Avec le développement rapide des services Internet, des exigences plus élevées sont imposées à l'équipement réseau qui construit l'infrastructure Internet, telles que la capacité, les performances, l'évolutivité, la qualité de service et de nombreuses autres fonctionnalités clés, qui sont souvent déterminées par l'architecture matérielle utilisée. En prenant l'exemple du commutateur central de type trame, diverses architectures matérielles sont apparues successivement, et il y en a maintenant trois les plus couramment utilisées : l'architecture de commutation Full-Mesh, l'architecture de commutation matricielle Crossbar et l'architecture de commutation CLOS basée sur les cellules. Cet article analysera en détail les avantages et les inconvénients des trois architectures à travers l'analyse des principes des trois architectures matérielles et du processus de transfert de paquets.
Plein maillage
Comme le montre la figure, toutes les cartes de ligne de service sont connectées à d'autres cartes de ligne via le câblage du fond de panier. Étant donné que Full-Mesh ne nécessite pas de puce de commutation externe, mais dispose d'une connexion directe entre deux nœuds, il est nommé full-mesh.
Étant donné que chaque carte de ligne a besoin d'une interconnexion Full-Mesh, un Full-Mesh avec N nœuds, le nombre total de connexions est [N × (N-1)] ÷ 2, donc à mesure que le nombre de nœuds augmente, le nombre total de connexions également augmente fortement, de sorte qu'il peut être étendu. Les performances sont médiocres et ne conviennent qu'aux périphériques principaux avec un petit nombre d'emplacements.
Processus de transfert de paquets
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Le message entre à partir de la carte de ligne et le message inter-cartes est envoyé au canal de fond de panier connecté à la carte de ligne de destination ;
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Le paquet atteint la carte de ligne de destination.
Barre transversale
Comme le montre la figure, la carte de ligne de service est connectée à la puce Crossbar via le câblage du fond de panier, et la puce Crossbar est intégrée au moteur de contrôle principal.
L'architecture de la puce Crossbar est illustrée dans la figure. Chaque liaison d'entrée et chaque liaison de sortie a un CrossPoint. Il y a un commutateur à semi-conducteur au CrossPoint pour connecter la ligne d'entrée et la ligne de sortie. Lorsque la ligne d'entrée d'un certain port doit être commutée vers un autre port Lorsque le point de sortie du point de croisement est connecté, sous le contrôle de la CPU ou de la matrice de commutation, le commutateur du point de croisement est connecté et les données sont envoyées à une autre interface.
En termes simples, l'architecture Crossbar est une architecture à deux niveaux. Il s'agit d'une matrice de commutateurs et chaque CrossPoint est un commutateur. Le commutateur complète la transmission de l'entrée vers une sortie spécifique en contrôlant le commutateur. Si le commutateur a N entrées et N sorties, alors le commutateur Crossbar est une matrice avec N*(N-1)≈N² points de croisement. On peut voir que lorsque le nombre de ports augmente, le nombre de commutateurs de croisement est géométrique. croissance. Le niveau d'intégration de circuit de la puce Crossbar, la difficulté de fabrication du commutateur de commande matricielle et le coût de fabrication augmenteront de façon exponentielle. Par conséquent, le nombre de ports pouvant être connectés à un commutateur à l'aide d'un fond de panier de commutation Crossbar est également limité.
Processus de transfert de paquets
Pas de cache
Il n'y a pas de cache à chaque intersection, et la planification centralisée est utilisée pour la planification commerciale, et l'entrée et la sortie sont planifiées de manière uniforme. Le processus de transfert des messages est le suivant :
1. Le message entre à partir de la carte de ligne et la carte de ligne demande d'abord à être envoyée à l'arbitre ;
2. L'arbitre décide d'autoriser ou non la carte de ligne à envoyer des paquets au port de sortie en fonction de l'encombrement de la file d'attente du port de sortie ;
3. Le message est transmis au port de sortie de la carte de ligne de destination via la barre transversale.
En raison de la planification centralisée, l'algorithme de planification de l'arbitre est très complexe et a une mauvaise évolutivité.Lorsque la capacité du système est importante, l'arbitre est susceptible de former un goulot d'étranglement et il est difficile d'obtenir une planification précise.
Barre transversale de cache
Le premier Crossbar de type cache n'a qu'un cache au niveau du nœud croisé et l'extrémité d'entrée n'a pas de tampon, appelé "matrice de bus". Plus tard, le concept de CICQ a été introduit, c'est-à-dire qu'un grand tampon d'entrée est utilisé à l'extrémité d'entrée et un petit The CrossPoint Buffer.
Cette structure utilise une méthode de planification distribuée pour la planification commerciale, c'est-à-dire que les terminaux d'entrée et de sortie ont leurs propres planificateurs, et le processus de transfert de paquets est le suivant :
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Le message entre à partir de la carte de ligne et le port d'entrée sélectionne indépendamment une VOQ valide via un algorithme de planification spécifique (tel que l'algorithme RR) ;
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Envoyez le paquet de tête de file d'attente VOQ au tampon de point de croisement correspondant ;
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Les ports de sortie sont sélectionnés pour le service à partir de tampons de points de croisement non vides par un algorithme spécifique.
