以太网交换机发展趋势研究与分析

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。

SDN架构下网络设备控制系统结构如图1所示，这种网络结构给交换机的软件带来如下变化：

⑴ 交换机的协议、业务运算可以放到控制器上进行，控制器可以进行多台交换机的业务策略控制、业务配置下发；

⑵ 控制器软件部署不再像以前一样局限于单台设备，可以分布式部署在多台机器上。

这种网络结构也会给整个以太网交换机产业链带来影响：软件和硬件分离，产生了白盒交换机，传统的交换机设备厂家如思科，华为，h3c的垄断地位会被动摇；另外交换机芯片可编程也因为SDN的产生而被推出，华为公司推出的敏捷交换机，新兴公司barefoot推出的可编程芯片都得到了业界的极大关注。在实际部署中，SDN已经应用到企业网、数据中心，以及广域网中[8]。

1.3 云计算

云计算使得传统用户接入网络的方式发生了变化，如图2所示，一个物理网络端口可以接入多个虚拟机，这些虚拟机可能在不同的服务器之间进行迁移。虚拟机的VMM层或者物理网卡对虚拟机打标识，交换机需要识别虚拟机标识，对虚拟机的报文进行转发。

虚拟机的迁移通信需求产生了一系列的大二层技术，包括TRILL[9]，SPB[10]，Vxlan和NVGRE[11]，其中Vxlan在目前在几大主流厂商交换机中均被支持。

TRILL把三层路由技术应用于二层网络，通过扩展IS-IS协议实现二层路由，使用最短路径算法计算以自身为源节点到其他节点的最短路径，在实现转发的同时可以避免传统STP协议的环路问题。SPB同样是采用IS-IS作为其控制平面协议，进行拓扑学习计算，使用MAC-in-MAC报文封装方式以灵活扩展vlan。Vxlan采用IP over UDP封装，在VNI头部中有24bits用来标识字段，可以支持多达16M的虚拟机[12]，提供了虚拟机大范围迁移能力。NVGRE没有使用标准传输协议TCP或者UDP，借助了通用路由封装协议GRE，并采用GRE头部中的24bits作为租户网络标识，可以支持和Vxlan相同数量的虚拟机。

云计算中虚拟机通信对交换机设备的需求，首先就是要提供网络虚拟化功能，需要交换机對虚拟机进行识别，并根据对应的网络虚拟化技术对报文进行隧道封装、解封装的处理。除了功能外，网络虚拟化对交换机的处理性能、转发表项容量都有更高的要求。

1.4 无线技术

1.4.1 无线局域网技术

Wlan作为一种无线局域网技术，已经得到越来越广泛的应用。为了满足移动用户使用数据量的增加需求，wlan的物理层技术在不断发展。

802.11协议作为802协议族中的一员，在802中的位置如图3所示。

不同802.11的物理层标准使用的物理层技术和支持的速率是不同的，目前主流使用的WLAN标准如表1所示。

用户的STA（station）通过wlan的物理层接入AP（Access Point），在一般的小型网络中AP的有线口直接访问网络（图4），在较大的网络中一般使用AP连接AC，通过AC访问网络（图5）。

在使用AC（Access Controller）的场景中，通过AC可以管理下挂的AP以及用户的STA，AC可以对用户和AP进行认证管理[14]，也可以通过在AC上配置VAP来实现更精细的业务划分或者用户定义功能[15]。

目前在业界有独立的网络设备做AC的，也有使用交换机做AC的。使用交换机做AC可以实现有线网络和无线网络的融合，包括用户认证、授权管理以及用户访问网络的流量转发管理。交换机的高性能转发可以帮助用户进行大规模的无线业务部署。

无线局域网业务的发展给交换机提出了新的需求，除了转发性能提升外，还要求交换机在控制层面能够管理无线用户和AP，在转发层面和AP建立转发隧道，转发来自AP的流量。目前交换机和AP之间的隧道协议主要是CAPWAP协议，通过该协议，实现交换机对用户流量的转发，同时实现对AP和用户的集中管理[16]。

1.4.2 无线广域网技术

目前的移动通信技术主要是4G，5G作为新一代无线移动通信技术，具有数据传输快和时延低的特点，传输速率提升10到100倍，峰值速率达到10Gbps，端到端时延达到ms级别[17]。无线的带宽提升点主要在空口侧，中间的传输设备比如交换机，需要减少时延。数据在传输设备上的时延包括：发送时延，传输时延和队列时延[18]。如果报文经过多台设备转发，那么总的时延就是所有设备的时延之和：

