什么是“以太網交換機”？交換機、集線器和路由器的區別

根據IDC數據，2022年，全球交換機市場規模為3080億元，同比增長17.0%。預計2023年可達3220億元，2027年可達3770億元，預測2022-2027年CAGR約為4.6%。

2022年中國交換機市場規模為591億元，同比增長9.5%，占全球交換機市場規模的19.2%；預計2023年可達645億元；據測算，2027年中國交換機市場規模為878億元，占全球交換機市場規模的23.3%。

一、交換機定義及分類

交換機（Switch）意為“開關”，是一種用于電（光）信號轉發的網絡設備。它可以為接入交換機的任意兩個網絡節點提供獨享的電信號通路。從廣義上來分析，在通信系統里對于信息交換功能實現的設備，就是交換機。最常見的交換機是以太網交換機。其他常見的還有電話語音交換機、光纖交換機等。

交換式集線器又稱為以太網交換機、二層交換機（表明此交換機工作在數據鏈路層），或直接簡稱為交換機。交換是按照通信兩端傳輸信息的需要，用人工或設備自動完成的方法，把要傳輸的信息送到符合要求的相應路由上的技術的統稱。

交換機定義及分類

1、按照OSI劃分：

? 二層交換機：基于MAC地址工作的第二層交換機最為普遍，用于網絡接入層和匯聚層。

? 三層交換機：基于P地址和協議進行交換的第三層交換機應用于網絡的核心層，也少量應用于匯聚層。部分第三層交換機也同時具有第四層交換功能，可以根據數據幀的協議端口信息進行目標端口判斷。

? 四層交換機：它是一種功能，它決定傳輸不僅僅依據MAC地址（第二層網橋）或源/目標P地址（第三層路由)，而且依據TCP/UDP(第四層)應用端口號。第四層交換功能就象是虛IP,指向物理服務器。它所傳輸的業務服從各種各樣的協議，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他協議。這些業務在物理服務器基礎上，需要復雜的載量平衡算法。

? 四層以上交換機：第四層以上的交換機稱之為應用型交換機，主要用于互聯網數據中心。

2、按照網絡層次劃分：

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

? 核心層交換機：一般采用機箱式模塊化設計，機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：可以是機箱式模塊化交換機，也可以是固定配置的交換機，具有較高的接入能力和帶寬，一般會包含光端口、高速電口等端口；

3、按照應用區域劃分：

? 廣域的交換機：是一種在通信系統中完成信息交換功能的設備，它應用在數據鏈路層。交換機有多個端口，每個端口都具有橋接功能，可以連接一個局域網或一臺高性能服務器或工作站。廣域網交換機主要應用于電信領域，提供通信用的基礎平臺；

? 局域網交換機：應用于局域網絡，用于連接終端設備，如PC機及網絡打印機等。

交換機構成

從硬件結構來看，交換機由機殼、電源、風扇、背板、管理引擎、系統控制器、交換模塊、線卡構成。機殼是交換機的外殼，用于保護內部電子元器件，某些交換機采用金屬機殼，可防止磁場對交換機的干擾。風扇用于對交換機散熱，保證交換機內部溫度處于正常區間，保障交換機長期穩定運行。電源包含外置電源、內置電源兩種方式，外置電源可提供靈活電源配置?？蚴浇粨Q機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，可通過串口線纜和計算機連接，用于對交換機的管理及配置操作。

系統控制器：負責控制電源和風扇。

線卡：可用于配置以太網接口，通過以太網接口與計算機或其他硬件設備連接，用于數據傳輸。

交換模塊：負責不同接口之間的數據轉發和交換，交換單元采用高性能ASIC芯片。

二、交換機交換架構

業界主流的三種架構：Full-MESH架構；CROSSBAR架構；CLOS架構。目前主流的高端核心交換機大部分采用CLOS架構。

基于CLOS架構的交換網板設計

三種交換網板設計：①非正交結構/平行結構：線卡與交換模板平行，二者通過在背板上走線連接。華為的交換機使用非正交設計。

缺點：PCB背板走線帶來信號干擾、背板設計限制寬帶升級、散熱難度大。②正交結構：線卡和交換模塊垂直，通過背板直接連接，

該設計減少了背板走線帶來的信號衰減，但是限制了帶寬升級，思科使用正交結構。③無背板架構：線卡和交換模塊垂直連接，解除了背板對寬帶升級的限制，容易散熱。

交換模塊作用機制：線卡A到線卡B的數據傳輸路徑為：線卡A→背板→交換模塊→交換芯片→背板→線卡B。交換模塊通過內部芯片，識別MAC地址，并將MAC地址和對應的線卡端口對應，從而將數據轉發至目的端口。

