10、数据通信产品的硬件架构：拆开设备，看清网络的骨骼

前言

上一章我们认识了华为数据通信的产品家族——路由器、交换机、WLAN 与安全产品各司其职。但产品目录只能告诉我们"它是什么"，却回答不了"它凭什么做到这些"。一台能够在骨干网上每秒转发数百 Tbit 数据的设备，内部究竟由哪些部件构成？为什么有的设备高超过 1.5 m、重超过 500 kg，而有的设备却小巧如书、仅重 0.5 kg？这些形态各异的设备背后，是否遵循着同一套架构逻辑？硬件架构又在朝着什么方向演进？

本章就来回答这些问题。全文分三部分：先拆解数据通信设备的整机架构与核心单板，再认识市场上三种主流的硬件形态及代表产品，最后梳理硬件架构的演进历程与未来方向。无论你是即将接触数通设备的运维人员，还是希望理解设备设计思想的学习者，这一章都是连接"产品"与"技术"之间的一座桥梁。

本章内容概览

本章内容沿着"由内而外、由今及昔再望向未来"的主线展开：

层次	内容	回答的问题
硬件架构概述	整机六大模块、 MPU / LPU / SFU  三大单板、电源与散热系统	一台设备内部由什么组成？
常见硬件形态	插卡框式、插卡盒式、固定盒式及代表产品	市场上的设备为何形态各异？
硬件架构演进	背板三代演进、光背板与  DDC 、芯片  /  高速传输  /  高密度  /  散热技术	下一代设备长什么样？

一、硬件架构概述：一台设备由什么组成

数据通信产品主要涵盖交换机、路由器、WLAN 产品和安全产品这 4 种产业形态。我们在公共场所常见 WLAN AP，在家里见到的则是小型入户光猫路由器；而产业里其余的路由器、交换机及安全产品多是比较大型的设备，部署在电信运营商的通信机房或企业数据中心，除了专业运维人员，大众很少见到。形态虽然多样，但拆开任何一台设备，其内部构造都遵循同一套模块化逻辑。

1.1 整机架构与六大功能模块

数据通信设备的整机由业务模块、交换模块、主控模块、电源模块、风扇模块和背板构成，其中业务、交换、主控三大模块可能合一，也可能分离独立；盒式产品架构一般没有背板。

各模块的分工如下表所示：

模块	核心职责	备注
业务模块	业务数据报文的处理与转发，设备功能的直接承载者	又称业务板  /  线卡（ LPU ）
交换模块	设备内各业务模块之间的数据交换	即交换网板（ SFU ）
主控模块	系统控制、管理与路由计算	即主处理单元（ MPU ）
电源模块	整机供电	多为可插拔，支持备份
风扇模块	整机散热	风道方向通常可配置
背板	连接各板卡的高速通道	盒式产品一般没有背板

"合一还是分离"是理解整机架构的关键：小型设备为了控制成本和体积，往往把控制、交换、业务做进同一块板卡；而大型框式设备则将三者彻底分离，各司其职，以获得更高的性能与可靠性。

1.2 三大核心单板：MPU、LPU 与 SFU

框式设备中，上述逻辑被落实为三种可插拔的核心单板。

MPU（Main Processing Unit，主处理单元）负责系统控制、系统管理和状态监控等工作，也执行路由计算。它对外提供以太网、Console、USB 等管理接口，以及时间 / 时钟输入输出接口。MPU 内部由五个部分组成：

MPU  内部模块	职责
CPU  模块	负责整个系统的控制、管理和监控工作（与系统监控合一设计）
系统监控模块	收集系统监控信息，支持从远端、近端或在线升级系统各单元
LAN  交换模块	相当于一个局域网交换机，连接设备内部所有板卡，实现  MPU  与各板卡的通信
系统时钟	作为系统同步单元，提供高精度、高可靠性的同步时钟与时间信号
存储模块	作为存储单元，保存设备的数据文件

 

 

