背板带宽释疑

   我们通常将集线器比作是单车道高架桥，同一时间内只能有一辆车通过；而将交换机比喻为多车道立交桥，任何两个方向的车都可以同时通行，而互不妨碍。因此，集线器是共享带宽，而交换机则是独享带宽。事实上，交换机正如同立交桥一样，彼此的通讯能力并不完全相同，否则，北京也就不会总是出现塞车了。一般来讲，立交桥的通行能力会受到桥的物理结构和车道数量的限制。同样，交换机也会受到背板带宽的限制。

一、背板带宽与转发速率

   所谓背板带宽，是指交换机接口处理器或接口卡与数据总线间所能吞吐的最大数据量。背板带宽标志了交换机可提供的数据交换能力，单位为 Gbps 。交换机的背板带宽越高，处理数据的能力就越强，同时价格也会越高。背板带宽好像是立交桥的车道总和，车道数量越多，车辆的通行能力也就越高，也就越不可能塞车。交换机的背板带宽从几 Gbps 到上百 Gbps 不等，一台交换机的背板带宽是否够用，可以借助以下公式进行计算：

背板带宽 ≥ （千兆端口数量 ×1Gbps+ 百兆端口数量 ×100Mbps ） ×2

只有背板带宽达到该数值，交换机才有可能实现数据的全双工无阻塞交换，发挥最大的数据交换性能。一般来说，固定端口交换机背板带宽较低，而模块化交换机背板带宽较高。原因很简单，前者大多为工作组交换机，而后者则是骨干交换机和中心交换机，需要及时处理大量的并发访问。

背板带宽与吞吐量并称交换机的两大重要参数。事实上，背板带宽只是表明交换机可能达到的最大转发能力，而吞吐量则表示交换机实现的最大处理能力。就像好 10 车道的立交桥理论上可以同时通行 10 辆车，而事实上，由于设计瑕疵等诸多因素的限制，车流量事实上并不没有那么多。因此，交换机的吞吐量能否满足数据无阻塞传输的需要，可以借助以下公式进行计算：

吞吐量 (Mpps) ≥ 千兆端口数 ×1.4881Mpps+ 百兆端口数 ×0.1488Mpps

其中 1 个千兆端口在包长为 64 字节时的理论吞吐量为 1.488Mpps ，而 1 个百兆端口线速包转发率。只有吞吐量达到或超过该值时，才能确保在所有端口均线速工作时，提供无阻塞的包交换。如果吞吐量小于该值，那么，我们有理由认为，该交换机将无法实现线速通信，数据在传输时将会有阻塞存在。

二、背板结构

如同立交桥的结构将最终影响车流量一样，交换机的背板结构也会对数据传输速率产生根本影响。交换机的背板结构分为三类，即总线结构、共享存储器结构和交换矩阵结构。

1. 总线结构

总线交换结构采用由一种介质组成的单块背板，每个入端和出端都借助相关部件连接到总线上，模块之间的所有信息流都必须经过这条总线进行传输（如图 2 所示）。总线采用时分方式划分时隙，每个模块重复分得一个时段供连续传输。由于总线上传送速率有极限值，而且输入处理部件向总线发送数据与输出处理部件接收数据的速率也有极限值，因此，总线结构交换单元的数据吞吐率会受到较大限制。一般情况下，基于总线结构的交换机背板实际最高容量平均为 2Gbps 。此外，这种设计还存在许多方面的问题，包括接口卡带电更换能力，公平获得带宽、有效支持在并行背板上进行广播和多址联播，这些问题进一步增加了这种设计的固有复杂性。

图 1 基于总线的交换机结构

2. 共享存储器结构

共享存储器结构是总线结构的变形。各路输入数据经过输入处理部件进入存储器，输出处理部件从存储器中取出数据，形成各路输出信号（如图 2 所示）。存储器相当于数据缓冲池。这类交换机比较容易实现，但在扩展到某个程度时存储器的存储操作会产生延迟。另外，由于在这种设计中增中加冗余交换引擎时非常困难，因此，这种交换机无法避免单故障隐患，只适用于小系统、堆叠式系统或较大系统中的分布式交换模块。

