以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)展趨勢(shì)研究與分析

余久方 楊帆

摘 要： 以太網(wǎng)交換機(jī)作為目前使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之一，在數(shù)據(jù)通信中占據(jù)的位置越來越重要，其發(fā)展對(duì)制造行業(yè)以及通信行業(yè)都有至關(guān)重要的意義。文章全面分析了目前和以太網(wǎng)交換機(jī)相關(guān)的主要新技術(shù)、新業(yè)務(wù)，包括工藝制造水平，軟件定義網(wǎng)絡(luò)，云計(jì)算，無線局域網(wǎng)以及5G，給出了這些技術(shù)點(diǎn)對(duì)以太網(wǎng)交換機(jī)的影響和需求，旨在給以太網(wǎng)交換機(jī)的研究和設(shè)計(jì)工作提供方向借鑒。

關(guān)鍵詞： 以太網(wǎng)交換機(jī)； 云計(jì)算； 軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）； 無線局域網(wǎng)； 5G

中圖分類號(hào)：P315.69 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）07-05-04

Abstract： As one of the most widely used network devices， ethernet switches occupy more and more important positions in data communication. Their development has a vital significance for the manufacturing industry and the communication industry. The article comprehensively analyzes the major new technologies and new services related to the ethernet switches， including process manufacturing level， software defined network， cloud computing， wireless local area network and 5G， and gives the impacts and requirements of these technologies on ethernet switches. It aims to provide reference for researching or designing of ethernet switches.

Key words： ethernet switch； cloud computing； SDN （Software Defined Network）； WLAN； 5G

0 引言

以太網(wǎng)交換機(jī)，從最早的二層交換機(jī)到現(xiàn)在的三層交換機(jī)和多業(yè)務(wù)交換機(jī)，功能越來越豐富；交換機(jī)承擔(dān)的角色也越來越多，涵蓋了路由器，防火墻，無線AC等。

從使用的轉(zhuǎn)發(fā)芯片看，交換機(jī)分為ASIC型交換機(jī)和可編程交換機(jī)，ASIC型交換機(jī)具有高性能、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，可編程交換機(jī)具有功能擴(kuò)展靈活、開發(fā)周期短的優(yōu)勢(shì)；從使用場(chǎng)景看，各個(gè)通信廠家包括cisco，h3c和華為一般都把交換機(jī)分為園區(qū)交換機(jī)和數(shù)據(jù)中心交換機(jī)，園區(qū)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)性能相對(duì)較低，提供豐富的端口形態(tài)和豐富的用戶接入管理功能；數(shù)據(jù)中心交換機(jī)除了能提供更高的轉(zhuǎn)發(fā)性能外，還使用一系列的技術(shù)給用戶提供流控功能（PFC，QCN）和用于云計(jì)算環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)虛擬化（Vxlan，NVGRE）等功能[1]。

在2018年IDC發(fā)布的全球季度以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器追蹤報(bào)道顯示，以太網(wǎng)交換機(jī)市場(chǎng)收入在持續(xù)穩(wěn)健增長[2]。隨著人們對(duì)BYOD，語音，視頻的需求日益增加，同時(shí)隨著SDN，云計(jì)算，大數(shù)據(jù)的興起，交換機(jī)正發(fā)揮著越來越重要的作用，其發(fā)展也受到了這些業(yè)務(wù)的影響。

1 新技術(shù)新業(yè)務(wù)對(duì)交換機(jī)發(fā)展的影響

1.1 通信量的增加

信息化時(shí)代，數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備承載的通信量提出了越來越高的要求。全球數(shù)據(jù)中心流量從2012年到2017年以31%的年速度增長，在2017年底達(dá)到7.7zettabytes[3]。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的承載能力增強(qiáng)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是設(shè)備的單端口速率變大，二是設(shè)備的數(shù)據(jù)處理性能增加。

在單端口速率方面，從當(dāng)初的10Mb/s、100Mb/s發(fā)展到后來的1Gb/s，10Gb/s，現(xiàn)在已經(jīng)有40Gb/s和100Gb/s的端口，2017年底，IEEE802.3以太網(wǎng)工作組正式批準(zhǔn)了包括200Gb/s和400Gb/s在內(nèi)的新的802.3bs以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[4]。端口速率的提升一方面提高了單端口的通信量，另一方面也簡化了網(wǎng)絡(luò)部署。

