交换机工作原理、分类、组成及变革新机遇在哪？

我认为 AI 时代交换机有望迎来四大产业变革新机遇。

1、 交换机工作在数据链路或网络层，负责电/光信号转发

交换机是用于电/光信号转发的网络设备。普通二层交换机（Switch）意为“开 关”，是一种用于电(光)信号转发的网络设备。它基于 MAC 地址进行数据的转发， 工作在 OS 七层模型中的第二层（数据链路层）。普通交换机具有多个端口，每个端 口都具备桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。当设备接 入交换机时，交换机会学习设备的 MAC 地址，并将 MAC 地址与端口对应起来，形 成一张 MAC 地址表。在后续的数据传输过程中，交换机根据数据包中的 MAC 地址 信息，将数据从对应的端口发送出去，实现数据的精准转发。 按应用场景和传输介质来看，交换机种类较多。交换机是重要的通信网络设备， 最常见的网络交换设备以以太网交换机为主，其次还包括语音交换机、光纤交换机 等，适应不同网络环境与应用场景。 按照应用场景划分：（1）园区用以太网交换设备：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、工厂自动化用等。

以太网交换设备已支持多个层级的数据转发，网络性能持续提升。早期以集线 器为代表的以太网设备主要在物理层工作，无法隔绝冲突扩散，网络性能难以提升， 而以太网交换机能够隔绝冲突，持续提升以太网性能。世界上第一台以太网交机最 早于 1989 年问世，经过三十余年的的发展，以太网交换机在转发性能和功能上持续 提升。转发性能方面，以太网交换设备的端口速率从 10M 发展到 800G，单台设备 的交换容量从 Mbps 量级提升至 Tbps 量级。功能方面，以太网交换设备发展至今， 可分为二层交换机、三层交换机和叠加型多业务交换设备。二层交换机和三层交换 机之间的最大区别在于路由功能，叠加型多业务交换设备（四层或更高层）除了实 现二层和三层的业务外，还可具备如防火墙、网关等其他功能。

以太网交换设备能够使不同网络中的设备终端实现互联互通。以太网交换设备 对外提供高速网络连接端口，与主机和网络节点相连接，为接入设备的多个网络节 点提供电信号通路和业务处理模型。以太网交换设备主要采用 OSI 模型，可作用于 物理层、数据链路层、网络层、传输层或者应用层，通过高带宽的背部总线和内部 交换矩阵实现多个端口对之间同一时间的数据传输和数据报文处理。

二层交换机工作在数据链路层，三层交换机工作在网络层。二层交换机在接受 来自光纤传输的光信号后，通过光模块进行光电转换，最终将光信号转换为设备可 理解的数字信号后，数据包从网络端口进入。PHY 层负责跨物理连接传输和接收比 特流，包括编码、多路复用、同步、时钟恢复和线路上数据的序列化等，一旦在 PHY 上接收到有效的比特流，则数据将发送到 MAC 控制器， MAC 层负责将比特流转 换为帧/数据包。经过以太网收发器芯片（PHY 芯片）、MAC 控制器后，进入以太网 交换芯片，基于 MAC 地址进行数据交换；三层交换机/路由器工作在网络层，能够 基于 IP 地址进行转发与路由选择。

交换机与其他网络设备功能各不相同。光猫：工作在物理层，通常安装在网络 入口处即光纤接入点处，用于光电信号转换，主要应用在家庭网络接入场景；路由 器：工作在网络层，连接不同网络，基于 IP 地址进行转发与路由选择；网关：通常 用于连接使用不同协议的网络，能够在多个层次上进行必要的翻译和协议转换。二 层交换机主要工作在数据链路层，具有网桥和集线器的功能，用于同一网络内基于 MAC 地址进行帧/数据包转发与过滤。

2、 交换芯片为核心部件，框式、盒式交换机各司其职

以太网交换机主要由芯片、PCB、光器件、插接件、阻容器件、壳体、电源、 风扇等组成，芯片包含以太网交换芯片、CPU、PHY、CPLD/FPGA 等，其中以太 网交换芯片和 CPU 是最核心部件。以太网交换芯片专为优化网络应用设计，是负责 交换处理大量数据和转发报文的专用芯片，芯片内部的逻辑通路由数百个特性集合 组成，以确保芯片在协同工作的同时保持较强的数据处理能力，架构实现较为复杂； CPU 是用于管理登录、协议交互的控制的通用芯片；PHY 负责处理物理层数据。

交换机的交换性能主要取决于背板带宽容量/包转发率、交换容量、端口速率和 端口密度。背板带宽是衡量交换机数据吞吐能力的重要指标，其值越大说明该交换 机在高负荷下数据交换的能力越强。在全双工工作模式下，当交换机的背板带宽容 量≥交换容量（=端口数×端口速率×2）时，才能实现线速转发（无阻塞转发），部 分高端交换机采用无背板设计则需关注包转发率。一般来说，交换机拥有的端口速 率越高则代表设备的处理性能越强，适用于数据流量大的场景；拥有的端口密度越 大，则代表着设备的转发能力越强，可连接设备数量更多，组网规模更大。 以太网交换机芯片是以太网交换机中用于交换处理大量数据及报文转发的专用 芯片，相当于网络方面的 ASIC，部分以太网交换机芯片内部会集成 MAC 控制器和 PHY 芯片。需要传输的数据包由物理端口进入以太网交换芯片后，芯片的解析器首 先对数据包进行字段分析，为流分类做准备。通过安全检测的数据包进行二层交换 或三层路由，流分类处理器对匹配的数据包作出相应动作，将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 WRR 等算法进 行队列调度并执行流分类修改动作，最后从端口发送该数据包。

