12月20日消息，经过几十年的网络发展，数据中心的网络设备技术也在不断地进步。无论是路由器还是交换机的系统容量和端口速率都越来越高。目前，网络设备接口的速率分别有10Gbps/40Gbps/100Gbps，传统的硬件架构已经无法满足新一代数据中心的需求，新的硬件架构不断涌现，推动着数据中心网络技术的高速发展。

　　第一代网络设备：共享贡献硬件架构

　　传统的网络设备采用共享总线结构的硬件架构，这时网络设备没有数据传输交换的交换芯片，各线卡通过共享背板总线来进行数据传递，总线通过主控引擎完成所有的转发功能。这种硬件架构，所有的线卡和引擎都插在一块公共的背板上，所有的线卡都可以通过背板与引擎互连，由引擎完成网络设备的交换、路由功能。

　　这种架构技术比较简单，易于设计和生产。但是由于所有的转发都依靠引擎，转发性能较低，交换容量低，一般交换容量小于32G。在此期间，还出现一种共享内存架构的网络设备，这种硬件架构使用大量的高速RAM来存储数据，同时依赖引擎提供全端口的高性能连接。这种方式的转发效果要高于共享总线，但需要增加内存容量，虽然通过增加内存容量，可以提升部分交换容量，但一般也不会高于100G。

　　第二代网络设备：CrossBar硬件架构

　　传统的网络设备已经无法满足云计算、大数据，虚拟化等新技术的应用，新的硬件架构出现，即CrossBar硬件架构。这种架构设计采用了交换矩阵的原理，每个线卡通信时都拥有独立的带宽，不会由于带宽不够而产生拥塞，抛弃了共享带宽的传统做法。多个线卡可以并发交换数据，线卡不再依靠引擎，可以独立完成数据转发。CrossBar硬件架构也分为两个发展阶段，一种是基于流转发的CrossBar架构，即Flow-CrossBar，这种硬件架构按照报文逐包进行转发。另一种是基于信元转发的CrossBar架构，即Cell-CrossBar，这种硬件架构将一个报文分割为固定长度的信元，按照信元来转发，这样的硬件架构才达到了真正的无阻塞转发。

　　这种架构实现简单，线卡到交换结构的物理连接简化为点到点连接，实现起来更加方便，可以实现大容量交换性能，一般交换容量在400G以上，高速的可达1T。目前，CrossBar架构广泛用于数据中心的网络设备中，在数据中心高端网络设备中几乎清一色的都是采用的CrossBar架构，CrossBar架构是目前应用最为广泛的硬件架构。

　　第三代网络设备：无背板硬件架构

　　以上的几种硬件架构的变化主要在于背板的实现。背板英文为Backplane，是一种承载底板，主要用于承载功能板（线卡和引擎），数量一般为5-20块，这些功能板是真正实现系统性能的部分。根据产品功能不同，背板设计也有区别。出于可靠性考虑，背板大多是无源背板，负责各功能板之间传输信号数据。

　　背板的转发速度也随着技术的进步而不断提升。IEEE曾颁布了背板的规范．提出了Backplane Ethemet概念。IEEE802.3ap规范定义了背板应用的物理层，包括1000Base-KX、10GBase-KX4、10GBase-KR。后续又发布了IEEE802.3ba，其中定义了40GBase-KR4，其一共有4条Lane，每条Lane的速率都是10.3125Gbps，通过4条链路的汇聚达到需要的40Gbps速率，实际是借用了10GBase-KR方案。表1列了几种背板互连的速率方案。目前40GBase-KR4已经成为CrossBar硬件架构的主流背板互连方案。

 

物理层方案	信号速率	编码方式	差分信号对数
1000Base-KX	1.25Gbps	8B/10B	1
10GBase-KX4	3.125Gbps	8B/10B	4
10GBase-KR	10.3125Gbps	64B/66B	1
10GBase-KR4	10.3125Gbps	64B/66B	4

表1：背板互连方案

　　网络设备发展到第三代，意味着无背板时代的到来。即在网络设备中将不再采用背板部件，所有线卡直接互连，不再通过背板互连，所有关于背板的技术将逐渐被淘汰。背板带宽是衡量一个网络设备性能的重要指标，是网络设备接口处理器或线卡和数据总线之间所能吞吐的最大数量量。背板带宽标志了网络设备总的数据交换能力，一般的网络设备背板带宽从几个Gbps到上百Gbps不等，带宽越高则处理数据的能力就越强，当然设计成本也会越高。

　　当无背板时代到来时，背板带宽将不再是衡量一个网络设备性能的指标。线卡的能力代表了整个网络设备的性能。采用无背板硬件架构，将大大节省网络设备成本。背板具有更大、更重、更厚的特性，也具有更多的层数和过孔，此外，线宽和公差更趋精细，内层空间及层间对位公差要求也较为苛刻。这样，现在一块高端背板，包含有5万个以上节点的背板制造成本要数万元。若采用无背板互连，将节省制作背板的成本。网络设备由于没有背板，重量也会减轻。

　　不过线卡之间由于直接互连，对于线卡之间的连接器提出了更高的要求，要求耦合性强。线卡之间直接互连，对制造工艺提出了更高要求，要确保无缝连接，转发无丢包。线卡直接互连若采用之前背板的连接插件，在走线的宽度、过孔、铜箔的厚度等都会面临着一系列的问题，线卡直接互连需要插件在带宽、插损、串扰、阻抗，以及单位长度支持的高速差分信号对的密度等方面额外进行二次研发。采用无背板连接目前还只是存在于实验室中的状态，随着工艺、技术的不断完善，相信未来的网络设备都会逐渐过渡到无背板时代。

　　在信息技术化程度越来越高的今天，人们越来越离不开数据中心。数据中心网络设备硬件架构也在不断地发展变化，满足人们的工作生活需求。虽然，当今的网络技术中，让网络软件化的呼声越来越高，但是硬件仍是网络设备转发的基础。俗话说“皮之不存、毛将焉附”若没有硬件，软件无从谈起。网络设备永远都离不开硬件技术的发展，只有通过提升硬件性能才能真正满足大数据、BYOD、云计算等新应用需求，而软件作为硬件的必要补充，也将发挥重要作用。未来的网络设备硬件架构必将是无背板的时代，网络设备的性能将更强，更加节能，成本反而会越来越低。