簡(jiǎn)述交換機(jī)交換架構(gòu)技術(shù)原理

根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2022年，全球交換機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為3080億元，同比增長(zhǎng)17.0%。預(yù)計(jì)2023年可達(dá)3220億元，2027年可達(dá)3770億元，預(yù)測(cè)2022-2027年CAGR約為4.6%。

2022年中國(guó)交換機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為591億元，同比增長(zhǎng)9.5%，占全球交換機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的19.2%；預(yù)計(jì)2023年可達(dá)645億元；據(jù)測(cè)算，2027年中國(guó)交換機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為878億元，占全球交換機(jī)市場(chǎng)規(guī)模的23.3%。

一、交換機(jī)定義及分類

交換機(jī)（Switch）意為“開(kāi)關(guān)”，是一種用于電（光）信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。它可以為接入交換機(jī)的任意兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)享的電信號(hào)通路。從廣義上來(lái)分析，在通信系統(tǒng)里對(duì)于信息交換功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，就是交換機(jī)。最常見(jiàn)的交換機(jī)是以太網(wǎng)交換機(jī)。其他常見(jiàn)的還有電話語(yǔ)音交換機(jī)、光纖交換機(jī)等。

交換式集線器又稱為以太網(wǎng)交換機(jī)、二層交換機(jī)（表明此交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層），或直接簡(jiǎn)稱為交換機(jī)。交換是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設(shè)備自動(dòng)完成的方法，把要傳輸?shù)男畔⑺偷椒弦蟮南鄳?yīng)路由上的技術(shù)的統(tǒng)稱。

交換機(jī)定義及分類

1、按照OSI劃分：

??二層交換機(jī)：基于MAC地址工作的第二層交換機(jī)最為普遍，用于網(wǎng)絡(luò)接入層和匯聚層。

??三層交換機(jī)：基于P地址和協(xié)議進(jìn)行交換的第三層交換機(jī)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的核心層，也少量應(yīng)用于匯聚層。部分第三層交換機(jī)也同時(shí)具有第四層交換功能，可以根據(jù)數(shù)據(jù)幀的協(xié)議端口信息進(jìn)行目標(biāo)端口判斷。

??四層交換機(jī)：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據(jù)MAC地址（第二層網(wǎng)橋）或源/目標(biāo)P地址（第三層路由)，而且依據(jù)TCP/UDP(第四層)應(yīng)用端口號(hào)。第四層交換功能就象是虛IP,指向物理服務(wù)器。它所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)服從各種各樣的協(xié)議，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協(xié)議。這些業(yè)務(wù)在物理服務(wù)器基礎(chǔ)上，需要復(fù)雜的載量平衡算法。

??四層以上交換機(jī)：第四層以上的交換機(jī)稱之為應(yīng)用型交換機(jī)，主要用于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心。

2、按照網(wǎng)絡(luò)層次劃分：

??接入層交換機(jī)：一般是固定配置的交換機(jī)，端口密度較大，具有較高的接入能力，以10/100M端口為主，以固定端口或擴(kuò)展槽方式提供1000Mbps的上聯(lián)端口。

??核心層交換機(jī)：一般采用機(jī)箱式模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)箱中可承載管理模塊、光端口模塊、高速電口模塊、電源等，具有很高的背板容量；

??匯聚層交換機(jī)：可以是機(jī)箱式模塊化交換機(jī)，也可以是固定配置的交換機(jī)，具有較高的接入能力和帶寬，一般會(huì)包含光端口、高速電口等端口；

3、按照應(yīng)用區(qū)域劃分：

??廣域的交換機(jī)：是一種在通信系統(tǒng)中完成信息交換功能的設(shè)備，它應(yīng)用在數(shù)據(jù)鏈路層。交換機(jī)有多個(gè)端口，每個(gè)端口都具有橋接功能，可以連接一個(gè)局域網(wǎng)或一臺(tái)高性能服務(wù)器或工作站。廣域網(wǎng)交換機(jī)主要應(yīng)用于電信領(lǐng)域，提供通信用的基礎(chǔ)平臺(tái)；

