征了系统处理报文头的能力，在相同的端口流量下，64字节小包要求系统在单位时间内处理更多的报文数。转发性能还要关注线速一致性，即大包小包都能线速，都不丢包;Pair模式、Full Mesh模式都能线速转发。

　　转发时延及时延抖动：目前存储转发技术的端口到端口时延在几微秒到几十微秒，可满足绝大多数应用场合。Cut-through转发时延可达到1微秒以下，主要用于少数对时延非常敏感的紧耦合高性能计算。时延抖动则指时延的一致性、时延可预测性，VoIP、视频等实时业务通常要求低时延和时延一致性。

　　4、 业务调度和精细化QoS

　　近年来带宽需求的年增长达到50～70%，而带宽供给年增长通常在30%。资源总是有限的，不可能给所有用户、所有业务提供足够的带宽，从而导致实际的网络是一个存在拥塞的网络。网络设备需要提供更完善和精细的QoS支持，即根据不同用户不同业务的SLA要求，提供相应有保证或可预测的带宽、丢包率、突发缓存能力、时延、时延抖动等指标承诺。

　　业务调度和队列(Scheduling & Queuing)：没有业务调度的交换架构就像没有红绿灯的十字路口，容易发生碰撞和事故，谈不上QoS。粗放式调度就像每个方向有一个车道，有单一圆形红绿灯的十字路口，比没有红绿灯有大幅改善，但容易阻塞。而精细化调度则好比每个方向有三个车道(左转、直行、右转)，红绿灯由三个对应的方向指示箭头组成(左转、直行、右转箭头)，这种调度显然效率更高、更加有序了。

　　在交换机里，车道就好比队列，红绿灯就好比调度器。队列越多，就可以对流量进行更精细化的管理和调度，使到不同出口、不同优先级的业务转发互不影响，消除头阻塞。队列越多，调度器也越复杂，设计复杂度也高，有的设备还支持层次化调度(H-QoS)。所能支持队列数目也是网络设备的关键指标之一，一般设备支持十几、几十到几百条队列不等，少数高端产品可以支持1K、十几K或几十K。

　　流分类和缓存(Classification & Buffering)：与业务调度紧密相关的就是流分类和缓存。流分类是对不同用户和业务进行识别然后映射到不同的优先级和队列。而没有缓存或缓存太小，再好的调度也形同虚设或大打折扣。随着应用越来越复杂，流量突发越来越大，越来越频繁(比如搜索业务)，足够大的缓存对新一代数据中心至关重要。

　　5、 交换架构的弹性(Resiliency)

　　弹性是指部件出现故障、或人为操作失误时，能够自动检测到，并对故障进行隔离，从而让系统功能性能不受损失或尽可能少受损失(Graceful Degradation)。包括冗余性(Redundancy)和容错性(Fault Tolerance)。采用与主控板物理上独立的N+1交换网板，即转发平面和控制平面物理上分离有利于进一步提高系统的弹性。