框式核心交换机硬件架构 Full-Mesh、Crossbar和CLOS 谁是当前主流？

在高端框式核心交换机设计中，架构选择直接决定设备性能、扩展性和可靠性。本文针对Full-Mesh、Crossbar和CLOS三种架构进行一些浅显探讨，欢迎大家留言讨论。一、Full-Mesh全互联架构

实现方式：所有线卡通过背板全互联核心优势：单跳通信，端到端延迟<1μs，严格无阻塞（Non-blocking）关键局限：背板复杂度O(N²)，16槽位需120条高速链路功耗密度挑战：40G以上速率散热难控制

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二、Crossbar交换矩阵架构

业务线卡通过背板走线连接到Crossbar芯片上，Crossbar芯片集成在主控引擎上。Crossbar 架构是一种两级架构，形成一个开关矩阵，每一个CrossPoint都是一个开关，交换机通过控制开关来完成输入到特定输出的转发。如果交换具有N个输入和N个输出，那么该Crossbar Switch就是一个带有N*(N-1)≈N²个。

核心优势：支持VOQ虚拟输出队列，可实现99.999%的吞吐率关键局限：矩阵规模受限，单芯片一般≤64x64故障域集中：矩阵故障导致整机宕机

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三、CLOS多级架构

实现方式：三级交换：入口→中间级→出口,每块业务线卡和所有交换网板相连，交换芯片集成在交换网板上，实现了交换网板和主控引擎硬件分离。CLOS架构是一种多级架构，每个入口级开关和每个中间级开关之间只有一个连接，并且，每个中间级开关正好连接到每个出口级开关，这种架构的优点是可以通过多个小型Crossbar 开关来实现大量输入和输出端口之间的连接，CrossPoint数量级别低于Crossbar架构的N的2次方，降低了芯片实现难度。核心优势：线性扩展能力：支持100Tbps级容量，天然支持多平面冗余关键局限：需要分布式仲裁机制，控制平面复杂度高四、CLOS架构交换机结构设计
正交背板设计：线卡与交换网板与背板直接对接。带宽的升级受到背板带宽，散热性不足。

正交零背板设计：线卡与交换网板互相垂直，背板走线为零。 这种设计减少背板走线带来的高速信号衰减，提高了硬件的可靠性。这种设计还能能够解除背板对容量提升的限制，当需要升级到更大带宽我们只需要更换相应板卡，同时没有背板限制，整机直通风道散热可以匹配数据中心机房空气流的走向，形成了贯穿前后板卡的气流。

非正交背板设计：这种设计线卡与交换网板互相平行，板卡之间通过背板走线连接。如上述，存在背板走线就意味着会带来信号干扰，同时背板也会制约带宽，另外背板走线要求很高，从背板开孔做直通风道设计就无可能。
五、三种结构的关键指标对比[td]

维度	Full-Mesh	Crossbar	CLOS
最大槽位数	≤8槽	≤16槽	≥32槽
单槽带宽	400G	800G	1.6T
故障隔离	部分	差	优秀
功耗效率	0.5W/Gbps	0.3W/Gbps	0.2W/Gbps
典型时延	500ns	800ns	1.2μs

写在最后：

目前随着5G/AI时代单机柜需50T+交换容量 硬性需求的提升，CLOS架构成为主流。因为他能提供N+N电源/风扇/交换平面冗余的可靠性和支持通过增加中间级实现平滑扩容的能力。这两项关键指标让大厂优先选择了CLOS的设计，比如华为的CE12800就采用了采用12级CLOS。