??局域網(wǎng)交換機(jī)：應(yīng)用于局域網(wǎng)絡(luò)，用于連接終端設(shè)備，如PC機(jī)及網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)等。

交換機(jī)構(gòu)成

從硬件結(jié)構(gòu)來(lái)看，交換機(jī)由機(jī)殼、電源、風(fēng)扇、背板、管理引擎、系統(tǒng)控制器、交換模塊、線卡構(gòu)成。機(jī)殼是交換機(jī)的外殼，用于保護(hù)內(nèi)部電子元器件，某些交換機(jī)采用金屬機(jī)殼，可防止磁場(chǎng)對(duì)交換機(jī)的干擾。風(fēng)扇用于對(duì)交換機(jī)散熱，保證交換機(jī)內(nèi)部溫度處于正常區(qū)間，保障交換機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。電源包含外置電源、內(nèi)置電源兩種方式，外置電源可提供靈活電源配置。框式交換機(jī)中的背板是用于連接管理引擎、交換模塊、線卡等部分的一塊PCB板。

管理引擎：管理引擎上有配置口，屬于串行接口，可通過(guò)串口線纜和計(jì)算機(jī)連接，用于對(duì)交換機(jī)的管理及配置操作。

系統(tǒng)控制器：負(fù)責(zé)控制電源和風(fēng)扇。

線卡：可用于配置以太網(wǎng)接口，通過(guò)以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)或其他硬件設(shè)備連接，用于數(shù)據(jù)傳輸。

交換模塊：負(fù)責(zé)不同接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和交換，交換單元采用高性能ASIC芯片。

二、交換機(jī)交換架構(gòu)

業(yè)界主流的三種架構(gòu)：Full-MESH架構(gòu)；CROSSBAR架構(gòu)；CLOS架構(gòu)。目前主流的高端核心交換機(jī)大部分采用CLOS架構(gòu)。

基于CLOS架構(gòu)的交換網(wǎng)板設(shè)計(jì)

三種交換網(wǎng)板設(shè)計(jì)：①非正交結(jié)構(gòu)/平行結(jié)構(gòu)：線卡與交換模板平行，二者通過(guò)在背板上走線連接。華為的交換機(jī)使用非正交設(shè)計(jì)。

缺點(diǎn)：PCB背板走線帶來(lái)信號(hào)干擾、背板設(shè)計(jì)限制寬帶升級(jí)、散熱難度大。②正交結(jié)構(gòu)：線卡和交換模塊垂直，通過(guò)背板直接連接，

該設(shè)計(jì)減少了背板走線帶來(lái)的信號(hào)衰減，但是限制了帶寬升級(jí)，思科使用正交結(jié)構(gòu)。③無(wú)背板架構(gòu)：線卡和交換模塊垂直連接，解除了背板對(duì)寬帶升級(jí)的限制，容易散熱。

交換模塊作用機(jī)制：線卡A到線卡B的數(shù)據(jù)傳輸路徑為：線卡A→背板→交換模塊→交換芯片→背板→線卡B。交換模塊通過(guò)內(nèi)部芯片，識(shí)別MAC地址，并將MAC地址和對(duì)應(yīng)的線卡端口對(duì)應(yīng)，從而將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目的端口。

三、交換機(jī)的技術(shù)原理

交換機(jī)在同一時(shí)刻可進(jìn)行多個(gè)端口對(duì)之間的數(shù)據(jù)傳輸。每一端口都可視為獨(dú)立的物理網(wǎng)段（注：非IP網(wǎng)段），連接在其上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獨(dú)自享有全部的帶寬，無(wú)須同其他設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)使用。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)B可同時(shí)向節(jié)點(diǎn)C發(fā)送數(shù)據(jù)，而且這兩個(gè)傳輸都享有網(wǎng)絡(luò)的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網(wǎng)交換機(jī)，那么該交換機(jī)這時(shí)的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時(shí)，一個(gè)HUB的總流通量也不會(huì)超出10Mbps?？傊粨Q機(jī)是一種基于MAC地址識(shí)別，能完成封裝轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

