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數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡交換設備架構(gòu)淺析

交換技術是網(wǎng)絡中的重要技術之一,尤其是在數(shù)據(jù)中心里二三層的網(wǎng)絡中,應用極其普遍。交換機是交換技術的典型產(chǎn)物,在數(shù)據(jù)中心里到處都是,是搭建數(shù)據(jù)中心局域網(wǎng)的必選設備。

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數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡交換設備架構(gòu)淺析

交換技術是網(wǎng)絡中的重要技術之一,尤其是在數(shù)據(jù)中心里二三層的網(wǎng)絡中,應用極其普遍。交換機是交換技術的典型產(chǎn)物,在數(shù)據(jù)中心里到處都是,是搭建數(shù)據(jù)中心局域網(wǎng)的必選設備。交換機分為盒式交換機和框式交換機,大的區(qū)別是盒式交換機一般只有1~2U高,只有一塊交換芯片或者只有幾塊交換芯片自己互聯(lián),不需要橋接芯片,而框式交換機因為有多塊插卡,每個插卡都是1U高,這樣插卡之間就需要橋接芯片來完成插卡之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)??蚴浇粨Q機在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡匯聚和核心的位置,處理著海量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)??蚴浇粨Q機將交換技術發(fā)揚光大,尤其是在插卡之間的數(shù)據(jù)交換處理上,不斷做出各種各樣的設計,以便在交換容量、降低設計成本等方面不斷提升。單從交換架構(gòu)方面來說,當前存在兩種最為主要的交換架構(gòu):一種是傳統(tǒng)的基于報文選路轉(zhuǎn)發(fā)的交換;另一種是新興的基于信元轉(zhuǎn)發(fā)的交換,兩種架構(gòu)各有優(yōu)缺點,引爆了交換架構(gòu)選擇之戰(zhàn)。

基于報文選路轉(zhuǎn)發(fā)交換

這種方式從有框式交換機以來就存在,通過橋接芯片將多個插卡連接起來,橋接芯片的數(shù)量直接決定了插卡之間的轉(zhuǎn)發(fā)帶寬,最開始很多設備將橋接芯片放在了一塊集中插卡上,發(fā)現(xiàn)受限于橋接芯片的轉(zhuǎn)發(fā)能力,根本無法滿足多塊插卡之間的流量線速轉(zhuǎn)發(fā),隨著框式設備的槽位設計的越來越多,插卡線速轉(zhuǎn)發(fā)能力越來越低。于是有人開始設計多插卡方式,用包含有多塊橋接芯片的查看來實現(xiàn)插卡連接,每塊橋接插卡都會為交換插卡提供一部分帶寬,多塊橋接插卡一起工作就可以為每塊交換插卡提供很大帶寬,實現(xiàn)每個插卡都可以線速轉(zhuǎn)發(fā),這種實現(xiàn)方式一度在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中盛行十年之久,幾乎所有的框式設備都是基于這樣的架構(gòu)實現(xiàn)。不過,隨著數(shù)據(jù)中心流量的不斷增長,插卡上的所有端口都被用上,就發(fā)現(xiàn)在一些特殊流量場景中,這些插卡出現(xiàn)了無法線速的情況,這與理論測試不符。其實出現(xiàn)這種情況和這種架構(gòu)有關,一個插卡上來的流量要基于報文特征來選路,將報文送到不同的橋接插卡上,在橋接插卡上實現(xiàn)流量的負載分擔,因為單塊的橋接插卡無法滿足框式交換機所有交換插卡的線速需求,由于進入插卡的報文特征變化并不是完全均勻的,從而選路到不同橋接插卡的流量也不會是完全均勻的,如果橋接插卡設計的帶寬冗余很小甚至沒有的話,一點點的不均勻都會造成擁塞,從而出現(xiàn)丟包,交換插卡無法達到線速轉(zhuǎn)發(fā),這種情況在實際網(wǎng)絡中并非少見,一旦碰到只能調(diào)整選路算法(未必有用),或者換帶寬容量更大的設備,盡可能多地留出一些冗余帶寬來。

