以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)的工作原理及行業(yè)現(xiàn)狀

交換機(jī)可為任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)享電信號通路的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備，其功能是將計算機(jī)、服務(wù)器等終端設(shè)備與其他交換機(jī)、無線接入點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的互聯(lián)互通。

交換機(jī)可實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備的互聯(lián)互通

交換機(jī)是一種用于電(光)信號轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它可以為接入交換機(jī)的任意兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供獨(dú)享的電信號通路。交換機(jī)的核心功能是連接計算機(jī)、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像頭、IP電話等終端設(shè)備，并通過與其他交換機(jī)、無線接入點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)防火墻、路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)建局域網(wǎng)從而實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的互聯(lián)互通。

交換機(jī)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、傳輸速率和介質(zhì)、應(yīng)用規(guī)模等進(jìn)行分類

在各類交換機(jī)中，最常見的交換機(jī)是以太網(wǎng)交換機(jī)。然而交換機(jī)從廣義上還可分為廣域網(wǎng)交換機(jī)和局域網(wǎng)交換機(jī)，廣域網(wǎng)交換機(jī)主要在電信領(lǐng)域中提供通信用的基礎(chǔ)平臺，局域網(wǎng)交換機(jī)則用于連接局域網(wǎng)內(nèi)的終端設(shè)備;從傳輸介質(zhì)和傳輸速度上可分為以太網(wǎng)交換機(jī)、快速以太網(wǎng)交換機(jī)、千兆/萬兆以太網(wǎng)交換機(jī)、FDDI交換機(jī)、ATM交換機(jī)和令牌環(huán)交換機(jī)等;從應(yīng)用規(guī)模上可分為企業(yè)級交換機(jī)、部門級交換機(jī)、工作組交換機(jī)等。

以太網(wǎng)交換機(jī)∶工作原理為根據(jù)MAC地址進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)最常見的交換機(jī)為以太網(wǎng)交換機(jī)，其結(jié)構(gòu)是每個端口都與主機(jī)相連，保證每一對相互通信的主機(jī)都能無沖突地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并依照數(shù)據(jù)幀中的MAC地址進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

以太網(wǎng)交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的MAC地址進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

最常見的交換機(jī)是以太網(wǎng)交換機(jī)，以太網(wǎng)交換機(jī)是基于以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的交換機(jī)，其結(jié)構(gòu)是每個端口都直接與主機(jī)相連，并且能同時連通多對端口，使每一對相互通信的主機(jī)都能像獨(dú)占通信媒體那樣無沖突地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)交換機(jī)工作在OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，二層以太網(wǎng)交換機(jī)主要根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)PCA向PCD發(fā)送單播幀時，交換機(jī)在端口E1/0/1收到PCA發(fā)出的數(shù)據(jù)幀后，檢索MAC地址表項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)目的MAC地址對應(yīng)的端口是E1/0/4，就把此數(shù)據(jù)幀從E1/0/4轉(zhuǎn)發(fā)，不在端口E1/0/2和E1/0/3轉(zhuǎn)發(fā)，PCB和PCC也因此不會收到PCA發(fā)出的數(shù)據(jù)幀;

當(dāng)PCA想其他PC發(fā)送廣播、組播和未知單播幀時，交換機(jī)把廣播、組播幀從除了源端口的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，目的是讓網(wǎng)絡(luò)中其他成員收到這些數(shù)據(jù)幀。

以太網(wǎng)交換機(jī)市場規(guī)?！萌蛞蕴W(wǎng)交換機(jī)2022Q1市場收入達(dá)76億美元，同比增長12.7%。增長來源于超大規(guī)模和云服務(wù)商數(shù)據(jù)中心交換容量的持續(xù)提升，以及企業(yè)和分支機(jī)構(gòu)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)正處設(shè)備更新周期。

根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，全球以太網(wǎng)交換機(jī)市場在2022年Q1收入達(dá)76億美元，同比增長12.7%。在此之前，全球以太網(wǎng)交換機(jī)市場在2020年和2021年收入分別達(dá)278億美元和307億美元，2020年全球市場收入同比下降3.47%，而2021年市場出現(xiàn)回暖，全球市場收入同比增長9.70%。2022年第一季度，全球以太網(wǎng)交換機(jī)增長的主要驅(qū)動力來源于超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和云服務(wù)提供商數(shù)據(jù)中心交換容量的持續(xù)提升，以及企業(yè)和分支機(jī)構(gòu)的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)正處設(shè)備更新周期。IDC的數(shù)據(jù)還顯示，2022年第一季度，全球數(shù)據(jù)中心用以太網(wǎng)交換機(jī)收入占比達(dá)46.3%，同比增長20.8%，相應(yīng)的端口出貨量同比增長3.7%;而非數(shù)據(jù)中心用交換機(jī)(包括企業(yè)園區(qū)和分支機(jī)構(gòu)以太網(wǎng)交換機(jī))收入占比達(dá)53.7%，同比增長6.4%，相應(yīng)的端口出貨量同比增長4.7%。

