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【摘要】交叉开关矩阵或纵横式交换矩阵（crossbar），是交换网络结构中构建大容量系统的一种工具。交叉开关矩阵交换网络在数据平面没有任何瓶颈，摒弃了共享带宽的交换方式，具有很强的扩展能力，交换容量可以做的很大，基本不受硬件条件限制，本文主要阐述了交叉开关矩阵在数据交换过程及其外围的工作流程，介绍线路交换行之有效的方法与途径。
【关键词】纵横式交换矩阵；高级数据链路控制；交换网络
【Abstract】Crossbar matrix or crossbar， which is a tool for building large capacity systems in a switched network architecture. Cross-switch matrix switching network in the data plane without any bottlenecks， abandon the shared bandwidth of the exchange， with strong scalability， the exchange capacity can be done very large， basically not subject to hardware constraints， this paper describes the cross-switch matrix in the Data exchange process and its peripheral workflow， introduced the line exchange line of effective methods and ways.
【Key words】Vertical and horizontal switching matrix；Advanced data link control；Switching network
1. 背景
为了提供多点对多点的数据交换，完成多部用户终端的连接和互通，必须采用软硬件设备实现路由占用，接续控制，时隙同步等功能。最一开始人们采用程控数字交换机，通过类似于计算机的芯片接收用户终端数据，通过确定的协议进行转发，通常采用高级数据链路控制规程，有较高的数据链路传输效率；所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重发，传输可靠性高；传输控制功能与处理功能分离，具有较大灵活性。程控数字交换机处理几路经过时分复用的PCM信号，在寄存器当中先写入后读出。在线路不复杂用户不多的情况下也是行之有效的方法，但是对于大用户多接口的要求显然已经无法满足。这时就出现了更加先进的交换设备-纵横式交换矩阵，用以将用户间通话60%以上的静止时间利用起来，使交换变得十分灵活高效。
2. 纵横式交换矩阵交换结构
（1）一个交叉开关矩阵的示意图如图1所示，只要同时闭合多个交叉节点，多个不同的端口就可以同时传输数据。从这个意义上，我们认为所有的纵横开关矩阵在内部是无阻塞的，因为它可以支持所有端口同时线速交换数据。
（2）在支持纵横交叉矩阵技术的三层交换机中，一般采用了两类三層交换芯片：一类是可以出千兆、百兆端口的交换芯片；一类是仅仅出内部高速接口（往往是10G以上的速率）的纵横交叉矩阵芯片，用于各个模块之间的互联。
（3）随着网络中用户数量的增多，用户需要对MAC地址、IP地址、TCP/UDP端口号等信息进行控制，从而实现了严格限制局域网资源的访问，同时也用这个功能限制局域网用户对网络设备自身的访问。特别是最近一两年侵占和威胁网络资源的网络病毒的出现，极大地影响了三层交换机的稳定性。
（4）如图2所示，交叉开关通过上述控制功能，在有效控制了用户业务的同时，也有效地保护了自身的安全和可靠性。此时三层交换机也就发展为“智能多层交换机”，主要就是具备了以上的控制功能。这种交换机的交换芯片支持一次处理64字节以上的内容，所以可以直接一次处理以太网帧MAC地址头、IP包头、TCP/UDP包头，从而实现了2～4层的基于硬件线速访问控制。还有一些智能控制功能如802.1X认证协议的支持，通过对RADIUS等AAA协议的扩展，达到对用户更加严格的控制。
3. 分布式CrossBar架构
（1）随着网络核心交换机的交换容量发展到了几百个Gbps、同时支持多个万兆接口并规模应用在城域网骨干和园区网核心的时候，分布式的Crossbar架构很好的解决了在新的应用环境下网络核心交换机所面临的高性能和灵活性的挑战。也就是说，除了交换网板采用了纵横交叉矩阵架构之外，在每个业务板上也采用了纵横交叉矩阵+交换芯片的架构。
（2）在业务板上加交换芯片可以很好地解决了本地交换的问题，而在业务板交换芯片和交换网板之间的纵横交叉矩阵芯片解决了把业务板的业务数据信元化从而提高了交换效率，并且使得业务板的数据类型和交换网板的信元成为两个平面，也就是说可以有非常丰富的业务板，比如可以把防火墙、IDS系统、路由器、内容交换、IPv6等等类型的业务整合到核心交换平台上，从而大大提高了网络核心交换机的业务扩充能力。同时这个纵横交叉矩阵有相应的高速接口分别连接到两个主控板或者交换网板，从而大大提高了双主控主备切换的速度。
分布式纵横交叉矩阵设计中，CPU也采用了分布式设计。设备主控板上的主CPU负责整机控制调度、路由表学习和下发；业务板从CPU主要负责本地查表、业务板状态维护工作。这就实现了分布式路由计算和分布式路由表查询，大大缓解主控板的压力，提高了交换机转发效率，这也是业务板本地转发能够提高效率的重要原因。这种分布式纵横交叉矩阵、分布式交换的设计理念是核心网络设备设计的发展方向，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的需求。
参考文献
[1] 高性能交换结构综述[J]. 周志强，徐展琦，张晓磊，杨帆，丁喆. 计算机应用研究. 2015（04）.
[2] Alan V.Oppenheim. Signals and Systems. 2014（07）.
[3] 中兴通讯学院. 对话移动互联网. 人民邮电出版社. 2010（07） .
