以太網交換機發展趨勢研究與分析

余久方 楊帆

摘 要： 以太網交換機作為目前使用最廣泛的網絡設備之一，在數據通信中占據的位置越來越重要，其發展對制造行業以及通信行業都有至關重要的意義。文章全面分析了目前和以太網交換機相關的主要新技術、新業務，包括工藝制造水平，軟件定義網絡，云計算，無線局域網以及5G，給出了這些技術點對以太網交換機的影響和需求，旨在給以太網交換機的研究和設計工作提供方向借鑒。

關鍵詞： 以太網交換機； 云計算； 軟件定義網絡（SDN）； 無線局域網； 5G

中圖分類號：P315.69 文獻標志碼：A 文章編號：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

以太網交換機，從最早的二層交換機到現在的三層交換機和多業務交換機，功能越來越豐富；交換機承擔的角色也越來越多，涵蓋了路由器，防火墻，無線AC等。

從使用的轉發芯片看，交換機分為ASIC型交換機和可編程交換機，ASIC型交換機具有高性能、低時延的優勢，可編程交換機具有功能擴展靈活、開發周期短的優勢；從使用場景看，各個通信廠家包括cisco，h3c和華為一般都把交換機分為園區交換機和數據中心交換機，園區交換機轉發性能相對較低，提供豐富的端口形態和豐富的用戶接入管理功能；數據中心交換機除了能提供更高的轉發性能外，還使用一系列的技術給用戶提供流控功能（PFC，QCN）和用于云計算環境下的網絡虛擬化（Vxlan，NVGRE）等功能[1]。

在2018年IDC發布的全球季度以太網交換機和路由器追蹤報道顯示，以太網交換機市場收入在持續穩健增長[2]。隨著人們對BYOD，語音，視頻的需求日益增加，同時隨著SDN，云計算，大數據的興起，交換機正發揮著越來越重要的作用，其發展也受到了這些業務的影響。

1 新技術新業務對交換機發展的影響

1.1 通信量的增加

信息化時代，數據的爆發式增長對網絡設備承載的通信量提出了越來越高的要求。全球數據中心流量從2012年到2017年以31%的年速度增長，在2017年底達到7.7zettabytes[3]。網絡設備的承載能力增強，主要體現在兩個方面：一是設備的單端口速率變大，二是設備的數據處理性能增加。

在單端口速率方面，從當初的10Mb/s、100Mb/s發展到后來的1Gb/s，10Gb/s，現在已經有40Gb/s和100Gb/s的端口，2017年底，IEEE802.3以太網工作組正式批準了包括200Gb/s和400Gb/s在內的新的802.3bs以太網標準[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絡部署。

交換機的數據處理能力一般使用兩個指標衡量：交換容量和包轉發率。目前華為和H3C的交換機處理能力都已經可以超過1000Tb/s和200000Mpps[5-6]。芯片制造工藝和交換架構對交換機的數據處理能力有至關重要的影響。芯片工藝使用現在的FinFET，技術理論上可以達到7nm的極限，工藝越先進，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，交換機的工程設計也影響數據處理的能力。現在各個交換機廠家的框式交換機基本都采用CLOS架構，在CLOS架構下，是否使用VOQ提供流控機制，是否使用動態選路進行各級交換單元間的轉發，對交換機性能都會產生影響[7]。

隨著制造工藝和設備生產設計水平的提升，交換機的端口速率和處理能力將會得到不斷提高。

1.2 SDN

云計算、SDN的出現，使得網絡結構發生了變化，從傳統網絡設備各自管理轉變到控制器集中管理、云平臺提供各種業務。控制器具有分布式計算能力，可以處理多個網絡設備的配置和運維需求，云平臺提供豐富的業務部署和操作方式，讓軟件定義網絡成為現實。

這種結構的變化對交換機和其他網絡設備提出了新的要求。一是北向提供標準接口和控制器對接，供控制器進行管理。二是設備具有可編程能力，以應對靈活的業務需求變化。

SDN架構下網絡設備控制系統結構如圖1所示，這種網絡結構給交換機的軟件帶來如下變化：

⑴ 交換機的協議、業務運算可以放到控制器上進行，控制器可以進行多臺交換機的業務策略控制、業務配置下發；

⑵ 控制器軟件部署不再像以前一樣局限于單臺設備，可以分布式部署在多臺機器上。

這種網絡結構也會給整個以太網交換機產業鏈帶來影響：軟件和硬件分離，產生了白盒交換機，傳統的交換機設備廠家如思科，華為，h3c的壟斷地位會被動搖；另外交換機芯片可編程也因為SDN的產生而被推出，華為公司推出的敏捷交換機，新興公司barefoot推出的可編程芯片都得到了業界的極大關注。在實際部署中，SDN已經應用到企業網、數據中心，以及廣域網中[8]。

