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Architektur der Cisco Nexus
Switches der Serie 9500
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November 2013
© 2013 Cisco und/oder Partnerunternehmen. Alle Rechte vorbehalten. Dieses Dokument enthält öffentliche Informationen von Cisco.
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Inhalt
Nexus Switches der Serie 9500: Einführung ......................................................................................................... 3
Skalierbare Kontrollebene bei Cisco Nexus Switches der Serie 9500 ................................................................ 5
Supervisor Engine ................................................................................................................................................. 5
System-Controller ................................................................................................................................................. 6
Blockierungsfreie Datenebene der Cisco Nexus Switches der Serie 9500......................................................... 7
Fabric-Modul der Nexus Serie 9500 ..................................................................................................................... 8
Linecard-Architektur der Switches der Nexus Serie 9500 ..................................................................................... 9
36 x 40GE-QSFP-Linecard (N9K-X9636PQ) ...................................................................................................... 10
48 x 1/10G-SFP+-Linecard (N9K-X9564PX) ....................................................................................................... 10
48 x 1/10GBaseT-Linecard (N9K-X9564TX) ....................................................................................................... 11
Unicast-Paketweiterleitung bei der Nexus Serie 9500 ........................................................................................ 12
1. Pipeline für die Eingangsverarbeitung ............................................................................................................ 13
2. LPM-Suche im Fabric-Modul........................................................................................................................... 14
3. Pipeline für die Ausgangsverarbeitung ........................................................................................................... 14
Multicast-Paketweiterleitung bei der Nexus Serie 9500 ..................................................................................... 15
QSFP-BiDi-Technologie von Cisco für die Migration zu 40 Gbit/s .................................................................... 16
Fazit......................................................................................................................................................................... 17
Anhang ................................................................................................................................................................... 18
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Nexus Switches der Serie 9500: Einführung
Die Cisco Nexus Serie 9500 ist eine Produktfamilie modularer Switches, die branchenweit führend eine hohe
Leistung, hohe Dichte und niedrige Latenz bei 1-, 10-, 40- und zukünftig auch 100-Gigabit-Ethernet-Anbindung
liefern. Die Nexus Switches der Serie 9500 können sowohl im ACI-Modus (Application Centric Infrastructure) als
auch im klassischen NX-OS-Modus betrieben werden. Im ACI-Modus bilden die Nexus Switches der Serie 9500
die Grundlage der neuen ACI-Architektur für die vollständig integrierte und automatisierte Netzwerkstrukturlösung
auf Basis des anwendungsspezifischen Netzwerkprofils. Im klassischen NX-OS-Modus bieten die Nexus Switches
der Serie 9500 als erste ihrer Art hochskalierbare und leistungsstarke Access und Aggregation Layers sowie
erweiterte Funktionen zur Automatisierung und Programmierbarkeit. Der Schwerpunkt dieses Whitepapers liegt auf
der gemeinsamen Hardwarearchitektur der Nexus Serie 9500 sowie auf der Implementierung der
Paketweiterleitung im klassischen NX-OS-Modus.
Der Nexus 9508-Switch mit 8 Steckplätzen (Abbildung 1) ist als erste Plattform der Produktfamilie erhältlich und
wird durch Plattformen mit 4 und 16 Steckplätzen ergänzt. Der Cisco Nexus 9508-Switch unterstützt bis zu
1.152 10GE-Ports oder 288 40GE-Ports. Beim Cisco Nexus 9516-Switch werden diese Portdichten verdoppelt. Die
Nexus 9500-Switches bieten außerdem eine hohe Portdichte für 1G-SFP/1GBase-T- und 10G-SFP+/10GBaseTVerbindungen. Durch verschiedene Chassis-Formfaktoren und Linecard-Typen sowie flexible Geschwindigkeiten
der Ports an der Vorderseite bietet die Cisco Nexus Serie 9500 hervorragende Netzwerklösungen für kleine,
mittlere und große geschäftskritische Rechenzentren.
Abbildung 1.
Tabelle 1.
Cisco Nexus Switch der Serie 9508
Chassis und Weiterleitungseigenschaften der Cisco Nexus Serie 9500
Kennzahl
NEXUS 9504
NEXUS 9508
NEXUS 9516
Höhe
7 HE
13 HE
20 HE
Supervisor-Steckplätze
2
2
2
Fabric-Modulsteckplätze
6
6
6
Linecard-Steckplätze
4
8
16
Max. Fabric-Bandbreite pro Steckplatz (Tbit/s)
3,84 Tbit/s
3,84 Tbit/s
3,84 Tbit/s
Max. Fabric-Bandbreite pro System (Tbit/s)
15 Tbit/s
30 Tbit/s
60 Tbit/s
Max. 1/10/40-Ports
192/576/144
384/1152/288
768/2304/576
Max. Weiterleitungsdurchsatz pro Linecard (Tbit/s)
2,88 Tbit/s
2,88 Tbit/s
2,88 Tbit/s
Max. Weiterleitungsdurchsatz pro System (Tbit/s)
11,52 Tbit/s
23,04 Tbit/s
46,08 Tbit/s
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Kennzahl
NEXUS 9504
NEXUS 9508
NEXUS 9516
Lüfter
Von der Vorder- zur
Rückseite
Von der Vorder- zur
Rückseite
Von der Vorder- zur
Rückseite
Netzteile
4 x 3-kW-Netzteile
8 x 3-kW-Netzteile
8 x 3-kW-Netzteile
Lüftereinschübe
3
3
3
Die Switches der Cisco Nexus Serie 9500 verfügen über eine modulare Architektur, die aus Switch-Chassis,
Supervisors, System-Controllern, Fabric-Modulen, Linecards, Netzteilen und Lüftereinschüben besteht. Dabei
bilden Supervisors, System-Controller, Linecards und Netzteile gemeinsame Komponenten, die von der gesamten
Nexus 9500-Produktfamilie genutzt werden können.
