數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備的選型指標(biāo)分析

   數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)無(wú)論大小，或是城域網(wǎng)、園區(qū)網(wǎng)，或是一棟大樓
內(nèi)的局域網(wǎng)，通常不可避免的要考慮在網(wǎng)絡(luò)中采用什么樣的主干設(shè)
備。就這點(diǎn)而言，我們認(rèn)為從網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手，將使
你的選型思路變得清晰和準(zhǔn)確（本文不對(duì)設(shè)備中使用何種協(xié)議展開
討論）。這些觀點(diǎn)是結(jié)合許多網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目的實(shí)踐,并吸收國(guó)外第三方
的一些評(píng)述而成的。我們的指導(dǎo)思想是，盡可能從客觀、中立的角
度品評(píng)一些技術(shù)問題，以供廣大的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)工作者在實(shí)踐中參考，
并希望能有所陴益。
    網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接決定了設(shè)備的性能和功能水
平。這猶如先天很好的一個(gè)嬰兒和一個(gè)先天不足的嬰兒，即便后天成長(zhǎng)條件完全相同，他們的能力依然有相
當(dāng)大的差別。因此，深入了解設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，客觀認(rèn)知設(shè)備的性能和功能，這對(duì)正確選擇設(shè)備極有幫
助，下面將從七個(gè)方面進(jìn)行討論。
    1.交換結(jié)構(gòu) （Switching Fabric）
    隨著網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)不斷的發(fā)展，交換結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)中占據(jù)著極為重要的地位。為了便于
理解，這里僅簡(jiǎn)述三種典型的交換結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：
    ◆共享總線
    由于近年來(lái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的總線技術(shù)發(fā)展緩慢，所以導(dǎo)致了共享總線帶寬低，訪問效率不高；而且，它不
能用來(lái)同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)訪問。另外，受CPU頻率和總線位數(shù)的限制，其性能擴(kuò)展困難。它適用于大部分流量在模
塊本地進(jìn)行交換的網(wǎng)絡(luò)模式。
    ◆共享內(nèi)存
    其訪問效率高，適合同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)訪問。共享內(nèi)存通常為DRAM和SRAM兩種，DRAM速度慢，造價(jià)低，SR
AM速度快，造價(jià)高。共享內(nèi)存方式對(duì)內(nèi)存芯片的性能要求很高，至少為整機(jī)所有端口帶寬之和的兩倍（比如
設(shè)備支持32個(gè)千兆以太網(wǎng)端口，則要求共享內(nèi)存的性能要達(dá)到64Gbps）。由此可見，既便不考慮價(jià)格因素，
內(nèi)存芯片技術(shù)本身在某種程度上也限制了共享內(nèi)存方式所能達(dá)到的性能水平。
    ◆交換矩陣（Cross bar）
    由于ASIC技術(shù)發(fā)展迅速，目前ASIC芯片間的轉(zhuǎn)發(fā)性能通常可達(dá)到1Gbps，甚至更高的性能，于是給交
換矩陣提供了極好的物質(zhì)基礎(chǔ)。所有接口模塊（包括控制模塊）都連接到一個(gè)矩陣式背板上，通過ASIC芯片
到ASIC芯片的直接轉(zhuǎn)發(fā)，可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)模塊之間的通信；每個(gè)模塊的緩存只處理本模塊上的輸入/輸出隊(duì)
列，因此對(duì)內(nèi)存芯片性能的要求大大低于共享內(nèi)存方式。總之，交換矩陣的特點(diǎn)是訪問效率高，適合同時(shí)進(jìn)
行多點(diǎn)訪問，容易提供非常高的帶寬，并且性能擴(kuò)展方便，不易受CPU、總線以及內(nèi)存技術(shù)的限制。目前大部
分的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)廠商在其第三層核心交換設(shè)備中都越來(lái)越多地采用了這種技術(shù)。
    2.阻塞與非阻塞配置
