网络系统设计中如何考虑网络交换机背板带宽和数据包转发速率的因素

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基本概念

Fibridge交换机背板带宽是什么:

交换机的背板带宽是交换机接口处理器或接口卡与数据总线之间可以通过的最大数据量。背板带宽表示交换机的整体数据交换容量，单位为Gbps。它也被称为交换带宽。通常，交换机的背板带宽范围从几Gbps到几千Gbps。交换机的背板带宽越高，其处理数据的能力就越强，但设计成本也相应增加。

网络中的背板是什么:

交换机背板位于框架背面内侧的pcb板，用作框架交换机的背板。它用于连接框架交换机的引擎，交换矩阵，线卡，风扇和电源。它类似于计算机的主板 (图形卡和声卡插入主板)，为电源，数据，管理，以及插件卡的控制平面。

什么是交换容量:

交换机的背板带宽是可以在接口处理器或接口卡与交换机的数据总线之间传输的最大数据量。背板带宽表示交换机的数据交换能力，以Gbps为单位测量，也称为交换带宽。交换机的背板带宽通常在几Gbps到几百Gbps的范围内。交换机的背板带宽越高，其处理数据的能力就越强，但设计成本也会越高。

计算方法

线速背板带宽

考虑交换机上的所有端口可以提供的总带宽。计算公式为端口数 * 对应端口速度 * 2 (全双工模式)。如果该公式计算的总带宽 ≤ 特定交换机的标称背板带宽，则该交换机以背板带宽表示为线速; 否则，它不能实现全线速切换。

二层数据包转发速率

第2层数据包转发速率 = 10Gb端口数 × 14。88Mpps千兆位端口数 × 1.488Mpps百兆端口数 * 0.1488Mpps其他类型端口数 * 相应的计算方法。如果此速率 ≤ 交换机数据表中的标称第2层数据包转发速率，则交换机在执行第2层交换时可以实现全线速率交换。

第3层数据包转发线路速率

三层数据包转发速率 = 10gb端口数 × 14。88Mpps千兆位端口数 × 1.488Mpps百兆端口数 * 0.1488Mpps其他类型端口数 * 相应的计算方法。如果此速率 ≤ 交换机数据表中的标称第3层数据包转发速率，则交换机在执行第3层交换时可以在端口级别实现全线速率交换。

用于测量线速分组转发速率的标准基于每单位时间发送的64字节 (最小分组大小) 数据分组的数目。对于千兆位oem以太网交换机,计算方法如下: 1，000，000，000bps / 8bit / (64 8 12) 字节 = 1，488，095pps。注意: 对于64字节以太网帧，必须考虑8字节帧报头和12字节帧间间隙的固定开销。因此，转发64字节数据包时，线速千兆以太网端口的数据包转发速率为1.488Mpps。快速以太网的端口数据包转发速率正好是千兆以太网的十分之一，即148.8 kpps。

对于10Gb以太网，线速端口的数据包转发速率为14.88Mpps。

对于千兆以太网，线速端口的数据包转发速率为1.488Mpps。

对于百兆快速以太网，线速端口的数据包转发速率为0.1488Mpps。

对于OC-12 POS端口，线速端口的数据包转发速率为1.17Mpps。

对于OC-48 POS端口，线路速率端口的分组转发速率是468 mpps。

背板带宽资源的利用率与交换机的内部结构密切相关，如核心交换机和接入交换机。

交换机的主要内部结构如下:

一种是共享内存结构，它依赖于中央交换引擎，通过让核心引擎检查每个传入数据包以确定其路由，为所有端口提供高性能连接。这种方法需要较大的内存带宽和较高的管理成本，特别是随着交换机端口数量的增加，中心内存的价格变得非常高，因此交换机核心成为性能瓶颈。

第二种是crossbar总线结构，可以在端口之间建立直接的点对点连接，对于单点传输性能优异，但不适用于多点传输。

第三种是混合crossbar总线结构，它是一种混合crossbar总线实现方式，将统一的crossbar矩阵划分为由高性能总线连接的较小的crossbar矩阵。它的优点是减少了纵横制总线的数量，降低了成本，并减少了总线争用; 然而，连接纵横制矩阵的总线成为新的性能瓶颈。

以具有2 Giga SFP和24 gigabit以太网端口的Fibridge托管网络交换机为例。为使器件实现全线速交换，背板带宽应不小于 (24 ± 2) x2 = 52Gbps，并且数据包转发速率不应小于 (24 2) x1.488MPPS = 38。688Mpps。根据Fibridge提供的参数，该交换机完全满足全线速交换的要求。

从理论上讲，交换机的性能指标越高越好，但是对于独立的网络交换机，具有高于全线速的背板带宽是没有意义的。

设计参数在实际案例中的考虑

以广泛使用网络交换机的ip网络视频监控为例。在基础网络架构中，前端接入交换机通常直接连接到IP摄像机。

在最常用的200万像素高清图像1080x1920P监控系统中，使用Mpeg-4压缩编码的200万像素高清网络摄像机的实际比特流带宽通常不高于10m。因此，即使考虑余量，端口速度也远低于1g，大大降低了实际的背板带宽要求。对于具有2个千兆SFP端口和24个千兆以太网端口的前端网络交换机，设备必须实现全线速交换，并使用背板带宽高于52Gbps且数据包转发速率为36的交换机。688MPPS?鉴于Mpeg4压缩后每个端口的实际带宽通常不高于10m，数据包转发速率仅为0.01488Mbps，即使有余量，端口速率也远低于1.488Mbps，显著降低对高背板带宽和数据包转发速率的需求。基于这些数据，在实际系统设计中，我们可以选择具有适当性能的开关，以提供更好的性价比和更高的稳定性。

虽然网络交换机oem在不实现全线速的接入点具有实际工程用途。但是在超过接入点处的交换机端口号的系统中，全线路速率度量变得非常有价值，并且应当被给予高优先级。不过，以Fibridge的托管全千兆位交换机为例，该交换机具有2个SFP端口和24个以太网端口。由于该交换机实现了全线速交换，根据先前的分析，它可以通过简单的级联充当2 SFP 48以太网甚至2 SFP 72以太网交换机的等效物，完全连接48至72 2百万像素1080x1920P高清摄像机。从这个基本原理出发，对于监视点较多的大型系统，在级联设置中使用Fibridge的高性能托管4 10gb SFP和24千兆位交换机，可以灵活地设计中型到大型高清网络图像监控系统的网络拓扑，使它简单和容易。

在系统内的网络设备的设计中，需要考虑各种综合因素。但是，前端访问交换机通常具有最多的端口，因此我们应该appro根据实际使用情况进行优先选择。而过高的背板带宽毫无意义，在网络架构设计中，我们必须充分考虑全线速指标。毕竟，在提高整个系统稳定性的同时节省成本是非常有意义的。

References

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