什么是交換芯片？

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交換芯片的作用

以太網交換設備由以太網交換芯片、CPU、PHY、PCB、接口/端口子系統(tǒng)等組成，其中以太網交換芯片和CPU是核心部件。

以太網交換芯片是用于交換和處理大量數據及報文轉發(fā)的專用芯片，是針對網絡應用進行優(yōu)化的專用集成電路。以太網交換芯片內部的邏輯路徑由數百個功能集組成，它們協(xié)同工作并保持極高的數據處理能力，因此其架構實現(xiàn)非常復雜。

CPU是通用芯片，用于管理登錄和協(xié)議交互控制；PHY用于處理電接口的物理層數據。有些以太網交換芯片將CPU和PHY集成在以太網交換芯片內部。

交換芯片的工作原理

以太網交換芯片在邏輯層面遵循OSI模型（開放通信系統(tǒng)互連參考模型）。

OSI模型包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。以太網交換芯片主要工作在物理層、數據鏈路層、網絡層和傳輸層，為數據鏈路層提供高性能橋接技術（二層轉發(fā)）、為網絡層提供高性能路由技術（三層路由）、為傳輸層及以下提供安全策略技術（ACL）以及流量調度和管理等數據處理能力。

具體工作原理為：1、待傳輸的報文/數據包通過端口進入以太網交換芯片后，首先進行包頭字段匹配，為流分類做準備；2、然后通過安全引擎進行硬件安全檢測；3、符合安全要求的數據包進行二層交換或者三層路由，再通過流分類處理器對匹配的數據包采取相關動作（如丟棄、限速、修改VLAN等）；4、對于可以轉發(fā)的數據包，按照802.1P或者DSCP放入不同隊列的緩存中，調度器按照優(yōu)先級或者WRR等算法對隊列進行調度，并在端口發(fā)送數據包前進行流分類修改，最后從對應端口發(fā)送出去。

交換芯片的演進

回顧交換機芯片的演進歷程，博通的TH系列芯片從2014年Tomahawk1發(fā)布以來，容量每兩年翻一番：

100G時代：2014年9月，博通推出第一款Tomahawk產品，2016年數據中心開始向100G升級，100G光模塊、100G交換機也在此時大規(guī)模部署。

400G時代：首款400G芯片（Tomahawk3）于2017年12月出樣，2018年思科、Arista、Junpier等主流交換機廠商相繼發(fā)布400G交換機產品，2019年400G系列產品上市，同年H3C、銳捷等國內廠商也推出400G交換機產品。2019年12月，全球首款交換容量25.6Tbps的交換機芯片Tomahawk4正式上市，可支持64*400G/128*200G/256*100G部署。2022年，400G光模塊進入量產元年，數據中心正式從100G向400G迭代。

800G時代：2022年8月，博通推出速率高達51.2Tbps的Tomahawk5ASIC，單芯片即可支持64端口800Gbps、128端口400Gbps或256端口200Gbps交換機。2023年3月，Tomahawk5系列以太網交換機/路由器芯片已批量出貨。業(yè)界已進入800G迭代周期，800G光模塊正在發(fā)布。

交換芯片分類

以太網交換芯片按照帶寬和應用可以分為以下幾類：

按帶寬：以太網交換芯片可分為：1）百兆：應用于家庭交換設備；2）千兆：適用于小型企業(yè)交換設備；3）千兆、萬兆：應用于大型企業(yè)交換設備；4）25G、40G、100G：應用于數據中心及運營商；5）400G：應用于數據中心及運營商。8）800G

按應用場景劃分：以太網交換芯片按照下游應用場景分為企業(yè)網、運營商、數據中心和行業(yè)四大類。上述應用場景具體應用領域如下：

1）企業(yè)網用以太網交換設備：可分為金融類、政企類、校園類；2）互聯(lián)網服務提供商（ISP）用以太網交換設備：可分為城域網、運營商自建網和運營商內部管理網；3）數據中心用以太網交換設備：可分為公有云、私有云、自建數據中心；4）工業(yè)以太網交換設備：可分為電力、軌道交通、市政交通、能源、工廠自動化等。

交換芯片重要參數

交換容量和端口速率是交換機的重要參數指標。

交換容量是交換機接口處理器或接口卡與數據總線之間能夠處理的最大數據量，表示交換芯片的數據交換能力。交換容量也叫背板帶寬，目前Broadcom、Marvell、Cisco等企業(yè)推出的最高交換容量產品已經達到51.2Tbps。端口速率是交換芯片/交換機每個端口每秒傳輸的最大比特數。對于以太網交換機來說，目前常見的速率在10M到400G之間。

另外，包轉發(fā)率、是否支持VLAN（虛擬局域網）、是否有模塊冗余、是否有路由冗余等也是衡量交換機設備性能的重要指標。

光口和電口

電口：普通的RJ45接口，通常用于連接網線。

光口：用于連接光模塊，根據接口封裝形式可分為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在結構外觀上相同，相互兼容，但SFP28支持的速率更高，最高可達25G，而SFP+最高僅支持10G。QSFP+在外觀上與SFP+差別很大，兩者不兼容，40G以上速率使用QSFP+。

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