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以太网交换机发展趋势研究与分析

 论文栏目:计算机论文     更新时间:2018-10-09   浏览

作者:余久方,杨帆

摘 要: 以太网交换机作为目前使用最广泛的网络设备之一,在数据通信中占据的位置越来越重要,其发展对制造行业以及通信行业都有至关重要的意义。文章全面分析了目前和以太网交换机相关的主要新技术、新业务,包括工艺制造水平,软件定义网络,云计算,无线局域网以及5G,给出了这些技术点对以太网交换机的影响和需求,旨在给以太网交换机的研究和设计工作提供方向借鉴。

关键词: 以太网交换机; 云计算; 软件定义网络(SDN); 无线局域网; 5G

中图分类号:P315.69 文献标志码:A 文章编号: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

以太网交换机,从最早的二层交换机到现在的三层交换机和多业务交换机,功能越来越丰富;交换机承担的角色也越来越多,涵盖了路由器,防火墙,无线AC等。

从使用的转发芯片看,交换机分为ASIC型交换机和可编程交换机,ASIC型交换机具有高性能、低时延的优势,可编程交换机具有功能扩展灵活、开发周期短的优势;从使用场景看,各个通信厂家包括cisco,h3c和华为一般都把交换机分为园区交换机和数据中心交换机,园区交换机转发性能相對较低,提供丰富的端口形态和丰富的用户接入管理功能;数据中心交换机除了能提供更高的转发性能外,还使用一系列的技术给用户提供流控功能(PFC,QCN)和用于云计算环境下的网络虚拟化(Vxlan,NVGRE)等功能[1]。

在2018年IDC发布的全球季度以太网交换机和路由器追踪报道显示,以太网交换机市场收入在持续稳健增长[2]。随着人们对BYOD,语音,视频的需求日益增加,同时随着SDN,云计算,大数据的兴起,交换机正发挥着越来越重要的作用,其发展也受到了这些业务的影响。

1 新技术新业务对交换机发展的影响

1.1 通信量的增加

信息化时代,数据的爆发式增长对网络设备承载的通信量提出了越来越高的要求。全球数据中心流量从2012年到2017年以31%的年速度增长,在2017年底达到7.7zettabytes[3]。网络设备的承载能力增强,主要体现在两个方面:一是设备的单端口速率变大,二是设备的数据处理性能增加。

在单端口速率方面,从当初的10Mb/s、100Mb/s发展到后来的1Gb/s,10Gb/s,现在已经有40Gb/s和100Gb/s的端口,2017年底,IEEE802.3以太网工作组正式批准了包括200Gb/s和400Gb/s在内的新的802.3bs以太网标准[4]。端口速率的提升一方面提高了单端口的通信量,另一方面也简化了网络部署。

交换机的数据处理能力一般使用两个指标衡量:交换容量和包转发率。目前华为和H3C的交换机处理能力都已经可以超过1000Tb/s和200000Mpps[5-6]。芯片制造工艺和交换架构对交换机的数据处理能力有至关重要的影响。芯片工艺使用现在的FinFET,技术理论上可以达到7nm的极限,工艺越先进,单位面积芯片的性能越高,功耗越低。除了制造工艺的影响外,交换机的工程设计也影响数据处理的能力。现在各个交换机厂家的框式交换机基本都采用CLOS架构,在CLOS架构下,是否使用VOQ提供流控机制,是否使用动态选路进行各级交换单元间的转发,对交换机性能都会产生影响[7]。

随着制造工艺和设备生产设计水平的提升,交换机的端口速率和处理能力将会得到不断提高。

1.2 SDN

云计算、SDN的出现,使得网络结构发生了变化,从传统网络设备各自管理转变到控制器集中管理、云平台提供各种业务。控制器具有分布式计算能力,可以处理多个网络设备的配置和运维需求,云平台提供丰富的业务部署和操作方式,让软件定义网络成为现实。

这种结构的变化对交换机和其他网络设备提出了新的要求。一是北向提供标准接口和控制器对接,供控制器进行管理。二是设备具有可编程能力,以应对灵活的业务需求变化。

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