□ 中国建设银行北京分行 陆明 徐川零
近年来，随着技术的不断发展， 语音、数据、视频的融合逐渐成为趋势，传统数据网络的概念发生了变化， 面对迅速增加的信息， 如何保证信息的高速，可靠传输是摆在每一个电信运营商面前的难题。
纵观当今数据网的应用，骨干数据交换机在技术上的最大挑战就是高速交换能力。而这一能力主要表现在交换机的背板（BACKPLANE）技术上。背板提供了数据从一个端口到达另一端口的通道及队列（QUEUE）机制，传统的背板技术采取的是共享模式，也就是所有接口卡共享一组互为备份的总线（BUS），这种结构来源于计算机，它的设计比较简单且容易实现，但缺点非常明显，当来自所有端口的数据总和超过总线容量（BANDWIDTH）时，很快就能把缓存耗尽，最终出现数据丢失。同时BUS的容量因受电子技术的限制不可能无限度增加，一般认为最高在20Gbit/s左右，这种速度支持少量百兆以太网还可以，对付动辄就是每端口2.4Gbit/s的高速网络交换机就显得很不够了。为解决这个问题，新型骨干交换机普遍采用了交换型背板（SWITCH BACKPLANE）技术，其中很有代表性的一种采取了矩阵交换（CROSSBAR SWITCH）技术（如图1），它可最大限度的保证端口之间的并行数据交换。同时，一般这种交换机会有一条专用的控制总线，用于交换机内部的管理以减小对背板的打扰，背板的数据交换功能由一种叫交换引擎（FABIC）的板卡提供，总体来说背板的能力随着交换引擎数量的增多而提高，每块接口卡与多个交换引擎同时连接，这种结构在正常情况提高了接口卡的数据吞吐量，当一个交换引擎发生故障时，可提供备份。
交换机内部接口卡与交换引擎之间是点对点（POINT TO POINT）连接，CMOS技术已使这个连接的速率达到1Gbit/s，在将来更可以达到4-10Gbit/s，假设一个有8个接口卡的交换机，每个接口卡与4个交换引擎连接，则整个机箱的处理能力可达到32Gbit/s（1Gbit/s×4×8）。
当今高性能骨干数据交换机内部都是以固定长度单元（CELLS）进行背板数据交换的，因为CELLS有固定的长度再结合时间片（TIME SLOT）概念使每一个时间片结束时，入口（INPUT）队列和出口（OUTPUT）队列同时达到空闲，这将极大的提高交换机效率。 基于矩阵（CROSSBAR）交换技术的数据交换机需要解决的一个问题叫“HOL”（HEAD OF LINE）阻塞，这种现象是由于FIFO（先进先出）队列机制造成的，FIFO首先处理的是在队列中最靠前的数据，而这时队列后面的数据对应的出口缓存可能已空闲，但因为得不到时间片，队列中靠后的数据不能被背板交换出去，造成整个交换机吞吐量的下降(一般可下降40%)，这就如同你在只有一条行车线的马路上右转，但你前面有直行车，虽然这时右行线已空闲，但你也只能等待。 解决这个问题的方法是增加一种叫虚拟输出队列（VOQ）的机制，即在输入缓存队列中为每一个输出缓存单独建立FIFO机制。 在时间片到来时，输入缓存中的数据可直接进入输出缓存。 这将使交换机背板的能力接近理论值。
高速数据交换所面临的第二个挑战就是中央处理器（CPU）的处理能力，因为受单个CPU处理能力的限制，当今的交换机早已放弃依靠单一CPU承担所有工作的传统工作模式，现在的交换机使用了大量的专用芯片（ASIC），这些ASIC芯片完成的工作包括数据的拆装及重组，数据包标记重置，数据包的过滤等。 新型交换机的中央CPU一般只负责路由表的维护及向各接口卡分发路由表的“快照”，在有些公司设计的交换机中所有接口卡都有RISC芯片，其内部的缓存可达几十兆乃至几百兆可保留完整路由表，如果整个机箱没有路由变化的话，数据的路由选择可直接由接口卡完成。 由于新型数据交换机改进了背板技术, 使用了大量ASIC芯片，使其处理能力发生了惊人的变化，一般可达几十兆或上百兆包/每秒的能力，而传统设备的这个指标只能达到1兆包/每秒。
高速数据交换所面临的第三个挑战就是接口卡的种类及端口数量（密度），接口卡可按多种方式来归类，如用于广域网的接口卡有ATM卡，POS卡，T1/E1，T3/E3等；用于局域网的卡有百兆位以太网卡，千兆位以太网卡，十兆位/百兆位自适应以太网卡等，每种接口卡不仅有标称的速率，是否支持光纤的区别，同时有些接口卡还支持特殊的长距离传输，有些接口卡可为用户提供通道化应用的能力（channelized）。 新型交换机在努力向用户提供更高速率的接口卡的同时，接口卡上端口的数量也成为相互竞争的重要指标，在这方面用户不仅要求端口数量越多越好，还要求有方便的端口类型组合，如多数广域网端口加上少量局域网端口的接口卡就会受到电信运营商的喜爱，而多数局域网端口加上少量高速广域网端口的接口卡则被企业用户所青睐，总之好的端口组合可节省用户投资。 但在选择接口卡时，必须考虑背板的处理能力，如要求每个端口为全线速工作，则最好保证整个交换机的端口线速率小于背板的交换能力，同时只依靠中心CPU的交换机是不能保证端口的全线速的。
高速数据交换所面临的最后一个挑战就是可靠性。 我们常看到某某设备支持99.99%的可靠性，这意味着该设备一年只能出现5分钟的故障，为了实现这个目标，新型骨干交换机一般都会提供冗余电扇、冗余电源及冗余的交换引擎（FABRIC），其中要实现电源冗余应注意计算交换机内板卡实际的用电量，不能简单的认为多个电源就可以实现电源冗余。 同时，是否支持板级的在线插拨也是必须考查的因素，但一般来说，交换机只允许在线（带电）更换完全相同类型的模块，否则系统需要重起。
总之，新型骨干数据交换机的结构决定了它的特殊地位，在选择时，应特别注意其背板技术和ASIC芯片的使用，这将是决定整个交换机能力的最重要的物质基础，其次，整个设备的模块化也是非常重要的，它将最终保证整个设备的可靠性。
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