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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於交換和處理大量數據及報文轉發的專用芯片，是針對網絡應用進行優化的專用集成電路。以太網交換芯片內部的邏輯路徑由數百個功能集組成，它們協同工作並保持極高的數據處理能力，因此其架構實現非常復雜。

CPU是通用芯片，用於管理登錄和協議交互控制；PHY用於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（开放通信系統互連參考模型）。

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，爲數據鏈路層提供高性能橋接技術（二層轉發）、爲網絡層提供高性能路由技術（三層路由）、爲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。

具體工作原理爲：1、待傳輸的報文/數據包通過端口進入以太網交換芯片後，首先進行包頭字段匹配，爲流分類做准備；2、然後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採取相關動作（如丟棄、限速、修改VLAN等）；4、對於可以轉發的數據包，按照802.1P或者DSCP放入不同隊列的緩存中，調度器按照優先級或者WRR等算法對隊列進行調度，並在端口發送數據包前進行流分類修改，最後從對應端口發送出去。

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年數據中心开始向100G升級，100G光模塊、100G交換機也在此時大規模部署。

400G時代：首款400G芯片（Tomahawk3）於2017年12月出樣，2018年思科、Arista、Junpier等主流交換機廠商相繼發布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。業界已進入800G迭代周期，800G光模塊正在發布。

交換芯片分類

以太網交換芯片按照帶寬和應用可以分爲以下幾類：

按帶寬：以太網交換芯片可分爲：1）百兆：應用於家庭交換設備；2）千兆：適用於小型企業交換設備；3）千兆、萬兆：應用於大型企業交換設備；4）25G、40G、100G：應用於數據中心及運營商；5）400G：應用於數據中心及運營商。8）800G

按應用場景劃分：以太網交換芯片按照下遊應用場景分爲企業網、運營商、數據中心和行業四大類。上述應用場景具體應用領域如下：

1）企業網用以太網交換設備：可分爲金融類、政企類、校園類；2）互聯網服務提供商（ISP）用以太網交換設備：可分爲城域網、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：可分爲公有雲、私有雲、自建數據中心；4）工業以太網交換設備：可分爲電力、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线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。對於以太網交換機來說，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，通常用於連接網线。

光口：用於連接光模塊，根據接口封裝形式可分爲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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標題：什么是交換芯片？

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