核心交换机技术发展趋势
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Crossbar交换网的扩展能力非常强，交换容量可以做的很大，目前单颗 芯片交换容量在256G－700G之间。
10
P o rt P o rt P o rt
RAM
共享内存
P o rt P o rt P o rt
共享内存交换与上述交换方式有本质不同，是一种全 新的交换方式,其优点是支持大量突发数据缓冲
骨干网
Si
Si
增加一个路由 器来处理MPLS VPN报文
Si
大客户
由于传统交换机不支持MPLS VPN，只能 新加一个路由器，提供MPLS VPN。由于集中 式处理VPN，存在性能瓶颈。
这个补丁方案可以进行业务试验，无法 支撑大网的运营需求。
20
MPLS VPN的实现方案
目前，在核心交换机支持MPLS业务的方案上，存在两种实现 方式：集中式、分布式。
24
MPLS VPN分布式转发流程
L2/L3流量 MPLS VPN流量
CROSSBAR ASIC芯片 交换网
CPU
ASIC
接口卡
背板
CPU
ASIC
接口卡
MPLS VPN分布式转发引擎，MPLS VPN与二层、三层的 转发性能一致。
25
新时期的可运营可管理MPLS VPN解决方案
L3 L3
L3
L3
业务指标
最大交换容量 （Gbps） L2包转发率 （Mpps） L3包转发率 （ Mpps） MPLS VPN包转发率 （ Mpps） 策略路由包转发率 （Mpps） 交换网QoS
分布式核心交换机 720 432 432 (最长匹配) 432 432 VOQ
集中式核心交换机 720
软件集中式转发核心交 换机
3
以太网交换机面临的挑战
三层流Cache转发技术：2019年波及全球的网络病毒，成为传统以太 网交换机的流cache转发技术的终结者。在大网上的流cache转发的三层 交换机，在遭受网络病毒攻击后，都中断了转发业务，甚至瘫机。
二层网络 VS 路由网络：全以太城域网构成了一个巨大的二层网络， 在宽带用户激增的情况下，网络变得不可控制。伴随着2019年下半 年启动的城域网改造，各地的城域网逐渐演进为路由网络。
17
高品质的核心交换机
三层交换机的转发引擎天然支持最长匹配路由查 找算法，三层转发特性不再是一个可有可无的帽 子，而是其身体内部的一个功能。
18
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展
➢ 交换体系结构的演进 ➢ 转发方式的改进 ➢ MPLS VPN分布式转发 华为核心交换机简介
19
2019年交换机网络实现MPLS VPN的方法
L3
L3
L3
L3
L3
L3
L3 L3
L3 L3 L3
部署新一代核心交换机的城域网络，MPLS VPN业务具备良好的鲁棒性，不论 是小业务流量还是大业务流量，稳定性始终如一。VPN用户流量即使爆炸性发 展也不会影响网络运行质量，满足网络可运营可管理的高品质需求。
26
和谐之美
高品质核心交换机的转发引擎内在支持运营型业务，稳定性始终如一， 有效支撑业务的快速发展。
MPLS VPN业务：传统的交换机只能接入用户，不能提供更多的新型 增值业务，例如：MPLS VPN。通过交换机上打一个MPLS业务补丁的 方式，其集中式处理的业务性能瓶颈和较差的服务品质会成为业务 发展瓶颈，使得价值客户更加不信任IP网络。
在促使价值客户转向宽带网络过程中，以太网交换机如何实现良好的 三层转发，并提供MPLS VPN业务，是新时期交换机面临的重要挑战。
L3
S8500
S8500
L3 S8500
L3
L3
S8500
L3 S8500
Байду номын сангаасL3
S8500
L3 L3
新一代核心交换机式的高性能
L3
L3
MPLS VPN分布转发引擎能够稳定
可靠地处理核心层海量数据
L3
S8500
L3 S8500
L3 L3 L3
S8500 S8500
S8500 S8500 S8500 S8500
SSii
？
23
MPLS分布式转发引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