交換機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力一般使用兩個(gè)指標(biāo)衡量：交換容量和包轉(zhuǎn)發(fā)率。目前華為和H3C的交換機(jī)處理能力都已經(jīng)可以超過1000Tb/s和200000Mpps[5-6]。芯片制造工藝和交換架構(gòu)對(duì)交換機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力有至關(guān)重要的影響。芯片工藝使用現(xiàn)在的FinFET，技術(shù)理論上可以達(dá)到7nm的極限，工藝越先進(jìn)，單位面積芯片的性能越高，功耗越低。除了制造工藝的影響外，交換機(jī)的工程設(shè)計(jì)也影響數(shù)據(jù)處理的能力?，F(xiàn)在各個(gè)交換機(jī)廠家的框式交換機(jī)基本都采用CLOS架構(gòu)，在CLOS架構(gòu)下，是否使用VOQ提供流控機(jī)制，是否使用動(dòng)態(tài)選路進(jìn)行各級(jí)交換單元間的轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)交換機(jī)性能都會(huì)產(chǎn)生影響[7]。

隨著制造工藝和設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)水平的提升，交換機(jī)的端口速率和處理能力將會(huì)得到不斷提高。

1.2 SDN

云計(jì)算、SDN的出現(xiàn)，使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備各自管理轉(zhuǎn)變到控制器集中管理、云平臺(tái)提供各種業(yè)務(wù)?？刂破骶哂蟹植际接?jì)算能力，可以處理多個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置和運(yùn)維需求，云平臺(tái)提供豐富的業(yè)務(wù)部署和操作方式，讓軟件定義網(wǎng)絡(luò)成為現(xiàn)實(shí)。

這種結(jié)構(gòu)的變化對(duì)交換機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提出了新的要求。一是北向提供標(biāo)準(zhǔn)接口和控制器對(duì)接，供控制器進(jìn)行管理。二是設(shè)備具有可編程能力，以應(yīng)對(duì)靈活的業(yè)務(wù)需求變化。

SDN架構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)給交換機(jī)的軟件帶來如下變化：

⑴ 交換機(jī)的協(xié)議、業(yè)務(wù)運(yùn)算可以放到控制器上進(jìn)行，控制器可以進(jìn)行多臺(tái)交換機(jī)的業(yè)務(wù)策略控制、業(yè)務(wù)配置下發(fā)；

⑵ 控制器軟件部署不再像以前一樣局限于單臺(tái)設(shè)備，可以分布式部署在多臺(tái)機(jī)器上。

這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會(huì)給整個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈帶來影響：軟件和硬件分離，產(chǎn)生了白盒交換機(jī)，傳統(tǒng)的交換機(jī)設(shè)備廠家如思科，華為，h3c的壟斷地位會(huì)被動(dòng)搖；另外交換機(jī)芯片可編程也因?yàn)镾DN的產(chǎn)生而被推出，華為公司推出的敏捷交換機(jī)，新興公司barefoot推出的可編程芯片都得到了業(yè)界的極大關(guān)注。在實(shí)際部署中，SDN已經(jīng)應(yīng)用到企業(yè)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心，以及廣域網(wǎng)中[8]。

1.3 云計(jì)算

云計(jì)算使得傳統(tǒng)用戶接入網(wǎng)絡(luò)的方式發(fā)生了變化，如圖2所示，一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)端口可以接入多個(gè)虛擬機(jī)，這些虛擬機(jī)可能在不同的服務(wù)器之間進(jìn)行遷移。虛擬機(jī)的VMM層或者物理網(wǎng)卡對(duì)虛擬機(jī)打標(biāo)識(shí)，交換機(jī)需要識(shí)別虛擬機(jī)標(biāo)識(shí)，對(duì)虛擬機(jī)的報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

虛擬機(jī)的遷移通信需求產(chǎn)生了一系列的大二層技術(shù)，包括TRILL[9]，SPB[10]，Vxlan和NVGRE[11]，其中Vxlan在目前在幾大主流廠商交換機(jī)中均被支持。

TRILL把三層路由技術(shù)應(yīng)用于二層網(wǎng)絡(luò)，通過擴(kuò)展IS-IS協(xié)議實(shí)現(xiàn)二層路由，使用最短路徑算法計(jì)算以自身為源節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的最短路徑，在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)可以避免傳統(tǒng)STP協(xié)議的環(huán)路問題。SPB同樣是采用IS-IS作為其控制平面協(xié)議，進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)習(xí)計(jì)算，使用MAC-in-MAC報(bào)文封裝方式以靈活擴(kuò)展vlan。Vxlan采用IP over UDP封裝，在VNI頭部中有24bits用來標(biāo)識(shí)字段，可以支持多達(dá)16M的虛擬機(jī)[12]，提供了虛擬機(jī)大范圍遷移能力。NVGRE沒有使用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議TCP或者UDP，借助了通用路由封裝協(xié)議GRE，并采用GRE頭部中的24bits作為租戶網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，可以支持和Vxlan相同數(shù)量的虛擬機(jī)。