    阻塞與非阻塞配置是兩種截然不同的設(shè)計(jì)思想，它們各有優(yōu)劣。在選型時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選
擇相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
    ◆阻塞配置
    該種設(shè)計(jì)是指：機(jī)箱中所有交換端口的總帶寬，超過前述交換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)發(fā)能力。因此，阻塞配置設(shè)計(jì)
容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)流從接口模塊進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)生阻塞；一旦發(fā)生阻塞，便會(huì)降低系統(tǒng)的交換性能。例如，
一個(gè)交換接口模塊上有8個(gè)千兆交換端口，其累加和為8Gbps，而該模塊在交換矩陣的帶寬只有2Gbps。當(dāng)該模
塊滿負(fù)荷工作時(shí)，勢(shì)必發(fā)生阻塞。采用阻塞設(shè)計(jì)容易在千兆/百兆接口模塊上提高端口密度，十分適合連接服
務(wù)器集群（因?yàn)榉?wù)器本身受到操作系統(tǒng)、輸入/輸出總線、磁盤吞吐能力，以及應(yīng)用軟件等諸多因素的影
響，通過其網(wǎng)卡進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)不可能達(dá)到網(wǎng)卡吞吐的標(biāo)稱值）。
    ◆非阻塞配置
    該設(shè)計(jì)的目標(biāo)為：機(jī)箱中全部交換端口的總帶寬，低于或等于交換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)發(fā)能力，這就使得在任何
情況下，數(shù)據(jù)流進(jìn)入交換結(jié)構(gòu)時(shí)不會(huì)發(fā)生阻塞。因此，非阻塞設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備適用于主干連接。在主干設(shè)備
選型時(shí)，只需注意接口模塊的端口密度和交換結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)發(fā)能力相匹配即可（建議：當(dāng)要構(gòu)造高性能的網(wǎng)絡(luò)主
干時(shí)，必須選用非阻塞配置的主干設(shè)備）。
    3.采用何種方式實(shí)現(xiàn)第3層和第4層的處理
    眾所周知，每一次網(wǎng)絡(luò)通信都是在通信的機(jī)器之間產(chǎn)生一串?dāng)?shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包構(gòu)成的數(shù)據(jù)流可分別
在第3、4層進(jìn)行識(shí)別。
    在第3層（Network Layer，即網(wǎng)絡(luò)層，以下簡(jiǎn)稱L3），數(shù)據(jù)流是通過源站點(diǎn)和目的站點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址被
識(shí)別。因此，控制數(shù)據(jù)流的能力僅限于通信的源站點(diǎn)和目的站點(diǎn)的地址對(duì)，實(shí)現(xiàn)這種功能的設(shè)備稱之為路由
器。一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)：無(wú)論過去、現(xiàn)在、還是將來(lái)，路由器在網(wǎng)絡(luò)中都占據(jù)著核心的地位。傳統(tǒng)路由器是采
用軟件實(shí)現(xiàn)路由功能，其速度慢，且價(jià)格昂貴，往往成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，路由器技術(shù)發(fā)
生了革命，路由功能由專用的ASIC集成電路來(lái)完成。現(xiàn)在這種設(shè)備被稱之為第三層交換機(jī)或叫做交換式路由
器。
    在第4層（Transport Layer即傳輸層，以下簡(jiǎn)稱L4），通過數(shù)據(jù)包的第4層信息，設(shè)備能夠懂得所傳
輸?shù)臄?shù)據(jù)包是何種應(yīng)用。因此，第4層交換提供應(yīng)用級(jí)的控制，即支持安全過濾和提供對(duì)應(yīng)用流施加特定的Qo
S策略。誠(chéng)然，傳統(tǒng)路由器具有閱讀第4層報(bào)頭信息的能力（通過軟件實(shí)現(xiàn)），與第三層交換機(jī)（或交換式路
由器）采用專用的ASIC集成電路相比，設(shè)備的性能幾乎相差了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，傳統(tǒng)路由器無(wú)法實(shí)現(xiàn)第4層
交換。
  值得指出的是：網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上分成兩大類：集中式和分布式。即便兩者都采用了新的
