Catalyst 6000 family Architecture

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boya001 2009-05-22 21:13:45

CAT6000家族中包含了CAT6000和CAT6500系列交换机。CAT6500系列能扩展支持到256Gbps背板和200million pps包处理能力。

Switching Fabric

65系列背板从Switch Bus发展到今天的CrossBar，已经完全解决了背板交换的瓶颈问题。CAT6000系列使用一条32Gbps的switch bus，而Cat6500系列则提供32Gbps Switch Bus和256Gbps的Switch Fabric Module（SFM）。SFM只能插在Slot5（主）和Slot6（备）用来提供高速率路径。需要注意的是CAT6000系列不支持SFM。

Switch Bus是一条总线，所以所有连接在此上面的线卡都能“听到”经过这条总线的数据包，然后根据R-Bus提供的信息来决定是否对这一数据包进行转发或者丢弃。

而SFM则是一个crossbar（交叉矩阵）结构，有多条的channal水平和垂直交错而成，每条channel提供8Gbps交换能力（supervisor720提供每channel 20Gpbs）。Crossbar交换网的扩展能力非常强，交换容量可以做的很大，基本不受硬件条件限制，目前单颗芯片交换容量在256G－700G之间，多颗芯片可以构建T级乃至几T容量的大型交换网络，足以满足当前和未来几年网络对交换容量的需求，并且随着硬件集成技术的进步，单颗Crossbar芯片支持的容量会更大。

CAT6500和SFM提供256Gbps交换能力和100million的包转发能力。720以下引擎每channel提供8Gbps带宽（即RX 8Gbps和TX 8Gbps）。Fabric-enabled模块连接CrossBar中一个channel，支持8Gbps带宽，同时也连接在32Gbps的switch bus上；Fabric-only模块连接CrossBar中2个channel，提供16Gbps带宽。连接线卡本地交换bus和SFM或main 32-Gbps switching bus的关键点叫做medusa，其实是一块ASIC芯片，用来处理双方的数据传输。如下图：

交叉矩阵交换，和它的名字一样，结构像是一个横竖交叉的矩阵，只不过横线（输入端）和竖线（输出端）并不直接相连，而是透过一个场效电晶体（FET）将每一个横线与竖线连接。如此，只要控制场效电晶体的开关，便可以决定那个输入和那个输出（或那些输出）可以进行交换。矩阵交换的最大优点是允许多个相互不冲突的交换同时进行，并支持点对多点（Multicast）的交换。

Line card

由于有Switch Bus和CrossBar之分，所以配置的线卡也有Fabric-enabled和Non Fabric-enabled。Fabric-enabled说明此线卡能连接到SFM（Switch Fabric Module）上，提供CrossBar的高容量。下表列出了不同线卡与相应交换机的兼容：

Switch Bus Architecture

CAT6000系列交换机由32Gbps串联，所有连接在此Bus上面的端口都能接收到在此Bus上数据帧。Switch Bus包含D-bus（Data bus）、C-bus（Control bus）和R-bus（results bus）。D-bus负责端口之间的数据传输，带宽为32Gbps；C-bus负责端口ASIC和NMP（Network Management Processor）之间信息传递；R-bus负责将引擎上的逻辑信息（比如mac地址，acl匹配和CEF信息等）传递到交换机各个端口。

CrossBar Switching Fabric

Switching Implemtation

Switching Implemtation只要控制平面和数据转发平面两个关键处理功能。控制平面主要维护路由、flow初始化和ACL等。MSFC就是一个控制平面卡，而线卡（包括DFC）主要负责数据转发功能。

Multilayer Switch Feature Card (MSFC)

MSFC是引擎上面的一块子卡，处理所有的控制平面功能，其维护一张路由表。在1代引擎，当数据流的第一个包没有匹配到硬件转发表时就发送给MSFC做路由匹配后转发出去，然后相关硬件会自动学习到此数据流的flow-entry。而2代引擎不直接做数据转发，而是根据路由表建立一张CEF表。CEF表包含详细路由表使用一种最长匹配的高优先级的规则匹配路由表。MSFC将CEF表上载到硬件并保持实时更新，所以所有的数据包都是有相应的硬件来转发而非MSFC。

Policy Feature Card (PFC)

PFC是引擎上面的第二块关键子卡，其集成了几块ASIC交换芯片能提供15million pps的包转发速率。

PFC是一个交换系统的心脏，其通过三个ASIC芯片实现了交换转发的三个重要功能。一是2层MAC转发，一是3层路由转发，另外一个是策略（包括ACL或者QoS）匹配。当实现转发后，系统使用一个flow-cache机制，可以实现数据流的快速硬件转发。Flow-cache可以包含源和目的IP地址，甚至源和目的四层端口等信息。

二代引擎做了一些改动，包含了CEF表，如下图：

注意以下不同之处：

Ø 2层引擎和ACL引擎综合到一起；

Ø 不再使用flow-cache用于数据交换，而用于数据流状态记录；

Ø MSFC将CEF表上载到L3引擎用于数据转发。

Distributed Forwarding Card (DFC)

DFC是显卡上面的一块子卡，用于将PFC上面的信息下载到本地并保持实时更新。有了这些信息，线卡就可以自己直接进行数据匹配转发，而不需要传递到PFC进行操作。如下图为DFC的架构图，类似于PFC架构。

Buffering and Congestion Management for the 10/100 and Gigabit Ethernet Line Cards

缓存和拥塞管理也是交换结构的一个重要因素，拥塞管理有ASIC芯片来实现。针对GE类型和10/100M类型端口，存在2种不同的ASIC。

GE端口涉及到Pinnacle ASIC，一个Pinnacle ASIC控制4个GE端口，并为每个端口维护一个512K的buffer。为了避免头端阻塞（head-of-line blocking）现象，512K buffer设计成TX:RX=7:1，即其中448KB用于TX，而只有64KB用于RX。如下图：