インターネット サービスの急速な発展に伴い、インターネット インフラストラクチャを構築するネットワーク機器に対して、容量、パフォーマンス、スケーラビリティ、QoS やその他の多くの重要な機能など、より高い要件が求められています。これらの要件は、多くの場合、使用されるハードウェア アーキテクチャによって決まります。フレーム型コアスイッチを例に挙げると、さまざまなハードウェアアーキテクチャが次々に登場しており、現在最もよく使われているのは、フルメッシュスイッチングアーキテクチャ、クロスバーマトリクススイッチングアーキテクチャ、セルベースCLOSスイッチングアーキテクチャの3つです。この記事では、3 つのハードウェア アーキテクチャの原理とパケット転送プロセスの分析を通じて、3 つのアーキテクチャの長所と短所を包括的に分析します。
フルメッシュ
図に示すように、すべてのサービス ライン カードはバックプレーン配線を介して他のライン カードに接続されており、フルメッシュは外部スイッチング チップを必要とせず、任意の 2 つのノード間を直接接続するため、フルメッシュと呼ばれています。
各ラインカードにはフルメッシュ相互接続、つまり N ノードによるフルメッシュが必要なため、接続の合計数は [N×(N-1)]÷2 となり、ノード数が増加すると接続の合計数も増加します。急激に増加するため、拡張可能ですが、パフォーマンスが低く、スロット数が少ないコア デバイスにのみ適しています。
パケット転送プロセス
-
メッセージはライン カードから入力され、クロスカード メッセージは宛先のライン カードに接続されているバックプレーン チャネルに送信されます。
-
パケットは宛先ラインカードに到着します。
クロスバー
図に示すように、サービス ライン カードはバックプレーン配線を介してクロスバー チップに接続され、クロスバー チップはメイン制御エンジンに統合されています。
クロスバーチップのアーキテクチャは図のとおりです 各入力リンクと出力リンクにクロスポイントがあり、クロスポイントに入力ラインと出力ラインを接続する半導体スイッチがあります あるポートからの入力ラインを切り替える必要がある場合別のポートへ クロスポイントの出力ポイントが接続されている場合、CPU またはスイッチング マトリックスの制御の下で、クロスポイントのスイッチが接続され、データが別のインターフェイスに送信されます。
簡単に言うと、Crossbar アーキテクチャは 2 層のアーキテクチャであり、スイッチ マトリックスと各 CrossPoint がスイッチであり、スイッチはスイッチを制御することで入力を特定の出力に転送します。スイッチに N 個の入力と N 個の出力がある場合、クロスバー スイッチは N*(N-1)≈N² クロスポイント ポイントを持つ行列になります。ポート数が増加するにつれて、クロスポイント スイッチの数は幾何級数的に増加することがわかります。成長。クロスバーチップの回路集積度、マトリックス制御スイッチの製造難易度、製造コストは指数関数的に増加します。したがって、クロスバー スイッチング バックプレーンを使用してスイッチに接続できるポートの数も制限されます。
パケット転送プロセス
キャッシュなしクロスバー
各交差点にはキャッシュはなく、ビジネス スケジューリングには集中スケジューリングが使用され、入力と出力は均一にスケジュールされます。メッセージ転送プロセスは次のとおりです。
1. メッセージはラインカードから入り、ラインカードは最初にアービタへの送信を要求します。
2. アービタは、出力ポートのキューの輻輳に応じて、ラインカードが出力ポートにパケットを送信することを許可するかどうかを決定します。
3. メッセージは、クロスバーを介して宛先ラインカードの出力ポートに転送されます。
集中スケジューリングのため、アービタのスケジューリングアルゴリズムは非常に複雑でスケーラビリティが低く、システム容量が大きい場合にはアービタがボトルネックとなりやすく、正確なスケジューリングを実現することが困難です。
キャッシュクロスバー
初期のキャッシュ型クロスバーは、クロスノードにのみキャッシュを持ち、入力側にはバスマトリックスと呼ばれるバッファを持たず、その後、CICQの概念が導入され、入力側に大きな入力バッファが使用されました。入力端と小さな CrossPoint バッファです。
この構造では、ビジネス スケジューリングに分散スケジューリング方式が使用されます。つまり、入力端末と出力端末に独自のスケジューラがあり、メッセージ転送プロセスは次のようになります。
-
メッセージはラインカードから入力され、入力ポートは特定のスケジューリング アルゴリズム（RR アルゴリズムなど）を通じて有効な VOQ を独立して選択します。
-