Das Chassis der Cisco Nexus Serie 9500 verfügt über ein innovatives Design ohne Midplane (Abbildung 2). Eine
Midplane kommt in der Regel bei modularen Plattformen zum Einsatz, um eine Verbindung zwischen Linecards
und Fabric-Modulen zu ermöglichen. Als zusätzliche Hardwarekomponente innerhalb des Switch-Chassis
behindert sie jedoch den Luftstrom. Aus diesem Grund sind zusätzliche Überlegungen notwendig, um den
Luftstrom zu erleichtern, z. B. Aussparungen an der Midplane oder eine Umleitung des Luftstroms, wodurch jedoch
die Effizienz der Kühlung sinkt. Die Nexus Serie 9500 ist die erste Switch-Plattform der Branche, bei der keine
Chassis-Midplane erforderlich ist. Dank eines präzisen Ausrichtungsmechanismus können die Linecards und die
Fabric-Module der Nexus Serie 9500 über Pins direkt miteinander verbunden werden. Linecards und FabricModule sind im Chassis rechtwinklig ausgerichtet, sodass alle Fabric-Module mit allen Linecards verbunden
werden können und umgekehrt. Da der Luftstrom nicht durch eine Midplane behindert wird, bietet das ChassisDesign eine maximale Kühlungseffizienz. So kann auch das Design des Chassis kompakt gehalten werden, da
keine großen Lüfter erforderlich sind.
Abbildung 2.
Chassis-Design der Nexus Serie 9500 ohne Midplane
Das Chassis-Design ohne Midplane vereinfacht neben der Bereitstellung der Switch-Plattform auch HardwareUpgrades erheblich. In einigen Fällen, wenn neue Komponenten wie Linecards oder Fabric-Module hinzugefügt
werden, ist jedoch ein Upgrade auf ein Midplane-Design erforderlich. Dieser Hardware-Upgrade-Prozess führt zu
einer höheren Komplexität und zu Serviceunterbrechungen. Bei der Cisco Nexus Serie 9500 sind keine
Installationen oder Upgrades einer Midplane erforderlich. Ein weiterer Vorteil der wegfallenden Midplane ist eine
deutlich kürzere durchschnittliche Reparaturzeit. Wenn bei einem Switch mit Midplane etwa ein Pin verbogen wird,
muss der gesamte Switch außer Betrieb genommen und zerlegt werden, um die Midplane zu ersetzen. Bei der
Serie 9500 können die beschädigten Komponenten ersetzt werden, ohne dass die übrigen Komponenten des
Chassis davon betroffen sind.
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Neben höchster Effizienz bei der Kühlung ist die Cisco Nexus Serie 9500 auch bei der Energieeffizienz führend.
Die Netzteile sind mit dem Branchenstandard 80 PLUS Platinum für höchste Effizienz zertifiziert. Die Linecards
und Fabric-Module der Nexus Serie 9500 verfügen über eine minimale Anzahl von ASICs, sodass die Anzahl der
Wärmenester in einem Modul deutlich verringert wird. Ergebnis dieser Innovationen ist ein unerreicht niedriger
Stromverbrauch pro Port:
Stromverbrauch/Port
10-Gbit/s-Port
40-Gbit/s-Port
Watt pro Port
3,85 W/Port
15,4 W/Port
Skalierbare Kontrollebene bei Cisco Nexus Switches der Serie 9500
Die Supervisor Engine der Cisco Nexus Serie 9500 stellt eine skalierbare Kontrollebene für die Switches dar. Der
System-Controller lagert die Verbindungs- und Managementfunktionen der internen Komponenten von der
Supervisor Engine aus. Die Trennung der internen Managementaufgaben von der Supervisor Engine führt zu einer
höheren Zuverlässigkeit der Switch-Kontrollebene. Dadurch werden Modularität und Ausfallsicherheit des
gesamten Switch-Systems verbessert.
Supervisor Engine
Die Cisco Nexus Serie 9500 unterstützt redundante Supervisor Engines mit halber Breite, die Funktionen der
Kontrollebene erfüllen. Die Switch-Software, eine erweiterte Version von NX-OS, wird auf den Supervisor-Modulen
ausgeführt. Die redundanten Supervisor-Module unterstützen aktiv und im Standby-Modus sowohl das Stateful
Switchover bei einem Ausfall der Supervisor-Modulhardware als auch das In-Service Software Upgrade (ISSU),
das Upgrades und Wartung der Software ohne Auswirkungen auf die Produktion ermöglicht.
Der CPU-Komplex des Nexus 9500-Supervisors basiert auf der Intel Romley-Plattform mit Sandy Bridge ExonProzessoren mit 4 Kernen. Der Systemspeicher von standardmäßig 16 GB kann nachträglich auf 48 GB erweitert
werden. Ein integriertes 64-GB-SSD bietet zusätzlich integrierten, nichtflüchtigen Speicher. Die
Hochgeschwindigkeits-Multicore-CPU und der besonders große Speicher bilden zusammen die Grundlage einer
schnellen und zuverlässigen Kontrollebene für das Switch-System. Die Protokolle auf der Kontrollebene profitieren
von diesem umfangreichen Speicherpotenzial, sodass bei Änderungen des Netzwerkstatus eine schnelle
Initialisierung und sofortige Konvergenz möglich sind. Darüber hinaus bieten der erweiterbare DRAM-Speicher und
die Multicore-CPU genügend Rechenleistung und Ressourcen für c-group-basierte Linux-Container, in denen
Anwendungen von Drittanbietern installiert und ausgeführt werden können. Das integrierte SSD bietet zusätzlichen
Speicher für Protokolle, Image-Dateien und Anwendungen von Drittanbietern.
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Abbildung 3.
Supervisor Engine der Cisco Nexus Serie 9500
Supervisor-Modul
Prozessor
Romley, 1,8 GHz, 4 Kerne
Systemspeicher
16 GB, erweiterbar auf 48 GB
Serielle RS-232-Ports
Ein (RJ-45)
10/100/1000-Managementport
Eine (RJ-45)
USB 2.0-Schnittstelle
Zwei
SSD-Speicher
64 GB
Die Supervisor Engine verfügt über einen seriellen Konsolenport (RJ-45) und einen 10/100/1000-EthernetManagementport (RJ-45) für das Out-of-Band-Management. Zwei USB 2.0-Schnittstellen unterstützen einen
externen USB-Flash-Speicher zur Übertragung von Image-, Syslog- oder Konfigurationsdateien und für weitere
Zwecke. Ein PPS-Eingangsport (Pulse-per-second) am Supervisor-Modul ermöglicht eine präzise TimingSynchronisierung.
