探索低時延交換機的結構和優勢

在數字化轉型過程中，企業和組織將大量業務流程和數據存儲在雲端。 這些數據和流程需要通過計算進行分析和執行。 通過提高計算效率，企業可以更快地流轉、分析和決策，這可以在一定程度上提高生產力。

要實現高效計算，這個目標可以分解為三個方向：提高計算單元的計算能力、採用更高效的計算方法、降低網絡傳輸延遲。考慮到深入細節可能過於冗長，本文將從網絡設備的角度簡要討論轉發延遲問題。

主流交換機結構

我們先從當前主流的L3交換機硬件來剖析，包含硬件有：交換機專用集成電路（ASIC）、端口子系統、物理層子系統（PHY）、CPU、複雜可編程邏輯設備（CPLD）和事件處理器：

其中一些關鍵硬件的簡介：

• 交換機ASIC Application Specific Integrated Circuit（專用集成電路），用於報文高速轉發。

• PHY（物理層子系統）負責將鏈路層設備（例如ASIC）連接到物理介質（例如光纖），並將鏈路上的模擬信號轉換為數字化的以太網幀。

• 端口子系統負責讀取端口配置，檢測已安裝端口的類型，初始化端口以及為端口提供與PHY交互的接口。

• CPU板在交換機中存在一個運行微服務器的CPU板。CPU板非常類似於商業服務器，包含商業x86 CPU、RAM和存儲介質。

• 其它板管理器交換機將各種繁雜功能從CPU和ASIC卸載到其它各種組件，以提高整體系統性能。例如：複雜編輯器件（CPLD）和基板管理控制器（BMC）。

交換機的轉發處理

交換機的核心特性是能高效的處理海量報文，實現這一點的正是ASIC+CPU兩大模塊：

1. ASIC：完成主要的二三層轉發功能，內部包含用於二層轉發的MAC地址表以及用於IP轉發的三層轉發表；

2. CPU：用於轉發的控制，主要維護一些軟件表項（包括軟件路由表、軟件ARP表等等），並根據軟件表項的轉發信息來配置ASIC的硬件三層轉發表。當然，CPU本身也可以能完成軟件三層轉發。

從三層交換機的結構和各部分作用可以看出，真正決定高速交換轉發的是ASIC中的二三層硬件表項，而ASIC的硬件表項來源於CPU維護的軟件表項,兩者的相輔相成實現了交換機大容量轉發。

基於以上原理解釋，可以將交換機內部抽象為下圖：

來模擬一下報文轉發情況，當普通數據流發送到設備port1時，ASIC芯片將直接通過匹配硬件表項來決定轉發行為。而當信令、協議報文轉發至port1時，ASIC芯片不能處理此類報文，將會把報文上送至CPU，由CPU統一處理， 當CPU處理過量報文時設備將不能穩定運行，所以在CPU設置處理上限及隊列是軟件設計的必要考慮。

更快的可能性

CPU+ASIC芯片的組合交換機可以滿足絕大多數場景的需求，但在某些特定場景中，用戶對於低時延交換機的要求是苛刻的，當前ASIC芯片多為商用（定製化設計），內部實現流程不透明；功能和算法在製造之前就被固定下來，轉發查表架構固定，不能根據應用場景和具體科研需求進行更改，因此難以實現細分場景的極致需求。

1. IB/FC交換機

為實現極致低時延的網絡訴求，IB及FC技術標準被定義。

共同點：

1. IB/FC交換機都可以執行Cut-through轉發方式，即在接收到數據包的前半部分時就開始進行轉發，而不必等到整個數據包接收完成。這種轉發方式可以實現非常低的延遲，但可能會帶來一些錯誤。

2. 都採用專用的硬件轉發引擎和硬件加速技術來減少時延。

FC的其他特點：基於光纖通道(FC)協議的低延時和低誤碼，支持點到點結構、環行拓撲結構和交換拓撲結構，通常提供4Gbps、8Gbps、16Gbps等帶寬，適用於對性能要求較高的存儲網絡（SAN）應用場景。通過FC交換機將各個目標設備進行連接，以及FC交換機之間的級聯，可以擴大存儲區域網絡的規模。 光纖通道傳輸速率高，延時低，以及擴展性強。

IB的其他特點：基於Infiniband通信標準，核心特性是支持RDMA技術，可以實現在不經過CPU的情況下直接訪問遠程內存，減少CPU的開銷和數據傳輸的時延,通常用於服務器互聯及服務器連接存儲的場景，能有效提高分布式計算的效率，提供40Gbps、56Gbps、100Gbps等高帶寬。

IB/FC低時延交換機表現固然優秀，但其昂貴的造價以及運維困難的特點還是勸退了不少用戶，部分客戶更傾向使用支持RoCe、FCoE的以太網交換機進行平替。

2. 可編程交換機

基於FPGA開發的交換機通常被稱為可編程交換機，它們使用FPGA芯片來實現網絡交換功能。這些交換機通常具有更高的靈活性和可編程性，可以根據需要進行配置和編程，以滿足不同的網絡需求和應用程序要求。

總結

低時延對於網絡的重要性不言而喻，但在明確需求的前提下仍需考慮成本投入及產出之間的關係，是否有必要為了30%的性能提升去增加100%的預算，可能在各行業、場景對於這個答案有不同回答。例如，在金融行業高頻交易場景下，低時延非常重要，甚至可能值得投入更高的成本。但是，在其他行業和場景下，隨着時間和技術的發展，一些低延遲的需求可能會逐漸弱化，在此情形下網絡建設的高投入是存在風險的。

因此，在網絡規劃和設計時，需要根據實際情況進行全面考慮，折中考慮性能、預算、可靠性等因素，並根據實際情況進行合理配置低時延交換機。