∑iTRANSi+PROPi+Qi （i为第i台设备）

其中发送时延TRANS和设备的端口速率有关系，端口速率越高，同样长度的报文发送时延越小；传输时延和传输介质有关系，比如光纤传输比双绞线要快；队列时延和设备的处理性能以及当时设备的拥塞状态有关系。对于网络设备来说，降低报文的时延主要是提高端口速率，提升处理性能。

2 结束语

本文从目前业界各种网络新技术层面进行研究和分析，得出这些技术点对交换机的影响，提出了交换机的发展方向以及关键技术点，能够给设备厂商和研究人员提供方向参考。当然，以太网交换机要在这些关键技术点上有突破，还要攻克很多难题，包括制造工艺，业界标准制定以及交换机相关产业链的研发水平。后续的研究可以在这些技术点上逐个深入，只有在这些领域都有所突破，以太网交换机才能满足不断发展的业务需求。

参考文献（References）：

[1] 李丹，陈贵海，任丰原，蒋长林，徐明伟.数据中心网络的研究进展与趋势[J].计算机学报，2014.37（2）：260-271

[2] IDC's Worldwide Quarterly Ethernet Switch and Router Trackers Show Modest， Continued Growth for Fourth Quarter and Full Year 2017[R].https：//www.idc.com/getdoc.jsp？containerId=prUS43603718

[3] Hu Yao，Wu Muqing SDN-Based Routing Mechanism for Cloud Data Centers，2017 IEEE 3rd Information Technology and Mechatronics Engineering Conference （ITOEC）[C]，Pages：400-404

[4] IEEE P802.3bs 200Gb/s and 400Gb/s Ethernet Task Force[S]：http：//www.ieee802.org/3/bs/index.html

[5] Huawei datacenter switch[OL]：http：//e.huawei.com/cn/

[6] H3C datacenter switch[OL]：http：//www.h3c.com/cn/

[7] 余久方，交換架构发展及其应用研究[J].数据通信，2015.6：20-24

[8] 张朝昆，崔 勇，唐翯翯，吴建平.软件定义网络（SDN）研究进展[J].软件学报，2015.26（1）：62-81

[9] Transparent Interconnection of Lots of Links （TRILL） Use of IS-IS[S]，2011.https：//tools.ietf.org/html/rfc6325.

[10] IS-IS Extensions Supporting IEEE 802.1aq Shortest Path Bridging[S]，2012.https：//tools.ietf.org/html/rfc6329

[11] NVGRE： Network Virtualization Using Generic Routing Encapsulation[S]，2015.https：//www.rfc-editor.org/rfc/rfc7637.txt

[12] Virtual eXtensible Local Area Network （VXLAN）： A Framework for Overlaying Virtualized Layer 2，Networks over Layer 3 Networks[S]，2014.https：//www.ietf.org/rfc/rfc7348.txt

[13] OFFICIAL IEEE 802.11 WORKING GROUP PROJECT TIMELINES[S]，2018.http：//www.ieee802.org/11/Reports/802.11_Timelines.htm

[14] Song Yubo，Hu Aiqun.The Authentication Public WLAN When Access Controller Deployed IEEE Int. Conf. Neural Networks 8 Signal Processing Nanjing. China[C]，2003.

[15] Luis Sequeira Building an SDN Enterprise WLAN Based on Virtual APs IEEE COMMUNICATIONS LETTERS， 2017[C]，VOL. 21， NO. 2.

[16] Ahmed S. A. Mubarak，Hamada Esmaiel， Ehab Mahmoud Mohamed New CAPWAP Architectures For IEEE 802.11ad Based Wi-Fi/WiGig WLANs International Conference on Innovative Trends in Computer Engineering Egypt[C]，2018.

[17] Abdelhamied A. Ateya1， Ammar Muthanna， Andrey Koucheryavy Multi-level edge computing framework for 5G cellular system with D2D enabled communication 2018 20th International Conference on Advanced Communication Technology （ICACT）， Korea （South）[C]，2018.

[18] Yashar Ganjali Gavgani buffer sizing in internet routers[D].USA： stanford university，2007.