Étant donné que les stratégies d'ordonnancement d'entrée et de sortie sont indépendantes l'une de l'autre, il est difficile de s'assurer que le système de commutation atteint un état de correspondance idéal dans chaque tranche de temps dans son ensemble, et la complexité de l'algorithme d'ordonnancement est liée à l'échelle de la commutation. système, ce qui limite son évolutivité.
CLOS
Description de l'architecture
▲Figure 4 : Schéma d'architecture CLOS
Comme le montre la figure 4, chaque carte de ligne de service est connectée à toutes les SFU, et des puces de commutation sont intégrées sur les SFU, réalisant la séparation matérielle des SFU et du moteur de contrôle principal. L'architecture CLOS est une architecture à plusieurs niveaux. Il n'y a qu'une seule connexion entre chaque commutateur d'entrée de gamme et chaque commutateur de niveau intermédiaire, et chaque commutateur de niveau intermédiaire est simplement connecté à chaque commutateur de niveau de sortie. L'avantage de cette architecture est qu'il peut être traversé Plusieurs petits commutateurs Crossbar sont utilisés pour réaliser la connexion entre un grand nombre de ports d'entrée et de sortie.Le nombre de CrossPoints est inférieur à la puissance 2 de N dans l'architecture Crossbar, ce qui réduit la difficulté de mise en œuvre de la puce .
Processus de transfert de paquets
Charge dynamique basée sur les cellules
1. La carte de ligne dans le sens entrant divise le paquet de données en N cellules, où : N = le nombre de lignes disponibles pour le saut suivant ;
2. La carte réseau de commutation adopte une méthode de routage dynamique, c'est-à-dire en fonction de la capacité de commutation disponible réelle de chaque lien au niveau suivant, de la sélection de route dynamique et de l'équilibrage de charge, et la fragmentation est envoyée à la carte de ligne sortante via plusieurs chemins ;
3. La carte de ligne sortante rassemble le paquet.
Le point clé de la charge dynamique réside dans la capacité d'équilibrer et d'utiliser tous les chemins accessibles de manière à partager la charge, réalisant ainsi une commutation non bloquante.
Classification des commutateurs à architecture CLOS
Conception de fond de panier non orthogonale
▲Figure 5 : Fond de panier non orthogonal
Comme le montre la figure 5, la carte de ligne de service et la carte de matrice de commutation sont parallèles l'une à l'autre et les cartes sont connectées via le fond de panier.
Le câblage du fond de panier provoquera des interférences de signal et la conception du fond de panier limite également la mise à niveau de la bande passante.Dans le même temps, les exigences de câblage du circuit imprimé sur le fond de panier sont très élevées et c'est un luxe d'ouvrir des trous depuis le fond de panier, ce qui mène directement Le goulot d'étranglement de la conception des conduits d'air n'a pas pu percer.
Conception de fond de panier orthogonale
▲Figure 6 : Fond de panier orthogonal
Comme représenté sur la figure 6, la carte de ligne de commutation et la carte de matrice de commutation sont respectivement connectées au fond de panier.
Comme la conception de fond de panier non orthogonale, la bande passante du fond de panier limite la mise à niveau de la bande passante et augmente également la difficulté de dissipation thermique.
Conception de fond de panier orthogonal zéro
▲Figure 7 : fond de panier zéro orthogonal
Comme le montre la figure 7, la carte de ligne de service et la carte de matrice de commutation sont perpendiculaires l'une à l'autre, et le fond de panier n'a pas de traces ou même pas de fond de panier.
La conception orthogonale peut réduire l'atténuation des signaux à grande vitesse causée par le câblage du fond de panier et améliorer la fiabilité du matériel.La conception sans fond de panier peut soulager la limitation du fond de panier sur l'amélioration de la capacité.Lorsqu'une bande passante plus importante est nécessaire, seule la carte correspondante doit être remplacé Les cartes sont suffisantes, ce qui raccourcit considérablement le cycle de mise à niveau du service, et comme il n'y a aucune restriction sur le fond de panier, le problème de dissipation thermique du canal de ventilation direct du commutateur est facilement résolu, correspondant à la direction du flux d'air dans la salle informatique du centre de données, formant un flux d'air fluide et à grande vitesse qui traverse les cartes avant et arrière.
Résumer
Le tableau suivant résume les trois architectures ci-dessus :
Pour les commutateurs rack haut de gamme, l'architecture de commutation Crossbar et l'architecture de commutation CLOS sont les principales. Parmi eux, l'architecture de commutation CLOS est l'architecture idéale pour le commutateur central du centre de données à grande capacité actuel. Les commutateurs de la série Ruijie Networks RG-N18000-X sont basés sur l'architecture CLOS non bloquante et adoptent la technologie "zéro fond de panier". Tout en fournissant des services de commutation efficaces et stables, ils peuvent réaliser des mises à niveau de réseau durables et fluides au cours des 10 prochaines années.