什么是Fabric, Switched交換結構

考慮一種多連接裝置,連接中一個網孔上一邊連接輸入,另一邊連接輸出。任意輸入可立刻交換為任意輸出。這就是一種交換結構。交換結構對路由器的總體性能和擴展性有很大的影響。交換結構可以用多種方式實現，包括總線、crossbar、共享內存或者多級結構。現在從實現機制上大體上可分為兩類：時分交換結構、空分交換結構。

時分結構

時分結構通過一個共享設施 ，如內部底板或內存，路由所有交換信息從輸入端口到輸出端口。在時分交換結構中，交換單元不能同時交換一個以上的輸入端口數據。從交換結構的角度看，每個輸入端口數據的處理是串行的。多路時分最直接的形式是使用共享總線。信元通過這個共享設施進行傳輸，必須先請求，獲準后才可存取總線。共享存儲交換結構要求交換機中的所有端口共享對交換存儲器的存取。

時分交換有一個設備吞吐量的固定上限，這種交換能力的限制不能隨端口的增加而增加。 所以 ，當對公共資源的需求增加時，網絡性能會受到影響。交換的吞吐量是由公共資源的速度確定的，一般不能擴展，所以無法滿足容量的增加。

空分結構

與時分交換結構相比，空分交換結構適用范圍更廣，它提供通過交換構架的多條路徑。與共享存儲或底板結構不同，它不依賴于共享設施，可以分為單級交換結構、多級交換結構、群集交換結構。

空分結構具有良好的硬件擴展性，可以增加端口而不影響交換器的吞吐量，端口不必競爭單一的共享資源。另外 ，空分結構隨著端口數的增加，性能也獲得提高。由于交換機性能可隨端口的增加而提高， 所以在理論上交換機可容納多少端口不存在上限。

（1）單級交換結構

交換結構的引入逐步克服了共享總線的以上缺點。從技術上,目前使用較多的交換結構有共享內存和Crossbar兩種。而Crossbar的結構由于其簡單性得到了更多的青睞和更廣泛的采用。

共享內存結構是通過共享輸入輸出端口的緩沖器，從而減少了對總存儲空間的需求。分組的交換是通過指針調用來實現的，這提高了交換容量。但它的速度受限于內存的訪問速度。 Crossbar可以同時提供多個數據通路。一個Crossbar結構由N×N交叉矩陣構成。交叉點由調度器控制。調度器在每個調度時隙內收集各輸入端口有關數據包隊列的信息，經過一定的調度算法得到輸入端口和輸出端口之間的一個匹配，并配置相應交叉點，提供輸入端口到輸出端口的通路。因此，調度器的調度效率決定了Crossbar的交換速率，調度器就是Crossbar交換結構的核心。

（2）多級交換結構

時分交換結構與Crossbar交換結構都是單級交換結構，實現較為簡單。當考慮大型交換系統時，就要采用多級交換結構。多級交換結構是由多個交換單元互聯起來的，每個交換單元具有一整套輸入輸出，與普通交換機類似，提供輸入輸出的連接。通過多個小的交換單元互連構造出一個大型的、容量可擴展的交換網絡。多級結構之間的不同取決于交換單元之間是如何互聯的。典型的結構包括Benes網、Butterfly網、Clos網等形式。

Benes網使用方形交換單元（即：輸入輸出端口數相同）進行多級互聯。一般來說，3級N部Benes網的每一級均可以用N個輸入/輸出端口和N個交換單元來構造。這個格形結構在每個輸入端和每個輸出端之間形成N個可能的通路。Benes輸出可以擴展至任意奇數級。

Clos網是Benes網的推展，用非方形交換單元構造，交換單元的互連方式與Benes網相同。在3級Clos網中，Clos網在輸入級有d×r個交換單元，中間級有N/d乘N/d交換單元，輸出級有r×d交換單元。增加r將增加輸入和輸出間的通道數量和減少每通道所需的帶寬。但是，網絡總帶寬（即成本）與r的值無關。Benes網的配置取r=N/d，即方形交換單元，是一種較便于實現的方案。

3DTM網由大小固定的交換單元互連而成，每個交換單元被連成一個三維環繞的格形網，通過單向或雙向鏈路與它的6個相鄰節點連接，并具有一個雙向外部鏈路。路由選擇時要求在每個方向上分別經過若干轉接點。在任一方向上的平均轉接點隨端口數的立方根比例增長。要實現無阻塞，系統的成本差不多與N4/3成正比。

雖然對于小型系統單級結構的設計相對簡單，成本也相對低，但是它不能滿足下一代Internet擴展的需要。多級結構在操作上較復雜，但是可以擴展到成百上千個端口，這對于下一代Internet核心路由系統來說是絕對有必要的。在多級拓撲結構中，Benes結構是最佳的選擇，因為它的系統復雜程度最低，性能好且滿足可擴展的要求。

多級交換結構中，級數越少，交換延遲也就越小，但交換通路也相應減少，這導致碰撞阻塞的更容易產生，因此多級交換結拓撲的確定有一個各項性能之間的折中。

（3）群集交換結構

從網絡拓撲上看，群集交換結構與多級交換結構相類似，也是通過一些小的交換結構構建一個大的交換結構。不同的是，多級交換結構內部的交換單元不與輸入輸出端口相連，而群集交換結構通過各線卡上的交換單元堆疊成一個大的交換結構。

近年來，隨著Internet流量的迅猛增大，市場迫切需要采用一種可由小容量平滑過渡到大容量的數據交換結構，傳統的交換結構，如共享內存、Crossbar等，正越來越受到多級交換結構、群集交換結構的挑戰。事實上，很多廠商如：Juniper、Avici、Pluris等公司生產的某些大規模路由器都已經采用了新的交換結構。

路由器：http://www.zgby.cn/printpage.asp?BoardID=133&ID=262741

Juniper公司：http://cn.juniper.net/products/glance/

Avici 公司：http://www.avici.com/

Pluris 產品：http://www.civil.uminho.pt/planning/pluris2006/