MPLS VPN引擎分布在各线卡上，各线卡协同工作，分别处理。
分布式MPLS VPN转发处理有效的避免了集中式处理的MPLS业务性能瓶颈 缺陷，能更加稳定可靠的支持运营级MPLS VPN业务数据处理。
IEEE通过 千兆以太网标准 IEEE 通过 100BASE-T 快速以太网标准
1973年 1980年
1983年
2019年
2019年 2019年
2
以太网交换机的成功
以太网 VS 令牌环：从20世纪80年代后期至今，办公局域网几乎被 以太网交换机所垄断，LAN即以太网。令牌环现在已经很少见了。
以太网 VS ATM：从2000年起，以太网基本成为城域网宽带接入的主 力，ATM接入网络发展缓慢。
S8505
7个槽位，5个通用I/O槽 背板容量：750G 交换容量：300G 包转发率：180M pps
S8512
14个槽位，12个业务槽 背板容量：1.8T 交换容量：720G 包转发率：432M pps
29
S8500分布式交换体系结构
S8512 L2/L3/MPLS/VPN等业务均可充分使用720G交换容量， 各种业务数据的包转发率均可达到432Mpps。
15
流Cache转发技术缺陷
传统的L3使用流Cache技术转发，在网络蠕虫病毒的攻击时（病毒报文流量不断扫描目的 IP地址，即病毒报文每包都是新地址，因此每个病毒报文都会上L3 CPU查找路由表）， L3 CPU被巨大病毒流量堵死，L3接口板发生流Cache表溢出，造成网速急剧下降、用户 断线、无法上网等现象，严重的情况下流cache L3崩溃。
30
可扩展性设计: 720G->1.44T
Port0 R Port1 R Port2 R
交换形式也将逐渐被淘汰。
环形交换
节点A 节点C
节点D
9
P ort0 R P ort1 R P ort2 R
P ort11 R
交换矩阵
Crossbar交换矩阵
仲裁
A rb ite r
01 10
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
控制矩阵
P o rt1 1 T
P o rt1 T P o rt0 T
Crossbar交换网采用矩阵结构实现无阻塞交换，在交换网内部没有带宽 瓶颈，不会因为带宽资源不够而产生阻塞；
256
400
170
400（流Cache ）
170（流Cache）
30 （集中式最长匹配） 2 （集中式最长匹配）
30
2
30 VOQ
2 无QoS
27
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展 华为核心交换机简介
28
Quidway S8500系列核心路由交换机
S8500内置强 劲的分布式业 务转发引擎
L3 CPU
路由学习
首包查精确匹配路由 路由表
路由更新信息
首包 后续包 流Cache表
首包
报文
后续包
流Cache表
首包 后续包 流Cache表
L3接口板
L3接口板
L3接口板
案例1：2019年7月19－20日爆发的全球范围的红色代码病毒，13小时内使得全球30多个运 营商局部网络瘫痪 案例2：2019年8月12---25日爆发冲击波网络蠕虫病毒，在国内造成上万个局域网瘫痪，大 量基于流Cache技术进行三层转发的L3崩溃
11
演进：分布Crossbar+共享内存
除了交换网板采用了Crossbar 架构之外，在每个业务板上也 采用了Crossbar+共享缓存的 架构
在业务板上采用共享内存可以 很好地解决了对突发流量的吸 收问题，在业务板和交换网板 之间采用Crossbar方式以提高 交换容量和端口密度
分布式Crossbar＋共享内存的体系结构是核心交换 机设计的发展方向，保证了现在的网络核心能支撑 未来海量的数据交换和灵活的多业务支持需求
7
总线交换是最古老的一种数据交换方式，这种方 式的主要特点是没有专门的交换网芯片，通过共 享背板总线进行各线卡之间的数据传递，各线卡 分时占用背板总线；
结构和技术比较简单，但交换容量受背板总线带 宽限制，无法构建大容量系统，并且随着背板总 线带宽的增加，码流的同步控制也成为一大瓶颈；
目前采用这种交换方式的系统交换容量一般小于 32G，并且一般都是有阻塞的系统。
4
以太网交换机发展历史的启示
大容量、高带宽 逐步发展新业务
