谈三级CLOS交换构架

摘要:多级CLOS网络由于其模块化性强和良好的可扩展性在大容量路由器交换网络设计中受到了人们越来越多的青睐。该文中,作者从分组交换技术的发展趋势入手,着重介绍多级交换中的三级CLOS网络交换架构的原理及优势。

关键词:多级构架;三级CLOS网络;动态路由;Qos;Crossbar

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)33-9422-02

网络业务的爆炸式增长促进了通信技术和计算机技术的迅速发展,人们对通信带宽的需求也渐渐提高,同时,对Internet的服务内容和服务质量也提出了更高的要求。随着光传输技术的发展和成熟应用,传输链路和传送节点己不再是限制骨干网发展的主要因素,而作为业务节点的交换机与路由器却成为制约网络性能的“瓶颈”。为了适应网络流量和传输带宽的增长速度,大容量交换技术面临着新的挑战,成为当前国内外研究的持续热点。

1 分组交换技术的发展趋势

分组交换也称包交换,它是将用户传送的数据划分成一定的长度,每个部分叫做一个分组。在每个分组的前面加上一个分组头,用以指明该分组发往何地址,然后由交换机根据每个分组的地址标志,将他们转发至目的地,这一过程称为分组交换。进行分组交换的通信网称为分组交换网。从交换技术的发展历史看,数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交换和综合业务数字交换的发展过程。分组交换网络广泛应用于并行计算和通信网络,目前一直是一个高速发展的技术领域,各种技术不断涌现。在向高速交换网络发展的进展中,目前主要有以下发展趋势:

更高的性能:高性能是对交换机最基本的要求,虽然目前核心交换系统能提供较大交换带宽,根据用户要求可提供不同类型的服务,已能够部分满足优先级的要求,但所支持的种类有限,特别当大量端口同时使用时,其包转发速率将很快下降。因此,未来的交换机必须满足所有端口线速处理,提供功能强大的QoS功能,如流分类、调度、成型等,要求线卡能够以线速对输入、输出分组进行处理,交换网内部带宽、仲裁等满足所有端口业务的快速、公平的交换。

灵活的可扩展性:下一代核心路由器的规模必须是可扩展的,体现在端口数量、端口速率和系统总吞吐量等方面。交换单元能根据要求进行升级,交换网络的吞吐量要支持所有用户业务的交换。系统的可扩展性还体现在交换规模、维护、升级、可靠性等方面,如系统在线软硬件升级、关键路由的保护等。

增强的可靠性:为降低系统异常当机的时间,下一代核心路由器必须增强可靠性。在高可靠的系统中无单一故障点,任何部件均做冗余备份,包括线卡、控制卡、交换卡、电源、冷却等;各个模块之间的高速链路,标准网络协议处理,如IP, MPLS等,交换系统内部互联协议处理都需要备份。

良好的经济性:当单个交换机无法满换容量要求时,为提高交换系统容量,只能采取多个独立交换机构成大容量交换网的方案。单独配置、维护,增加了人为因素导致网络瘫痪的概率,也增加了网络维护工作量、提高了网络复杂度。

综上所述,未来交换机的发展趋势是除了需要更高的性能、灵活的可扩展性。之外,还应当具有增强的可靠性和良好的经济性。

2 CLOS交换构架介绍

目前路由器和交换机的工程实践强调得最多的是交换网络的可扩展性问题。由于交换网络处理的业务流量增长很快,交换网络的容量需要不时的进行升级,人们认为一个具有良好可扩展性的交换网络可以在整体性能不下降的情况下,以最经济的方式、最快的速度完成交换端口的增加,交换容量的升级。为了适应通信业务流量的增长,解决可扩展性的问题,采用的一种方法是提升单级交换单元的交换容量。目前单级交换单元的端口数目一般为gxg,16x16和32x32,主要受芯片的管脚和IC实现复杂度的限制仁其复杂度以N'关系增长,其中N为单级交换单元的端口数目,因而交换容量都不能做得很大。当单级交换单元的交换容量不能满足需求时,为了实现一个更大容量的交换网络,采用由多个交换单元构成的多级网络是目前常用的解决方案。

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。近二十年来分组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交换架沟是一个多级架构;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1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)。

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―basedSeIf―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。功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100Gbps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,Junipe刚刚了TXCMatrixPlus,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交换构架的一个特例。

3 结束语

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。

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