Die Kommunikation zwischen Supervisor und Fabric-Modulen oder Linecards erfolgt entweder über EOBC
(Ethernet Out-of-Band Channel) oder über EPC (Ethernet Protocol Channel). Da beide Kanäle eine zentrale
Anlaufstelle auf den System-Controllern haben, entstehen redundante Pfade.
System-Controller
Die System-Controller der Cisco Nexus Serie 9500 lagern die internen Switching- und Managementfunktionen
abseits der Datenpfade von den Supervisor Engines aus. Darüber hinaus ermöglichen sie den Zugang zu den
Netzteilen und zu den Lüftereinschüben.
Die System-Controller bilden die systeminterne Kommunikationsschaltzentrale. Sie fungieren als Host für zwei
Hauptkommunikationspfade für Kontrolle und Management, Ethernet Out-of-Band Channel (EOBC) und Ethernet
Protocol Channel (EPC), zwischen Supervisor Engines, Linecards und Fabric-Modulen.
Sämtliche systeminterne Managementkommunikation zwischen den Modulen erfolgt über den EOBC-Kanal. Der
EOBC-Kanal wird über einen Switch-Chipsatz auf den System-Controllern realisiert, der alle Module (Supervisor
Engines, Fabric-Module und Linecards) miteinander verbindet.
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Der EPC-Kanal verarbeitet die systeminterne Kommunikation über das Datenebenenprotokoll. Dieser
Kommunikationspfad wird über einen weiteren redundanten Ethernet-Switch-Chipsatz auf den System-Controllern
realisiert. Im Gegensatz zum EOBC-Kanal werden über den EPC-Kanal nur die Fabric-Module mit den Supervisor
Engines verbunden. Wenn Protokollpakete an die Supervisors gesendet werden müssen, verwenden die Linecards
den internen Datenpfad zur Übertragung der Pakete an die Fabric-Module. Die Fabric-Module leiten die Pakete
anschließend über den EPC-Kanal an die Supervisor Engines weiter.
Der System-Controller kommuniziert außerdem über den redundanten Systemmanagement-Bus (SMB) mit den
Netzteilen und Lüfter-Controllern, um Managementaufgaben wahrzunehmen.
Die Cisco Nexus Serie 9500 unterstützt redundante System-Controller. Wenn zwei System-Controller in einem
Chassis vorhanden sind, wird der aktive System-Controller durch einen Entscheidungsprozess ermittelt. Der
andere Controller übernimmt die Sekundär- oder Standby-Rolle, um Redundanz zu gewährleisten.
Abbildung 4.
System-Controller der Cisco Nexus Serie 9500
Blockierungsfreie Datenebene der Cisco Nexus Switches der Serie 9500
Während die Kontrollebene des Switches zentral auf den Supervisor Engines ausgeführt wird, erfolgen Suche und
Weiterleitung der Pakete auf der Datenebene in hohem Maße verteilt über die Linecards und Fabric-Module.
Sowohl die Linecards als auch die Fabric-Module der Cisco Nexus Serie 9500 sind mit mehreren
Netzwerkweiterleitungs-Engines (NFEs) ausgestattet, die Funktionen zur Suche, Verarbeitung und Weiterleitung
der Pakete ausführen. Bei der Entwicklung der Nexus Serie 9500 wurde auf eine blockierungsfreie Architektur und
auf die Leitungsgeschwindigkeit an allen Ports unabhängig von der Paketgröße geachtet. Da viele moderne
Anwendungen für Rechenzentren mit kleinen Paketen arbeiten, muss auch für kleinste Pakete von 64 Byte die
Leitungsgeschwindigkeit unterstützt werden. Um diese Weiterleitungsleistung zu erreichen, sind die Linecards und
die Fabric-Module der Nexus Serie 9500 mit der erforderlichen Anzahl von NFEs ausgestattet. Pro NFE werden bis
zu 24 40GE-Ports genutzt, um die Leitungsgeschwindigkeit zu gewährleisten. Von diesen 24 40GE-Ports dienen
12 40GE-Ports (mit 42GE getaktet, um die zusätzlichen Bits im internen Frame-Header unterzubringen) der
internen Verbindung mit den Fabric-Modulen. Die anderen 12 Ports fungieren als Schnittstellen an der Vorderseite,
um 1-, 10-, 40- und zukünftig auch 100GE-Ports für Benutzerdaten zu unterstützen.
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Abbildung 5.
Verteilte Datenebene der Nexus Serie 9500
Die NFEs speichern die Informationen zur Layer-2- und Layer-3-Weiterleitung in einer Kombination aus dedizierten
TCAM-Tablespaces und gemeinsamen Hashtabellen, die als Unified Forwarding Table (UFT) bezeichnet wird. Die
UFT kann flexibel in drei Weiterleitungstabellen unterteilt werden, nämlich der MAC-Adresstabelle, der IP-Hosttabelle
und der LPM-Tabelle. Mit diesem programmierbaren, gemeinsam genutzten Speicher kann verschiedenen
Bereitstellungsszenarien flexibel Rechnung getragen und die Effizienz der Speicherressourcennutzung erhöht
werden.
Um die systemweite Weiterleitungsskalierbarkeit zu erhöhen, nutzen die Nexus 9500-Switches die UFT-Tabellen der
Linecards und der Fabric-Module für verschiedene Suchfunktionen zur Weiterleitung. In der UFT der Linecards
werden die L2-MAC-Tabelle und die L3-Hosttabelle gespeichert. Die Linecards sind entsprechend für L2-SwitchingSuchvorgänge und L3-Host-Routing-Suchvorgänge verantwortlich. In der UFT der Fabric-Module wird die L3-LPMTabelle gespeichert; entsprechend werden L3-LPM-Routing-Suchvorgänge durchgeführt. Sowohl Linecards als auch
Fabric-Module verfügen über Multicast-Tabellen und führen verteilte Multicast-Suchvorgänge sowie Paketreplizierung
durch. Für Multicast werden dieselben Tabellenressourcen wie für L3-Hosteinträge auf den Linecards genutzt. In
Abbildung 6 ist die systemweite Weiterleitungsskalierbarkeit der Nexus Switches der Serie 9500 dargestellt.