图 1　MPU 单板外观（925×289，银灰色长条形板卡，前端提供以太网管理口与 USB 接口）

LPU（Line Processing Unit，线路处理单元）业内也称为业务板，负责业务数据报文的高速处理和转发，以及流量的管理，是产品功能的核心单元。其内部模块包括：SM 模块与 SFU 相互配合，实现 LPU 板数据报文信元的上送和接收；TM 模块提供 QoS、线速转发、大容量缓存等功能；NP（网络处理器）是线卡板的业务处理核心，实现路由查找和业务流量转发；PIC 实现物理层对接，业务流量由此进入和发出；CPU 模块和监控模块与 SFU 的类似。在现代高集成度设计中，SM、TM、NP 等功能已集成到一颗芯片上。

SFU（Switch Fabric Unit，交换网单元）的主要功能是连接设备内所有的 LPU 单板，并负责 LPU 单板之间的数据交换。它由三部分组成：SC 交换模块与线卡板相连，负责设备内部所有线卡板之间的数据交换；CPU 模块与 MPU 通信，接受 MPU 的集中控制和管理；监控模块负责检测单板内的电源、时钟、温度及单元电路模块的状态，发现异常状态则上报并触发告警。

三种单板的分工可以概括为一张对比表：

单板	角色定位	一句话概括
MPU	大脑	管理整机、计算路由
LPU	手脚	收发并处理业务报文
SFU	主动脉	在  LPU  之间高速搬运数据

1.3 电源与散热系统：容易被忽视的"生命线"

再强的转发能力，也依赖稳定的供电和足够的散热。这两套系统的设计同样讲究层级与类型。

供电系统采用三级架构：电源输入模块（PEM）接入供电线缆后，电流依次经过一次电源模块（电压变换和稳压）、二次电源模块（板卡上二次电压变换）和三次电源模块（最终变压提供给芯片），逐级降压送达每一颗芯片。电源接入类型有三种：

电源接入类型	输入规格	主流功率
普通直流	-48 V  输入	2200 W / 3000 W
普通交流	200–240 V	3000 W
高压直流	240 V / 380 V	3000 W

散热系统设计则围绕风道、散热器和风扇三个要素展开：

设计要素	类型	特点与适用场景
风道	前后直通风风道	适应数据中心冷热通道隔离，风阻小、散热效率高
风道	左右风道	适用于紧凑型产品，如  220 mm  深的盒式交换机
风道	特殊风道（如  π  型风道）	针对设备深度浅及  LPU  卡槽位多的产品设计
散热器	铝型材  /  铜型材、镶嵌热管、微型腔体、单体  /  连体  /  整板	按芯片功耗与空间约束选型
风扇	轴流风扇	风量大、风压适中，应用最多
风扇	离心风扇	风量有限、风压大，需气流拐弯时使用
风扇	混流风扇	风量大、风压高，但成本高

二、常见硬件形态：三种"身材"，三种网络地位

理解了整机架构，再来看市场上的产品就容易了。数据通信产品总体划分为 3 种物理形态：插卡框式、插卡盒式和固定盒式。这三种形态在物理特性和网络层级上均存在明显差异：插卡框式产品体积大、高度高、质量大，常部署于骨干网、核心网、汇聚网等较高的网络位置，业务量庞大、接口数量多、性能卓越，需要充足的空间承载其业务能力；插卡盒式产品多位于网络中较低的层级，业务量及接口数量较少，性能适中，设计上更趋紧凑；固定盒式产品则主要应用于网络接入点位置，业务能力与接口数量有限，出于成本效益考量通常采用固定接口设计。

2.1 三种形态总览

维度	插卡框式	插卡盒式	固定盒式
网络地位	最高，核心层  /  汇聚层	中等，汇聚层  /  接入层	最低，接入层  /  小型汇聚
业务量与接口	业务量大、接口数量多、板卡多	适中，多个板卡槽位	有限，固定业务接口
可维护性	板卡、电源、风扇均可现场插拔	各模块一般可现场插拔	业务板卡固定不可插拔，电源风扇部分可插拔
体积与质量	满配置质量可超  500 kg ，高度超  1 m	宽  442 mm 、深  220 mm ，小巧	小巧、低矮、轻盈，成本低廉
散热与容量	强	散热较弱，带宽容量一般  ≤10 Tbit/s	最低
典型部署	骨干网核心节点	汇聚节点	接入节点，大量使用

