什么是Fabric, Switched交换结构

考虑一种多连接装置,连接中一个网孔上一边连接输入,另一边连接输出。任意输入可立刻交换为任意输出。这就是一种交换结构。交换结构对路由器的总体性能和扩展性有很大的影响。交换结构可以用多种方式实现，包括总线、crossbar、共享内存或者多级结构。现在从实现机制上大体上可分为两类：时分交换结构、空分交换结构。

(资料图片)

时分结构

时分结构通过一个共享设施 ，如内部底板或内存，路由所有交换信息从输入端口到输出端口。在时分交换结构中，交换单元不能同时交换一个以上的输入端口数据。从交换结构的角度看，每个输入端口数据的处理是串行的。多路时分最直接的形式是使用共享总线。信元通过这个共享设施进行传输，必须先请求，获准后才可存取总线。共享存储交换结构要求交换机中的所有端口共享对交换存储器的存取。

时分交换有一个设备吞吐量的固定上限，这种交换能力的限制不能随端口的增加而增加。 所以 ，当对公共资源的需求增加时，网络性能会受到影响。交换的吞吐量是由公共资源的速度确定的，一般不能扩展，所以无法满足容量的增加。

空分结构

与时分交换结构相比，空分交换结构适用范围更广，它提供通过交换构架的多条路径。与共享存储或底板结构不同，它不依赖于共享设施，可以分为单级交换结构、多级交换结构、群集交换结构。

空分结构具有良好的硬件扩展性，可以增加端口而不影响交换器的吞吐量，端口不必竞争单一的共享资源。另外 ，空分结构随着端口数的增加，性能也获得提高。由于交换机性能可随端口的增加而提高， 所以在理论上交换机可容纳多少端口不存在上限。

(1)单级交换结构

交换结构的引入逐步克服了共享总线的以上缺点。从技术上,目前使用较多的交换结构有共享内存和Crossbar两种。而Crossbar的结构由于其简单性得到了更多的青睐和更广泛的采用。

共享内存结构是通过共享输入输出端口的缓冲器，从而减少了对总存储空间的需求。分组的交换是通过指针调用来实现的，这提高了交换容量。但它的速度受限于内存的访问速度。 Crossbar可以同时提供多个数据通路。一个Crossbar结构由N×N交叉矩阵构成。交叉点由调度器控制。调度器在每个调度时隙内收集各输入端口有关数据包队列的信息，经过一定的调度算法得到输入端口和输出端口之间的一个匹配，并配置相应交叉点，提供输入端口到输出端口的通路。因此，调度器的调度效率决定了Crossbar的交换速率，调度器就是Crossbar交换结构的核心。

(2)多级交换结构

时分交换结构与Crossbar交换结构都是单级交换结构，实现较为简单。当考虑大型交换系统时，就要采用多级交换结构。多级交换结构是由多个交换单元互联起来的，每个交换单元具有一整套输入输出，与普通交换机类似，提供输入输出的连接。通过多个小的交换单元互连构造出一个大型的、容量可扩展的交换网络。多级结构之间的不同取决于交换单元之间是如何互联的。典型的结构包括Benes网、Butterfly网、Clos网等形式。

Benes网使用方形交换单元(即：输入输出端口数相同)进行多级互联。一般来说，3级N部Benes网的每一级均可以用N个输入/输出端口和N个交换单元来构造。这个格形结构在每个输入端和每个输出端之间形成N个可能的通路。Benes输出可以扩展至任意奇数级。

Clos网是Benes网的推展，用非方形交换单元构造，交换单元的互连方式与Benes网相同。在3级Clos网中，Clos网在输入级有d×r个交换单元，中间级有N/d乘N/d交换单元，输出级有r×d交换单元。增加r将增加输入和输出间的通道数量和减少每通道所需的带宽。但是，网络总带宽(即成本)与r的值无关。Benes网的配置取r=N/d，即方形交换单元，是一种较便于实现的方案。

3DTM网由大小固定的交换单元互连而成，每个交换单元被连成一个三维环绕的格形网，通过单向或双向链路与它的6个相邻节点连接，并具有一个双向外部链路。路由选择时要求在每个方向上分别经过若干转接点。在任一方向上的平均转接点随端口数的立方根比例增长。要实现无阻塞，系统的成本差不多与N4/3成正比。

虽然对于小型系统单级结构的设计相对简单，成本也相对低，但是它不能满足下一代Internet扩展的需要。多级结构在操作上较复杂，但是可以扩展到成百上千个端口，这对于下一代Internet核心路由系统来说是绝对有必要的。在多级拓扑结构中，Benes结构是最佳的选择，因为它的系统复杂程度最低，性能好且满足可扩展的要求。

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