图2存储器的交换机结构

3. 交换矩阵结构
交换矩阵结构交换机又称为纵横制交换机或点对点交换机，其结构的可扩展性与其实现方法有关。
在交换矩阵结构交换机的全矩阵实施方案中，每个模块连接至其它模块，构成全网状背板（如图3所示）。每个模块都有自己的一组连接线，因而不必设置中央交换阵列。背板总容量等于N×(N-1)×(一条点对点链路的传输速度)，N等于连接点数量，一条点对点链路的传输速度可达到1Gb/s或更高。由于每个模块都有自己的一组连接线，因而不必设置中央交换阵列。但是，由于网状连接的几何性质。这种交换机在扩大端口数据目时会造成模板成本迅速上扬。

图 3 点对点的矩阵交换机设计方案

   星形连接的点对点设计方案比矩阵结构简单得多。它使用中央交换阵列取代网状的模块连接线（如图 4 所示），每个模块只需连接到中央交换阵列。同时，在需要冗余能力时，还可连接到备份交换阵列。由于整个设计只使用两个中央阵列，所以，其成本低于含有 3 个或更多模块的任何网状设计。

另外，与网状设计方案相比，该设计还具有更好的可扩展性。由于在模块与中央阵列之间可设置任何数目的连线（称为背板互连线），因此，互连线的最终传输容量取决于中央阵列和模块的能力，而不是取决于互连线自身。

 

图4星形点对点交换机结构

 如何合理选择交换体系结构
从纯粹技术角度出发，交换矩阵结构可以提供提供更高的吞吐能力和更快的交换速度，但是交换矩阵结构造价高昂，可扩展性差，无法适应大端口数的交换机。共享存储器结构的复杂程度低，易于实现，经过优化设计并采用分布处理技术，共享存储器结构也能达到很高的性能，完全可以满足大多数城域网和局域网的需要。
因此，如果从成本角度考虑，可以选择共享存储器交换结构，从交换性能的角度考虑，则采用交换矩阵结构，或者针对具体厂家的设备，在成本因素与性能因素之间求得折衷，选择一种性能和价格都能接受的产品。

与大多数网络产器一样，核心交换机的设计也要在性能、复杂性和成本之间权衡折衷。但对于需要几十Gbps带宽的主干网络来说，设计中还会碰到第四个因素：物理定律，某些交换机的设计比其它交换机更快遇到技术极限。今天最常见的交换机在处理多条吉位级下联的能力上存在很大的差别。

背板带宽是我们在选购交换机时应该十分注意的一个性能指标，它标志着一个交换机总的吞吐能力。背板带宽约高，你的交换机负载数据转发能力就越强，网络瓶颈就越低。在以背板总线为交换通道的交换机上，任何端口接收的数据，首先被放到总线上，再由总线传递给目标端口，这种情况下背板带宽就是总线的带宽。现在的许多交换机，尤其是模块化的交换机都为交换矩阵设计，这种设计的交换能力更强，在这样的交换机上，背板带宽实际上指的是交换矩阵的总吞吐量。背板带宽以Gbit/s为单位，从几Gbit/s到几百Gbit/s不等，一般来说固定端口交换机背板带宽较低，而模块化交换机背板带宽较高，如Cisco桌面级交换机CISCO WS-C2950G-48-EI的背板带宽为4.4Gbit/s，而企业级交换机CISCO WS-C6513的交换矩阵吞吐能力是256Gbit/s，相差两个数量级。当然背板带宽越高的价格也就越贵，像上面提高的CISCO WS-C6513目前市场售价大概在11万到12万左右。

交换矩阵结构可以提供更高的吞吐能力和更快的交换速度，但是交换矩阵结构造价高昂，可扩展性差，无法适应大端口数的交换机。共享存储器结构的复杂程度低，易于实现，经过优化设计并采用分布处理技术，共享存储器结构也能达到很高的性能，完全可以满足大多数城域网和局域网的需要。因此，如果从成本角度考虑，可以选择共享存储器交换结构，从交换性能的角度考虑，则采用交换矩阵结构，或者针对具体厂家的设备，在成本因素与性能因素之间求得折中，选择一种性能和价格都能接受的产品。当前宽带IP网络选型的基本立足点是，设备必须在价格上体现优势，性能上完全满足综合多媒体业务的需要。因此可选择共享存储器交换体系结构的千兆位以太网交换设备。

 

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