1.3 云計算

云計算使得傳統用戶接入網絡的方式發生了變化，如圖2所示，一個物理網絡端口可以接入多個虛擬機，這些虛擬機可能在不同的服務器之間進行遷移。虛擬機的VMM層或者物理網卡對虛擬機打標識，交換機需要識別虛擬機標識，對虛擬機的報文進行轉發。

虛擬機的遷移通信需求產生了一系列的大二層技術，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中均被支持。

TRILL把三層路由技術應用于二層網絡，通過擴展IS-IS協議實現二層路由，使用最短路徑算法計算以自身為源節點到其他節點的最短路徑，在實現轉發的同時可以避免傳統STP協議的環路問題。SPB同樣是采用IS-IS作為其控制平面協議，進行拓撲學習計算，使用MAC-in-MAC報文封裝方式以靈活擴展vlan。Vxlan采用IP over UDP封裝，在VNI頭部中有24bits用來標識字段，可以支持多達16M的虛擬機[12]，提供了虛擬機大范圍遷移能力。NVGRE沒有使用標準傳輸協議TCP或者UDP，借助了通用路由封裝協議GRE，并采用GRE頭部中的24bits作為租戶網絡標識，可以支持和Vxlan相同數量的虛擬機。

云計算中虛擬機通信對交換機設備的需求，首先就是要提供網絡虛擬化功能，需要交換機對虛擬機進行識別，并根據對應的網絡虛擬化技術對報文進行隧道封裝、解封裝的處理。除了功能外，網絡虛擬化對交換機的處理性能、轉發表項容量都有更高的要求。

1.4 無線技術

1.4.1 無線局域網技術

Wlan作為一種無線局域網技術，已經得到越來越廣泛的應用。為了滿足移動用戶使用數據量的增加需求，wlan的物理層技術在不斷發展。

802.11協議作為802協議族中的一員，在802中的位置如圖3所示。

不同802.11的物理層標準使用的物理層技術和支持的速率是不同的，目前主流使用的WLAN標準如表1所示。

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

在使用AC（Access Controller）的場景中，通過AC可以管理下掛的AP以及用戶的STA，AC可以對用戶和AP進行認證管理[14]，也可以通過在AC上配置VAP來實現更精細的業務劃分或者用戶定義功能[15]。

目前在業界有獨立的網絡設備做AC的，也有使用交換機做AC的。使用交換機做AC可以實現有線網絡和無線網絡的融合，包括用戶認證、授權管理以及用戶訪問網絡的流量轉發管理。交換機的高性能轉發可以幫助用戶進行大規模的無線業務部署。

無線局域網業務的發展給交換機提出了新的需求，除了轉發性能提升外，還要求交換機在控制層面能夠管理無線用戶和AP，在轉發層面和AP建立轉發隧道，轉發來自AP的流量。目前交換機和AP之間的隧道協議主要是CAPWAP協議，通過該協議，實現交換機對用戶流量的轉發，同時實現對AP和用戶的集中管理[16]。

1.4.2 無線廣域網技術

目前的移動通信技術主要是4G，5G作為新一代無線移動通信技術，具有數據傳輸快和時延低的特點，傳輸速率提升10到100倍，峰值速率達到10Gbps，端到端時延達到ms級別[17]。無線的帶寬提升點主要在空口側，中間的傳輸設備比如交換機，需要減少時延。數據在傳輸設備上的時延包括：發送時延，傳輸時延和隊列時延[18]。如果報文經過多臺設備轉發，那么總的時延就是所有設備的時延之和：

∑iTRANSi+PROPi+Qi （i為第i臺設備）

其中發送時延TRANS和設備的端口速率有關系，端口速率越高，同樣長度的報文發送時延越小；傳輸時延和傳輸介質有關系，比如光纖傳輸比雙絞線要快；隊列時延和設備的處理性能以及當時設備的擁塞狀態有關系。對于網絡設備來說，降低報文的時延主要是提高端口速率，提升處理性能。

2 結束語

本文從目前業界各種網絡新技術層面進行研究和分析，得出這些技術點對交換機的影響，提出了交換機的發展方向以及關鍵技術點，能夠給設備廠商和研究人員提供方向參考。當然，以太網交換機要在這些關鍵技術點上有突破，還要攻克很多難題，包括制造工藝，業界標準制定以及交換機相關產業鏈的研發水平。后續的研究可以在這些技術點上逐個深入，只有在這些領域都有所突破，以太網交換機才能滿足不斷發展的業務需求。

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