探索低时延交换机的结构和优势

在数字化转型过程中，企业和组织将大量业务流程和数据存储在云端。 这些数据和流程需要通过计算进行分析和执行。 通过提高计算效率，企业可以更快地流转、分析和决策，这可以在一定程度上提高生产力。

要实现高效计算，这个目标可以分解为三个方向：提高计算单元的计算能力、采用更高效的计算方法、降低网络传输延迟。考虑到深入细节可能过于冗长，本文将从网络设备的角度简要讨论转发延迟问题。

主流交换机结构

我们先从当前主流的L3交换机硬件来剖析，包含硬件有：交换机专用集成电路（ASIC）、端口子系统、物理层子系统（PHY）、CPU、复杂可编程逻辑设备（CPLD）和事件处理器：

其中一些关键硬件的简介：

• 交换机ASIC Application Specific Integrated Circuit（专用集成电路），用于报文高速转发。

• PHY（物理层子系统）负责将链路层设备（例如ASIC）连接到物理介质（例如光纤），并将链路上的模拟信号转换为数字化的以太网帧。

• 端口子系统负责读取端口配置，检测已安装端口的类型，初始化端口以及为端口提供与PHY交互的接口。

• CPU板在交换机中存在一个运行微服务器的CPU板。CPU板非常类似于商业服务器，包含商业x86 CPU、RAM和存储介质。

• 其它板管理器交换机将各种繁杂功能从CPU和ASIC卸载到其它各种组件，以提高整体系统性能。例如：复杂编辑器件（CPLD）和基板管理控制器（BMC）。

交换机的转发处理

交换机的核心特性是能高效的处理海量报文，实现这一点的正是ASIC+CPU两大模块：

1. ASIC：完成主要的二三层转发功能，内部包含用于二层转发的MAC地址表以及用于IP转发的三层转发表；

2. CPU：用于转发的控制，主要维护一些软件表项（包括软件路由表、软件ARP表等等），并根据软件表项的转发信息来配置ASIC的硬件三层转发表。当然，CPU本身也可以能完成软件三层转发。

从三层交换机的结构和各部分作用可以看出，真正决定高速交换转发的是ASIC中的二三层硬件表项，而ASIC的硬件表项来源于CPU维护的软件表项,两者的相辅相成实现了交换机大容量转发。

基于以上原理解释，可以将交换机内部抽象为下图：

来模拟一下报文转发情况，当普通数据流发送到设备port1时，ASIC芯片将直接通过匹配硬件表项来决定转发行为。而当信令、协议报文转发至port1时，ASIC芯片不能处理此类报文，将会把报文上送至CPU，由CPU统一处理， 当CPU处理过量报文时设备将不能稳定运行，所以在CPU设置处理上限及队列是软件设计的必要考虑。

更快的可能性

CPU+ASIC芯片的组合交换机可以满足绝大多数场景的需求，但在某些特定场景中，用户对于低时延交换机的要求是苛刻的，当前ASIC芯片多为商用（定制化设计），内部实现流程不透明；功能和算法在制造之前就被固定下来，转发查表架构固定，不能根据应用场景和具体科研需求进行更改，因此难以实现细分场景的极致需求。

1. IB/FC交换机

为实现极致低时延的网络诉求，IB及FC技术标准被定义。

共同点：

1. IB/FC交换机都可以执行Cut-through转发方式，即在接收到数据包的前半部分时就开始进行转发，而不必等到整个数据包接收完成。这种转发方式可以实现非常低的延迟，但可能会带来一些错误。

2. 都采用专用的硬件转发引擎和硬件加速技术来减少时延。

FC的其他特点：基于光纤通道(FC)协议的低延时和低误码，支持点到点结构、环行拓扑结构和交换拓扑结构，通常提供4Gbps、8Gbps、16Gbps等带宽，适用于对性能要求较高的存储网络（SAN）应用场景。通过FC交换机将各个目标设备进行连接，以及FC交换机之间的级联，可以扩大存储区域网络的规模。 光纤通道传输速率高，延时低，以及扩展性强。

IB的其他特点：基于Infiniband通信标准，核心特性是支持RDMA技术，可以实现在不经过CPU的情况下直接访问远程内存，减少CPU的开销和数据传输的时延,通常用于服务器互联及服务器连接存储的场景，能有效提高分布式计算的效率，提供40Gbps、56Gbps、100Gbps等高带宽。

IB/FC低时延交换机表现固然优秀，但其昂贵的造价以及运维困难的特点还是劝退了不少用户，部分客户更倾向使用支持RoCe、FCoE的以太网交换机进行平替。

2. 可编程交换机

基于FPGA开发的交换机通常被称为可编程交换机，它们使用FPGA芯片来实现网络交换功能。这些交换机通常具有更高的灵活性和可编程性，可以根据需要进行配置和编程，以满足不同的网络需求和应用程序要求。

总结

低时延对于网络的重要性不言而喻，但在明确需求的前提下仍需考虑成本投入及产出之间的关系，是否有必要为了30%的性能提升去增加100%的预算，可能在各行业、场景对于这个答案有不同回答。例如，在金融行业高频交易场景下，低时延非常重要，甚至可能值得投入更高的成本。但是，在其他行业和场景下，随着时间和技术的发展，一些低延迟的需求可能会逐渐弱化，在此情形下网络建设的高投入是存在风险的。

因此，在网络规划和设计时，需要根据实际情况进行全面考虑，折中考虑性能、预算、可靠性等因素，并根据实际情况进行合理配置低时延交换机。