2.2 插卡框式：核心层的"大家伙"

插卡框式产品的硬件外观是较大的结构机箱，由结构机箱、板卡（LPU 板卡、SFU 板卡、MPU 板卡）和辅助功能部件组成。结构机箱宽度一般为 442 mm 左右，深度和高度因产品而异；满载板卡和风扇电源等辅助功能部件后，整机质量可超 500 kg，高度超过 1 m。其中 LPU 板卡是完成数据业务转发处理的物理部件，SFU 板卡是实现不同 LPU 间业务数据交换的功能板卡；此外还需电源模块、风扇模块、MPU 和监控模块等辅助功能部件确保业务板卡可靠运行。

 

图 2　NE8000X 系列框式产品外观（左侧为小型机框，右侧为大型机框，高度差异直观体现形态跨度）

以骨干路由器 NE5000E-20 为例，可以看到一台顶级框式设备的内部规划：

维度	配置
产品定位	IP  骨干网核心路由器，支持集群组网
电源槽位	24  个
CMU  槽位	2  个
MPU  槽位	2  个（ 1:1  冗余）
LPU  槽位	20  个
SFU  槽位	8  个（横插）
创新技术	业界首次创新使用  Cable  背板
背板速率	50 Gbit/s ，单槽位  8 Tbit/s
集群能力	支持  2 / 4 / 8  台设备集群

图 3　NE5000E-20 整机前后面板（正面为 MPU、SFU 与 LPU 槽位，背面为风扇与电源模块）

当单框容量仍不够用时，就需要集群：通过 2 台 NE5000E CCC-A 中央交换框设备实现多台 NE5000E-20 的互连。CCC-A 同样采用插卡框式形态，配备 18 个 SFU 槽位，通过 CXP 接口与 NE5000E-20 的 SFU 相连，实现集群内所有 LPU 数据的高效交换与互通；安装该设备需要选用深度至少为 800 mm 的标准机柜。业务框与交换框之间的互连采用 CXP、CXP2、CXP3 光模块实现，三种光模块的带宽分别为 150、300 和 600 Gbit/s；CXP 为可插拔有源光缆模块，支持 10～100 m 的走线距离。

2.3 插卡盒式：汇聚层的"中坚力量"

插卡盒式产品（Card-based Box Products）体积小、高度低、质量小，宽度 442 mm、深度 220 mm，可适配浅机柜；拥有多个板卡槽位，业务接口可灵活配置；但散热能力较弱，带宽容量一般不超过 10 Tbit/s。其组成与插卡框式类似，同样由结构机箱、板卡和辅助功能部件三部分构成。

图 4　NetEngine 8000 M14 路由器（5RU 高度，14 个槽位清晰可见）

以 NetEngine 8000 M 系列为例，该系列提供了不同槽位规模的多个型号：

型号	槽位数	高度
NetEngine 8000 M14	14  槽位	5RU
NetEngine 8000 M8	8  槽位	3RU
NetEngine 8000 M6	6  槽位	2RU
NetEngine 8000 M4	4  槽位	2RU

以其中最大的 M14 为例：中间两个槽位为主控转发槽位，上方排列 8 个线卡槽位，下方则有 6 个线卡槽位。M14 提供交流和直流两种整机形态——直流形态的电源通过 PIU 接入，交流形态的电源则从下方 4 个线卡槽位插入。

2.4 固定盒式：接入层的"量产量产物"

固定盒式产品（Fixed Box Products）小巧、低矮、轻盈，成本低廉，业务接口固定、不支持灵活配置，部署在网络接入层并被大量使用；部分产品的电源、风扇可插拔，部分则固定在机箱内。其架构最为简单，一般由 1 块业务板卡、1～2 个电源模块、2～5 个风扇和机箱组合构成。按安装方式可分为两类：

