CROSSBAR

1、總線型交換架構

最開始的以太網交換就是構建在共享總線的基礎之上的。共享總線結構所能提供的交換容量有限，一方面是因為共享總線不可避免內部衝突;另一方面共享總線的負載效應使得高速總線的設計難度相對比較大。隨着用户對“獨享帶寬”的渴求，這種共享總線的結構很快發展為共享內存結構。

共享內存結構的交換機使用大量的高速RAM來存儲輸入數據，同時依賴中心交換引擎來提供全端口的高性能連接，由核心引擎檢查每個輸入包以決定路由。這類交換機設計上比較容易實現，但在交換容量擴展到一定程度時內存操作會產生延遲，另外在這種設計中由於總線互連的問題增加冗餘交換引擎相對比較複雜，所以這種交換機如果提供雙引擎的話要做到非常穩定相對比較困難。所以我們可以看到早期在市場上推出的網絡核心交換機往往都是單引擎，尤其是隨着交換機端口的增加,由於需要內存容量更大,速度也更快,中央內存的價格變得很高。交換引擎會成為性能實現的瓶頸。

2、CrossBar+共享內存架構

隨着網絡核心交換機的交換容量從幾十個Gbps發展到今天的幾百個Gbps，一種稱之為CrossBar的交換模式逐漸成為網絡核心交換機的首選。CrossBar(即CrossPoint)被稱為交叉開關矩陣或縱橫式交換矩陣。它能很好的彌補共享內存模式的一些不足。

首先，CrossBar實現相對簡單。共享交換架構中的線路卡到交換結構的物理連接簡化為點到點連接，實現起來更加方便，從而更加容易保證大容量交換機的穩定性;

其次，CrossBar內部無阻塞。一個CrossBar，只要同時閉合多個交叉節點(crosspoint)，多個不同的端口就可以同時傳輸數據。從這個意義上，我們認為所有的CrossBar在內部是無阻塞的，因為它可以支持所有端口同時線速交換數據。另外，由於其簡單的實現原理和無阻塞的交換結構使其可以運行在非常高的速率上。半導體廠商已經可以用傳統CMOS技術製造出10Gbit/s以上速率的點對點串行收發芯片。

基本上2000年以後出現的網絡核心交換機基本上都選擇了CrossBar結構的ASIC芯片作為核心，但由於Crossbar芯片的成本等諸多因素，這時的核心交換設備幾乎都選擇了共享內存方式來設計業務板，從而降低整機的成本因此，“CrossBar+共享內存”成為比較普遍的核心交換架構。但這種結構下，依然會存在業務板總線和交換網板的Crossbar互連問題。由於業務板總線上的數據都是標準的以太網幀，而一般Crossbar都採用信元交換的模式來體現Crossbar的效率和性能。因此在業務板上採用的共享總線的結構在一定程度上影響Crossbar的效率，整機性能完全受限於交換網板Crossbar的性能。

3、分佈式CrossBar架構

隨着網絡核心交換機的交換容量發展到了幾百個Gbps、同時支持多個萬兆接口並規模應用在城域網骨幹和園區網核心的時候，分佈式的Crossbar架構很好的解決了在新的應用環境下網絡核心交換機所面臨的高性能和靈活性的挑戰。

也就是説，除了交換網板採用了Crossbar架構之外，在每個業務板上也採用了Crossbar+交換芯片的架構。在業務板上加交換芯片可以很好地解決了本地交換的問題，而在業務板交換芯片和交換網板之間的Crossbar芯片解決了把業務板的業務數據信元化從而提高了交換效率，並且使得業務板的數據類型和交換網板的信元成為兩個平面，也就是説可以有非常豐富的業務板，比如可以把防火牆、IDS系統、路由器、內容交換、IPv6等等類型的業務整合到核心交換平台上，從而大大提高了網絡核心交換機的業務擴充能力。同時這個Crossbar有相應的高速接口分別連接到兩個主控板或者交換網板，從而大大提高了雙主控主備切換的速度。

分佈式Crossbar設計中，CPU也採用了分佈式設計。設備主控板上的主CPU負責整機控制調度、路由表學習和下發;業務板從CPU主要負責本地查表、業務板狀態維護工作。這就實現了分佈式路由計算和分佈式路由表查詢，大大緩解主控板的壓力，提高了交換機轉發效率，這也是業務板本地轉發能夠提高效率的重要原因。這種分佈式Crossbar、分佈式交換的設計理念是核心網絡設備設計的發展方向，保證了網絡核心能支撐未來海量的數據交換和靈活的多業務支持的需求。

交換機架構已經完成了從“共享總線”到“CrossBar+共享內存”再到“全分佈式CrossBar”的演進過程，在未來的日子裏必將繼續發展。