[4] Crossbar光交换网络[J]. 侯培培，职亚楠，孙建锋，刘立人. 激光与光电子学进展. 2013（01）.
[文章编号]1619-2737（2017）07-20-669
【关键词】纵横式交换矩阵；高级数据链路控制；交换网络
【Abstract】Crossbar matrix or crossbar， which is a tool for building large capacity systems in a switched network architecture. Cross-switch matrix switching network in the data plane without any bottlenecks， abandon the shared bandwidth of the exchange， with strong scalability， the exchange capacity can be done very large， basically not subject to hardware constraints， this paper describes the cross-switch matrix in the Data exchange process and its peripheral workflow， introduced the line exchange line of effective methods and ways.
【Key words】Vertical and horizontal switching matrix；Advanced data link control；Switching network
1. 背景
为了提供多点对多点的数据交换，完成多部用户终端的连接和互通，必须采用软硬件设备实现路由占用，接续控制，时隙同步等功能。最一开始人们采用程控数字交换机，通过类似于计算机的芯片接收用户终端数据，通过确定的协议进行转发，通常采用高级数据链路控制规程，有较高的数据链路传输效率；所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重发，传输可靠性高；传输控制功能与处理功能分离，具有较大灵活性。程控数字交换机处理几路经过时分复用的PCM信号，在寄存器当中先写入后读出。在线路不复杂用户不多的情况下也是行之有效的方法，但是对于大用户多接口的要求显然已经无法满足。这时就出现了更加先进的交换设备-纵横式交换矩阵，用以将用户间通话60%以上的静止时间利用起来，使交换变得十分灵活高效。
2. 纵横式交换矩阵交换结构
（1）一个交叉开关矩阵的示意图如图1所示，只要同时闭合多个交叉节点，多个不同的端口就可以同时传输数据。从这个意义上，我们认为所有的纵横开关矩阵在内部是无阻塞的，因为它可以支持所有端口同时线速交换数据。
（2）在支持纵横交叉矩阵技术的三层交换机中，一般采用了两类三層交换芯片：一类是可以出千兆、百兆端口的交换芯片；一类是仅仅出内部高速接口（往往是10G以上的速率）的纵横交叉矩阵芯片，用于各个模块之间的互联。
（3）随着网络中用户数量的增多，用户需要对MAC地址、IP地址、TCP/UDP端口号等信息进行控制，从而实现了严格限制局域网资源的访问，同时也用这个功能限制局域网用户对网络设备自身的访问。特别是最近一两年侵占和威胁网络资源的网络病毒的出现，极大地影响了三层交换机的稳定性。
（4）如图2所示，交叉开关通过上述控制功能，在有效控制了用户业务的同时，也有效地保护了自身的安全和可靠性。此时三层交换机也就发展为“智能多层交换机”，主要就是具备了以上的控制功能。这种交换机的交换芯片支持一次处理64字节以上的内容，所以可以直接一次处理以太网帧MAC地址头、IP包头、TCP/UDP包头，从而实现了2～4层的基于硬件线速访问控制。还有一些智能控制功能如802.1X认证协议的支持，通过对RADIUS等AAA协议的扩展，达到对用户更加严格的控制。
3. 分布式CrossBar架构
（1）随着网络核心交换机的交换容量发展到了几百个Gbps、同时支持多个万兆接口并规模应用在城域网骨干和园区网核心的时候，分布式的Crossbar架构很好的解决了在新的应用环境下网络核心交换机所面临的高性能和灵活性的挑战。也就是说，除了交换网板采用了纵横交叉矩阵架构之外，在每个业务板上也采用了纵横交叉矩阵+交换芯片的架构。
（2）在业务板上加交换芯片可以很好地解决了本地交换的问题，而在业务板交换芯片和交换网板之间的纵横交叉矩阵芯片解决了把业务板的业务数据信元化从而提高了交换效率，并且使得业务板的数据类型和交换网板的信元成为两个平面，也就是说可以有非常丰富的业务板，比如可以把防火墙、IDS系统、路由器、内容交换、IPv6等等类型的业务整合到核心交换平台上，从而大大提高了网络核心交换机的业务扩充能力。同时这个纵横交叉矩阵有相应的高速接口分别连接到两个主控板或者交换网板，从而大大提高了双主控主备切换的速度。
分布式纵横交叉矩阵设计中，CPU也采用了分布式设计。设备主控板上的主CPU负责整机控制调度、路由表学习和下发；业务板从CPU主要负责本地查表、业务板状态维护工作。这就实现了分布式路由计算和分布式路由表查询，大大缓解主控板的压力，提高了交换机转发效率，这也是业务板本地转发能够提高效率的重要原因。这种分布式纵横交叉矩阵、分布式交换的设计理念是核心网络设备设计的发展方向，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的需求。
参考文献
[1] 高性能交换结构综述[J]. 周志强，徐展琦，张晓磊，杨帆，丁喆. 计算机应用研究. 2015（04）.
[2] Alan V.Oppenheim. Signals and Systems. 2014（07）.
[3] 中兴通讯学院. 对话移动互联网. 人民邮电出版社. 2010（07） .
[4] Crossbar光交换网络[J]. 侯培培，职亚楠，孙建锋，刘立人. 激光与光电子学进展. 2013（01）.
[文章编号]1619-2737（2017）07-20-669