Abbildung 6.
Systemweite Weiterleitungsskalierbarkeit der Nexus Serie 9500
Fabric-Modul der Nexus Serie 9500
Ein Nexus Switch der Serie 9500 kann bis zu sechs Fabric-Module enthalten, die alle im aktiven Modus arbeiten.
Jedes Fabric-Modul besteht aus mehreren NFEs, 2 bei Nexus 9508-Switches und 4 bei Nexus 9516-Switches
(Abbildung 7).
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Bei Nexus 9508-Switches können die Fabric-Module aus bis zu zwölf NFEs bestehen. Dadurch werden die
Bandbreite für den Datenpfad und die Paketweiterleitungskapazität bereitgestellt, die für eine blockierungsfreie
Architektur erforderlich sind. Aus diesem Grund unterstützt der Nexus 9508-Switch die echte
Leitungsgeschwindigkeit auf allen Linecards unabhängig von der Paketgröße.
Abbildung 7.
Fabric-Modul der Nexus Serie 9500
Das Fabric-Modul der Nexus Serie 9500 erfüllt die folgenden wichtigen Funktionen in der modularen ChassisArchitektur:
●
Bereitstellung blockierungsfreier Anbindung für eine Datenweiterleitung mit hoher Geschwindigkeit für
Linecards: Alle Verbindungen der Netzwerkweiterleitungs-Engines sind aktive Datenpfade. Jedes FabricModul kann bis zu 8 40-Gbit/s-Verbindungen pro Linecard-Steckplatz bereitstellen. Eine mit 6 FabricModulen bereitgestellte Nexus 9500-Chassis kann potenziell 48 40-Gbit/s-Fabric-Pfade pro LinecardSteckplatz bereitstellen. Dies entspricht einer Vollduplex-Bandbreite von 3,84 Tbit/s pro Steckplatz.
●
Durchführung verteilter LPM-Routing-Suchvorgänge (Longest Prefix Match) für IPv4- und IPv6-Datenverkehr:
Die LPM-Weiterleitungsinformationen werden in den Fabric-Modulen der Nexus 9500-Switches gespeichert.
Bis zu 128.000 IPv4-Präfixe bzw. 32.000 IPv6-Präfixe werden unterstützt.
●
Durchführung von verteilten Multicast-Suchvorgängen und Paketreplizierung, um Kopien von MulticastPaketen an die empfangenden Ausgangs-NFEs zu senden
Linecard-Architektur der Switches der Nexus Serie 9500
Die Linecards der Nexus Serie 9500 können in zwei Typen kategorisiert werden, Aggregations-Linecards und ACIfähige Leaf-Linecards. Aggregations-Linecards ermöglichen 10GE/40GE-Verbindungen mit hoher Dichte bei
Nexus 9500-Switches im klassischen NX-OS-Modus. ACI-fähige Leaf-Linecards können sowohl im klassischen
NX-OS-Modus als auch im ACI-Modus betrieben werden.
Alle Nexus 9500-Linecards bestehen aus mehreren NFEs zur Paketsuche und -weiterleitung. Darüber hinaus
verfügen die ACI-fähigen Leaf-Linecards über eine Reihe von ACI-Leaf-Engines (ALEs). Wie der Name bereits
vermuten lässt, führt eine ALE Funktionen des Leaf-Knotens in der ACI durch, wenn ein Nexus 9500-Switch als
Leaf-Knoten in einer ACI bereitgestellt ist. Wenn der Nexus 9500-Switch im klassischen NX-OS-Modus betrieben
wird, bietet die ALE einer ACI-fähigen Leaf-Linecard in erster Linie zusätzliche Pufferkapazität und erleichtert
einige Netzwerkfunktionen, wie z. B. das Routing in einem VXLAN-Overlay.
Die NFEs einer Linecard führen L2-Switching-Suchvorgänge und L3-Host-Routing-Suchvorgänge durch. Linecards
verfügen über eine unterschiedliche Anzahl von NFEs, um die Weiterleitung bei voller Leitungsgeschwindigkeit für
alle IP-Paketgrößen an allen Ports an der Vorderseite zu unterstützen.
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Neben der unterstützten Leitungsgeschwindigkeit auf der Datenebene verfügen die Linecards der Nexus Switches
der Serie 9500 auch über eine integrierte Dual-Core-CPU. Diese CPU ermöglicht die Beschleunigung einiger
Aufgaben der Kontrollebene (z. B. Programmieren der Ressourcen in der Hardwaretabelle, Erfassen und
Versenden von Linecard-Zählern und Statistiken) und die Auslagerung der BFD-Protokollverarbeitung von den
Supervisors. Dadurch kann die Leistung der Systemkontrollebene erheblich verbessert werden.
36 x 40GE-QSFP-Linecard (N9K-X9636PQ)
Die N9K-X9636PQ (Abbildung 8) ist eine Aggregations-Linecard mit 36 40GE-QSFP-Ports an der Vorderseite. Sie
verfügt über drei NFEs zur Paketweiterleitung, die jeweils 12 40GE-Ports an der Vorderseite und 12 interne Ports
zu den Fabric-Modulen (mit 42 Gbit/s getaktet, um den internen Frame-Overhead unterzubringen) unterstützen.
Alle 36 40GE-Ports an der Vorderseite der N9K-X9636PQ unterstützen den 4 x 10GE-Breakout-Modus für den
Betrieb als 4 einzelne 10GE-Ports. Dadurch kann die Linecard bis zu 144 10GE-SFP+-Ports bereitstellen.
Diese Linecard enthält keine PHY-Chips. So können die Latenz des Datentransports am Port um 100 ns verringert,
der Stromverbrauch des Ports gesenkt und die Zuverlässigkeit durch weniger aktive Komponenten erhöht werden.
Alle Trace-Abstände zwischen den NFEs und den 12 unterstützten optischen QSFP-Verbindungen betragen
weniger als 18 cm, sodass keine Retimer erforderlich sind. Dadurch wird das Linecard-Design noch weiter
vereinfacht und die Anzahl der aktiven Komponenten verringert.
Abbildung 8.