机架安装类，以 NetEngine 8000 F1A-8H20Q 为代表：尺寸 442 mm × 420 mm × 43.6 mm，仅重 6.3 kg，配备 4 个风扇和 2 个电源（1+1 备份），在一台 1U 设备上实现了接入汇聚场景所需的可靠性与端口密度。

图 5　NetEngine 8000 F1A-8H20Q 产品外观（1U 高度的固定盒式路由器）

非机架安装类则更加多样：Wi-Fi AP 产品有方形、圆形、柱形等多种造型，可以融入各种部署环境；NetEngine A800 E 的尺寸为 320 mm × 220 mm × 43.6 mm，可直接放置于桌面或弱电箱。

图 6　Wi-Fi AP 产品外观（柱形、方形、圆形等多种造型并存）

三、硬件架构演进：持续追求更高的转发效率

认识了几种形态的现状，最后一个问题自然是：它们从哪里来，又将到哪里去？数据通信产品硬件架构的演进，本质上是持续追求更高的转发效率——通过更科学的架构设计与更快的传输介质，提升设备整体性能，实现单位体积内更大的数据处理容量和接口容量，以适应 5G 和云时代对网络日益增长的需求。这条演进主线体现在背板架构、新兴架构和未来技术三个层面。

3.1 背板架构的三代演进

背板是框式设备各板卡之间的高速通道，它的形态直接决定了设备的容量上限。背板架构已经走过了三代：

代际	类型	关键指标	特点	代表产品
第  1  代	PCB  背板	背板速率  ≤25 Gbit/s	交换容量通常低于  6.4 Tbit/s ，高速性能受限，升级困难	NE40E-XA 、 S12700E
第  2  代	Cable  背板	最高支持  112 Gbit/s	少于  192  条背板链路，中等槽位容量，高速信号传输损耗更低	NE9000 、 NE5000E-20
第  3  代	无背板正交架构	演进至  112 Gbit/s ，未来  224 Gbit/s+	LPU  与  SFU  直接通过连接器正交连接，超过  384  条链路，超大槽位容量	NE8000X 、 CE16800

图 7　无背板正交架构示意（LPU 与 SFU 通过连接器直接正交相连，不再经过传统背板）

从 PCB 背板到 Cable 背板，再到彻底取消背板的正交架构，演进逻辑非常清晰：信号经过的每一分米铜线都是损耗源，减少传输路径，就是提升速率最直接的办法。

3.2 新兴架构：光背板与 DDC

当电背板逼近物理极限，两条新路线开始浮现。

光背板以光信号替代电信号完成板间互连，具备密度高、损耗小、串扰小的优势，能够支持更高速率与更大容量。行业的基本判断是：电背板的极限临近，光背板是必然方向。

图 8　光互连示意（板卡间通过光纤链路完成高速数据交换）

DDC 架构（Distributed Disaggregated Chassis，分布式分离机箱）则走了另一条路：不是把机框做得更大，而是把传统框式设备物理解构，将功能模块拆解为固定盒式集群——线卡与交换 Fabric 分离，通过白盒 Fabric 与 Fabric 接口实现互连。它的优势在于横向扩展，从根本上解决超大容量设备的供电与散热难题；代价则是系统复杂性和维护难度的增加。

3.3 未来技术：芯片、高速传输、高密度与散热

再往远处看，硬件的每一项组成技术都在同步升级。

芯片高容量发展：单芯片容量将超过 100 Tbit/s，SerDes 速率超过 224 Gbit/s，功耗超过 1 kW，芯片工艺迈向 3 nm。芯片容量每两年翻倍的摩尔定律仍在延续，封装尺寸随之扩大、功耗随之增加，但得益于工艺进步，功耗增长与带宽增长呈非线性关系——单位带宽的功耗实际上在逐渐降低。不过从硬件系统设计的角度看，SerDes 速率提升、封装尺寸增大及功耗升高，使高速、高热、高密度设计的复杂度日益增加，要求持续创新以保持硬件竞争力。