交換機(jī)工作于OSI參考模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層。交換機(jī)內(nèi)部的CPU會(huì)在每個(gè)端口成功連接時(shí)，通過(guò)將MAC地址和端口對(duì)應(yīng)，形成一張MAC表。在今后的通訊中，發(fā)往該MAC地址的數(shù)據(jù)包將僅送往其對(duì)應(yīng)的端口，而不是所有的端口。因此，交換機(jī)可用于劃分?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層廣播，即沖突域；但它不能劃分網(wǎng)絡(luò)層廣播，即廣播域。

交換機(jī)擁有一條很高帶寬的背部總線和內(nèi)部交換矩陣。交換機(jī)的所有的端口都掛接在背部總線上，控制電路收到數(shù)據(jù)包以后，處理端口會(huì)查找內(nèi)存中的地址對(duì)照表以確定目的MAC（網(wǎng)卡的硬件地址）的NIC（網(wǎng)卡）掛接在哪個(gè)端口上，通過(guò)內(nèi)部交換矩陣迅速將數(shù)據(jù)包傳送到目的端口，目的MAC若不存在，廣播到所有的端口，接收端口回應(yīng)后交換機(jī)會(huì)“學(xué)習(xí)”新的MAC地址，并把它添加入內(nèi)部MAC地址表中。使用交換機(jī)也可以把網(wǎng)絡(luò)“分段”，通過(guò)對(duì)照IP地址表，交換機(jī)只允許必要的網(wǎng)絡(luò)流量通過(guò)交換機(jī)。通過(guò)交換機(jī)的過(guò)濾和轉(zhuǎn)發(fā)，可以有效的減少?zèng)_突域。

四、交換機(jī)、集線器和路由器的區(qū)別

集線器僅僅知道端口上是否連接了設(shè)備，經(jīng)過(guò)集線器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，所有設(shè)備都能接收到，如右圖，當(dāng)主機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)包給主機(jī)C時(shí)，主機(jī)B和D都能接收到數(shù)據(jù)；

路由器用于連接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)（如右圖），他們有自己唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，有各自的路由器1和路由器2，和交換機(jī)A和交換機(jī)B以及主機(jī)在各自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交換數(shù)據(jù)。路由器可以使得不同網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

五、交換機(jī)性能指標(biāo)

六、交換機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景

按照交換機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景分類：商用交換機(jī)和工業(yè)交換機(jī)。商用交換機(jī)按照應(yīng)用場(chǎng)景分類：企業(yè)網(wǎng)交換機(jī)（SMB交換機(jī)）、園區(qū)交換機(jī)、數(shù)據(jù)中心交換機(jī)。

七、數(shù)據(jù)中心交換機(jī)——傳統(tǒng)三層結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：包括數(shù)據(jù)中心與外部運(yùn)營(yíng)商互聯(lián)的核心交換層，接入層，以及將連接兩者實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聚合的匯聚層。，現(xiàn)今的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)主要分為三層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

??接入交換機(jī)物理連接服務(wù)器；

??匯聚交換機(jī)連接同一個(gè)二層網(wǎng)絡(luò)（VLAN）下的接入交換機(jī)，同時(shí)提供其他的服務(wù)，例如防火墻，SSL offload，入侵檢測(cè)，網(wǎng)絡(luò)分析等， 它可以是二層交換機(jī)也可以是三層交換機(jī)；

??核心交換機(jī)為進(jìn)出數(shù)據(jù)中心的包提供高速的轉(zhuǎn)發(fā)，為多個(gè)二層局域網(wǎng)（VLAN）提供連接性，核心交換機(jī)為通常為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)彈性的三層網(wǎng)絡(luò)。