36 x 40GE-QSFP-Linecard der Nexus Serie 9500
48 x 1/10G-SFP+-Linecard (N9K-X9564PX)
Die N9K-X9564PX (Abbildung 9) ist eine ACI-fähige Leaf-Linecard. Sie verfügt über 48 1GE-SPF-/10GE-SPF+-Ports
und 4 40GE-QSFP-Ports. Alle 4 40GE-Ports unterstützen den 4 x 10GE-Breakout-Modus für den Betrieb als 4 einzelne
10GE-Ports. Somit kann die Linecard bis zu 64 10GE-Ports bereitstellen. Durch die flexiblen Portgeschwindigkeiten
gestalten sich Netzwerkzugriff und Aggregations-Design besonders einfach und kosteneffizient.
Zu den Hauptkomponenten dieser Linecard gehören zwei NFEs, zwei ALEs und eine Linecard-CPU. Die beiden
NFEs stellen die Ports an der Vorderseite bereit. Eine NFE enthält 48 1/10G-Ports, die andere 4 40G-Ports. Die
beiden ALEs bieten eine erweiterte Pufferkapazität, zusätzliche Paketverarbeitung sowie die Option zum Einsatz
der Linecard im ACI-Modus.
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Um eine flexible Nutzung von Porttypen und Geschwindigkeiten zu ermöglichen, können die Ports an der
Vorderseite dieser Linecard mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrieben werden. Abweichende
Portgeschwindigkeiten sind eine der Hauptursachen von Portüberlastung und Paketpufferung. Daher erfordert
diese Linecard möglicherweise eine höhere Pufferkapazität, als die NFEs bereitstellen können. Die beiden ALEs
bieten jeweils eine zusätzliche Pufferkapazität von bis zu 40 MB. Da sich die ALEs zwischen den NFEs und den
Fabric-Modulen befinden, können sie den Datenverkehr zwischen diesen Komponenten puffern. Lokaler SwitchVerkehr von einem 10G-Port zu einem 1G-Port derselben NFE kann auch an die ALE an deren NorthboundSchnittstelle umgeleitet werden, um die erweiterte Pufferkapazität nutzen zu können.
Wie auch die N9K-X9636PQ enthält diese Linecard keine PHY-Chips, was einen niedrigeren Stromverbrauch, eine
geringere Latenz und eine höhere Zuverlässigkeit ermöglicht.
Abbildung 9.
48 x 1/10GE-SPF+- und 4 x 40GE-QSFP-Linecard der Nexus Serie 9500
48 x 1/10GBaseT-Linecard (N9K-X9564TX)
Die N9K-X9564TX (Abbildung 10) ist ebenfalls eine ACI-fähige Leaf-Linecard. Sie enthält 48 1G/10GBaseT-Ports
und 4 40G-QSFP-Ports. Ihre Architektur ähnelt der N9K-X9564PX, allerdings sind alle 48 1G/10GBaseT-Ports mit
10GT-PHYs implementiert, um die Umwandlung in physische 1G/10GBaseT-Medien zu ermöglichen.
Abbildung 10. 48 x 1/10GBaseT- und 4 x 40GE-QSFP-Linecard der Nexus Serie 9500
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Unicast-Paketweiterleitung bei der Nexus Serie 9500
Wie bereits erwähnt, verfügen beide Linecards und Fabric-Module bei Nexus Switches der Serie 9500 über NFEs,
die Funktionen zur Paketsuche und -weiterleitung ausführen. Jede NFE enthält Weiterleitungstabellen, darunter
TCAM-Tabellen und eine programmierbare Hashtabelle, die als Unified Forwarding Table (UFT) bezeichnet wird.
Diese kann für L2-MAC-Einträge, IP-Hosteinträge oder LPM-Einträge flexibel zugewiesen werden. Zusammen mit
der vollständig verteilten Architektur zur Datenweiterleitung kann so bei den Cisco Nexus Switches der Serie 9500
die Nutzung der Tabellenressourcen der Linecards und Fabric-Module optimiert werden, um eine maximale
Systemskalierbarkeit bei der Layer-2- und Layer-3-Weiterleitung zu ermöglichen. Außerdem können die
Nexus 9500-Switches dadurch in Rechenzentren unterschiedlichster Größen mit einer Vielzahl verschiedener
Anwendungen bereitgestellt werden.
Linecard
Fabric-Modul
L2 MAC-TABELLE
160.000
-
L3-Hosttabelle
88.000
-
LPM-Tabelle
-
128.000
Zur Weiterleitungsarchitektur auf der Datenebene von Cisco Nexus Switches der Serie 9500 gehören auch die
Eingangspipeline in der Eingangs-NFE, die Fabric-Modulweiterleitung und die Ausgangspipeline in der AusgangsNFE. Eingangs- und Ausgangspipeline können auf derselben Linecard oder auch in derselben NFE ausgeführt
werden, wenn Eingangs- und Ausgangsport derselben NFE angehören.
Eine NFE besteht aus einer Pipeline für die Eingangsverarbeitung, einem Puffermanager für
Warteschlangenverwaltung und Terminierung und einer Pipeline für die Ausgangsverarbeitung. In der Pipeline für
die Eingangsverarbeitung wird ein Parsing der Paket-Header durchgeführt sowie Tunnelterminierung, VRFErkennung, L2/L3-Suche anhand der Informationen im geparsten Paket-Header und Verarbeitung der EingangsACLs. Der Puffermanager ist für alle Funktionen zur Warteschlangenverwaltung und Terminierung verantwortlich.
In der Ausgangspipeline werden alle Paketmodifizierungen und Ausgangs-ACLs verarbeitet. Alle Suchvorgänge,
wie z. B. in L2/L3/ACL-Tabellen, erfolgen in der Eingangspipeline. Sowohl Eingangs- als auch Ausgangspipeline
enthalten mehrere Phasen, um die parallele Verarbeitung der Pakete zu ermöglichen.