三、交換機的技術原理

交換機在同一時刻可進行多個端口對之間的數據傳輸。每一端口都可視為獨立的物理網段（注：非IP網段），連接在其上的網絡設備獨自享有全部的帶寬，無須同其他設備競爭使用。當節點A向節點D發送數據時，節點B可同時向節點C發送數據，而且這兩個傳輸都享有網絡的全部帶寬，都有著自己的虛擬連接。假使這里使用的是10Mbps的以太網交換機，那么該交換機這時的總流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB時，一個HUB的總流通量也不會超出10Mbps?？傊?，交換機是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉發數據幀功能的網絡設備。

交換機工作于OSI參考模型的第二層，即數據鏈路層。交換機內部的CPU會在每個端口成功連接時，通過將MAC地址和端口對應，形成一張MAC表。在今后的通訊中，發往該MAC地址的數據包將僅送往其對應的端口，而不是所有的端口。因此，交換機可用于劃分數據鏈路層廣播，即沖突域；但它不能劃分網絡層廣播，即廣播域。

交換機擁有一條很高帶寬的背部總線和內部交換矩陣。交換機的所有的端口都掛接在背部總線上，控制電路收到數據包以后，處理端口會查找內存中的地址對照表以確定目的MAC（網卡的硬件地址）的NIC（網卡）掛接在哪個端口上，通過內部交換矩陣迅速將數據包傳送到目的端口，目的MAC若不存在，廣播到所有的端口，接收端口回應后交換機會“學習”新的MAC地址，并把它添加入內部MAC地址表中。使用交換機也可以把網絡“分段”，通過對照IP地址表，交換機只允許必要的網絡流量通過交換機。通過交換機的過濾和轉發，可以有效的減少沖突域。

四、交換機、集線器和路由器的區別

集線器僅僅知道端口上是否連接了設備，經過集線器傳輸的數據包，所有設備都能接收到，如右圖，當主機A發送數據包給主機C時，主機B和D都能接收到數據；

路由器用于連接兩個網絡（如右圖），他們有自己唯一的網絡地址，有各自的路由器1和路由器2，和交換機A和交換機B以及主機在各自網絡內部交換數據。路由器可以使得不同網絡之間實現數據傳輸。

五、交換機性能指標

六、交換機應用場景

按照交換機的應用場景分類：商用交換機和工業交換機。商用交換機按照應用場景分類：企業網交換機（SMB交換機）、園區交換機、數據中心交換機。

七、數據中心交換機——傳統三層結構

傳統三層網絡架構：包括數據中心與外部運營商互聯的核心交換層，接入層，以及將連接兩者實現數據聚合的匯聚層。，現今的數據中心網絡主要分為三層拓撲結構。

? 接入交換機物理連接服務器；

? 匯聚交換機連接同一個二層網絡（VLAN）下的接入交換機，同時提供其他的服務，例如防火墻，SSL offload，入侵檢測，網絡分析等， 它可以是二層交換機也可以是三層交換機；

? 核心交換機為進出數據中心的包提供高速的轉發，為多個二層局域網（VLAN）提供連接性，核心交換機為通常為整個網絡提供一個彈性的三層網絡。

傳統三次網絡架構弊端

①帶寬的浪費：為了防止環路，匯聚層和接入層之間通常會運行STP協議，使得接入交換機的上聯鏈路中實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；

②故障域較大：STP協議由于其本身的算法，在網絡拓撲發生變更時需要重新收斂，容易發生故障，從而影響整個VLAN的網絡；

③難以適應超大規模網絡：在云計算領域，網絡規模擴大，數據中心也分布在不同的地理位置，虛擬機要求能在任意地點創建，遷移，而保持其網絡屬性（IP, 網關等）保持不變，需要支持大二層網絡，在上圖的拓撲中，無法在VLAN10和VLAN20之間作上述遷移；

④傳統架構下，當存在大量東西向流量時，匯聚交換機和核心交換機的壓力會大大增加，網絡規模和性能也就限制在了匯聚層和核心層。要支持大規模的網絡，就必須有性能最好，端口密度最大的匯聚層核心層設備，這樣的設備成本高，不是所有企業都買得起，且必須在建設網絡時就預先規劃好網絡規模，在網絡規模小時，會造成資源的浪費，在網絡規模繼續擴大時，擴容也比較困難，因而讓企事業單位陷入了成本和可擴展性的兩難選擇之中。