上游以太網(wǎng)交換芯片∶以太網(wǎng)交換機(jī)核心部件以太網(wǎng)交換芯片為以太網(wǎng)交換機(jī)的核心部件，其可直接決定交換機(jī)性能和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)能力。以太網(wǎng)交換芯片技術(shù)壁壘較高，芯片研發(fā)資金壁壘較高且周期較長，因此國產(chǎn)化程度較低以太網(wǎng)交換機(jī)內(nèi)部架構(gòu)與以太網(wǎng)交換芯片報文交換處理流程。

以太網(wǎng)交換芯片為以太網(wǎng)交換機(jī)核心部件，整體技術(shù)壁壘與資金壁壘較高

以太網(wǎng)交換芯片是用于交換處理大量數(shù)據(jù)及報文轉(zhuǎn)發(fā)的專用芯片，其性能可直接決定以太網(wǎng)交換機(jī)性能和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)處理及轉(zhuǎn)發(fā)能力。以太網(wǎng)交換芯片主要工作在OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，可提供二層轉(zhuǎn)發(fā)和三層路由等功能。

以太網(wǎng)交換芯片的工作原理為∶數(shù)據(jù)包通過物理端口進(jìn)入以太網(wǎng)交換芯片后，由解析器對數(shù)據(jù)爆頭字段進(jìn)行匹配，為流分類做準(zhǔn)備，之后經(jīng)過安全引擎進(jìn)行硬件安全檢測，符合安全的數(shù)據(jù)包進(jìn)行二層轉(zhuǎn)發(fā)或三層路由，再由過濾引擎對數(shù)據(jù)包進(jìn)行丟棄、限速等處理，而后對于可轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包放到不同隊(duì)列的buffer中，調(diào)度器根據(jù)優(yōu)先級進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度，在端口發(fā)出該數(shù)據(jù)包之前進(jìn)行流分類修改動作，最后從相應(yīng)的端口發(fā)出數(shù)據(jù)包。

以太網(wǎng)交換芯片速率∶以太網(wǎng)交換芯片在不同應(yīng)用場景下速率覆蓋百兆、千兆、萬兆、25/40/100G、400G等。目前，新華三推出了針對園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)界首款400G園區(qū)核心交換機(jī)，標(biāo)志著園區(qū)網(wǎng)絡(luò)"超寬"時代到來。

以太網(wǎng)交換芯片在不同應(yīng)用場景下，最大端口速率覆蓋百兆、千兆、萬兆、25/40/100G、400G等

家用以太網(wǎng)交換機(jī)主要滿足用戶低成本、即插即用、無需配置的需求，該類家用交換機(jī)設(shè)備對應(yīng)的以太網(wǎng)交換芯片最大端口速率通常為百兆或千兆。

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)通常需具備CLI、Web和SNMP等管理功能和可操作的配置功能，其對應(yīng)的以太網(wǎng)交換芯片最大端口速率通常為千兆/萬兆。在企業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，企業(yè)接入層交換機(jī)主要為電腦、無線AP、IP 攝像頭等設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)連接，所需交換芯片多為千兆速率;企業(yè)匯聚層交換機(jī)是多臺接入層交換機(jī)的匯聚點(diǎn)，所需交換芯片速率多為萬兆;企業(yè)核心層交換機(jī)是整個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸骨干，所需交換芯片速率可達(dá)25/40/100G。 目前，400G網(wǎng)絡(luò)在超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心已規(guī)模部署，400G數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方案也已足夠成熟。近年來，園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性使得400G網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)緩慢。然而近日，新華三發(fā)布了業(yè)界首款400G園區(qū)核心交換機(jī)，標(biāo)志著園區(qū)網(wǎng)絡(luò)“超寬”時代的到來。

以太網(wǎng)交換機(jī)發(fā)展至今，端口速率從10M發(fā)展至當(dāng)今主流的400G，并向800G演進(jìn)，交換容量提升至數(shù)十Tbps。2022Q1市占率前五廠商為思科、Arista Networks、華為、HPE和新華三。

2022Q1以太網(wǎng)交換機(jī)市場份額前五名廠商為思科、Arista Networks、華為、HPE、新華三以太網(wǎng)交換機(jī)集成了上游以太網(wǎng)交換芯片、CPU、PHY芯片和各類電子元器件，隨著以太網(wǎng)交換芯片和CPU的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)性能也得到了飛速的提升。以太網(wǎng)交換機(jī)的端口速率從早期的十兆發(fā)展至目前主流的400G，并持續(xù)向800G演進(jìn);每臺以太網(wǎng)交換機(jī)的單機(jī)交換容量也從最初的數(shù)十Mbps增長至目前的數(shù)十Tbps;以太網(wǎng)交換機(jī)也從最早僅支持二層轉(zhuǎn)發(fā)，逐步發(fā)展至可進(jìn)行三層轉(zhuǎn)發(fā)和四層轉(zhuǎn)發(fā)。