傳統(tǒng)三次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)弊端

①帶寬的浪費(fèi)：為了防止環(huán)路，匯聚層和接入層之間通常會(huì)運(yùn)行STP協(xié)議，使得接入交換機(jī)的上聯(lián)鏈路中實(shí)際承載流量的只有一條，而其他上行鏈路將被阻塞（如圖中虛線所示），造成了帶寬的浪費(fèi)；

②故障域較大：STP協(xié)議由于其本身的算法，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變更時(shí)需要重新收斂，容易發(fā)生故障，從而影響整個(gè)VLAN的網(wǎng)絡(luò)；

③難以適應(yīng)超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)：在云計(jì)算領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大，數(shù)據(jù)中心也分布在不同的地理位置，虛擬機(jī)要求能在任意地點(diǎn)創(chuàng)建，遷移，而保持其網(wǎng)絡(luò)屬性（IP, 網(wǎng)關(guān)等）保持不變，需要支持大二層網(wǎng)絡(luò)，在上圖的拓?fù)渲?，無(wú)法在VLAN10和VLAN20之間作上述遷移；

④傳統(tǒng)架構(gòu)下，當(dāng)存在大量東西向流量時(shí)，匯聚交換機(jī)和核心交換機(jī)的壓力會(huì)大大增加，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和性能也就限制在了匯聚層和核心層。要支持大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，就必須有性能最好，端口密度最大的匯聚層核心層設(shè)備，這樣的設(shè)備成本高，不是所有企業(yè)都買(mǎi)得起，且必須在建設(shè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)就預(yù)先規(guī)劃好網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小時(shí)，會(huì)造成資源的浪費(fèi)，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)，擴(kuò)容也比較困難，因而讓企事業(yè)單位陷入了成本和可擴(kuò)展性的兩難選擇之中。

八、數(shù)據(jù)中心交換機(jī)——葉脊結(jié)構(gòu)

葉脊結(jié)構(gòu)（分布式核心網(wǎng)絡(luò)）架構(gòu)：Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，也稱為分布式核心網(wǎng)絡(luò)，由于這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)源于交換機(jī)內(nèi)部的 Switch Fabric，因此也被稱為Fabric 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同屬于 CLOS 網(wǎng)絡(luò)模型。事實(shí)已經(jīng)證明，Spine-Leaf 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以提供高帶寬、低延遲、非阻塞的服務(wù)器到服務(wù)器連接。

數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由Spine和Leaf這兩個(gè)交換層組成

??Leaf層由訪問(wèn)交換機(jī)組成，匯聚來(lái)自服務(wù)器的流量，并直接連接到Spine或網(wǎng)絡(luò)核心。

??Spine交換機(jī)在全網(wǎng)格拓?fù)渲谢ミB所有Leaf交換機(jī)。上圖中，綠色節(jié)點(diǎn)代表交換機(jī)，

灰色節(jié)點(diǎn)代表服務(wù)器。在綠色節(jié)點(diǎn)中，最上面的是Spine節(jié)點(diǎn)，下面是Leaf節(jié)點(diǎn)。

Spine-Leaf架構(gòu)更適合滿足現(xiàn)代應(yīng)用程序的需求

??扁平化：扁平化設(shè)計(jì)縮短服務(wù)器之間的通信路徑，從而降低延遲，可以顯著提高應(yīng)用程序和服務(wù)性能。

??易擴(kuò)展：如果 Spine 交換機(jī)的帶寬不足，我們只需要增加 Spine 節(jié)點(diǎn)數(shù)，也可以提供路徑上的負(fù)載均衡；如果接入連接不足，則只需增加 Leaf 節(jié)點(diǎn)數(shù)。

??低收斂比：容易實(shí)現(xiàn) 1:X 甚至是無(wú)阻塞的 1:1 的收斂比，而且通過(guò)增加 Spine 和 Leaf 設(shè)備間的鏈路帶寬也可以降低鏈路收斂比。簡(jiǎn)化管理：葉脊結(jié)構(gòu)可以在無(wú)環(huán)路環(huán)境中使用全網(wǎng)格中的每個(gè)鏈路并進(jìn)行負(fù)載平衡，這種等價(jià)多路徑設(shè)計(jì)，在使用 SDN 等集中式網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)時(shí)處于最佳狀態(tài)。

