交换机的正交直连架构？

正交直连架构问世之前，网络设备的设计还经历过传统背板架构和正交背板架构两个阶段。传统背板架构依赖单侧插卡的大尺寸PCB背板进行信号传输，正交背板架构采用中置正交PCB背板实现双侧高密度互连。传统背板架构和正交背板架构在信号衰减、散热效率和扩展能力等方面的固有缺陷，直接推动了正交直连架构的诞生。正交直连架构通过连接器直连技术，彻底突破了传统互连方式的性能瓶颈。

与此同时，为满足多样化部署需求，Cable Tray架构作为重要的传统互连方案仍在一定场景中应用，与正交直连架构并行发展，如图1所示。

图1 系统架构发展示意图

传统背板架构

传统背板架构，也称为PCB（印刷电路板）背板架构，曾广泛用于网络设备的架构设计。在这种架构中，所有的板卡都插在背板的同一面，如图2所示。

由于背板尺寸受到机箱大小的限制，背板上可插单板数量有限，物理空间严重制约了设备的带宽容量。同时，高速链路信号质量差，散热效率低下，扩展性和灵活性差。

图2 传统背板架构示意图

正交背板架构

随着设备带宽和容量需求的持续增长，人们开始探索将背板不放在机箱后部，而是放置在机箱中部，使得背板正反面都可以插入板卡，从而增加系统整机的带宽容量，于是正交背板架构诞生了。

正交背板架构是介于传统背板架构和正交直连架构之间的一种过渡性设计，前后板卡垂直相交，分别插到中置背板的两侧，如图3所示。

正交背板架构相比传统背板架构在带宽容量和空间利用率上有所提升，但仍存在信号损耗高、带宽受限、散热效率一般、扩展性与灵活性不足、成本与维护复杂度高等问题。

图3 正交背板架构示意图

Cable Tray架构

Cable Tray架构是一种通过线缆模组替代传统PCB背板的互连方案。在该架构中，业务板卡与交换网板通过高速线缆直接互连，形成灵活的网状拓扑，如图4所示。

本架构支持板卡在机箱内多方向扩展，突破背板物理尺寸的限制。此外，该架构可通过更换线缆或调整连接方式快速升级带宽，能够利用空气对流或定向风道优化散热效率。但该架构线缆成本高、管理复杂度高，在部署成本和拓扑管理等方面存在一定的挑战。

图4 Cable Tray架构示意图

正交直连架构

正交直连架构，将呈现为90度正交状态的高速连接器彼此直接对插，取消了中置背板，前后板卡呈现直接垂直交叉的状态，如图5所示。该架构能提升网络设备内高速信号通道的数量和速率，可以提供更稳健的传输信号。

图5 正交直连架构示意图

正交直连架构有什么特点和优势？

正交直连架构的特点

正交直连架构的出现，是网络设备提升信号传输速率的福音。信号在正交直连架构中通过业务板和交换网板的垂直连接器直接高效传输，消除了传统背板设计中的信号衰减、阻抗失配和串扰等瓶颈问题。

以文件传输为例，传统的背板架构像是一栋有很多走廊和转角的大楼，文件需要经过许多房间、转角才能从一个办公室传到另一个办公室。文件传送速度会较慢，而且容易出错。现在，正交直连架构就像是在这栋大楼中增加了直通的传送管道。这个管道直接连接各个办公室，不需要通过复杂的走廊和转角。文件可以通过这个直通管道快速、直接地传送，传送过程中出现错误的可能性也大大降低，如图6所示。

图6 正交直连架构提升信号传输效率类比场景示意图

正交直连架构的核心特点是路径简化和信号保真，具体体现为三大设计特征，如图7所示。该架构已成为现代高性能路由器和交换机的优选设计方案，为数据中心的高效运作提供了可靠支持。

• 直接连接：在正交直连架构中，业务板和交换网板通过正交连接器直接相连，这种直接连接方式不仅缩短了信号传输路径，还降低了系统的复杂性。

• 板卡排列：采用前面板和后面板垂直交叉的排列方式（例如，前面板单板横插，后面板单板竖插），实现业务板与交换网板的正交连接。

• 无中置背板设计：消除了传统背板的使用，避免了因中置背板而导致的信号损耗和空间限制，有利于系统散热风道设计。

图7 正交直连架构的特点

正交直连架构的优势

正交直连架构的优势如图8所示。

• 高带宽和高速传输：由于信号路径更短且无复杂走线，正交直连架构能够支持更高的带宽和更高速的信号传输，满足现代数据中心和高性能计算的需求。

• 降低信号损耗和干扰：直接的电气连接减少了信号传输中的损耗和干扰，提高了信号的完整性和传输质量。

• 提高能效：更短的信号路径意味着更低的能耗，有助于降低设备的整体功耗和运营成本。

• 优化散热设计：无中置背板阻挡，通风散热效果更佳，实现了前后风道设计，更符合数据中心场景的部署需求。

• 扩展性和灵活性：无中置背板设计使系统扩展更加灵活，不受背板尺寸的限制，能够更容易地支持模块化设计和系统升级。

• 简化设计和维护：优化设备设计和制造流程，节省成本，同时降低了维护的复杂度和故障排查的难度。

图8 正交直连架构的优势

正交直连架构有什么关键技术？

正交直连架构的高性能运作离不开多项关键技术的协同支持，如图9所示。

• 高速互联技术：采用高密度、高性能的连接器，实现板卡间的直接电气连接，确保高带宽传输和低延迟，同时保障信号的高效性和稳定性。

• 信号优化技术：通过精准的信号完整性分析和设计，优化传输路径，减少反射、串扰等干扰，结合差分信号、阻抗匹配和高效屏蔽技术，提升信号质量。

• 高效散热技术：针对高密度连接和高性能组件，采用先进的散热方案，如高效散热器、热导管和智能温控系统，确保系统在高温环境下的稳定运行。

• 电磁防护技术：通过严格的电磁兼容性设计和测试，确保系统在高频、高密度运行下的抗干扰能力，避免对其他设备造成影响。

• 三维集成技术：利用三维电路设计优化空间布局和信号路径，在有限的空间内实现更高的性能集成和功能扩展。

• 科学布局技术：通过合理的板卡布局设计，优化组件位置和插槽分布，最大化信号传输效率和系统稳定性。

• 精密制造技术：采用高精度制造工艺和优质材料，确保连接器和板卡的耐用性与性能一致性，包括高精度PCB制造和组装技术。

图9 正交直连架构关键技术

正交直连架构与其他架构有哪些差异？

正交直连架构、传统背板架构、Cable Tray架构的特点如表1所示。

表1 各系统架构特点对比

正交直连架构有什么典型应用？

H3C S12500G-AF智能融合核心交换机率先在业界采用高速正交直连架构，目前该架构已成为交换机开发标准架构，如图10所示。

• 信号质量优：彻底消除传统中置背板上连接器对高速链路信号质量带来的影响，连接器损耗、串扰改善50%，全链路长度提升30%，信号质量提升8倍。

• 整机容量大：整机容量可平滑扩展，极大提升了系统带宽。

• 支持速率升级：打破传统背板升级局限，支持25G → 56G → 112G速率升级。

• 散热效率高：在机箱中去除中置背板，有效增加机箱内部的通风量，散热效率提升50%。

• 系统配置复杂度低：简化了网络设备内部的背板部件，系统配置复杂度降低30%。

图10 S12500G-AF设备示意图