基于信元轉(zhuǎn)發(fā)交換

正因為報文選路轉(zhuǎn)發(fā)交換架構(gòu)具有天生的缺陷,基于信元方式轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)誕生。這種方式也需要多塊橋接插卡,交換插卡具備了一種分片能力,它可以將進來的報文,分解成多個大小相同的信元,然后分別發(fā)向不同的橋接插卡,這樣發(fā)給每個橋接插卡的報文大小都是相同的,去往不同橋接插卡的流量就永遠都是均勻的,就不會存在選路不均的問題。這種方式徹底解決了以往交換架構(gòu)內(nèi)部流量不均,擁塞的問題,成為新的主流交換架構(gòu)。不過,基于信元轉(zhuǎn)發(fā)也有其技術固有缺陷。交換插卡將每個報文都要做分片(一般是按照固定的64字節(jié)或者128字節(jié)分片,最后一片字節(jié)不夠也要補齊到64或者128字節(jié)),經(jīng)過橋接插卡轉(zhuǎn)發(fā)后,還要在出口插卡上重組,還原出來經(jīng)過轉(zhuǎn)發(fā)后的完整報文,而基于報文選路方式就不需要,這無疑增加了設備的轉(zhuǎn)發(fā)開銷,所以這種架構(gòu)相比基于報文選路,轉(zhuǎn)發(fā)效率要低,轉(zhuǎn)發(fā)時延要高,因為很多報文分片后最后一片都要添加空的數(shù)據(jù)補齊,每個信元也要有自己的轉(zhuǎn)發(fā)頭,這些數(shù)據(jù)都要多占用一些數(shù)據(jù)帶寬,浪費掉了部分內(nèi)部帶寬。這種方式還會增加故障概率,只要有一塊橋接插卡出了問題,整個設備的轉(zhuǎn)發(fā)都會受到影響,因為幾乎每個報文的信元都要經(jīng)過這塊橋接插卡,基于報文選路轉(zhuǎn)發(fā)則不會,哪塊橋接插卡出問題,影響的只是HASH選路到這塊橋接插卡的業(yè)務,走到其它橋接插卡上的業(yè)務不受影響。還有一旦報文進入交換插卡,到橋接插卡都是信元轉(zhuǎn)發(fā),極不利于問題定位,這時在橋接插卡上根本看不到報文內(nèi)容,發(fā)給每個橋接插卡的報文長度特征都一樣,到底是交換插卡出了問題,還是橋接插卡出了問題,區(qū)分不清,往往要通過替換測試才能明確?;趫笪倪x路的架構(gòu)就很容易,根據(jù)報文特征在內(nèi)部端口上做統(tǒng)計,確認問題發(fā)生的位置,可以很快找到問題原因,方便維護,這樣也使得不少人又轉(zhuǎn)頭追逐基于報文的選路交換架構(gòu)。

經(jīng)過以上的介紹,兩種交換架構(gòu)各有優(yōu)缺點,誰也無法替代誰。兩種架構(gòu)技術目前都較為成熟,具備實際應用的水平,設計成本差別也不大。具體在數(shù)據(jù)中心里使用哪種交換架構(gòu)設備(一臺設備無法同時具備兩種架構(gòu)),還是要從實用角度來考慮,要看數(shù)據(jù)中心更看重哪個方面。如果數(shù)據(jù)中心里的流量不夠大,報文特征也比較單一,變化比較均勻,就可以考慮方便維護的基于報文選路的交換設備;如果數(shù)據(jù)中心的流量超大,交換插卡的端口基本全要用上,并且?guī)捓寐屎芨?,建議選用基于信元轉(zhuǎn)發(fā)的交換設備,避免出現(xiàn)無法達到線速的問題,兩種交換架構(gòu)將在未來的一段時間里長期存在,供數(shù)據(jù)中心選擇。


名稱欄目:數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡交換設備架構(gòu)淺析
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