縱橫式交換矩陣的分布式轉發處理

夏麟

【摘要】交叉開關矩陣或縱橫式交換矩陣（crossbar），是交換網絡結構中構建大容量系統的一種工具。交叉開關矩陣交換網絡在數據平面沒有任何瓶頸，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矩陣在數據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。

【關鍵詞】縱橫式交換矩陣；高級數據鏈路控制；交換網絡

【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據交換，完成多部用戶終端的連接和互通，必須采用軟硬件設備實現路由占用，接續控制，時隙同步等功能。最一開始人們采用程控數字交換機，通過類似于計算機的芯片接收用戶終端數據，通過確定的協議進行轉發，通常采用高級數據鏈路控制規程，有較高的數據鏈路傳輸效率；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，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。程控數字交換機處理幾路經過時分復用的PCM信號，在寄存器當中先寫入后讀出。在線路不復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無法滿足。這時就出現了更加先進的交換設備-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構

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

（2）在支持縱橫交叉矩陣技術的三層交換機中，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。

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

（4）如圖2所示，交叉開關通過上述控制功能，在有效控制了用戶業務的同時，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字節以上的內容，所以可以直接一次處理以太網幀MAC地址頭、IP包頭、TCP/UDP包頭，從而實現了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認證協議的支持，通過對RADIUS等AAA協議的擴展，達到對用戶更加嚴格的控制。

3. 分布式CrossBar架構

（1）隨著網絡核心交換機的交換容量發展到了幾百個Gbps、同時支持多個萬兆接口并規模應用在城域網骨干和園區網核心的時候，分布式的Crossbar架構很好的解決了在新的應用環境下網絡核心交換機所面臨的高性能和靈活性的挑戰。也就是說，除了交換網板采用了縱橫交叉矩陣架構之外，在每個業務板上也采用了縱橫交叉矩陣+交換芯片的架構。

（2）在業務板上加交換芯片可以很好地解決了本地交換的問題，而在業務板交換芯片和交換網板之間的縱橫交叉矩陣芯片解決了把業務板的業務數據信元化從而提高了交換效率，并且使得業務板的數據類型和交換網板的信元成為兩個平面，也就是說可以有非常豐富的業務板，比如可以把防火墻、IDS系統、路由器、內容交換、IPv6等等類型的業務整合到核心交換平臺上，從而大大提高了網絡核心交換機的業務擴充能力。同時這個縱橫交叉矩陣有相應的高速接口分別連接到兩個主控板或者交換網板，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計中，CPU也采用了分布式設計。設備主控板上的主CPU負責整機控制調度、路由表學習和下發；業務板從CPU主要負責本地查表、業務板狀態維護工作。這就實現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，提高了交換機轉發效率，這也是業務板本地轉發能夠提高效率的重要原因。這種分布式縱橫交叉矩陣、分布式交換的設計理念是核心網絡設備設計的發展方向，保證了現在的網絡核心能支撐未來海量的數據交換和靈活的多業務支持的需求。

參考文獻

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