交换机硬件结构

随着互联网业务的高速发展，对构建互联网基础架构的网络设备提出了更高要求，例如容量、性能、扩展性以及QoS等诸多关键特性，而这往往是由其所采用的硬件架构决定的。

以框式核心交换机为例，先后出现了多种硬件架构，而现在最为常用的有三种：Full-Mesh交换架构、Crossbar矩阵交换架构和基于Cell的CLOS 交换架构。

本文将通过对这三种硬件架构、报文转发流程等原理的分析，全面剖析三种架构的优劣势。

名词解释Full-Mesh架构说明▲图1：Full-Mesh架构图如图1所示，所有业务线卡通过背板走线连接到其它线卡，因为Full-Mesh不需要外部的交换芯片，而是任意两个节点间都有直接连接，故得名全连接。

由于各线卡需要Full-Mesh互联，一个节点数为N的Full-Mesh，连接总数为[N×(N-1)]÷2，所以随着节点数量增加连接总数也急剧上升，因而可扩展性较差，仅适用于槽位数量较少的核心设备。

报文转发流程1、报文从线卡进入，跨卡报文送到与目的线卡连接的背板通路；2、报文到达目的线卡。

Crossbar架构说明▲图2:Crossbar架构图如图2所示，业务线卡通过背板走线连接到Crossbar芯片上，Crossbar芯片集成在主控引擎上。

▲图3:Crossbar芯片架构Crossbar芯片架构如图3所示，每一条输入链路和输出链路都有一个CrossPoint，在CrossPoint处有一个半导体开关连接输入线路和输出线路，当来自某个端口的输入线路需要交换到另一个端口的输出点时，在CPU或交换矩阵的控制下，将交叉点的开关连接，数据就被发到另一个接口。

简单地说，Crossbar 架构是一种两级架构，它是一个开关矩阵，每一个CrossPoint都是一个开关，交换机通过控制开关来完成输入到特定输出的转发。

如果交换具有N个输入和N个输出，那么该Crossbar Switch就是一个带有N*(N-1)≈N²个CrossPoint点的矩阵，可见，随着端口数量的增加，交叉点开关的数量呈几何级数增长。