Abbildung 11. Unicast-Paketweiterleitung der Nexus Serie 9500
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1. Pipeline für die Eingangsverarbeitung
Parsing der Paket-Header
Beim Eingang über einen Port an der Vorderseite wird ein Paket über die Eingangspipeline in der NFE der
Linecard übertragen. Im ersten Schritt wird ein Parsing des Paket-Headers durchgeführt. Der flexible Paket-Parser
parst die ersten 128 Bytes des Pakets, um Informationen wie L2-Header, EtherType, L3-Header und TCP/IPProtokolle zu extrahieren und zu speichern. Diese Informationen werden für weitere Paketsuchvorgänge und für
die Verarbeitungslogik verwendet.
L2-MAC- und L3-Hostsuche
Bei der Übertragung über die Eingangspipeline werden für das Paket L2-Switching- und L3-Routing-Suchvorgänge
durchgeführt. Die NFE bestimmt zunächst anhand der Ziel-MAC-Adresse (DMAC) des Pakets, ob L2-Switching oder
L3-Routing erforderlich ist. Wenn die DMAC mit der MAC-Adresse des Switch-Routers übereinstimmt, wird das Paket
an die L3-Routing-Suchlogik übergeben. Wenn die DMAC nicht dem Switch angehört, wird eine L2-Switching-Suche
anhand der DMAC und der VLAN-ID durchgeführt. Wird eine Übereinstimmung in der MAC-Adresstabelle gefunden,
so wird das Paket an den Ausgangsport gesendet. Wird keine Übereinstimmung für die Kombination aus DMAC und
VLAN-ID gefunden, so wird das Paket an alle Ports im selben VLAN weitergeleitet.
Im Rahmen der L2-Switching-Logik führt die NFE auch eine Suche nach der Quell-MAC-Adresse (SMAC) durch
(hardwarebasierte Erfassung). Die MAC-Adresstabelle wird nach der SMAC und der VLAN-ID durchsucht. Wird
keine Übereinstimmung gefunden, wird die neue Adresse erfasst und dem Eingangsport des Pakets zugeordnet.
Wird eine Übereinstimmung gefunden, erfolgt keine Erfassung. Die NFE unterstützt auch hardwaregestützte
Alterung. Einträge, die über einen längeren Zeitraum (eine konfigurierbare Alterungszeit) nicht verwendet wurden,
werden automatisch gelöscht.
Innerhalb der L3-Suchlogik der Linecard-NFE wird die Ziel-IP-Adresse (DIP) zum Durchsuchen der L3-Hosttabelle
verwendet. In dieser Tabelle sind die Weiterleitungseinträge für direkt verbundene Hosts oder erfasste /32-Hostrouten
gespeichert. Wenn die DIP mit einem Eintrag in der Hosttabelle übereinstimmt, gibt dieser Eintrag den Zielport, die
MAC-Adresse für den nächsten Hop und das Ausgangs-VLAN an. Wenn die Hosttabelle keine Übereinstimmung mit
der DIP enthält, wird das Paket an das Fabric-Modul weitergeleitet, wo schließlich die LPM-Suche (Longest Prefix
Match) in der LPM-Routing-Tabelle durchgeführt wird.
Wenn beim Layer-2-Switching und Layer-3-Host-Routing der Ausgangsport lokal in der NFE enthalten ist, werden die
Pakete von der NFE lokal weitergeleitet und nicht an die Fabric-Module übertragen. Wenn bei einer ACI-fähigen LeafLinecard der Eingangsport eine höhere Geschwindigkeit als der Ausgangsport aufweist, werden die Pakete an die
ALE umgeleitet, um die abweichenden Portgeschwindigkeiten durch zusätzliche Pufferung auszugleichen.
Verarbeitung der Eingangs-ACLs
Neben den Suchvorgängen zur Weiterleitung erfolgt auch eine Verarbeitung der Eingangs-ACLs für das Paket. Der
ACL-TCAM wird nach Übereinstimmungen mit den Eingangs-ACLs durchsucht. Jede NFE enthält eine TCAMTabelle für Eingangs-ACLs mit 4.000 Einträgen, um systeminterne ACLs und benutzerdefinierte Eingangs-ACLs zu
unterstützen. Zu diesen ACLs gehören Port-ACLs, geroutete ACLs und VLAN-ACLs. Die ACL-Einträge werden zur
NFE lokalisiert und nur bei Bedarf programmiert. Dies ermöglicht eine maximale Nutzung des ACL-TCAMs
innerhalb eines Nexus 9500-Switches.
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Klassifizierung des Eingangsdatenverkehrs
Die Nexus Switches der Serie 9500 unterstützen die Klassifizierung des Eingangsdatenverkehrs. An einer
Eingangsschnittstelle kann der Datenverkehr anhand von Adressfeldern, 802.1q-CoS und IP-Rangfolge oder
DSCP im Paketkopf klassifiziert werden. Der klassifizierte Datenverkehr kann einer der vier QoS-Gruppen
zugewiesen werden. Die QoS-Gruppen dienen der internen Identifizierung der Datenverkehrsklassen für die
anschließenden QoS-Prozesse bei der Weiterleitung der Pakete durch das System.
Eingangs-Zugangskontrolle, Warteschlangenverwaltung und Policing
Der Puffermanager führt Funktionen zum Eingangs-Accounting und zur Zugangskontrolle des Datenverkehrs in der
Pipeline für die Eingangsverarbeitung durch. Jede NFE verfügt über einen 12 MB großen Pufferspeicher, der aus
60.000 208-Byte-Zellen besteht. Diese Pufferressource wird dynamisch vom Ein- und Ausgangsverkehr
gemeinsam genutzt. Der Eingangs-Zugangskontrollmechanismus entscheidet, ob ein Paket in den Speicher
übertragen werden kann. Diese Entscheidung basiert auf dem verfügbaren Pufferspeicher und auf dem bereits
durch den Eingangsport und die Datenverkehrsklasse belegten Pufferspeicher.
Die Nexus Switches der Serie 9500 unterstützen ein klassenbasiertes Eingangs-Policing. Policing-Richtlinien
können anhand eines bestimmten Mechanismus (eine Rate, zwei Farben oder zwei Raten, drei Farben) definiert
werden.
