دور رقائق التبديل
تتكون معدات تبديل Ethernet من رقائق تبديل Ethernet ووحدة المعالجة المركزية (CPU) وPHY وPCB والأنظمة الفرعية للواجهة/المنافذ وما إلى ذلك، ومن بينها شرائح تبديل Ethernet ووحدة المعالجة المركزية (CPU) هي المكونات الأساسية.
شرائح تبديل Ethernet عبارة عن شرائح مخصصة تستخدم لتبديل ومعالجة كميات كبيرة من البيانات وإعادة توجيه الرسائل. إنها دوائر متكاملة خاصة محسنة لتطبيقات الشبكة. تتكون المسارات المنطقية داخل شرائح تبديل Ethernet من مئات مجموعات الميزات التي تعمل معًا مع الحفاظ على قدرات معالجة البيانات العالية للغاية، لذا فإن تنفيذها المعماري معقد.
وحدة المعالجة المركزية عبارة عن شريحة ذات أغراض عامة تستخدم لإدارة التحكم في تسجيل الدخول وتفاعل البروتوكول؛ يتم استخدام PHY لمعالجة بيانات الطبقة المادية للواجهة الكهربائية. تقوم بعض شرائح تبديل Ethernet بدمج وحدة المعالجة المركزية (CPU) وPHY داخل شريحة تبديل Ethernet.
مبدأ العمل لرقائق التبديل
تتوافق شرائح تبديل Ethernet مع نموذج OSI (النموذج المرجعي للاتصال البيني لأنظمة الاتصالات المفتوحة) على المستوى المنطقي.
يتضمن نموذج OSI الطبقة المادية وطبقة ارتباط البيانات وطبقة الشبكة وطبقة النقل وطبقة الجلسة وطبقة العرض وطبقة التطبيق. تعمل شرائح تبديل Ethernet بشكل أساسي على الطبقة المادية وطبقة ارتباط البيانات وطبقة الشبكة وطبقة النقل، مما يوفر تقنية تجسير عالية الأداء (إعادة توجيه الطبقة 2) لطبقة ارتباط البيانات وتقنية توجيه عالية الأداء (توجيه الطبقة 3) للشبكة الطبقة، وتكنولوجيا سياسة الأمان (ACL) لطبقة النقل وما دونها، بالإضافة إلى إمكانات معالجة البيانات مثل جدولة حركة المرور وإدارتها.
مبدأ العمل المحدد هو كما يلي: 1. بعد أن تدخل حزمة الرسائل/البيانات المراد إرسالها إلى شريحة تبديل Ethernet عبر المنفذ، تتم مطابقة حقل رأس الحزمة أولاً للتحضير لتصنيف التدفق؛ 2. ثم يتم إجراء اختبار أمان الأجهزة من خلال محرك الأمان؛ 3. يتم تبديل حزم البيانات التي تلبي متطلبات الأمان في الطبقة 2 أو توجيهها في الطبقة 3، ثم تتخذ الإجراءات ذات الصلة من خلال معالج تصنيف التدفق على حزم البيانات المطابقة (مثل التخلص، والحد من السرعة، وتعديل شبكة VLAN، وما إلى ذلك. ); 4. بالنسبة للحزم التي يمكن إعادة توجيهها، يتم وضعها في المخازن المؤقتة لقوائم انتظار مختلفة وفقًا لـ 802.1P أو DSCP. يقوم المجدول بجدولة قوائم الانتظار وفقًا للأولوية أو الخوارزميات مثل WRR، ويقوم بتعديل تصنيف التدفق قبل أن يرسل المنفذ الحزمة، ويرسلها أخيرًا من المنفذ المقابل.
تطور رقائق التبديل
إذا نظرنا إلى الوراء في تطور رقائق التبديل، فقد تضاعفت سعة رقائق سلسلة TH من Broadcom كل عامين منذ إصدار Tomahawk1 في عام 2014:
عصر 100 جرام: في سبتمبر 2014، أطلقت Broadcom أول منتج من طراز Tomahawk. في عام 2016، بدأت مراكز البيانات في الترقية إلى 100 جيجا، كما تم نشر أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية 100 جيجا ومفاتيح 100 جيجا على نطاق واسع في هذا الوقت.
عصر 400G:تم أخذ أول شريحة 400G (Tomahawk3) في ديسمبر 2017. في عام 2018، أصدرت شركات تصنيع المحولات الرئيسية مثل Cisco و Arista و Junpier على التوالي منتجات محولات 400G. في عام 2019، تم إطلاق منتجات سلسلة 400G. في نفس العام، أطلقت الشركات المصنعة المحلية مثل H3C و Ruijie أيضًا منتجات محولات 400G. في ديسمبر 2019، تم إطلاق أول شريحة محول في العالم Tomahawk4 بسعة تحويل 25.6 تيرابايت في الثانية رسميًا. يمكنها دعم نشر 64 * 400G / 128 * 200G / 256 * 100G. في عام 2022، يدخل جهاز الإرسال والاستقبال البصري 400G السنة الأولى من الإنتاج الضخم، وتتكرر مراكز البيانات رسميًا من 100G إلى 400G.