成本与发展取得平衡
低成本设计
5
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展
➢ 交换体系结构的演进 ➢ 转发方式的改进 ➢ MPLS VPN分布式转发 核心交换机的未来之路
6
高端交换机的体系结构演进
高端交换机发展历程中，出现了五种交换网络形式： 共享总线 环形交换 共享内存 Crossbar 分布式Crossbar＋共享内存
MPLS VPN集中式转发：即通过新增加一块集中式业务处理板 来集中处理MPLS业务，这种方式可缓解老设备不支持MPLS的问题； 但这种方式缺点比较严重，存在业务性能瓶颈，无法支撑MPLS VPN的大规模运营需求。
MPLS VPN分布式转发：即每块接口板都支持基于ASIC的MPLS 硬件线速处理，这种方式可以支持大网的流量业务需求，没有带 宽和处理能力的瓶颈限制，具备优异的可扩展性。
16
高品质核心交换机的最长匹配路由转发机制
S8500主控
路由学习
路由更新信息
报文
路由表 所有包 最长匹配路由表
S8500接口板
随着相关技术的突破，最长匹配路由转发技术与实现成本也在取得平衡，虽然成本还没 有降到流Cache转发芯片的程度，但是一些具备远瞻性的核心交换机设计，开始采用最 长匹配路由技术。
21
L2/L3流量 MPLS VPN流量
CROSSBAR 交换网
MPLS集中式处理流程
CPU或小NP
集中业务卡
集中式业务 处理板是 MPLS VPN的 性能瓶颈。
CPU
ASIC
接口卡
背板
CPU
ASIC
接口卡
22
核心交换机是否需要戴一个MPLS新帽子？
帽子 身体(三层交换机)
（MPLS VPN)
＋
这种交换形式在一些老机型上仍有使用，新的系 统不会采用这种交换形式。这种交换形式将逐渐 被淘汰
总线式
8
环形交换实质上仍然是一种
总线交换方式，改进点就是
将总线移到了芯片中，而不
是在背板上； 带宽有所提高，但是没有根
节点B
本改善；
采用这种交换方式的系统容
量在32G-64G之间，一般来
讲都是有阻塞的系统；这种
14
流Cache转发技术成功的原因
• 流Cache精确匹配表构成：源IP地址、目的IP地址、出接口。 • 首包利用CPU处理，CPU将结果下发Cache表，后续包通过硬件查表方式实现线速转发。 • 流Cache转发机制ASIC实现成本低（硬件逻辑设计、工艺等方面），对CPU的处理能力要求也不高，
因而进一步降低了成本。
L3 CPU
路由学习
路由更新信息
首包查精确匹配路由 路由表
首包 后续包 流Cache表
首包
报文
后续包
流Cache表
首包 后续包 流Cache表
L3接口板
L3接口板
L3接口板
ASIC算法简单成本低廉，是流cache技术在2000-2019成功的关键。2000-2019年城域网 络处于开拓期，接近局域网的要求，尚未进入精耕细作的经营阶段，是流Cache技术存 在的前提。
核心交换机技术发展趋势封面
——华为技术有限公司
0
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展 华为核心交换机简介
1
以太网接口技术发展
事件
以太网
FE
GE
10GE
IEEE 通过802.3ae 10GE 标准
DIX发布10M 以太网标准
Xerox公司提出 并实现以太网技术
IEEE通过 802.3标准
12
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展
➢ 交换体系结构的演进 ➢ 转发方式的改进 ➢ MPLS VPN分布式转发 核心交换机的未来之路
13
2000年三层交换机的概念
帽子（小三层转发)
＋＝ SSii
身体(Vlan交换机)
SSii
三层交换机 = L2交换机 + 小三层的帽子。（2000年）
三层流Cache转发技术：使得以太网交换机从二层走向了三层，进入 IP领域，由于流cache技术成本很低，三层交换机对路由器的成本优 势明显，在2000年至2019年，三层交换机全面进入宽带城域网汇聚 层，在很多地方甚至覆盖到城域网核心层。
不论是80年代的发展，90年代的局域网垄断位置和2000年的城域网拓 展，以太网交换机的成功因素都在于：简单易用、高带宽、低成本。