2. LPM-Suche im Fabric-Modul
Wenn ein Paket an ein Fabric-Modul weitergeleitet wird, werden abhängig von den Suchergebnissen auf der
Eingangs-Linecard unterschiedliche Aktionen ausgeführt. Wenn für das Paket L2-Switching oder L3-Host-Routing
erfolgt, wurden auf der Eingangs-Linecard die Informationen zum Ausgangsport, zur MAC-Adresse für den
nächsten Hop und zum Ausgangs-VLAN aufgelöst. In diesem Fall leitet das Fabric-Modul das Paket an die
Ausgangs-Linecard weiter. Wenn für das Paket eine LPM-Suche erforderlich ist, durchsucht das Fabric-Modul die
LPM-Tabelle und leitet das Paket an die am besten übereinstimmende Ziel-IP-Adresse (DIP) weiter. Wird keine
übereinstimmende DIP gefunden, wird das Paket verworfen. Die Unified Forwarding Table (UFT) in der NFE des
Fabric-Moduls enthält 128.000 LPM-Einträge.
3. Pipeline für die Ausgangsverarbeitung
Die Pipeline für die Ausgangsverarbeitung ist relativ einfach strukturiert, da die meisten Such- und
Entscheidungsvorgänge bereits in der Eingangspipeline erfolgen. Eine wichtige Funktion der Ausgangspipeline
besteht jedoch in der Ausgangs-QoS, die WRED/ECN, Ausgangswarteschlange und Ausgangs-Shaping umfasst.
Ausgangswarteschlange und Terminierung
Gemäß dem Designprinzip der Einfachheit und Effizienz nutzen die Nexus Switches der Serie 9500 eine einfache
Ausgangswarteschlangen-Architektur. Bei Überlastung eines Ausgangsports werden die Pakete direkt im Puffer
der Ausgangs-Linecard in die Warteschlange gestellt. Auf den Eingangs-Linecards sind keine virtuellen
Ausgabewarteschlangen (VoQs) vorhanden. Dadurch werden das Puffermanagement und die
Warteschlangenimplementierung des Systems deutlich vereinfacht. Ein Nexus 9500-Switch unterstützt bis zu
sechs Datenverkehrsklassen am Ausgang (vier durch QoS-Gruppen-IDs gekennzeichnete benutzerdefinierte
Klassen, eine CPU-Kontrollverkehrsklasse und eine SPAN-Verkehrsklasse). Jede benutzerdefinierte Klasse kann
über eine Unicast- und eine Multicast-Warteschlange pro Ausgangsport verfügen. Der 12-MB-Puffer einer NFE
wird von den lokalen Ports gemeinsam genutzt. Die Switch-Software enthält einen Mechanismus zur Überwachung
und Begrenzung der Puffernutzung durch die Ausgangsports. Dadurch wird sichergestellt, dass einzelne Ports nur
einen angemessenen Anteil am Pufferspeicher beanspruchen, um einen Pufferspeichermangel bei anderen Ports
zu verhindern.
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Die ALEs der ACI-fähigen Leaf-Linecards verfügen jeweils über eine Pufferkapazität von weiteren 40 MB. 10 MB
dieser Pufferkapazität sind dem Datenverkehr an die Fabric zugeteilt. Die übrigen 30 MB sind dem Ausgangsverkehr
von den Fabric-Modulen und dem lokalen Switch-Verkehr von Eingangsports mit höherer Geschwindigkeit zu
Ausgangsports mit niedrigerer Geschwindigkeit zugeteilt. Dieser 30-MB-Puffer wird für erweiterte
Ausgabewarteschlangen für Unicast-Datenverkehr verwendet. Die NFE gibt den Status der Unicast-Warteschlange
über einen OOBFC-Signalisierungskanal (Out-of-Band Flow Control) an die ALE weiter. Wenn eine
Ausgangswarteschlange den konfigurierten Grenzwert überschreitet, weist die NFE die ALE über ein OOBFC-Signal
dazu an, die Weiterleitung des Datenverkehrs aus dieser Warteschlange zu stoppen und stattdessen die Pakete in
ihrem eigenen Puffer in die Warteschlange zu stellen. Beim Empfang dieses Signals erstellt die ALE die erweiterte
Ausgabewarteschlange für diesen Datenverkehr am entsprechenden Ausgangsport. Sobald die Länge der
Ausgangswarteschlange auf den konfigurierten Neustartgrenzwert reduziert wird, weist die NFE die ALE über ein
weiteres OOBFC-Signal dazu an, die Übertragung des Datenverkehrs für diese Warteschlange wieder aufzunehmen.
Abbildung 12. Erweiterte Ausgabewarteschlange (EoQ) der Nexus Serie 9500
Diese Architektur mit erweiterten Ausgabewarteschlangen ist ein einfacher, aber sehr effizienter Ansatz zur
Verhinderung überlasteter Ports. Damit wird gewährleistet, dass einzelne Ports keinen Pufferspeichermangel bei
anderen Ports verursachen können.
Multicast-Paketweiterleitung bei der Nexus Serie 9500
Multicast-Pakete durchlaufen dieselben Pipelines für die Eingangs- und Ausgangsverarbeitung wie UnicastPakete. Ein Unterschied bei der Paketsuche und -weiterleitung besteht jedoch darin, dass die Nexus 9500Switches die verteilte Multicast-Suche und Replizierung in drei Phasen durchführen. Die Multicast-Routing-Tabelle
ist in allen Linecards und Fabric-Modulen gespeichert. Die Eingangs-NFE führt die erste Suche durch, um die
lokalen Empfänger aufzulösen. Wenn lokale Empfänger vorhanden sind, erstellt die NFE eine Kopie pro lokalem
Empfängerport. Die Eingangs-NFE sendet außerdem eine Kopie des eingehenden Pakets an das Fabric-Modul.
Beim Empfang des Pakets führt das Fabric-Modul die zweite Suche nach den Ausgangs-Linecards durch. Das
Fabric-Modul repliziert das Paket in jede Ausgangs-NFE.
Die Ausgangs-NFE führt die dritte Suche durch, um die lokalen Empfänger aufzulösen, und repliziert das Paket an
diese Ports. Diese mehrstufige Multicast-Suche und -Replizierung ist die effizienteste Methode zur Replizierung
und Weiterleitung von Multicast-Datenverkehr.
