计算机网络设备架构大揭秘

计算机网络-认识设备的架构

一、概述

前面我们其实已经讲了一些关于设备的知识了，从现在开始进入下一阶段的理解。

网络基础设施犹如交通枢纽，数据流经其中，由设备协调转发。交换机、路由器、防火墙等设备协同作用，确保数据在不同接口间高效传输，实现网络访问。

二、设备基础

2.1 网络设备硬件架构

我们分别以高端和低端设备进行讲解：

基本框式设备包含如下板块：

线路处理单元 (LPU) 是设备上的关键模块，提供数据转发功能。它集成了各种速率的光口和电口，确保数据在物理网络中的高效传输。

精简优化版：

设备由主控板、接口板和交换网板构成控制管理平面。

主控板：核心，控制整体功能。

接口板：业务转发接入，分为全光口或全电口。

交换网板：规划业务网板间的转发控制。

主控板

交换网板

业务接口板

盒式设备：盒式设备的各个业务模块并不是独立的硬件模块，而是集成在一个框内。

盒式设备

业务板块连接图：

连接

功能总结：

框式设备各个模块分为不同的单板，单板之间通过框式设备内部的连接进行通信。

盒式设备内部集成了这些模块，各个模块之间同样也是通过内部连接进行通信。

2.2 网络设备逻辑架构

网络设备架构三大平面：

* 数据平面：转发数据，确保网络连接。

* 控制管理平面：管理和控制网络设备。

* 监控平面：收集和分析网络性能数据。

逻辑架构层面

控制平面：设备的控制平面由主控板以及接口板的管理单元组成。

控制平面：系统的中枢神经

控制平面管理着系统的核心功能，包括：

* 协议处理

* 业务管理

* 路由计算

* 转发控制

* 流量统计

* 安全保障

交换机的控制平面负责协调网络协议，提供数据平面进行转发的必要信息，确保网络的稳定性和效率。

控制平面负责路由计算、协议管理和网络控制。该平面由主控板和业务接口板上的管理单元组成。每个业务接口板包含管理、监控和转发单元，确保设备的顺畅运行和通信。

控制平面

转发平面（数据层面）

作为交换机的核心功能，转发平面负责数据高速传输。它由交换网板和接口板组成，实现无阻塞内部交换。其关键功能包括：

* 数据报文封装和解封装

* IPv4/IPv6/MPLS 转发处理

* QoS 和调度管理

* 内部高速交换

* 统计数据收集

数据平面

监控平面负责监控设备整体健康状况，包括主控板、接口板和集中监控板。其功能是收集并统计设备和业务接口状态，为设备管理和维护提供数据支持。

监控平面对系统环境进行全面监控，包括电压、温度、风扇等，确保系统安全运行。单元故障时，故障隔离保护系统其他部分正常运行，避免进一步损坏。

监控平面

盒式设备原理基本一致。

三、数据转发流程

设备处理报文分类：一种是业务报文、一种是协议报文。

作为数据转发枢纽，业务报文设备对报文进行高效转发，从一个接口进入，依据转发表项迅速将其传送到另一接口。

网络设备接收协议报文时，会将其交给控制层面处理。控制层面分析报文，例如 ARP，以确定适当的响应措施，包括回应请求、学习源 MAC 地址和 IP 信息。

业务报文按转发表转发，流程简单。协议报文需判断是否使用 IP，是否路由，以及封装/解封装等一系列处理，处理后转发。

交换网板将报文传输分为上行和下行路径：

* 上行：报文由设备接收，向网板移动。

* 下行：报文从网板转发，由设备发送出去。

这种机制优化了报文传输，提高了设备性能。

上下行

3.1 业务报文处理

数据报文高效传输：

报文经上行接口处理，通过交换机总线传输至交换网板，再由下行接口板处理输出。仅需查表转发，无需主控板参与，实现快速数据传输。

业务报文转发

转发表项存储于控制层面，以优化网络性能。

传统方式下，表项存储于主控板，每次转发需查询主控板，消耗主控板资源。

优化方式下，主控板将表项下发至接口板，接口板直接查表转发，节约主控板资源并增强转发效率。

转发表项1

转发表项2

转发表项3

一般高端设备性能高，为了提高转发效率，会存储在接口板上。

FIB表项

转控分离架构采用高端框式设备，将转发层面和控制层面分置于不同组件。控制层面组件（主控板）负责处理转发协议、维护转发表。转发层面组件（接口板）依据控制层信息独立完成转发，确保转发性能不受控制层负载影响。该机制确保了控制层高负载时，转发层仍能正常工作。

转控分离

3.2 协议报文处理

控制平面负责处理关键网络协议，包括：

* OSPF、IS-IS、BGP路由协议

* ARP协议

* STP协议

* ICMP请求报文

这些报文由设备接收，并上报至主控板上的CPU进行处理，确保设备网络功能的正常运行。

主控板CPU处理协议报文后，若需响应，将构造协议报文进行回应。典型的响应类型包括：

* ARP请求：响应ARP回复

* ICMP回声请求：响应ICMP回声回复

协议报文处理1

协议报文处理2

网络设备架构：

- 硬件：主控板、业务板、交换网板，实现转发与控制分离。

- 逻辑：报文处理遵循转发表，业务报文进上行口，出下行口；协议报文需主控板处理后发出。

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