什么是正交架构？

什么是正交架构？

正交架构，全称为无背板正交架构，是指路由器的线路板（Line Processing Unit，LPU）或交换机的接口板（Interface Board）与交换网板（Switch Fabric Unit，SFU）处于正交的硬件结构，二者直接相连，背板无需走线。“正交”在数学上的含义为向量在三维空间中的垂直关系。对应到硬件架构上，即线路板横插、交换网板竖插，或者线路板竖插、交换网板横插。

举个例子，一辆汽车要从A去往B，除了要跑得快（对应PCB总线跑25Gbit/s的高速率），还要先把路修好，而且路越短越好（两点之间的走线要短，阻抗连续）。如果两地之间是一条又直又平的高速公路，汽车就可以跑得很快（总线速率高），车辆所需的能耗也小（总线能耗低）。相反，如果连接两地的道路崎岖不平，弯弯曲曲（总线经过多个连接器或者走线距离很长，背板材质不够好，阻抗也做得不好），就算是最好的汽车也不可能跑得快（能耗还大）。正交架构就是这样的一条条高速公路，为交换系统构建了高速的交换通道。

随着交换链路的高速化，传统的背板架构中的一系列问题成为线路速率提升的瓶颈，因此发展出了正交架构的方案。无背板正交架构主要为超大容量路由器或者交换机的设备而诞生的，形成了准正交、正交和直接正交三个发展阶段，目前已经成为数据中心核心交换机的标准架构。

正交架构是怎么发展来的？

在正交架构产生之前，业界存在过“非正交”和“伪正交”架构。

非正交架构，即传统的PCB（印刷电路板）背板架构，所有的板卡插在背板的同一面，通过无源铜背板上的走线完成各板卡直接的交互，如图1-1所示。

传统的单面插架构，仅支持2~6平面交换，无法满足带宽和容量演进需求。同时背板互联，走线长、损耗大，无法支持高速高密信号互联。

伪正交架构，外表上和正交架构相似，同样采用前面横插（竖插）、后面竖插（横插） 、前后板卡垂直相交的结构。但伪正交的板卡共同插在一个中置大背板上，而非采用“正交连接器”直接相连，还是通过背板上的走线将各个单板联系起来，如图1-2所示。

这种架构相较于PCB背板架构，一定程度上扩展了交换平面的数量，但背板的走线距离并没有显著减少，传输速率仍然受到限制。

随着链路速率的提高，交换网和线路板（接口板）之间走线距离的长短、印刷电路板（PCB）的材质等问题成为线路速率提升的瓶颈，要实现超高速传输的数据链路就必须尽可能的缩短走线距离，以及使用更加高级的PCB材料甚至高等级电缆、光纤。

正交架构能够很好地应对交换链路高速化的挑战，其采用的正交连接器决定了交换网板的带宽可扩展性和单板兼容性，最大限度地缩短了线路板到交换网的走线距离，把背板上的走线距离缩短为0（无背板走线，但连接器内存在一段距离），进而对背板的PCB材质不做要求（单板的PCB材质仍存在要求），如图1-3所示。

正交架构与其他架构有什么不同？

以华为的路由器设备为例，目前采用了三种架构，分别为PCB背板架构、Cable背板架构和无背板正交架构。各类架构的特点如下表所示：

正交架构的关键技术有哪些？

正交架构之所以近年才浮出水面，主要是因为关键器件正交连接器的技术成熟度，正交系统散热设计的难度、大尺寸网板PCB的加工难度、整机结构的精度控制等多方面原因造成的。

• 正交连接器。连接器是核心交换机的基础架构部件，伴随着产品的整个生命周期，是决定高速链路能否升级到更高速率的重要因素。华为使用的新一代连接器在高速连接、串扰和连接密度等方面已经考虑了更高速率的支持，能够应用于更高速率的核心交换机。
• 散热方案。在正交架构中，线卡与网板垂直对插，整个机框通过背板被分隔成两个独立的空间，散热时两个空间需要绝对隔离，并都保持前进后出的风道，这对散热设计带来了挑战。业界基于多种设计理念与在工程能力上的深厚积累，提出了直通风前后风道/级联风道、直通风前后风道/区域独立散热风道、直通风Z型散热风道/横向散热通道混合三种散热方案，保证在长期高速运行下的可靠性。
• 大尺寸网板加工能力。正交架构下，网板要跨越所有的业务单板槽位才能实现对所有业务单板的连接，如CloudEngine 12816的网板要跨越所有的16个业务槽位和2个网板槽位，网板尺寸巨大。在业界大尺寸单板生产线成熟之前，网板尺寸受限只能正交覆盖到部分槽位，其他边沿槽位不得不继续通过背板走线实现连接，不得已采用伪正交架构，同时性能、散热等其它参数也受到了影响。

• 整机结构精度的控制。因为正交架构下，单板从两个方向插入，要控制两个方向的结构偏差，对结构设计的精度提出了极高的要求。同时，高速设计对连接可靠性和阻抗连续性的要求，也对高精度结构设计提出了强烈的诉求。 传统面向非正交架构的整机结构设计已经无法满足正交架构下的挑战，整机结构设计能力需要深厚的积累。

正交架构的主要产品应用有哪些？

正交架构主要应用于华为路由器的NetEngine 8000 X系列产品，该系列产品应用于城域网核心节点，采用了主控板和线路板横插、交换网板竖插的架构。如图1-4所示，NetEngine 8000 X8竖插的8块交换网板与设备前方横插的2块主控板和8块线路板相连，以此来接收主控板的集中控制和管理，实现设备内部所有线路板间的数据交换。

可以看出，随着线路板数量的增多，交换网板的长度也随之增加。例如NetEngine 8000 X16设备，多达16个线路板槽位，所需交换网板的长度达1.1米，因此也对大尺寸PCB网板的加工能力提出了更高的要求。