VOQ キュー ヘッド パケットを対応するクロスポイント バッファに送信します。
-
出力ポートは、特定のアルゴリズムによって空ではないクロスポイント バッファからサービス用に選択されます。
入力および出力のスケジューリング戦略は互いに独立しているため、スイッチング システムが全体として各タイム スロットで理想的な整合状態を達成することを保証することは困難であり、スケジューリング アルゴリズムの複雑さはスイッチングの規模に関係します。システムの拡張性が制限されます。
クローズ
アーキテクチャの説明
▲図4：CLOSアーキテクチャ図
図 4 に示すように、各サービス ライン カードはすべての SFU に接続されており、スイッチング チップが SFU に統合されているため、SFU とメイン制御エンジンのハードウェア分離が実現されています。CLOS アーキテクチャはマルチレベル アーキテクチャです。各エントリ レベル スイッチと各中間レベル スイッチ間の接続は 1 つだけであり、各中間レベル スイッチは各出口レベル スイッチに接続されているだけです。このアーキテクチャの利点は次のとおりです。多数の入力ポートと出力ポートの間の接続を実現するために、複数の小型クロスバー スイッチが使用されます クロスバー アーキテクチャでは、クロスポイントの数が N の 2 乗よりも少ないため、チップ実装の難易度が低くなります。
パケット転送プロセス
セルベースの動的負荷
1. インバウンド方向のラインカードは、データ パケットを N 個のセルに分割します。ここで、N= 次のホップに使用できる回線の数です。
2. スイッチング ネットワーク ボードは動的ルーティング方式を採用しています。つまり、次のレベルの各リンクの実際に利用可能なスイッチング容量に応じて、動的ルート選択と負荷分散が行われ、フラグメンテーションは複数のパスを介して発信ラインカードに送信されます。 ;
3. 発信ラインカードはパケットを再組み立てします。
動的負荷の重要な点は、負荷分散方式で到達可能なすべてのパスのバランスをとり、利用する能力にあり、それによってノンブロッキング スイッチングが実現されます。
CLOSアーキテクチャスイッチの分類
非直交バックプレーン設計
▲図 5: 非直交バックプレーン
図 5 に示すように、サービス ライン カードとスイッチング ファブリック ボードは互いに平行であり、ボードはバックプレーンを介して接続されています。
バックプレーンの配線は信号干渉を引き起こし、バックプレーンの設計により帯域幅のアップグレードも制限されます。同時に、バックプレーン上の PCB 配線要件は非常に高く、バックプレーンに穴を開けるのは贅沢であり、これが直接配線につながります。エアダクト設計のボトルネックを突破できていませんでした。
直交バックプレーン設計
▲図 6: 直交バックプレーン
図６に示すように、スイッチラインカードとスイッチングファブリックボードはそれぞれバックプレーンに接続されている。
非直交バックプレーン設計と同様に、バックプレーンの帯域幅によって帯域幅のアップグレードが制限され、熱放散も難しくなります。
直交ゼロバックプレーン設計
▲図 7: 直交ゼロ バックプレーン
図 7 に示すように、サービス ライン カードとスイッチング ファブリック ボードは互いに垂直であり、バックプレーンにはトレースがなく、ミッドプレーンさえありません。
直交設計により、バックプレーン配線による高速信号の減衰が軽減され、ハードウェアの信頼性が向上します バックプレーン設計がないため、容量向上におけるバックプレーンの制限が緩和されません より大きな帯域幅が必要な場合、対応するボードを交換するだけで済みます カードで十分ですこれにより、サービス アップグレード サイクルが大幅に短縮され、バックプレーンに制限がないため、スイッチの直接換気チャネルの熱放散の問題が簡単に解決され、データセンターのコンピュータ ルームの空気の流れの方向と一致し、フロントボードとリアボードを流れる高速でスムーズなエアフロー。
要約する
次の表は、上記の 3 つのアーキテクチャをまとめたものです。
ハイエンドラックスイッチの場合、クロスバースイッチングアーキテクチャとCLOSスイッチングアーキテクチャが主なものとなります。中でもCLOSスイッチングアーキテクチャは、現在の大容量データセンターのコアスイッチとして最適なアーキテクチャです。Ruijie Networks RG-N18000-X シリーズ スイッチは、ノンブロッキング CLOS アーキテクチャに基づいており、「ゼロ バックプレーン」テクノロジーを採用しており、効率的で安定したスイッチング サービスを提供しながら、今後 10 年間で持続可能かつスムーズなネットワーク アップグレードを実現できます。