什么是交换芯片？
- 发布时间：2024/8/28 15:50:11
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以太网交换设备由以太网交换芯片、CPU、PHY、PCB、接口/端口子系统等组成，其中以太网交换芯片和CPU是核心部件。
以太网交换芯片是用于交换和处理大量数据及报文转发的专用芯片，是针对网络应用进行优化的专用集成电路。以太网交换芯片内部的逻辑路径由数百个功能集组成，它们协同工作并保持极高的数据处理能力，因此其架构实现非常复杂。
CPU是通用芯片，用于管理登录和协议交互控制；PHY用于处理电接口的物理层数据。有些以太网交换芯片将CPU和PHY集成在以太网交换芯片内部。
交换芯片的工作原理
以太网交换芯片在逻辑层面遵循OSI模型(开放通信系统互连参考模型)。
OSI模型包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。以太网交换芯片主要工作在物理层、数据链路层、网络层和传输层，为数据链路层提供高性能桥接技术(二层转发)、为网络层提供高性能路由技术(三层路由)、为传输层及以下提供安全策略技术(ACL)以及流量调度和管理等数据处理能力。
具体工作原理为：1、待传输的报文/数据包通过端口进入以太网交换芯片后，首先进行包头字段匹配，为流分类做准备；2、然后通过安全引擎进行硬件安全检测；3、符合安全要求的数据包进行二层交换或者三层路由，再通过流分类处理器对匹配的数据包采取相关动作(如丢弃、限速、修改VLAN等)；4、对于可以转发的数据包，按照802.1P或者DSCP放入不同队列的缓存中，调度器按照优先级或者WRR等算法对队列进行调度，并在端口发送数据包前进行流分类修改，最后从对应端口发送出去。
交换芯片的演进
回顾交换机芯片的演进历程，博通的TH系列芯片从2014年Tomahawk1发布以来，容量每两年翻一番：
100G时代：2014年9月，博通推出第一款Tomahawk产品，2016年数据中心开始向100G升级，100G光模块、100G交换机也在此时大规模部署。
400G时代：首款400G芯片(Tomahawk3)于2017年12月出样，2018年思科、Arista、Junpier等主流交换机厂商相继发布400G交换机产品，2019年400G系列产品上市，同年H3C、锐捷等国内厂商也推出400G交换机产品。2019年12月，全球首款交换容量25.6Tbps的交换机芯片Tomahawk4正式上市，可支持64*400G/128*200G/256*100G部署。2022年，400G光模块进入量产元年，数据中心正式从100G向400G迭代。
800G时代：2022年8月，博通推出速率高达51.2Tbps的Tomahawk5ASIC，单芯片即可支持64端口800Gbps、128端口400Gbps或256端口200Gbps交换机。2023年3月，Tomahawk5系列以太网交换机/路由器芯片已批量出货。业界已进入800G迭代周期，800G光模块正在发布。
交换芯片分类
以太网交换芯片按照带宽和应用可以分为以下几类：
按带宽：以太网交换芯片可分为：1)百兆：应用于家庭交换设备；2)千兆：适用于小型企业交换设备；3)千兆、万兆：应用于大型企业交换设备；4)25G、40G、100G：应用于数据中心及运营商；5)400G：应用于数据中心及运营商。8)800G
按应用场景划分：以太网交换芯片按照下游应用场景分为企业网、运营商、数据中心和行业四大类。上述应用场景具体应用领域如下：
1)企业网用以太网交换设备：可分为金融类、政企类、校园类；2)互联网服务提供商(ISP)用以太网交换设备：可分为城域网、运营商自建网和运营商内部管理网；3)数据中心用以太网交换设备：可分为公有云、私有云、自建数据中心；4)工业以太网交换设备：可分为电力、轨道交通、市政交通、能源、工厂自动化等。
交换芯片重要参数
交换容量和端口速率是交换机的重要参数指标。
交换容量是交换机接口处理器或接口卡与数据总线之间能够处理的最大数据量，表示交换芯片的数据交换能力。交换容量也叫背板带宽，目前Broadcom、Marvell、Cisco等企业推出的最高交换容量产品已经达到51.2Tbps。端口速率是交换芯片/交换机每个端口每秒传输的最大比特数。对于以太网交换机来说，目前常见的速率在10M到400G之间。
另外，包转发率、是否支持VLAN(虚拟局域网)、是否有模块冗余、是否有路由冗余等也是衡量交换机设备性能的重要指标。
光口和电口
电口：普通的RJ45接口，通常用于连接网线。
光口：用于连接光模块，根据接口封装形式可分为SFP+、SFP28、QSFP+。SFP+：支持GE/10GE速率的SFP28、GE/10GE/25GE速率的QSFP+、40GE/100GE速率。SFP+和SFP28在结构外观上相同，相互兼容，但SFP28支持的速率更高，最高可达25G，而SFP+最高仅支持10G。QSFP+在外观上与SFP+差别很大，两者不兼容，40G以上速率使用QSFP+。