图4　集群n拖m模式 

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    集群技术的交换结构

　　交换结构是路由器的核心技术，直接决定了整个系统的主要性能。在引入交换方式之前，路由器大多采用共享总线的分布式处理技术。共享总线的实现比较简单，但由于不能避免产生内部冲突，使得高速率总线的设计受到限制，难度也越来越大。交换技术借鉴了ATM交换机的各种优势，很好地解决了共享总线的不足。一直以来，设备厂商和运用商都在研究和寻求更有效率的交换方案，以解决交换过程中的阻塞问题。

　　交换结构又分为单级交换和多级交换两种。

　　5.1　单级交换

　　目前使用较多的单级交换结构有共享内存和Crossbar两种。

　　共享内存结构通过共享输入和输出端口存储器件，减少了对总体存储空间的需求。分组交换通过指针调度实现，提高了交换容量。共享内存结构相对简单，交换效率可根据需求不断优化。共享内存交换结构的交换性能取决于共享内存的存取速率，可扩展性较差，尤其当板卡端口数量较多时，交换效率有所下降。另外，并且共享内存的稳定一般，也直接影响了整个交换体系。

　　Crossbar是一种严格的非阻塞交换结构，输入输出之间可建立多条通路。Crossbar交换结构又分为集中式（输入＞输出）、扩展式（输入＜输出）和连接式（输入=输出）3种。典型的Crossbar采用连接式，即N×N的交叉矩阵。Crossbar使用调度器，根据各输入点相关的信息，运算调度算法得到输入和输出之间的一个匹配，并配置相应交叉点。调度器的效率非常关键，决定了Crossbar的交换速率，因此调度算法必须高度完善。

　　但Crossbar同样存在扩展性的问题，即交换矩阵的交叉点会随着输入输出数量的增多呈指数增长。为维持无阻塞交换，需不断完善和改进调度算法，代价是开发的技术成本越来越高。另外，Crossbar也同样不能避免排队仲裁，传输效率受到一定影响和限制。但相比共享内存结构，Crossbar效率和扩展性都比较好，目前大部分高端路由器都使用Crossbar交换结构。

　　共享内存和Crossbar都属于单级交换结构的范畴。单级交换结构由于受到技术上的各种限制，可扩展性毕竟不够完善，而且由于无法避免仲裁机制，容易形成瓶颈。因此，单级交换结构不是未来大容量路由器的发展方向，需逐步扩展至多级交换结构。

　　5.2　多级交换

　　多级交换通过多个独立的交换矩阵，组成一个多级多平面交换矩阵。每个平面配置独立的仲裁器，避免了仲裁器瓶颈问题。多级交换大大增强了系统扩展能力，目前路由器集群都是采用多级交换结构。

　　多级交换结构的基本组成单位叫交换单元，每个交换单元具有输入和输出功能。各个交换单元通过一定的逻辑顺序相互连接，形成一个巨大的、可扩展的交换网络。多级交换结构的形式有很多种，包括Clos、Banyan、Butterfly和Benes等，各种交换结构的不同主要在于交换单元的互联方式。多级交换结构又可分为有阻塞和无阻塞两种，其中无阻塞交换又分为严格无阻塞、可重排无阻塞和广义无阻塞3种。严格无阻塞交换是指只要这个连接的起点和终点是空闲的，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接；可重排无阻塞网络是指只要某个连接的起点、终点是空闲的，任何时刻都可以在交换网络中直接或间接对已有的连接重新选路来建立一个连接；广义无阻塞网络是指在顺序建立连接时按照一定的规则选路，那么也可以在任何时刻建立连接。

　　Benes是Banyan的一种变申，属于可重排无阻塞网络。Benes使用方形交换单元（输入输出端口数相同）。一个典型的3级Benes N*N交换结构可以在每个输入端和每个输出端之间形成n个可能的通路（如图5所示）。B