八、數據中心交換機——葉脊結構

葉脊結構（分布式核心網絡）架構：Spine-Leaf 網絡架構，也稱為分布式核心網絡，由于這種網絡架構來源于交換機內部的 Switch Fabric，因此也被稱為Fabric 網絡架構，同屬于 CLOS 網絡模型。事實已經證明，Spine-Leaf 網絡架構可以提供高帶寬、低延遲、非阻塞的服務器到服務器連接。

數據中心網絡拓撲結構由Spine和Leaf這兩個交換層組成

? Leaf層由訪問交換機組成，匯聚來自服務器的流量，并直接連接到Spine或網絡核心。

? Spine交換機在全網格拓撲中互連所有Leaf交換機。上圖中，綠色節點代表交換機，

灰色節點代表服務器。在綠色節點中，最上面的是Spine節點，下面是Leaf節點。

Spine-Leaf架構更適合滿足現代應用程序的需求

? 扁平化：扁平化設計縮短服務器之間的通信路徑，從而降低延遲，可以顯著提高應用程序和服務性能。

? 易擴展：如果 Spine 交換機的帶寬不足，我們只需要增加 Spine 節點數，也可以提供路徑上的負載均衡；如果接入連接不足，則只需增加 Leaf 節點數。

? 低收斂比：容易實現 1:X 甚至是無阻塞的 1:1 的收斂比，而且通過增加 Spine 和 Leaf 設備間的鏈路帶寬也可以降低鏈路收斂比。簡化管理：葉脊結構可以在無環路環境中使用全網格中的每個鏈路并進行負載平衡，這種等價多路徑設計，在使用 SDN 等集中式網絡管理平臺時處于最佳狀態。

? 邊緣流量處理：隨著物聯網（IoT）等業務的興起，接入層壓力劇增，可能有數千個傳感器和設備在網絡邊緣連接并產生大量流量。Leaf 可以在接入層處理連接，Spine 保證節點內的任意兩個端口之間提供延遲非常低的無阻塞性能，從而實現從接入到云平臺的敏捷服務。

? 多云管理：數據中心或云之間通過 Leaf Spine 架構仍可以實現高性能、高容錯等優勢，而多云管理策略也逐漸成為企業的必選項。

九、工業級交換機定義和應用場景

工業交換機，也稱之為工業以太網交換機，即廣泛應用在工業控制系統領域內的工業交換機設備，因為所采用的網絡標準其開放性好、用途廣泛，適應于低溫高溫，抗電磁干擾強，防鹽霧，抗震性能強。其使用的是透明而統一的TCP/IP協議，以太網已經是工業控制系統領域內的主要通信標準。工業交換機具備電信級性能特征，可承受苛刻的工作環境。產品系列豐富多彩，端口配置靈活，可以滿足各類工業領域的應用需要。產品選用寬溫設計，防護等級不低于IP30，支持標準及私域的環網冗余協議。

和商用交換機的區別相比：以太網在設計的時候，因其選用載波通信監聽時分復用沖突檢測（CSMA/CD機制），在繁雜的工業生產環境中運用，其穩定性大幅度降低，進而導致以太網無法使用。工業交換機選用存儲轉換交換方式，同時提高以太網通信速度（支持更高的數據傳輸速度，如千兆以太網（1 Gbps）或萬兆以太網（10Gbps）。），而且內置智能報警設計監控網絡運行狀況，使得在極端危險的工業生產環境中確保以太網可靠穩定的運行。

十、工業交換機認證要求

工業交換機因為應用及市場定位的關聯，差別于普通交換機，它更關心可靠性，穩定性，耐熱，耐震動，抗腐蝕等一些工業生產特點。工業生產以太網交換機因其較高的防護等級（一般IP40)、較強的電磁兼容性（EMS 四級）、好的工作特性而運用在一些自然環境標準嚴格的制造業當場，為工業生產通訊給予充分的確保。

十一、交換機產業鏈

交換機產業鏈上游主要包括芯片、元器件、光模塊、電路板、電源模塊和結構件等元件；中游按照終端應用場景，可分為無管理交換機、二層管理交換機、三層管理交換機、PoE交換機、工業交換機和數據中心交換機等；下游應用于電信運營、云服務、數據中心等領域。

審核編輯：劉清