O papel dos chips switch
O equipamento de comutação Ethernet consiste em chips de comutação Ethernet, CPU, PHY, PCB, subsistemas de interface/porta, etc., entre os quais os chips de comutação Ethernet e CPU são os componentes principais.
Os chips de comutação Ethernet são chips dedicados usados para comutação e processamento de grandes quantidades de dados e encaminhamento de mensagens. São circuitos integrados especiais otimizados para aplicações de rede. Os caminhos lógicos dentro dos chips de comutação Ethernet são compostos por centenas de conjuntos de recursos que funcionam juntos, mantendo capacidades de processamento de dados extremamente altas, de modo que sua implementação arquitetônica é complexa.
A CPU é um chip de uso geral usado para gerenciar login e controle de interação de protocolo; PHY é usado para processar os dados da camada física da interface elétrica. Alguns chips de switch Ethernet integram a CPU e o PHY dentro do chip de switch Ethernet.
Princípio de funcionamento dos chips switch
Os chips de comutação Ethernet estão em conformidade com o modelo OSI (Open Communications Systems Interconnection Reference Model) no nível lógico.
O modelo OSI inclui a camada física, camada de enlace de dados, camada de rede, camada de transporte, camada de sessão, camada de apresentação e camada de aplicação. Os chips de comutação Ethernet funcionam principalmente na camada física, camada de enlace de dados, camada de rede e camada de transporte, fornecendo tecnologia de ponte de alto desempenho (encaminhamento de camada 2) para a camada de enlace de dados, tecnologia de roteamento de alto desempenho (roteamento de camada 3) para a rede camada, tecnologia de política de segurança (ACL) para a camada de transporte e abaixo, bem como capacidades de processamento de dados, como agendamento e gerenciamento de tráfego.
O princípio de funcionamento específico é o seguinte: 1. Depois que o pacote de mensagem/dados a ser transmitido entra no chip de comutação Ethernet através da porta, o campo do cabeçalho do pacote é correspondido primeiro para se preparar para a classificação do fluxo; 2. Em seguida, é realizado o teste de segurança do hardware através do mecanismo de segurança; 3. Os pacotes de dados que atendem aos requisitos de segurança são comutados na Camada 2 ou roteados na Camada 3 e, em seguida, executam ações relevantes através do processador de classificação de fluxo nos pacotes de dados correspondentes (como descartar, limitar a velocidade, modificar a VLAN, etc. ); 4. Para pacotes que podem ser encaminhados, eles são colocados em buffers de diferentes filas de acordo com 802.1P ou DSCP. O escalonador agenda as filas de acordo com a prioridade ou algoritmos como WRR e realiza a modificação da classificação do fluxo antes que a porta envie o pacote e, finalmente, o envia da porta correspondente.
A evolução dos chips switch
Olhando para trás, para a evolução dos chips switch, os chips da série TH da Broadcom dobraram de capacidade a cada dois anos desde o lançamento do Tomahawk1 em 2014:
Era 100G: Em setembro de 2014, a Broadcom lançou o primeiro produto Tomahawk. Em 2016, os data centers começaram a atualizar para 100G, e transceptores ópticos de 100G e switches de 100G também foram implantados em grande escala neste momento.
Era 400G: O primeiro chip 400G (Tomahawk3) foi amostrado em dezembro de 2017. Em 2018, os principais fabricantes de switches, como Cisco, Arista e Junpier, lançaram sucessivamente produtos de switch 400G. Em 2019, os produtos da série 400G foram lançados. No mesmo ano, fabricantes nacionais como H3C e Ruijie também lançaram produtos de switch 400G. Em dezembro de 2019, o primeiro chip de switch do mundo, Tomahawk4, com capacidade de comutação de 25.6 Tbps, foi lançado oficialmente. Ele pode suportar implantação de 64*400G/128*200G/256*100G. Em 2022, o transceptor óptico 400G entra no primeiro ano de produção em massa, e os data centers iteram oficialmente de 100G para 400G.
Era 800G: em Em agosto de 2022, a Broadcom lançou o Tomahawk 5ASIC com velocidade de até 51.2 Tbps, que suportará switches de 64 portas de 800 Gbps, 128 portas de 400 Gbps ou 256 portas de 200 Gbps com um único chip. Em março de 2023, os chips de switch/roteador Ethernet da série Tomahawk 5 foram enviados em lotes. A indústria entrou no ciclo de iteração 800G e o transceptor óptico 800G está sendo lançado.
Classificação do chip de comutação
Os chips de comutação Ethernet podem ser divididos nas seguintes categorias de acordo com a largura de banda e a aplicação:
Por largura de banda: Os chips de comutação Ethernet podem ser divididos em: 1) 100M: usados em equipamentos de comutação doméstica; 2) Gigabit: Aplicável a equipamentos de comutação para pequenas empresas; 3) Gigabit e 10 Gigabit: usados em equipamentos de comutação empresariais de grande escala; 4) 25G, 40G, 100G: utilizados em data centers e operadoras; 5) 400G: utilizado em data centers e operadoras. 8) 800G
Por cenário de aplicação: Os chips de comutação Ethernet são divididos em quatro categorias de acordo com os cenários de aplicação downstream: rede corporativa, operadora, data center e indústria. As áreas de aplicação específicas dos cenários de aplicação acima são as seguintes:
1) Equipamento de comutação Ethernet para redes corporativas: pode ser dividido em tipos financeiro, governamental e empresarial e campus; 2) Equipamento de comutação Ethernet para Provedores de Serviços de Internet (ISPs): Pode ser dividido em rede de área metropolitana, rede de gerenciamento construída pela operadora e rede de gerenciamento interna da operadora; 3) Equipamento de comutação Ethernet para data centers: pode ser dividido em nuvem pública, nuvem privada e data centers autoconstruídos; 4) Equipamento de comutação Ethernet industrial: pode ser dividido em energia, trânsito ferroviário, transporte municipal, energia e automação de fábrica.
Parâmetros importantes do chip switch
A capacidade de comutação e a velocidade da porta são indicadores de parâmetros importantes dos switches.
A capacidade de comutação é a quantidade máxima de dados que pode ser tratada entre o processador de interface do switch ou placa de interface e o barramento de dados, indicando a capacidade de troca de dados do chip do switch. A capacidade de comutação também é chamada de largura de banda do backplane. Atualmente, os produtos de maior capacidade de comutação lançados pela Broadcom, Marvell e Cisco atingiram 51.2 Tbps. A velocidade da porta é o número máximo de bits transmitidos por segundo em cada porta do chip/switch de comutação. Para switches Ethernet, as taxas comuns atuais estão entre 10M e 400G.
Além disso, a taxa de encaminhamento de pacotes, se há suporte para VLAN (Virtual Local Area Network), se há redundância de módulo, se há redundância de roteamento, etc., também são indicadores importantes para medir o desempenho do equipamento de switch.
Portas ópticas e elétricas
Porta elétrica: interface RJ45 comum, geralmente usada para conectar o cabo de rede.
Porta óptica: usado para conectar o transceptor óptico. De acordo com a forma de empacotamento da interface, ela pode ser dividida em SFP+, SFP28 e QSFP+. SFP+: suporta taxas GE/10GE SFP28, taxas GE/10GE/25GE QSFP+ e taxas 40GE/100GE. SFP+ e SFP28 são iguais em aparência estrutural e são compatíveis entre si, mas SFP28 suporta uma taxa mais alta, até 25G, enquanto SFP+ suporta apenas até 10G. QSFP+ é muito diferente de SFP+ na aparência e os dois não são compatíveis. QSFP+ é usado em taxas acima de 40G.