交換機(jī)背板帶寬延遲解析

我們都知道，背板帶寬是交換機(jī)總的數(shù)據(jù)交換能力的標(biāo)志，單位為Gbps，也就是俗稱“交換帶寬”，一般交換機(jī)的背板帶寬從幾Gbps到上百Gbps不等。一臺(tái)交換機(jī)背板帶寬越高，所能處理數(shù)據(jù)的能力就越強(qiáng)，當(dāng)然設(shè)計(jì)成本也會(huì)增高。

一般來講，交換機(jī)背板帶寬計(jì)算方法如下:

1）線速的背板帶寬

考察交換機(jī)上所有端口能提供的總帶寬。計(jì)算公式為端口數(shù)*相應(yīng)端口速率*2（全雙工模式）如果總帶寬≤標(biāo)稱背板帶寬，那么在背板帶寬上是線速的。

2）第二層包轉(zhuǎn)發(fā)線速

第二層包轉(zhuǎn)發(fā)率=千兆端口數(shù)量×1.488Mpps+百兆端口數(shù)量*0.1488Mpps+其余類型端口數(shù)*相應(yīng)計(jì)算方法，如果這個(gè)速率能≤標(biāo)稱二層包轉(zhuǎn)發(fā)速率，那么交換機(jī)在做第二層交換的時(shí)候可以做到線速。

3）第三層包轉(zhuǎn)發(fā)線速

第三層包轉(zhuǎn)發(fā)率=千兆端口數(shù)量×1.488Mpps+百兆端口數(shù)量*0.1488Mpps+其余類型端口數(shù)*相應(yīng)計(jì)算方法，如果這個(gè)速率能≤標(biāo)稱三層包轉(zhuǎn)發(fā)速率，那么交換機(jī)在做第三層交換的時(shí)候可以做到線速。

那么，1.488Mpps是怎么得到的呢?

包轉(zhuǎn)發(fā)線速的衡量標(biāo)準(zhǔn)是以單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送64byte的數(shù)據(jù)包（最小包）的個(gè)數(shù)作為計(jì)算基準(zhǔn)的。對(duì)于千兆以太網(wǎng)來說，計(jì)算方法如下：1，000， 000，000bps/8bit/（64＋8＋12）byte=1,488,095pps 說明：當(dāng)以太網(wǎng)幀為64byte時(shí)，需考慮8byte的幀頭和12byte的幀間隙的固定開銷。故一個(gè)線速的千兆以太網(wǎng)端口在轉(zhuǎn)發(fā)64byte包時(shí)的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.488Mpps?？焖僖蕴W(wǎng)的統(tǒng)速端口包轉(zhuǎn)發(fā)率正好為千兆以太網(wǎng)的十分之一，為148.8kpps。

*對(duì)于萬兆以太網(wǎng)，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為14.88Mpps。

*對(duì)于千兆以太網(wǎng)，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.488Mpps。

*對(duì)于快速以太網(wǎng)，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為0.1488Mpps。

*對(duì)于OC－12的POS端口，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.17Mpps。

*對(duì)于OC－48的POS端口，一個(gè)線速端口的包轉(zhuǎn)發(fā)率為4.68MppS。

所以說，如果能滿足上面三個(gè)條件，那么我們就說這款交換機(jī)真正做到了線性無阻塞

背板帶寬資源的利用率與交換機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。目前交換機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：一是共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)依賴中心交換引擎來提供全端口的高性能連接，由核心引擎檢查每個(gè)輸入包以決定路由。這種方法需要很大的內(nèi)存帶寬、很高的管理費(fèi)用，尤其是隨著交換機(jī)端口的增加，中央內(nèi)存的價(jià)格會(huì)很高，因而交換機(jī)內(nèi)核成為性能實(shí)現(xiàn)的瓶頸；二是交叉總線結(jié)構(gòu)，它可在端口間建立直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，這對(duì)于單點(diǎn)傳輸性能很好，但不適合多點(diǎn)傳輸；三是混合交叉總線結(jié)構(gòu)，這是一種混合交叉總線實(shí)現(xiàn)方式，它的設(shè)計(jì)思路是，將一體的交叉總線矩陣劃分成小的交叉矩陣，中間通過一條高性能的總線連接。其優(yōu)點(diǎn)是減少了交叉總線數(shù)，降低了成本，減少了總線爭用；但連接交叉矩陣的總線成為新的性能瓶頸。

如何考察交換機(jī)背板帶寬是否夠用

背板帶寬，是交換機(jī)接口處理器或接口卡和數(shù)據(jù)總線間所能吞吐的最大數(shù)據(jù)量。一臺(tái)交換機(jī)的背板帶寬越高，所能處理數(shù)據(jù)的能力就越強(qiáng)，但同時(shí)設(shè)計(jì)成本也會(huì)上去。