从交换机物理形态上，可以分为框式交换机和盒式交换机。框式交换机通常由 一个机框和多个插槽组成，可以插入不同类型和数量的模块，如接口模块、主控模 块、交换模块等，具有较高的灵活性和扩展性；而盒式交换机一般是一体化设计， 接口数量和类型相对固定，部分盒式交换机接口采用模块化设计。框式交换机与盒 式交换机的主要差异更多体现在内部构造与应用场景（OSI 使用层级）上。

从应用场景来看，框式交换机背板带宽通常较大，可处理数据流量较大、适用 端口密度更高的场景，并具备冗余机制，主要适用于大型企业/园区网络中的核心层、 汇聚层，运营商网络核心、汇聚节点等，对性能和可靠性要求极高的场景；普通的 盒式交换机，交换容量和端口速率有限主要用于中小企业/楼宇网络、边缘计算节点、 中小型数据中心接入层；高速率盒式数据中心交换机，由于配备单个交换容量较高 的交换芯片如博通 Tomahawk 5 或多个交换芯片如英伟达 Quantum-X800 Q3400 交换 机系列，整体端口密度及端口速率较高，亦可用于中大型数据中心网络组网。

细分背板架构来看，常见的包括 Full-Mesh 交换架构、Crossbar 矩阵交换架构 和 CLOS 交换架构等。（1）在 Full mesh 架构中，所有业务线卡通过背板走线连接到 其它线卡，任意两个节点间都直接连接，所以随着节点数量增加连接总数也持续上 升，因此可扩展性较差；（2）Crossbar 架构则是一种两级架构，每个 CrossPoint 都是 一个开关，交换机通过控制开关来完成输入到特定输出的转发，随着端口数量的增 加，交叉点开关的数量呈几何级数增长，端口数量仍然有限；（3）CLOS 架构是一种 多级架构，每个入口级开关连接至中间级开关再连接到出口级开关，每块业务线卡 和所有交换网板相连，交换芯片集成在交换网板上，实现了交换网板和主控引擎硬 件分离。CLOS 架构又可细分为非正交背板、正价背板和正交零背板设计。

3、 交换机：AI 时代的核心网络通信设备

以太网交换机是重要的通信网络设备，随着全球 AI 的高速发展，AI 集群规模 持续增长，AI 集群网络对组网架构、网络带宽、网络时延等方面提出更高要求，带 动交换机朝着高速率、多端口、白盒化、光交换机等方向持续迭代升级，我们认为 AI 时代交换机有望迎来四大产业变革新机遇。

交换机变革 1：AI 集群新增后端组网需求，集群规模持续增长，以太网占比有 望逐步提升，有望带来大量高速以太网交换机需求

（1）AI 训练集群带来 GPU 互联需求，新增后端网络组网需求。AI 服务器比 传统服务器新增 GPU 模组，GPU 模组通过对应的网卡与其他服务器或交换机互联， 实现各节点之间的通信。因此相比传统网络架构，AI 服务器组网增加后端网络组网 （Back End），增加了每台服务器的网络端口数量，拉动对高速交换机、网卡、光模 块、光纤光缆等组件需求。 （2）AI 集群加速 Scale out，万卡、十万、百万卡集群组网带来大量高速交换 机需求。随着 AI 模型参数持续增长，带动集群规模从百卡、千卡拓展至万卡、十万 卡，Scale out 推动组网架构从 2 层向 3 层、4 层架构拓展，带来大量高速交换机需求。 （3）以太网网络根基深厚，生态厂商众多，AI 网络中以太网网络占比有望持 续提升。IB 网络凭借低延迟、堵塞控制以及自适应路由等机制，仍然主导 AI 后端网 络，但随着以太网网络部署的不断优化，超以太网联盟加速发展，我们认为未来以 太网方案占比有望持续提升，带动以太网交换机需求增长。

交换机变革 2：AI 网络带来低时延、大带宽等网络需求，400G/800G 交换机持 续放量，1.6T 交换机加速落地

AI 大模型参数量持续增长倒逼集群规模提升，叠加 AI 芯片带宽提升，促使交 换机端口速率及交换容量同步升级。交换机端口速率从 200G 向 400G、800G、1.6T 提升，交换芯片带宽容量提升至 25.6T、51.2T，下一代 102.4T 交换芯片有望于 2025 年下半年推出，盒式交换机端口数量得以持续增长以支持组网规模提升，高速数据 中心交换机市场规模有望快速增长。

交换机变革 3：交换机白盒化趋势显著，带来新成长机遇

白盒交换机是一种硬件与软件解耦的网络交换机，其硬件由开放化的硬件组件 组成，而软件可由用户或第三方自由选择和定制，具备灵活性、可扩展性较高、采 购和维护成本较低等优势，广泛应用于互联网厂商和运营商网络，交换机白盒化趋 势显著，目前产业生态较为完善，商用交换机芯片厂商、JDM/ODM/OEM 交换机设 备商有望迎来发展新机遇。

交换机变化 4：光交换机商用逐渐成熟，光电融合组网落地大模型训练

光电路交换机（OCS）主要通过配置光交换矩阵,从而在任意输入/输出端口间建 立光学路径以实现信号的交换，相比电交换机，光交换机具有成本低、时延低、功 耗低、可靠性高等特点，在 AI 大模型预训练应用场景中表现较好。当前光电融合方 案中 OCS 方案商用化程度较高，基于 3D-MEMS 系统的 OCS 方案综合应用较好。