云計(jì)算中虛擬機(jī)通信對(duì)交換機(jī)設(shè)備的需求，首先就是要提供網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能，需要交換機(jī)對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行識(shí)別，并根據(jù)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)對(duì)報(bào)文進(jìn)行隧道封裝、解封裝的處理。除了功能外，網(wǎng)絡(luò)虛擬化對(duì)交換機(jī)的處理性能、轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)容量都有更高的要求。

1.4 無線技術(shù)

1.4.1 無線局域網(wǎng)技術(shù)

Wlan作為一種無線局域網(wǎng)技術(shù)，已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。為了滿足移動(dòng)用戶使用數(shù)據(jù)量的增加需求，wlan的物理層技術(shù)在不斷發(fā)展。

802.11協(xié)議作為802協(xié)議族中的一員，在802中的位置如圖3所示。

不同802.11的物理層標(biāo)準(zhǔn)使用的物理層技術(shù)和支持的速率是不同的，目前主流使用的WLAN標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

用戶的STA（station）通過wlan的物理層接入AP（Access Point），在一般的小型網(wǎng)絡(luò)中AP的有線口直接訪問網(wǎng)絡(luò)（圖4），在較大的網(wǎng)絡(luò)中一般使用AP連接AC，通過AC訪問網(wǎng)絡(luò)（圖5）。

在使用AC（Access Controller）的場(chǎng)景中，通過AC可以管理下掛的AP以及用戶的STA，AC可以對(duì)用戶和AP進(jìn)行認(rèn)證管理[14]，也可以通過在AC上配置VAP來實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的業(yè)務(wù)劃分或者用戶定義功能[15]。

目前在業(yè)界有獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備做AC的，也有使用交換機(jī)做AC的。使用交換機(jī)做AC可以實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的融合，包括用戶認(rèn)證、授權(quán)管理以及用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的流量轉(zhuǎn)發(fā)管理。交換機(jī)的高性能轉(zhuǎn)發(fā)可以幫助用戶進(jìn)行大規(guī)模的無線業(yè)務(wù)部署。

無線局域網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展給交換機(jī)提出了新的需求，除了轉(zhuǎn)發(fā)性能提升外，還要求交換機(jī)在控制層面能夠管理無線用戶和AP，在轉(zhuǎn)發(fā)層面和AP建立轉(zhuǎn)發(fā)隧道，轉(zhuǎn)發(fā)來自AP的流量。目前交換機(jī)和AP之間的隧道協(xié)議主要是CAPWAP協(xié)議，通過該協(xié)議，實(shí)現(xiàn)交換機(jī)對(duì)用戶流量的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)AP和用戶的集中管理[16]。

1.4.2 無線廣域網(wǎng)技術(shù)

目前的移動(dòng)通信技術(shù)主要是4G，5G作為新一代無線移動(dòng)通信技術(shù)，具有數(shù)據(jù)傳輸快和時(shí)延低的特點(diǎn)，傳輸速率提升10到100倍，峰值速率達(dá)到10Gbps，端到端時(shí)延達(dá)到ms級(jí)別[17]。無線的帶寬提升點(diǎn)主要在空口側(cè)，中間的傳輸設(shè)備比如交換機(jī)，需要減少時(shí)延。數(shù)據(jù)在傳輸設(shè)備上的時(shí)延包括：發(fā)送時(shí)延，傳輸時(shí)延和隊(duì)列時(shí)延[18]。如果報(bào)文經(jīng)過多臺(tái)設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，那么總的時(shí)延就是所有設(shè)備的時(shí)延之和：

∑iTRANSi+PROPi+Qi （i為第i臺(tái)設(shè)備）

其中發(fā)送時(shí)延TRANS和設(shè)備的端口速率有關(guān)系，端口速率越高，同樣長度的報(bào)文發(fā)送時(shí)延越?。粋鬏敃r(shí)延和傳輸介質(zhì)有關(guān)系，比如光纖傳輸比雙絞線要快；隊(duì)列時(shí)延和設(shè)備的處理性能以及當(dāng)時(shí)設(shè)備的擁塞狀態(tài)有關(guān)系。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說，降低報(bào)文的時(shí)延主要是提高端口速率，提升處理性能。

2 結(jié)束語

本文從目前業(yè)界各種網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)層面進(jìn)行研究和分析，得出這些技術(shù)點(diǎn)對(duì)交換機(jī)的影響，提出了交換機(jī)的發(fā)展方向以及關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，能夠給設(shè)備廠商和研究人員提供方向參考。當(dāng)然，以太網(wǎng)交換機(jī)要在這些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)上有突破，還要攻克很多難題，包括制造工藝，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)制定以及交換機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的研發(fā)水平。后續(xù)的研究可以在這些技術(shù)點(diǎn)上逐個(gè)深入，只有在這些領(lǐng)域都有所突破，以太網(wǎng)交換機(jī)才能滿足不斷發(fā)展的業(yè)務(wù)需求。

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