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一文了解交换芯片

2024年07月03日 08:42 浏览：90 来源：小萍子

交换芯片的作用

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为最核心部件。

以太网交换芯片为用于交换处理大量数据及 报文转发的专用芯片，是针对网络应用优化的专用集成电路。以太网交换芯片内部的逻辑通路由数百个特性集合组成，在协同工作的同时保持极高的数据处理能力，因此其架构实现具有复杂性。

CPU是用来管理登录、协议交互的控制的通用芯片；PHY用于处理电接口的物理层数据。部分以太网交换芯片将 CPU、PHY 集成在以太网交换芯片内部。

交换芯片工作原理

以太网交换芯片在逻辑层次上遵从OSI模型（开放式通信系统互联参考模型）。

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，提供面向数据链路层的高性能桥接技术（二层转发）、面向网络层的高性能路由技术（三层路由）、面向传输层及以下的安全策略技术（ACL）以及流量调度、管理等数据处理能力。

具体工作原理如下：

1，需要传输的报文/数据包由端口进入以太网交换芯片之后，首先进行数据包头字段匹配，为流分类做准备；

2，而后经过安全引擎进行硬件安全检测；

3，符合安全的数据包进行二层交换或者三层路由，经过流分类处理器对匹配的数据包做相关动作（比如丢弃、限速、修改VLAN 等）；

4，对于可以转发的数据包根据 802.1P或DSCP放到不同队列的buffer中，调度器根据优先级或者WRR等算法进行队列调度，在端口发出该数据包之前执行流分类修改动作，最终从相应端口发出。

交换机芯片演进历史

回顾交换机芯片演进历史，博通TH系列芯片从2014年Tomahawk1发布后，以每两年容量翻一番的速度推出：

100G时代：2014年9月Broadcom推出首个Tomahawk产品，2016年数据中心开始进行100G的升级，100G光模块及100G交换换机也在此时开始规模部署。

400G时代：2017年12月首款400G芯片（Tomahawk3）送样，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年推出400G系列产品，同年国内厂商如新华三、锐捷也陆续推出400G交换机产品。

19年12月正式推出全球首款具备25.6Tbps交换能力的交换机芯片Tomahawk4，可支持64*400G/128*200G/256*100G部署，2022年400G光模块进入放量元年，数据中心正式从100G向400G迭代。

800G时代：22年8月，博通推出速率高达51.2Tbps的Tomahawk 5ASIC，将单芯片支持64端口800Gbps或128端口400Gbps或256端口200Gbps的交换机。23年3 月，Tomahawk 5(战斧5)系列以太网交换机/路由器芯片现已批量出货，行业进入 800G迭代周期，800G光模块正释放量。

交换芯片分类

以太网交换芯片按照带宽及应用可分为以下类别：

1，按带宽分：太网交换芯片可分为：

1）百兆：应用于家用交换设备；

2）千兆：应用于企业小型交换设备；

3）千兆、万兆：应用于企业大型交换设备；

4）25G、40G、 100G：应用于数据中心、运营商；

5）400G：应用于数据中心、运营商。

8）800G

2，按应用场景分：以太网交换芯片按下游应用场景分为企业网用、运营商用、数据中心用以及工业用四类，以上应用场景的具体细分应用领域如下：

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）运营商用以太网交换设备：可分为城域网用、运营商承建用以及运营商内部管理网用；

3）数据中心用以太网交换设备：可分为公有云用、私有云用、自建数据中心用；

4）工业用以太网交换设备：可分为电力用、轨道交通用、市政交通用、能源用、工厂自动化用。

交换芯片的重要参数

交换容量、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和数据总线间所能吞吐的最大数据量，表明了交换芯片的数据交换能力，交换容量也称背板带宽；当前博通、美满、思科已推出的最高交换容量产品均已达到51.2Tbps。

端口速率是交换芯片/交换机的每个端口每秒钟传输的最大bit数量，对于以太网交换机，目前常见速率10M~400G之间。

此外包转发速率、是否支持VLAN（虚拟局域网）、是否具有模块冗余、是否拥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，通常用来连接网线。

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

SFP28：支持GE/10GE/25GE速率

QSFP+：支持40GE/100GE 速率

其中SFP+和SFP28在结构外观上是一致的，可以相互兼容，只是SFP28支持的速率更高，可以达到25G，而SFP+一般只到10G。QSFP+在外观形态上与SFP+差异很大，两者不兼容。QSFP+应用在40G以上速率上。

接口

SFI, KR, KR4, XAUI, KX, KX4, SGMII,...一堆，等理顺后再单独更一篇