什么是交換芯片？

byfibermall

交換芯片的作用

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

以太網(wǎng)交換芯片是用于交換和處理大量數(shù)據(jù)及報文轉(zhuǎn)發(fā)的專用芯片，是針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進行優(yōu)化的專用集成電路。以太網(wǎng)交換芯片內(nèi)部的邏輯路徑由數(shù)百個功能集組成，它們協(xié)同工作并保持極高的數(shù)據(jù)處理能力，因此其架構(gòu)實現(xiàn)非常復(fù)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(shù)據(jù)。有些以太網(wǎng)交換芯片將CPU和PHY集成在以太網(wǎng)交換芯片內(nèi)部。

交換芯片的工作原理

以太網(wǎng)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(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表示層和應(yīng)用層。以太網(wǎng)交換芯片主要工作在物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，為數(shù)據(jù)鏈路層提供高性能橋接技術(shù)（二層轉(zhuǎn)發(fā)）、為網(wǎng)絡(luò)層提供高性能路由技術(shù)（三層路由）、為傳輸層及以下提供安全策略技術(shù)（ACL）以及流量調(diào)度和管理等數(shù)據(jù)處理能力。

具體工作原理為：1、待傳輸?shù)膱笪?數(shù)據(jù)包通過端口進入以太網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包采取相關(guān)動作（如丟棄、限速、修改VLAN等）；4、對于可以轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，按照802.1P或者DSCP放入不同隊列的緩存中，調(diào)度器按照優(yōu)先級或者WRR等算法對隊列進行調(diào)度，并在端口發(fā)送數(shù)據(jù)包前進行流分類修改，最后從對應(yīng)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(chǎn)品，2016年數(shù)據(jù)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(chǎn)品，2019年400G系列產(chǎn)品上市，同年H3C、銳捷等國內(nèi)廠商也推出400G交換機產(chǎn)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(chǎn)元年，數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)交換芯片按照帶寬和應(yīng)用可以分為以下幾類：

按帶寬：以太網(wǎng)交換芯片可分為：1）百兆：應(yīng)用于家庭交換設(shè)備；2）千兆：適用于小型企業(yè)交換設(shè)備；3）千兆、萬兆：應(yīng)用于大型企業(yè)交換設(shè)備；4）25G、40G、100G：應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心及運營商；5）400G：應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心及運營商。8）800G

按應(yīng)用場景劃分：以太網(wǎng)交換芯片按照下游應(yīng)用場景分為企業(yè)網(wǎng)、運營商、數(shù)據(jù)中心和行業(yè)四大類。上述應(yīng)用場景具體應(yīng)用領(lǐng)域如下：

1）企業(yè)網(wǎng)用以太網(wǎng)交換設(shè)備：可分為金融類、政企類、校園類；2）互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（ISP）用以太網(wǎng)交換設(shè)備：可分為城域網(wǎng)、運營商自建網(wǎng)和運營商內(nèi)部管理網(wǎng)；3）數(shù)據(jù)中心用以太網(wǎng)交換設(shè)備：可分為公有云、私有云、自建數(shù)據(jù)中心；4）工業(yè)以太網(wǎng)交換設(shè)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(shù)

交換容量和端口速率是交換機的重要參數(shù)指標。

交換容量是交換機接口處理器或接口卡與數(shù)據(jù)總線之間能夠處理的最大數(shù)據(jù)量，表示交換芯片的數(shù)據(jù)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(chǎn)品已經(jīng)達到51.2Tbps。端口速率是交換芯片/交換機每個端口每秒傳輸?shù)淖畲蟊忍財?shù)。對于以太網(wǎng)交換機來說，目前常見的速率在10M到400G之間。

另外，包轉(zhuǎn)發(fā)率、是否支持VLAN（虛擬局域網(wǎng)）、是否有模塊冗余、是否有路由冗余等也是衡量交換機設(shè)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(wǎng)線。

光口：用于連接光模塊，根據(jù)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(jié)構(gòu)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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