100G之云内交换篇——面向数据中心的统一交换架构

　　三、 新一代基于动态路由的CLOS交换架构

　　CLOS交换架构由贝尔实验室Charles Clos博士在1953年的《无阻塞交换网络研究》论文中首次提出，后被广泛应用于TDM网络，为纪念这一重大成果，便以他的名字CLOS命名这一架构。近二十年来包交换网络的高速发展，迫切需要超大容量和具备优异可扩展性的交换架构，CLOS这个古老而新颖的技术再一次焕发出旺盛的生命力。

　　CLOS交换架构是一个多级架构;在每一级，每个交换单元都和下一级的所有交换单元相连接。一个典型的CLOS交换三级架构由(k，n)两个参数定义，如图3所示，参数k是中间级交换单元的数量，n表示的是第一级(第三级)交换单元的数量。第一级和第三级由n个k×k的交换单元组成，中间级由k个n×n的交换单元组成。整个构成了k×n的交换网络，即该网络有k×n个输入和输出端口。

　　对于需要更高容量的交换网，中间级也可以是一个3级的CLOS网络(即CLOS网络可以递归构建)，比如4个第一(三)级n×n芯片加上2个n×n的第二级芯片可构成一个2n×2n的交换网。由于CLOS网络的递归特性，它理论上具有无与伦比的可扩展性，支持交换机端口数量、端口速率、系统容量的平滑扩展。

　　CLOS交换架构可以做到严格的无阻塞(Non-blocking)、可重构(Re-arrangeable)、可扩展(Scalable)。

　　图3 CLOS交换架构

　　CLOS架构定义了一种几何拓扑结构，在早期TDM及语音应用中，其可重构特性通常由软件计算和配置完成。对于高速包交换系统，大量业务流的目的端口在频繁而快速地变化(如ns级)，通过软件来对转发路径进行选择和重配置变得不现实。因此，需要采用近些年专门针对用于包交换系统的CLOS架构而设计的动态路由方式。

　　动态路由关键点在于能负荷分担地均衡利用所有可达路径。对于第一级，每个业务流可通过Round-robin或随机方式均匀发送到k条连到第二级的路径上(通常基于信元的发送);到达第二级的业务流将基于信元自路由技术(Cell-based Self-routing)，根据交换网路由选择相应路径交换到第三级目的端口。第三级收到所有来自第二级的信元时，把信元重组成报文，并保证报文顺序正确。动态路由方式由此实现了严格的无阻塞交换，并有利于减小加速比从而提高有效端口容量。

　　动态路由方式有一个突出优点，即平滑支持更高速率的网络端口，比如40GE/100GE。这是因为它可以充分利用所有可用路径形成一个大的数据流通道，比如24条3.125Gbps通道可以支持100GE数据流。相反，静态路由方式则受限于单条路径的带宽，比如基于XAUI接口的Crossbar交换，网络端口速率最高只能达到10Gbps，无法支持40GE和100GE。

　　基于动态路由的CLOS架构，再结合合适的业务调度机制，就可以支持完善的QoS。采用CLOS交换架构的典型设备有：H3C S12500统一交换架构核心交换机，Juniper T1600核心路由器。在2009年2月初，Juniper刚刚发布了TX-Matrix Plus，通过多框互联技术支持把16台T1600构建成一个25Tbps的无阻塞交换系统，显示了CLOS架构卓越的可扩展性。2004年，Cisco发布了其路由器旗舰产品CRS-1，采用了三级动态自路由的Benes交换架构，支持72个机架的互联，达到46T/92T的系统容量。Benes交换实质上是CLOS交换架构的一个特例。

　　由于CLOS交换系统容量很大，物理实现上，通常采用N+1个独立的交换网槽位，与主控板控制平面彻底分离，一方面提高了系统容量可扩展性，另一方面极大程度上提高了转发平面的可靠性，避免了控制平面出现故障或进行倒换时对转发平面的影响。

　　四、结束语

　　对于高端机架式交换机和路由器，以基于CIOQ的Crossbar交换架构和CLOS交换架构为主。其中基于动态路由的CLOS交换架构结合信元自路由技术、分布式调度技术是目前面向新一代数据中心和云计算等多业务复杂应用、适用于大容量核心交换机和核心路由器的最先进、最完善、最理想的一种交换架构。