架构决定价值

　　——H3C CR16000大容量转发架构解析

　　城域IP骨干网的变化对新一代核心路由器提出更高要求，H3C CR16000基于100G硬件平台，采用先进的CLOS多级矩阵交换架构，提供持续的带宽升级能力，可以支持40G POS、40GE、100GE和高密10G接口，后续通过递归扩展交换框支持集群技术。本文通过对CR16000转发架构的深入剖析，说明架构改变给设备性能带来的提升。

　　一、 CLOS交换架构

　　数据在路由器内部跨端口、跨单板之间的处理，即是交换。交换架构是路由器设备的核心，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。在历史上先后出现五种交换架构，包括：共享总线交换、环型总线交换、共享内存交换、Crossbar矩阵交换和基于动态路由的CLOS多级交换。

　　图1 交换架构演进

　　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，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)，理论上可以无限可扩展。

　　CLOS采用动态路由为信元选择交换路径。对于第一级，每个业务流(基于信元)可通过Round-robin方式均匀发送到k条连到第二级的路径上;到达第二级的信元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。这种基于动态路由的信元交换，是完全无阻塞交换。

　　由于CLOS在交换容量的递归扩展、交换信元的动态选路方面的优势，除了H3C CR16000，其它业界最高端的路由器均采用这种交换架构，例如：Juniper T1600/TX-Matrix Plus、Cisco CRS。

　　二、 CR16000交换架构

　　图2 CR16000交换架构

　　如图2所示，CR16000单框采用的是多级CLOS架构中的第一级交换，由一级交换网Fabric和交换网适配器FAP组成，后续可以通过递归扩展交换网至三级，支持集群功能;CR16000采用独立的网板设计，和主控板物理分离，保证交换和路由完全物理分离，互不影响，提高系统可靠性。一台CR16000有多个交换网板，每个交换网板有1～2个交换网片Fabric，通过多个交换网片Fabric负荷分担支持40G/100G高速端口交换，其主要功能包括：控制信元交换、数据信元交换和路由处理;在每个业务板设计了交换网适配器FAP(Fabric Adapter Processor)，FAP在交换网和业务处理芯片(ASIC/NP)之间担当转换器的角色，其主要功能包括：VoQ和Buffer、报文和信元之间的切分和组装、交换调度等。

　　1. Fabric和FAP之间的连接关系

　　每个交换网片采用72对SerDes和FAP互连，每个FAP采用18对SerDes和交换网Fabric互连。采用CLOS交换架构为高密度10G端口、40G/100G高速端口提供了充足的交换能力。

　　下面以CR16018为例来说明CR16000系列路由器的交换网连接关系。

　　图3 CR16018交换网连接关系

　　1) CR16018支持9块交换网板，每个交换网板部署2个交换网片Fabric;

　　2) 支持18个业务槽位，每个槽位有4个交换网适配器FAP，整系统共有72个交换网适配器FAP;

　　3) 每个交换网片Fabric和每个交换网适配器FAP采用一对SerDes线互连。

　　4) 如图3所示，每个交换网片采用72对SerDes和FAP互连，每个FAP采用18对SerDes和交换网Fabric互连。

　　每个业务槽位的交换容量：每个业务槽位有4个FAP，每个FAP有18对SerDes和18块交换网片互连，按照8B/10B编码，交换容量为4×18×2×6.25×0.8=720G bps。

　　每个网片的交换容量：每个网片有72对SerDes和业务板的FAP互连，SerDes带宽6.25Gbps，按照8B/10B编码，72×2×6.25×0.8 = 720G。

　　每个网板的交换容量：每个网板含有2个网片，交换容量为720×2=1.44T。

　　CR16018系统交换容量：1.44T×9 = 12.96Tbps。

　　由此可知，CR16000采用CLOS交换架构为高密10G端口、40G/100G高速端口提供了充足的交换能力。