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Abbildung 13. Multicast-Paketweiterleitung bei der Nexus Serie 9500
Ein weiterer Unterschied zwischen Multicast- und Unicast-Weiterleitung besteht darin, dass für MulticastDatenverkehr keine erweiterten Ausgabewarteschlangen vorhanden sind. Die NFEs unterstützen vier MulticastWarteschlangen pro Ausgangsport. Wenn ALEs vorhanden sind, wird Multicast-Datenverkehr unabhängig von den
Multicast-Warteschlangen der NFE in die Warteschlange gestellt. Es wird kein Rückstausignal zur Steuerung der
Multicast-Warteschlangen über den OOBFC-Kanal gesendet.
QSFP-BiDi-Technologie von Cisco für die Migration zu 40 Gbit/s
Mit ihrer hohen Portdichte und Leistung bei 1/10/40-GE-Verbindungen erfüllen die Nexus Switches der Serie 9500
die Anforderungen der Rechenzentrumsinfrastruktur der nächsten Generation. Mit 1/10GE- (Access/Leaf) bzw.
40GE-Verbindungen (Aggregation/Spine) bieten sie eine höhere skalierbare Bandbreite für
Rechenzentrumsanwendungen.
Zur Migration eines bestehenden Rechenzentrumsnetzwerks von 10GE zu 40GE ist jedoch mehr als ein Upgrade
der Netzwerkplattform erforderlich. Die Migration der Kabelinfrastruktur stellt dabei die größte Herausforderung
dar. Bei der bisherigen 10GE-Verkabelung kommen 2 MMF-Glasfaserstränge für eine 10GE-Verbindung zum
Einsatz. Die bestehenden optischen 40GE-Transceiver mit kurzer Reichweite (entweder SR4 oder CSR4) nutzen
jedoch getrennte Sende- und Empfangsabschnitte mit je 4 parallelen Glasfasersträngen. Daher werden für eine
40GE-Duplexverbindung 8 Glasfaserstränge benötigt. Diese Unterschiede machen zur Migration der bisherigen
10GE-Infrastruktur zu 40GE unter Verwendung der bestehenden optischen 40GE-Transceiver eine umfangreiche
Neuinstallation der gesamten Kabelinfrastruktur erforderlich. Aufgrund der erheblichen Kosten und potenziellen
Serviceunterbrechungen ist die Migration eines bestehenden Rechenzentrums in der Produktion zu einer 40GEInfrastruktur ein sehr schwieriges Vorhaben.
Die QSFP-BiDi-Transceiver-Technologie von Cisco löst dieses Problem, indem sie die Übertragung mit 40GVollduplexgeschwindigkeit über zwei MMF-Glasfaserstränge mit LC-Anschlüssen möglich macht. Ein QSFP-BiDiTransceiver ermöglicht also 40GE-Verbindungen unter Verwendung bestehender 10G-Leitungen und GlasfaserTrunks ohne Erweiterungen oder Neuinstallationen. Dadurch fallen die finanziellen Hürden bei der Migration
bestehender 10-Gbit/s-Verkabelung zu einer 40-Gbit/s-Infrastruktur im Rechenzentrum weg.
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Abbildung 14. BiDi-Transceiver-Technologie von Cisco
Fazit
Die Nexus Switches der Serie 9500 sind die branchenweit führenden Switches speziell für Rechenzentren mit der
höchsten Portdichte für 1/10/40- und zukünftig auch 100GE-Verbindungen. Neben einer überzeugenden
Leitungsgeschwindigkeit bieten sie eine herausragende Leistung bei der Weiterleitung mit niedriger Latenz. Die
Nexus Serie 9500 unterstützt die branchenweit führende 10GE- und 40GE-Portdichte. Mit flexiblen
Portgeschwindigkeiten und Chassis-Formfaktoren eignen sich die Nexus Switches der Serie 9500 für virtualisierte,
Multi-Tenant- und Cloud-Bereitstellungen in kleinen, mittleren und großen Rechenzentren.
Das Chassis-Design ohne Midplane bietet größtmögliche Effizienz bei der Kühlung. Durch die Kombination aus
Chipsätzen anderer Hersteller und speziell entwickelten Chips enthalten die Linecards besonders wenige ASICs
und sind gleichzeitig besonders leistungsfähig. Dank Innovationen wie der Luftstromführung von der Vorder- zur
Rückseite und den 80 PLUS Platinum-zertifizierten hocheffizienten Netzteilen stellt die Nexus Serie 9500 einen
neuen Rekord in Sachen Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und Leistung von Switches für Rechenzentren auf.
Durch die Trennung des systeminternen Managements von der Kontrollebene verfügt die Kontrollebene der Nexus
Serie 9500 über eine beispiellose Stabilität. Eine Supervisor Engine mit neuester Multi-Core-CPU zusammen mit
Linecard-CPUs zur Auslagerung von Aufgaben von der Supervisor Engine macht die Nexus Serie 9500 zur
perfekten Grundlage für ein zuverlässiges Rechenzentrum.
Beim Betrieb im klassischen NX-OS-Modus wird die Nexus Serie 9500 in einem Image für alle Switches der
Produktfamilie ausgeführt. Das vereinfacht die Netzwerkadministration deutlich. Das erweiterte Betriebssystem
NX-OS für die Nexus Serie 9500 unterstützt den neuesten 64-Bit-Linux-Kernel mit echter Prozessmodularität und
bietet neben einer besonders hohen Softwareausfallsicherheit verschiedene Verbesserungen bei Automatisierung
und Programmierbarkeit. Damit ist es die beste Lösung für Rechenzentren, in denen Netzwerkmanagement und
Betriebsmodelle modernisiert und automatisiert werden sollen.
Diese einzigartigen Funktionen machen die Cisco Nexus Switches der Serie 9500 zur idealen Lösung für
Unternehmen, die ein zuverlässiges, skalierbares, ausfallsicheres und automatisiertes Rechenzentrum benötigen.
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Anhang
Anhang A: Begriffe
ACI: Application Centric Infrastructure
NFE: Netzwerkweiterleitungs-Engine (Network Forwarding Engine)
ALE: ACI-Leaf-Engine
EoQ: Erweiterte Ausgabewarteschlange (Extended Output Queue)
OOBFC: Out-of-Band Flow Control
Gedruckt in den USA
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C11-729987-00
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