??邊緣流量處理：隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等業(yè)務(wù)的興起，接入層壓力劇增，可能有數(shù)千個(gè)傳感器和設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)邊緣連接并產(chǎn)生大量流量。Leaf 可以在接入層處理連接，Spine 保證節(jié)點(diǎn)內(nèi)的任意兩個(gè)端口之間提供延遲非常低的無(wú)阻塞性能，從而實(shí)現(xiàn)從接入到云平臺(tái)的敏捷服務(wù)。

??多云管理：數(shù)據(jù)中心或云之間通過(guò) Leaf Spine 架構(gòu)仍可以實(shí)現(xiàn)高性能、高容錯(cuò)等優(yōu)勢(shì)，而多云管理策略也逐漸成為企業(yè)的必選項(xiàng)。

九、工業(yè)級(jí)交換機(jī)定義和應(yīng)用場(chǎng)景

工業(yè)交換機(jī)，也稱之為工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，即廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的工業(yè)交換機(jī)設(shè)備，因?yàn)樗捎玫木W(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)其開(kāi)放性好、用途廣泛，適應(yīng)于低溫高溫，抗電磁干擾強(qiáng)，防鹽霧，抗震性能強(qiáng)。其使用的是透明而統(tǒng)一的TCP/IP協(xié)議，以太網(wǎng)已經(jīng)是工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)的主要通信標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)交換機(jī)具備電信級(jí)性能特征，可承受苛刻的工作環(huán)境。產(chǎn)品系列豐富多彩，端口配置靈活，可以滿足各類工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用需要。產(chǎn)品選用寬溫設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)不低于IP30，支持標(biāo)準(zhǔn)及私域的環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議。

和商用交換機(jī)的區(qū)別相比：以太網(wǎng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，因其選用載波通信監(jiān)聽(tīng)時(shí)分復(fù)用沖突檢測(cè)（CSMA/CD機(jī)制），在繁雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中運(yùn)用，其穩(wěn)定性大幅度降低，進(jìn)而導(dǎo)致以太網(wǎng)無(wú)法使用。工業(yè)交換機(jī)選用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換交換方式，同時(shí)提高以太網(wǎng)通信速度（支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，如千兆以太網(wǎng)（1 Gbps）或萬(wàn)兆以太網(wǎng)（10Gbps）。），而且內(nèi)置智能報(bào)警設(shè)計(jì)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，使得在極端危險(xiǎn)的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中確保以太網(wǎng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

十、工業(yè)交換機(jī)認(rèn)證要求

工業(yè)交換機(jī)因?yàn)閼?yīng)用及市場(chǎng)定位的關(guān)聯(lián)，差別于普通交換機(jī)，它更關(guān)心可靠性，穩(wěn)定性，耐熱，耐震動(dòng)，抗腐蝕等一些工業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)。工業(yè)生產(chǎn)以太網(wǎng)交換機(jī)因其較高的防護(hù)等級(jí)（一般IP40)、較強(qiáng)的電磁兼容性（EMS 四級(jí)）、好的工作特性而運(yùn)用在一些自然環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的制造業(yè)當(dāng)場(chǎng)，為工業(yè)生產(chǎn)通訊給予充分的確保。

十一、交換機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈

交換機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括芯片、元器件、光模塊、電路板、電源模塊和結(jié)構(gòu)件等元件；中游按照終端應(yīng)用場(chǎng)景，可分為無(wú)管理交換機(jī)、二層管理交換機(jī)、三層管理交換機(jī)、PoE交換機(jī)、工業(yè)交換機(jī)和數(shù)據(jù)中心交換機(jī)等；下游應(yīng)用于電信運(yùn)營(yíng)、云服務(wù)、數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域。

編輯：黃飛

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