交換機分布緩存_述說數據中心交換機的重要性能指標——緩存

交換機是數據中心不可缺少的網絡設備，在數據中心里發揮著重要作用。在平時使用和采購時，大多數都關注交換機的背板帶寬、端口密度、單端口速度、協議特性等方面的性能指標，很少有人去關注緩存指標，這是一個常常被人所忽略的指標。

其實，緩存是數據中心交換機的重要性能參數，是衡量一款交換機設備性能高低的重要指標。交換機的緩存和通常的緩存概念不同，通常緩存指的是當某一硬件要讀取數據時，會首先從緩存中查找需要的數據，如果找到了則直接執行，找不到的話再從內存中找，顯然緩存中的數據查找速度比內存中要快得多，這是一個處于CPU內部的一塊內存地址空間。

而在交換機上，緩存就是數據交換的緩沖區，有時又叫做包緩沖區大小，是一種隊列結構，被交換機用來協調不同網絡設備之間的速度匹配問題。突發數據可以存儲在緩沖區內，直到被慢速設備處理為止。

交換機有三種轉發模式：直通轉發、存儲轉發和無碎片轉發

，用的最廣泛的是

存儲轉發模式。

其實不管是哪種轉發模式，都要用到緩存，只不過直通轉發只解析報文的前幾個字節就進行轉發，存到緩存里的數據量小，轉發速度快，但因沒有對整體數據做校驗，容易轉發錯誤報文。大部分交換機的片上緩存都不大，一般都是幾MB到幾十MB，雖然單端口帶寬在不到十年的時間里從1G發展到了100G，但緩存并沒有很大提升，如果一個100G端口出現突發流量，十幾MB就會出現丟包，顯然在實際應用中會有限制，除非明確應用流量上不要有突發流量。

那么有人會有疑問，既然緩存這么重要，那為何不做的大一些?

其實以現有的芯片集成技術應該不難實現。的確，緩存理論上可以通過芯片工藝設計放大，但是過大的緩存會影響正常通信狀態下數據包的轉發速度，因為過大的緩沖空間需要相對多一點的尋址時間，并增加設備的成本，在一些對延遲要求比較高的應用場景中，緩存過大反而會起反作用

，所以不能簡單地去擴大緩存，要在緩存和延遲兩個方面做取舍，“魚和熊掌不可得兼”。

當然，隨著技術的進步，在盡量不增加延遲的情況下，也可以不斷提升交換機的緩存能力。受制于時鐘、總線帶寬的能力，緩存性能難以大幅提升，考慮到功耗、成本的平衡，緩存容量也不會大幅增加。 有的交換機還在交換芯片外部掛了一個DRAM緩存，用來提升交換機的緩存能力，這樣延遲可能會更大，但緩存可以做得很大，達到1G以上。

緩存十分重要，但我們究竟需要多大的緩存，卻沒有正確答案。巨大的緩存意味著網絡不會丟棄任何流量，同時也意味著網絡延遲的增加，具體要根據數據中心的業務來選擇。

比如在搜索業務中，一次搜索要在海量數據庫里尋找結果，容易產生網絡突發流量，甚至造成網絡擁塞，在這樣的網絡業務中就需要部署緩存大的交換機設備;在金融領域，尤其是股票證券交易網絡中，差一個納秒都可以帶來巨大收益或者損失，這樣的領域對網絡延遲要求非常高，不允許出現擁塞，也就不需要多少緩存，有的金融數據中心還要求使用低延遲交換機，轉發延遲控制在納秒級。

緩存通常都是因為網絡接口速率不同造成的，流量突然爆發或者多對一的流量傳輸。最常見的問題是多對一的流量突然變化。例如，某個應用程序搭建在多個服務器集群結點上。如果其中某個結點同時請求來自其他所有結點的數據，那么所有答復應該在同一時間到達。這種情況發生時，所有網絡流量洪水會涌向請求者的交換機端口。如果交換機沒有足夠的出口緩沖區，那么它可能會拋棄一些流量，或者增加應用程序延遲。足夠的網絡緩沖區可以防止因為低級別協議造成的丟包或網絡延遲。 緩存對交換機來說是一個整體的概念，整個交換芯片共享緩存，每個端口分多少都是可以調整的，交換機上對這些緩存是有管理的，于是就出現了兩種模式：

QOS模式和FC模式。

硬件上對每個報文都要存儲后，處理完再轉發，但存儲空間都是有限的，因此當緩存不足時，就會出現丟包。

QOS模式

下，發生擁塞時不會發出流控幀，但可以對端口上不同優先級的流量進行調度，一定要丟包，優先丟掉優先級低的包，通過設置相關配置，可以做到選擇性丟包。而在FC模式下，發生擁塞時會發出流控幀(需要手工配置，默認一般設備都不開啟，若開啟對端設備擁塞也會發流控幀，設備要響應處理流控幀，這將極大消耗設備端口的緩存)。

QOS模式

所有緩存被所有端口共享，FC模式緩存被均勻固定的分配給每個端口，因此QOS模式單個端口可能會獲得更多的存儲能力，減少了丟包，但帶來的影響是可影響其它端口低優先級報文的傳輸。

現在的交換機基本采用的是兩種模式的結合

，即為每個端口固定分配一些緩存，保證一定的轉發帶寬，同時再留一部分緩存作為公共部分，當有端口固定分配的部分不夠用時，就可以使用公共部分，為防止一個端口擁塞將所有共享緩存占光，每個端口還可以設定一個最大允許占用的緩存，以此保證多端口擁塞時，公共緩存部分依然有剩余，所以緩存容量雖然不大，但是管理上是比較靈活的。不過，由于緩存管理是交換機非常底層的東西，調整不大對設備的轉發影響很大，所以這部分調整一般都是在設備出廠之前調好，默認是最為通用的方式，有特殊應用的場景，再根據實際情況由專業技術人員來調整。

審核編輯 黃宇