عصر 800G: في في أغسطس 2022، أطلقت Broadcom محولات Tomahawk 5ASIC بسرعة تصل إلى 51.2 تيرابايت في الثانية، والتي ستدعم محولات بسرعة 64 منفذًا بسرعة 800 جيجابت في الثانية أو 128 منفذًا بسرعة 400 جيجابت في الثانية أو 256 منفذًا بسرعة 200 جيجابت في الثانية مع شريحة واحدة. في مارس 2023، تم شحن شرائح محول/جهاز توجيه Ethernet من سلسلة Tomahawk 5 على دفعات. دخلت الصناعة دورة التكرار 800G، ويتم إطلاق جهاز الإرسال والاستقبال البصري 800G.
تبديل تصنيف الشريحة
يمكن تقسيم شرائح تبديل Ethernet إلى الفئات التالية وفقًا لعرض النطاق الترددي والتطبيق:
حسب عرض النطاق الترددي: يمكن تقسيم شرائح تبديل Ethernet إلى: 1) 100M: تستخدم في معدات التبديل المنزلية؛ 2) جيجابت: ينطبق على معدات تحويل المؤسسات الصغيرة؛ 3) جيجابت و10 جيجابت: تستخدم في معدات تحويل المؤسسات واسعة النطاق؛ 4) 25 جيجا، 40 جيجا، 100 جيجا: تستخدم في مراكز البيانات والمشغلين؛ 5) 400G: يستخدم في مراكز البيانات والمشغلين. 8) 800 جرام
حسب سيناريو التطبيق: تنقسم شرائح تبديل Ethernet إلى أربع فئات وفقًا لسيناريوهات التطبيق النهائية: شبكة المؤسسة والمشغل ومركز البيانات والصناعة. مجالات التطبيق المحددة لسيناريوهات التطبيق المذكورة أعلاه هي كما يلي:
1) معدات تحويل إيثرنت لشبكات المؤسسات: يمكن تقسيمها إلى أنواع مالية وحكومية ومؤسساتية وأنواع الحرم الجامعي؛ 2) معدات تحويل إيثرنت لمقدمي خدمات الإنترنت (ISPs): يمكن تقسيمها إلى شبكة منطقة حضرية، وشبكة أنشأها المشغل، وشبكة إدارة داخلية للمشغل؛ 3) معدات تحويل إيثرنت لمراكز البيانات: يمكن تقسيمها إلى سحابة عامة، وسحابة خاصة، ومراكز بيانات ذاتية البناء؛ 4) معدات تحويل إيثرنت الصناعية: يمكن تقسيمها إلى الطاقة، والنقل بالسكك الحديدية، والنقل البلدي، والطاقة، وأتمتة المصانع.
المعلمات الهامة لشريحة التبديل
تعد سعة التبديل وسرعة المنفذ من المؤشرات المهمة للمفاتيح.
سعة التبديل هي الحد الأقصى لكمية البيانات التي يمكن التعامل معها بين معالج واجهة التبديل أو بطاقة الواجهة وناقل البيانات، مما يشير إلى إمكانية تبادل البيانات لشريحة التبديل. وتسمى قدرة التبديل أيضًا بعرض النطاق الترددي للوحة الكترونية معززة. حاليًا، وصلت أعلى منتجات قدرة التحويل التي أطلقتها Broadcom وMarvell وCisco إلى 51.2 تيرابت في الثانية. سرعة المنفذ هي الحد الأقصى لعدد البتات التي يتم إرسالها في الثانية على كل منفذ لشريحة/مفتاح التبديل. بالنسبة لمحولات Ethernet، تتراوح المعدلات العامة الحالية بين 10 ميجا و400 جيجا.
بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل إعادة توجيه الحزم، وما إذا كان VLAN (شبكة المنطقة المحلية الافتراضية) مدعومًا، وما إذا كان هناك تكرار للوحدة، وما إذا كان هناك تكرار للتوجيه، وما إلى ذلك، يعد أيضًا مؤشرات مهمة لقياس أداء معدات التبديل.
المنافذ الضوئية والكهربائية
المنفذ الكهربائي: واجهة RJ45 عادية، تستخدم عادة لتوصيل كابل الشبكة.
المنفذ البصري: تستخدم لتوصيل جهاز الإرسال والاستقبال البصري. وفقًا لنموذج تعبئة الواجهة، يمكن تقسيمها إلى SFP+، SFP28، وQSFP+. SFP+: يدعم معدلات GE/10GE SFP28، ومعدلات GE/10GE/25GE QSFP+، ومعدلات 40GE/100GE. SFP+ وSFP28 متماثلان في المظهر الهيكلي ومتوافقان مع بعضهما البعض، لكن SFP28 يدعم معدلًا أعلى يصل إلى 25G، بينما يدعم SFP+ ما يصل إلى 10G فقط. يختلف QSFP+ كثيرًا عن SFP+ في المظهر، وهما غير متوافقين. يتم استخدام QSFP+ بمعدلات أعلى من 40 جيجا.