交换机结构原理交换机是计算机网络中的一种重要设备，其作用是实现信息的交换与转发。

交换机通过建立逻辑连接，可以将信息从一个端口转发到另一个端口，实现不同设备之间的通信。

交换机的结构原理包括硬件结构和工作原理两个方面。

一、硬件结构交换机的硬件结构主要由以下几个部分组成：1.端口：交换机通常拥有多个端口，每个端口可以与一个设备连接。

端口分为发送端口和接收端口，通过发送端口发送的信息可以通过接收端口接收到。

2.交换矩阵：交换矩阵是交换机中的核心部分，其作用是实现输入端口与输出端口之间的逻辑连接。

交换矩阵可以使用不同的技术实现，常见的有电路交换和分组交换。

3.中央处理单元（CPU）：CPU是交换机的控制中心，负责管理交换机的运行、配置和管理等任务。

CPU会根据交换机的配置和网络状况，决定将信息从哪个端口转发到哪个端口。

4.存储器：交换机中的存储器用于存储交换机的配置信息、统计数据和临时数据等。

存储器的容量会直接影响交换机的性能和扩展能力。

5.电源模块：交换机需要稳定的电源供应，以确保交换机的正常工作。

二、工作原理交换机的工作原理可以分为学习和转发两个过程。

1.学习过程：交换机通过学习源MAC地址将端口与MAC地址关联起来，建立一个地址表。

当交换机接收到一帧数据时，会检查该帧的源MAC地址和接收端口的对应关系。

如果在地址表中能找到对应关系，则将源MAC地址和接收端口的对应关系更新到地址表中；如果找不到对应关系，则将该对应关系添加到地址表中。

2.转发过程：当交换机接收到一帧数据时，会根据数据的目的MAC 地址在地址表中查找对应的接收端口。

如果地址表中找到了对应关系，则将数据从源端口转发到目的端口；如果找不到对应关系，则将数据从所有端口转发出去（除了接收端口之外），这个过程称为广播。

交换机还有一些其他的工作原理，包括：1.速率控制：交换机可以根据不同端口的带宽情况，控制流入流量和流出流量的速率，确保网络的正常运行。

三层交换机原理解析1.硬件结构：三层交换机通常由交换芯片、路由芯片和控制芯片组成。

交换芯片负责局部网络内的数据包转发，路由芯片负责不同网络之间的路由选择和转发，控制芯片实现管理和控制功能。

2.数据包的转发：当三层交换机收到一个数据包时，会首先进行数据包解析，提取出源地址和目的地址等信息。

然后，交换芯片会根据目的地址查询自己的转发表，并将数据包转发给相应的端口。

如果目的地址不在转发表中，交换芯片会将数据包转发给路由芯片进行进一步转发。

3.转发表的更新：为了实现数据包的快速转发，交换芯片会维护一个转发表。

该转发表记录了不同设备的MAC地址和相应的端口信息。

通常，转发表会通过链路层的协议（如ARP）来获得和更新设备的MAC地址。

当网络中的设备进行通信时，交换芯片会根据转发表来决定转发路径。

4.路由选择：当数据包需要跨越不同网络时，交换芯片会将数据包转发给路由芯片进行路由选择。

路由芯片通过学习网络拓扑和掌握网络的路由信息，来选择最佳的路由路径，并且将数据包转发到合适的出口端口。

5.VLAN划分：三层交换机支持虚拟局域网（VLAN）的划分。

VLAN的划分可以将一个物理网络划分成多个逻辑上的子网，不同的子网可以根据需要进行独立的管理和配置。

VLAN的划分可以提高网络的安全性和性能。

6.数据包过滤：三层交换机可以通过过滤规则对数据包进行过滤。

过滤规则可以根据源地址、目的地址、协议类型等条件进行设置，从而实现对网络中的数据包进行控制和管理。

7.流量控制：三层交换机支持流量控制功能，可以根据网络的负载情况和带宽情况来控制端口的传输速率。

通过流量控制，可以防止网络拥塞和丢包现象的发生，从而提高网络的性能和稳定性。

总结起来，三层交换机通过硬件实现了路由和交换功能，并且支持VLAN划分、数据包过滤和流量控制等功能。

它可以在局部网络中快速转发数据包，并且能够跨越不同网络进行路由选择和转发，从而提高了网络的性能和可靠性。

大体上讲有如下几大部分（以机箱式交换机为例）
1、机箱，主要是承载各体系模块的载体，包含有背板，提供各模块交换通信的通路。

另外提供业务板卡插槽。

2、电源，用途就是供电。

有1+1或者N+1备份方式。

3、引擎，也有的叫矩阵。

是交换机的核心体，提供各板卡（接口模块）之间的数据转发、路由交换、过滤、策略等功能。

一般核心交换机均可支持双引擎冗余配置。

4、接口模块（板卡），也有的叫业务模块。

就是连接用户终端或者下一级网络设备的接口板。

有各种不同类型接口，比如100M、1000M、10G、ATM、电口光口等等类型。

根据用户需求进行不同类型接口板卡和数量配置。

有些接口模块只是简单的I/O通道模块，但现在大部分交换机的板卡均具有本地交换功能。

5、功能模块。

是业务模块特殊的一种，有些交换机还提供有此类功能模块，不一定有用户端口，但主要用于提供增强功能，比如防火墙模块，路由模块等等。

比较简单一些的是固定式交换机，它就没有分的那么细，因为是固定式结构，引擎和机箱做在一起，用户端口也基本固定，不用模块化按需配置。

原理基本同上。

第四章交换机的硬件结构及原理目的：了解交换机的硬件结构及原理理解相关概念了解APT和APZ的子系统AXE10：是一种全数字集中的控制的程控交换机，可在移动网，公网上使用。

AXE10由APZ和APT两大部分组成。

其系统结构如下：1、APZ：为交换机的控制部分，主要子系统：CPS：中央处理机子系统MAS：维护子系统RPS：区域处理机子系统IOS：I/O输入输出子系统在AXE10系统中，根据不同的应用要求，APZ有两大类：APZ211和APZ212。

主要在硬件和处理能力上有所不同。

1.1CPS：CENTRAL PROCESSOR SUBSYSTEM 中央处理机子系统。

1.1.1含有双备份的处理机CPA和CPB。

还为系统中所有的功能块提供程序和数据的存储器。

CPS由硬件和软件组成，并与MAS、RPS和SPS配合工作。

CP的类型：CP20、CP25、CP30，CPS的主要功能如下：(1)、程序执行及数据处理：它在被执行的任务之间分配处理机的资源，而这些任务通过缓存器、工作表、时间队列、日历功能等来分级。

(2)、功能变换：它用于变换、增删系统中的软件单元。

(3)、系统后备：它用于将CP存储器的内宾拷贝出来，或将拷贝出来的软件再装到系统中去。

(4)、监视功能：用于监视CP存储器的使用情况。

在CP内有三种存储器：程序存储器（PS），数据存储器（DS）和参考存储器（RS）。

这些存储器使用的限度和范围可设，一旦超出将产生告警。

(5)、程序修改功能：用于处理需纠正的软件错误。

CP内含有打补丁的功能。

(6)、程序测试的功能：用于测试和踊跃软件信号和变量。

它可以用于正在安装调测的交换机，又可以用于正处于运行中的交换机。

(7)、处理机负载测试：用于在话务高峰期检测处理机处理能力过载的情况。

(8)、维护统计：用于收集CP的状态信息以及APZ发生的非正常事件。

(9)、SIZE自动监视。

(10)、FUNCTION CHANGE：替换、增加和删除功能块。