10
P o rt P o rt P o rt
RAM
共享内存
P o rt P o rt P o rt
共享内存交换与上述交换方式有本质不同，是一种全 新的交换方式,其优点是支持大量突发数据缓冲
骨干网
Si
Si
增加一个路由 器来处理MPLS VPN报文
Si
大客户
由于传统交换机不支持MPLS VPN，只能 新加一个路由器，提供MPLS VPN。由于集中 式处理VPN，存在性能瓶颈。
这个补丁方案可以进行业务试验，无法 支撑大网的运营需求。
20
MPLS VPN的实现方案
目前，在核心交换机支持MPLS业务的方案上，存在两种实现 方式：集中式、分布式。
24
MPLS VPN分布式转发流程
L2/L3流量 MPLS VPN流量
CROSSBAR ASIC芯片 交换网
CPU
ASIC
接口卡
背板
CPU
ASIC
接口卡
MPLS VPN分布式转发引擎，MPLS VPN与二层、三层的 转发性能一致。
25
新时期的可运营可管理MPLS VPN解决方案
L3 L3
L3
L3
业务指标
最大交换容量 （Gbps） L2包转发率 （Mpps） L3包转发率 （ Mpps） MPLS VPN包转发率 （ Mpps） 策略路由包转发率 （Mpps） 交换网QoS
分布式核心交换机 720 432 432 (最长匹配) 432 432 VOQ
集中式核心交换机 720
软件集中式转发核心交 换机
3
以太网交换机面临的挑战
三层流Cache转发技术：2019年波及全球的网络病毒，成为传统以太 网交换机的流cache转发技术的终结者。在大网上的流cache转发的三层 交换机，在遭受网络病毒攻击后，都中断了转发业务，甚至瘫机。
二层网络 VS 路由网络：全以太城域网构成了一个巨大的二层网络， 在宽带用户激增的情况下，网络变得不可控制。伴随着2019年下半 年启动的城域网改造，各地的城域网逐渐演进为路由网络。
17
高品质的核心交换机
三层交换机的转发引擎天然支持最长匹配路由查 找算法，三层转发特性不再是一个可有可无的帽 子，而是其身体内部的一个功能。
18
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展
➢ 交换体系结构的演进 ➢ 转发方式的改进 ➢ MPLS VPN分布式转发 华为核心交换机简介
19
2019年交换机网络实现MPLS VPN的方法
L3
L3
L3
L3
L3
L3
L3 L3
L3 L3 L3
部署新一代核心交换机的城域网络，MPLS VPN业务具备良好的鲁棒性，不论 是小业务流量还是大业务流量，稳定性始终如一。VPN用户流量即使爆炸性发 展也不会影响网络运行质量，满足网络可运营可管理的高品质需求。
26
和谐之美
高品质核心交换机的转发引擎内在支持运营型业务，稳定性始终如一， 有效支撑业务的快速发展。
MPLS VPN业务：传统的交换机只能接入用户，不能提供更多的新型 增值业务，例如：MPLS VPN。通过交换机上打一个MPLS业务补丁的 方式，其集中式处理的业务性能瓶颈和较差的服务品质会成为业务 发展瓶颈，使得价值客户更加不信任IP网络。
在促使价值客户转向宽带网络过程中，以太网交换机如何实现良好的 三层转发，并提供MPLS VPN业务，是新时期交换机面临的重要挑战。
L3
S8500
S8500
L3 S8500
L3
L3
S8500
L3 S8500
Байду номын сангаасL3
S8500
L3 L3
新一代核心交换机式的高性能
L3
L3
MPLS VPN分布转发引擎能够稳定
可靠地处理核心层海量数据
L3
S8500
L3 S8500
L3 L3 L3
S8500 S8500
S8500 S8500 S8500 S8500
SSii
？
23
MPLS分布式转发引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
线卡内置 高性能 MPLS转发 引擎
MPLS VPN引擎分布在各线卡上，各线卡协同工作，分别处理。
分布式MPLS VPN转发处理有效的避免了集中式处理的MPLS业务性能瓶颈 缺陷，能更加稳定可靠的支持运营级MPLS VPN业务数据处理。