技術(shù)，但就其性能而言，仍存在著較大的差異。
    ◆集中式
    所謂集中式，顧名思義，L3/L4數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)由一個(gè)中央模塊控制處理。因此，L3/L4層轉(zhuǎn)發(fā)能力通常
為3M－4Mpps，最多達(dá)到15Mpps。
    ◆分布式
    將L3/L4層數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)策略設(shè)置到接口模塊上，并且通過專用的ASIC芯片轉(zhuǎn)發(fā)L3/L4層數(shù)據(jù)流，從而
實(shí)現(xiàn)相關(guān)控制和服務(wù)功能。L3/L4層轉(zhuǎn)發(fā)能力可達(dá) 30Mpps 至 40Mpps。
    4.系統(tǒng)容量
    由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越大，網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備的系統(tǒng)容量也成為選型中的重要考核指標(biāo)。建議重點(diǎn)考核以下
兩個(gè)方面：
    ◆物理容量
    各類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的端口密度，如千兆以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)，尤其是非阻塞配置下的端口密度。
    ◆邏輯容量
    路由表、MAC地址表、應(yīng)用數(shù)據(jù)流表、訪問控制列表（ACL）大小，反映出設(shè)備支持網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大小的能
力（先進(jìn)的主干設(shè)備必須支持足夠大的邏輯容量，以及非阻塞配置設(shè)計(jì)下的高端口密度。）
    5.關(guān)鍵部件冗余設(shè)計(jì)
    通過這些年的實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)同處于關(guān)鍵部位的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不應(yīng)存在單點(diǎn)故障。為此，網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備
應(yīng)能實(shí)現(xiàn)如下三方面的冗余。
    ◆電源和機(jī)箱風(fēng)扇冗余
   ◆控制模塊冗余
    控制模塊冗余功能應(yīng)提供對(duì)主控制模塊的“自動(dòng)切換”支持。如：備份控制模塊連續(xù)5次沒有聽到來(lái)
自主控制模塊的匯報(bào)，備份模塊將進(jìn)行初始化并執(zhí)行硬件恢復(fù)。另外，各種模塊均可熱插拔。
    ◆交換結(jié)構(gòu)冗余
    如果網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備忽略交換結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)，就無(wú)法達(dá)到設(shè)備冗余的完整性。因此，要充分考慮網(wǎng)絡(luò)
主干設(shè)備的可靠性，應(yīng)該要求該設(shè)備支持交換結(jié)構(gòu)冗余。此外，交換結(jié)構(gòu)冗余功能也應(yīng)具有對(duì)主交換結(jié)構(gòu)
“自動(dòng)切換”的特性。
    6.緩沖技術(shù)
    緩沖技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中使用的越來(lái)越多，也越來(lái)越復(fù)雜。任何技術(shù)的使用都有著兩面
性，如過大的緩沖空間會(huì)影響正常通信狀態(tài)下，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)速度（因?yàn)檫^大的緩沖空間需要相對(duì)多一點(diǎn)的
尋址時(shí)間），并增加設(shè)備的成本。而過小的緩沖空間在發(fā)生擁塞時(shí)又容易丟包出錯(cuò)。所以，適當(dāng)?shù)木彌_空間
加上先進(jìn)的緩沖調(diào)度算法是解決緩沖問題的合理方式。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)主干設(shè)備，需要注意幾點(diǎn)：
    ◆每端口是否享有獨(dú)立的緩沖空間，而且該緩沖空間的工作狀態(tài)不會(huì)影響其它端口緩沖的狀態(tài)。
    ◆模塊或端口是否設(shè)計(jì)有獨(dú)立的輸入緩沖、獨(dú)立的輸出緩沖，或是輸入/輸出緩沖。
    ◆是否具有一系列的緩沖管理調(diào)度算法，如RED、WRED、RR/FQ、WERR/WEFQ。