但是，我們?nèi)绾稳タ疾煲粋€(gè)交換機(jī)的背板帶寬是否夠用呢?顯然，通過估算的方法是沒有用的，我認(rèn)為應(yīng)該從兩個(gè)方面來考慮:

1、所有端口容量X端口數(shù)量之和的2倍應(yīng)該小于背板帶寬，可實(shí)現(xiàn)全雙工無阻塞交換，證明交換機(jī)具有發(fā)揮最大數(shù)據(jù)交換性能的條件。

2、滿配置吞吐量(Mbps)=滿配置GE端口數(shù)×1.488Mpps其中1個(gè)千兆端口在包長為64字節(jié)時(shí)的理論吞吐量為1.488Mpps。例如，一臺(tái)最多可以提供64個(gè)千兆端口的交換機(jī)，其滿配置吞吐量應(yīng)達(dá)到 64×1.488Mpps = 95.2Mpps，才能夠確保在所有端口均線速工作時(shí)，提供無阻塞的包交換。如果一臺(tái)交換機(jī)最多能夠提供176個(gè)千兆端口，而宣稱的吞吐量為不到261.8Mpps(176 x 1.488Mpps = 261.8)，那么用戶有理由認(rèn)為該交換機(jī)采用的是有阻塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一般是兩者都滿足的交換機(jī)才是合格的交換機(jī)。

背板相對(duì)大，吞吐量相對(duì)小的交換機(jī)，除了保留了升級(jí)擴(kuò)展的能力外就是軟件效率/專用芯片電路設(shè)計(jì)有問題;背板相對(duì)小。吞吐量相對(duì)大的交換機(jī)，整體性能比較高。不過背板帶寬是可以相信廠家的宣傳的，可吞吐量是無法相信廠家的宣傳的，因?yàn)楹笳呤莻€(gè)設(shè)計(jì)值，測(cè)試很困難的并且意義不是很大。

交換機(jī)的背版速率一般是：Mbps,指的是第二層，　對(duì)于三層以上的交換才采用Mpps

二、端口速率計(jì)算

以太網(wǎng)傳輸最小包長就是64字節(jié)、POS口是40字節(jié)。包轉(zhuǎn)發(fā)線速的衡量標(biāo)準(zhǔn)是以單位時(shí)間內(nèi)發(fā)送64byte的數(shù)據(jù)包（最小包）的個(gè)數(shù)作為計(jì)算基準(zhǔn)的。對(duì)于千兆以太網(wǎng)來說，計(jì)算方法如下：1，000，000，000bps/8bit/（64＋8＋12）byte=1,488,095pps 說明：當(dāng)以太網(wǎng)幀為64byte時(shí)，需考慮8byte的幀頭和12byte的幀間隙的固定開銷。故一個(gè)線速的千兆以太網(wǎng)端口在轉(zhuǎn)發(fā)64byte包時(shí)的包轉(zhuǎn)發(fā)率為1.488Mpps。快速以太網(wǎng)的線速端口包轉(zhuǎn)發(fā)率正好為千兆以太網(wǎng)的十分之一，為148.8kpps。

488Mpps。快速以太網(wǎng)的線速端口包轉(zhuǎn)發(fā)率正好為千兆以太網(wǎng)的十分之一，為148.8kpps。

三、端口總速率

在以太網(wǎng)中，每個(gè)幀頭都要加上了8個(gè)字節(jié)的前導(dǎo)符，前導(dǎo)符的作用在于告訴監(jiān)聽設(shè)備數(shù)據(jù)將要到來。然后，以太網(wǎng)中的每個(gè)幀之間都要有幀間隙，即每發(fā)完一個(gè)幀之后要等待一段時(shí)間再發(fā)另外一個(gè)幀，在以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定最小是12個(gè)字節(jié)，然而幀間隙在實(shí)際應(yīng)用中有可能會(huì)比12個(gè)字節(jié)要大，在這里我用了最小值。每個(gè)幀都要有20個(gè)字節(jié)的固定開銷，現(xiàn)在我們?cè)賮硭阋幌陆粨Q機(jī)單個(gè)端口的實(shí)際吞吐量：148，809×（64+8+12）×8≈100Mbps，通過這個(gè)公式不難看出，真正的數(shù)據(jù)交換量占到64/84=76%，交換機(jī)端口鏈路的線速數(shù)據(jù)吞吐量實(shí)際上只有76Mbps，另外一部分被用來處理了額外的開銷，這兩者加起來才是標(biāo)準(zhǔn)的百兆或者千兆。

編輯：博子