IEEE通过 千兆以太网标准 IEEE 通过 100BASE-T 快速以太网标准
1973年 1980年
1983年
2019年
2019年 2019年
2
以太网交换机的成功
以太网 VS 令牌环：从20世纪80年代后期至今，办公局域网几乎被 以太网交换机所垄断，LAN即以太网。令牌环现在已经很少见了。
以太网 VS ATM：从2000年起，以太网基本成为城域网宽带接入的主 力，ATM接入网络发展缓慢。
S8505
7个槽位，5个通用I/O槽 背板容量：750G 交换容量：300G 包转发率：180M pps
S8512
14个槽位，12个业务槽 背板容量：1.8T 交换容量：720G 包转发率：432M pps
29
S8500分布式交换体系结构
S8512 L2/L3/MPLS/VPN等业务均可充分使用720G交换容量， 各种业务数据的包转发率均可达到432Mpps。
15
流Cache转发技术缺陷
传统的L3使用流Cache技术转发，在网络蠕虫病毒的攻击时（病毒报文流量不断扫描目的 IP地址，即病毒报文每包都是新地址，因此每个病毒报文都会上L3 CPU查找路由表）， L3 CPU被巨大病毒流量堵死，L3接口板发生流Cache表溢出，造成网速急剧下降、用户 断线、无法上网等现象，严重的情况下流cache L3崩溃。
30
可扩展性设计: 720G->1.44T
Port0 R Port1 R Port2 R
交换形式也将逐渐被淘汰。
环形交换
节点A 节点C
节点D
9
P ort0 R P ort1 R P ort2 R
P ort11 R
交换矩阵
Crossbar交换矩阵
仲裁
A rb ite r
01 10
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
控制矩阵
P o rt1 1 T
P o rt1 T P o rt0 T
Crossbar交换网采用矩阵结构实现无阻塞交换，在交换网内部没有带宽 瓶颈，不会因为带宽资源不够而产生阻塞；
256
400
170
400（流Cache ）
170（流Cache）
30 （集中式最长匹配） 2 （集中式最长匹配）
30
2
30 VOQ
2 无QoS
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汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展 华为核心交换机简介
28
Quidway S8500系列核心路由交换机
S8500内置强 劲的分布式业 务转发引擎
L3 CPU
路由学习
首包查精确匹配路由 路由表
路由更新信息
首包 后续包 流Cache表
首包
报文
后续包
流Cache表
首包 后续包 流Cache表
L3接口板
L3接口板
L3接口板
案例1：2019年7月19－20日爆发的全球范围的红色代码病毒，13小时内使得全球30多个运 营商局部网络瘫痪 案例2：2019年8月12---25日爆发冲击波网络蠕虫病毒，在国内造成上万个局域网瘫痪，大 量基于流Cache技术进行三层转发的L3崩溃
11
演进：分布Crossbar+共享内存
除了交换网板采用了Crossbar 架构之外，在每个业务板上也 采用了Crossbar+共享缓存的 架构
在业务板上采用共享内存可以 很好地解决了对突发流量的吸 收问题，在业务板和交换网板 之间采用Crossbar方式以提高 交换容量和端口密度
分布式Crossbar＋共享内存的体系结构是核心交换 机设计的发展方向，保证了现在的网络核心能支撑 未来海量的数据交换和灵活的多业务支持需求
7
总线交换是最古老的一种数据交换方式，这种方 式的主要特点是没有专门的交换网芯片，通过共 享背板总线进行各线卡之间的数据传递，各线卡 分时占用背板总线；
结构和技术比较简单，但交换容量受背板总线带 宽限制，无法构建大容量系统，并且随着背板总 线带宽的增加，码流的同步控制也成为一大瓶颈；
目前采用这种交换方式的系统交换容量一般小于 32G，并且一般都是有阻塞的系统。
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以太网交换机发展历史的启示