高速传输技术：框式系统中 Cable 和 FPC 正在替代传统 PCB，盒式系统也在探索新路径（如 CPO 光电共封装芯片），共同指向 224 Gbit/s 的传输速率目标。支撑这一目标的工艺改进包括：连接器与接触技术、高精密腔体、先进封装、纳米电镀、Cable 推挤发泡与介质电镀工艺、激光焊接、单芯双层芯片基板、硬板 PCB / 柔板 FPC、HVLP4 铜箔与 Q 布、高能电子改性树脂等——分别带来损耗降低 5～30%、损耗降低约 30%、带宽提升约 50% 等收益。

单板高密度技术按时间分为三个阶段：

阶段	技术特征	密度指标
2021  年之前	高密扣板、城堡扣板；板内少量  BTB Cable  应用；电源模组设计	400+ PIN  密度， 8 W/in² ， 60%  背面面积利用率
2021–2023  年	Cable IO 、背板连接器直出  Cable ； FPC  柔性连接应用；高密  3D  模组堆叠；垂直电源设计	400+ PIN  密度， 10 W/in² ， 100%  背面面积利用率
2024–2026  年	模块间柔性有源直连； die  堆叠  SIP ； OBO / CPO  光电混合	400+ PIN  密度， 12 W/in² ， 120%  面积拓展

演进的方向是模块化、模组化及多层模块堆叠的架构，并采用高性能基板——板级工程与芯片封装工程逐渐融合，多芯片融合封装与在 die 上堆叠系统级封装（SIP）模组等技术将得到应用，光电混合设计将推动单板容量进一步提升。

散热技术则沿着"风冷转向液冷"的路径演进，并越来越依赖机房环境的配合：

散热技术	传热量	热阻
铝  /  铜型材散热器	<50 W	0.6 K/W
焊接热管	<100 W	0.3 K/W
热管	<200 W	0.15 K/W
VC  均热板	<600 W	0.05 K/W
液冷冷板	600 ～ 1000 W	0.04 K/W
VC2.0 / LTS	1000 ～ 1500 W	0.03 K/W

从型材到热管、再到均热板和液冷冷板，热阻被一步步压低，能带走的热量成十倍增长——这正是芯片功耗迈入千瓦时代的前提。

本章总结

• 整机架构：数据通信设备由业务、交换、主控、电源、风扇、背板六大模块构成；MPU 是大脑、LPU 是手脚、SFU 是主动脉，三者"合一或分离"决定了设备的大小与能力。
• 供电与散热：电源采用 PEM + 一 / 二 / 三次电源的三级架构，接入类型涵盖 -48 V 直流、200–240 V 交流与 240/380 V 高压直流；散热围绕前后直通 / 左右 / π 型风道与轴流 / 离心 / 混流风扇展开设计。
• 三种硬件形态：插卡框式（核心 / 汇聚层，满载超 500 kg）、插卡盒式（汇聚 / 接入层，带宽 ≤10 Tbit/s）、固定盒式（接入层，成本敏感），网络地位越高，形态越大、可维护性越强。
• 代表产品：NE5000E-20 骨干核心路由器（业界首发 Cable 背板、支持 2/4/8 台集群）、NetEngine 8000 M 系列（M14/M8/M6/M4）、NetEngine 8000 F1A-8H20Q 与 Wi-Fi AP 等。
• 架构演进：背板从 PCB → Cable → 无背板正交三代演进；光背板与 DDC 分布式分离机箱是新兴方向；芯片（>100 Tbit/s、3 nm）、高速传输（224 Gbit/s 目标）、单板高密度（12 W/in²、120% 面积拓展）与液冷散热共同支撑未来容量增长。

结语

这一章我们把数据通信设备从"外壳"拆到了"骨骼"：无论是一台 0.5 kg 的 Wi-Fi AP，还是一台超过 500 kg 的骨干路由器，都是同一套"主控 + 交换 + 业务"架构在不同规模上的展开。而硬件架构三十余年的演进史，说到底是一部"给数据让路"的历史——从 PCB 背板到 Cable 背板，从背板到正交直连，再从电到光、从集中到分布，每一次革新都在缩短数据要走的路。当单芯片容量突破 100 Tbit/s、液冷冷板开始接替风冷，可以确定的是：这台"骨骼"的进化还远未到终点。