中國本土以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備廠商包括華為、新華三、中興通訊、烽火通信、銳捷網(wǎng)絡(luò)、邁普技術(shù)等。海外以太網(wǎng)交換機(jī)廠商包括思科、瞻博、Aruba、Arista Networks、HPE、Mellanox等。 根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，2022年Q1全球以太網(wǎng)交換機(jī)市場份額前五名的廠商分別為思科、Arista Networks、華為、HPE、新華三，市占率分別為45.4%、9.3%、7.5%、6%、5.6%。

白盒交換機(jī)解耦底層硬件與上層網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議為應(yīng)對業(yè)務(wù)多樣性和流量激增背景下數(shù)據(jù)中心的快速迭代，白盒交換機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，其通過解耦底層硬件與上層網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議，提升設(shè)備靈活性，使網(wǎng)絡(luò)升級無需受限于傳統(tǒng)封閉式設(shè)備。

白盒交換機(jī)解耦底層硬件與上層網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議，提升了設(shè)備靈活性，使得下游各應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)的升級無需再受限于封閉式的黑盒設(shè)備

隨著近年來云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，各類新興應(yīng)用層出不窮，如AR/VR、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動駕駛、4K/8K超高清視頻等。這些應(yīng)用無疑對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和算力資源帶來巨大挑戰(zhàn)，為應(yīng)對多樣化業(yè)務(wù)帶來的流量激增等挑戰(zhàn)，大型數(shù)據(jù)中心數(shù)量與規(guī)模持續(xù)增長，“東數(shù)西算”工程更是加快了超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心建設(shè)的速度。而超大型數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)高穩(wěn)定性、高可控、高性能、低成本的需求同樣對傳統(tǒng)黑盒網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶來不小的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)黑盒設(shè)備從軟件到硬件都是完全封閉開發(fā)的，這就導(dǎo)致不同廠商設(shè)備間互通性低，運(yùn)維團(tuán)隊(duì)難以統(tǒng)一管控，且難以快速定位故障。同時， 黑盒設(shè)備的封閉式架構(gòu)也對后期網(wǎng)絡(luò)升級和功能擴(kuò)展帶來不小的阻礙。為了實(shí)現(xiàn)更快的迭代速率和統(tǒng)一的設(shè)備管控能力，白盒設(shè)備如白盒交換機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。白盒交換機(jī)采用開放的設(shè)備架構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)底層硬件與上層網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議進(jìn)行解耦，極大提升了設(shè)備的靈活性，為數(shù)據(jù)中心、運(yùn)營商承載網(wǎng)等應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)升級掃清了障礙。

白盒交換機(jī)可分為硬件(交換芯片、CPU、網(wǎng)卡等)和軟件(網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和應(yīng)用)兩部分

白盒交換機(jī)分為硬件和軟件兩個部分，其中硬件包括交換芯片、CPU、網(wǎng)卡、存儲、外圍硬件設(shè)備等，軟件則包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及配套應(yīng)用。白盒交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)一般通過基礎(chǔ)軟件平臺如ONIE的引導(dǎo)完成安裝，芯片接口層如SAI則將交換芯片的硬件功能封裝為統(tǒng)一的接口，從而解耦上層應(yīng)用與底層的軟件。

思科∶2022Q1全球以太網(wǎng)交換機(jī)市占率第一思科是全球領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)解決方案提供商，其以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品在2022Q1市場份額達(dá)45.4%，位列全球第一。思科以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品覆蓋園區(qū)/小型企業(yè)局域網(wǎng)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心場景。

根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，2022年第一季度，全球以太網(wǎng)交換機(jī)市場中，思科市占率達(dá)45.4%，位列全球第一。同時，思科在2022Q1的以太網(wǎng)交換機(jī)收入同比增長3.8%。

華為∶中國本土以太網(wǎng)交換機(jī)廠商市占率第一名華為具備以太網(wǎng)交換芯片自研能力，其以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品覆蓋中小型/大型企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心場景。2022Q1，華為以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品全球市占率達(dá)7.5%，為中國廠商市占率第一名。

根據(jù)IDC的數(shù)據(jù)，2021年，全球以太網(wǎng)交換機(jī)市場中，華為市占率達(dá)10.2%，而2022年第一季度，華為全球以太網(wǎng)交換機(jī)產(chǎn)品市占率為7.5%，略有下降，但其仍然為中國以

太網(wǎng)交換機(jī)廠商市占率第一名。同時，華為以太網(wǎng)交換機(jī)收入在2022Q1增長了7.2%。

審核編輯：郭婷