大容量、高带宽 逐步发展新业务
成本与发展取得平衡
低成本设计
5
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展
➢ 交换体系结构的演进 ➢ 转发方式的改进 ➢ MPLS VPN分布式转发 核心交换机的未来之路
6
高端交换机的体系结构演进
高端交换机发展历程中，出现了五种交换网络形式： 共享总线 环形交换 共享内存 Crossbar 分布式Crossbar＋共享内存
MPLS VPN集中式转发：即通过新增加一块集中式业务处理板 来集中处理MPLS业务，这种方式可缓解老设备不支持MPLS的问题； 但这种方式缺点比较严重，存在业务性能瓶颈，无法支撑MPLS VPN的大规模运营需求。
MPLS VPN分布式转发：即每块接口板都支持基于ASIC的MPLS 硬件线速处理，这种方式可以支持大网的流量业务需求，没有带 宽和处理能力的瓶颈限制，具备优异的可扩展性。
16
高品质核心交换机的最长匹配路由转发机制
S8500主控
路由学习
路由更新信息
报文
路由表 所有包 最长匹配路由表
S8500接口板
随着相关技术的突破，最长匹配路由转发技术与实现成本也在取得平衡，虽然成本还没 有降到流Cache转发芯片的程度，但是一些具备远瞻性的核心交换机设计，开始采用最 长匹配路由技术。
21
L2/L3流量 MPLS VPN流量
CROSSBAR 交换网
MPLS集中式处理流程
CPU或小NP
集中业务卡
集中式业务 处理板是 MPLS VPN的 性能瓶颈。
CPU
ASIC
接口卡
背板
CPU
ASIC
接口卡
22
核心交换机是否需要戴一个MPLS新帽子？
帽子 身体(三层交换机)
（MPLS VPN)
＋
这种交换形式在一些老机型上仍有使用，新的系 统不会采用这种交换形式。这种交换形式将逐渐 被淘汰
总线式
8
环形交换实质上仍然是一种
总线交换方式，改进点就是
将总线移到了芯片中，而不
是在背板上； 带宽有所提高，但是没有根
节点B
本改善；
采用这种交换方式的系统容
量在32G-64G之间，一般来
讲都是有阻塞的系统；这种
14
流Cache转发技术成功的原因
• 流Cache精确匹配表构成：源IP地址、目的IP地址、出接口。 • 首包利用CPU处理，CPU将结果下发Cache表，后续包通过硬件查表方式实现线速转发。 • 流Cache转发机制ASIC实现成本低（硬件逻辑设计、工艺等方面），对CPU的处理能力要求也不高，
因而进一步降低了成本。
L3 CPU
路由学习
路由更新信息
首包查精确匹配路由 路由表
首包 后续包 流Cache表
首包
报文
后续包
流Cache表
首包 后续包 流Cache表
L3接口板
L3接口板
L3接口板
ASIC算法简单成本低廉，是流cache技术在2000-2019成功的关键。2000-2019年城域网 络处于开拓期，接近局域网的要求，尚未进入精耕细作的经营阶段，是流Cache技术存 在的前提。
核心交换机技术发展趋势封面
——华为技术有限公司
0
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展 华为核心交换机简介
1
以太网接口技术发展
事件
以太网
FE
GE
10GE
IEEE 通过802.3ae 10GE 标准
DIX发布10M 以太网标准
Xerox公司提出 并实现以太网技术
IEEE通过 802.3标准
12
汇报提纲
以太网交换机的发展简史 核心交换机的新发展
➢ 交换体系结构的演进 ➢ 转发方式的改进 ➢ MPLS VPN分布式转发 核心交换机的未来之路
13
2000年三层交换机的概念
帽子（小三层转发)
＋＝ SSii
身体(Vlan交换机)
SSii
三层交换机 = L2交换机 + 小三层的帽子。（2000年）
三层流Cache转发技术：使得以太网交换机从二层走向了三层，进入 IP领域，由于流cache技术成本很低，三层交换机对路由器的成本优 势明显，在2000年至2019年，三层交换机全面进入宽带城域网汇聚 层，在很多地方甚至覆盖到城域网核心层。
不论是80年代的发展，90年代的局域网垄断位置和2000年的城域网拓 展，以太网交换机的成功因素都在于：简单易用、高带宽、低成本。