Роль переключающих чипов
Коммутационное оборудование Ethernet состоит из микросхем коммутации Ethernet, ЦП, PHY, печатной платы, подсистем интерфейса/порта и т. д., среди которых микросхемы коммутации Ethernet и ЦП являются основными компонентами.
Коммутационные чипы Ethernet — это специальные чипы, используемые для коммутации и обработки больших объемов данных и пересылки сообщений. Это специальные интегральные схемы, оптимизированные для сетевых приложений. Логические пути внутри микросхем коммутации Ethernet состоят из сотен наборов функций, которые работают вместе, сохраняя при этом чрезвычайно высокие возможности обработки данных, поэтому их архитектурная реализация сложна.
ЦП представляет собой микросхему общего назначения, используемую для управления входом в систему и контролем взаимодействия протоколов; PHY используется для обработки данных физического уровня электрического интерфейса. Некоторые микросхемы коммутаторов Ethernet объединяют ЦП и PHY внутри микросхемы коммутатора Ethernet.
Принцип работы переключающих чипов
Чипы коммутации Ethernet соответствуют модели OSI (эталонной модели взаимодействия открытых коммуникационных систем) на логическом уровне.
Модель OSI включает в себя физический уровень, уровень канала передачи данных, сетевой уровень, транспортный уровень, сеансовый уровень, уровень представления и уровень приложений. Чипы коммутации Ethernet в основном работают на физическом уровне, уровне канала передачи данных, сетевом уровне и транспортном уровне, обеспечивая высокопроизводительную технологию моста (пересылка уровня 2) для уровня канала передачи данных, высокопроизводительную технологию маршрутизации (маршрутизация уровня 3) для сети. уровень, технология политики безопасности (ACL) для транспортного уровня и ниже, а также возможности обработки данных, такие как планирование и управление трафиком.
Конкретный принцип работы следующий: 1. После того, как передаваемый пакет сообщения/данных поступает в микросхему коммутации Ethernet через порт, поле заголовка пакета сначала сопоставляется для подготовки к классификации потока; 2. Затем с помощью механизма безопасности выполняется проверка безопасности оборудования; 3. Пакеты данных, соответствующие требованиям безопасности, коммутируются на уровне 2 или маршрутизируются на уровне 3, а затем они предпринимают соответствующие действия через процессор классификации потока над соответствующими пакетами данных (например, отбрасывание, ограничение скорости, изменение VLAN и т. д.). ); 4. Пакеты, которые можно пересылать, помещаются в буферы разных очередей согласно 802.1P или DSCP. Планировщик планирует очереди в соответствии с приоритетом или алгоритмами, такими как WRR, и выполняет модификацию классификации потока перед тем, как порт отправит пакет, и, наконец, отправит его из соответствующего порта.
Эволюция микросхем-переключателей
Оглядываясь назад на эволюцию микросхем коммутаторов, можно сказать, что чипы серии TH от Broadcom удваивали емкость каждые два года с момента выпуска Tomahawk1 в 2014 году:
эпоха 100G: В сентябре 2014 года Broadcom выпустила первый продукт Tomahawk. В 2016 году центры обработки данных начали модернизироваться до 100G, и в это же время в больших масштабах были развернуты оптические трансиверы 100G и коммутаторы 100G.
Эпоха 400G: Первый чип 400G (Tomahawk3) был испытан в декабре 2017 года. В 2018 году основные производители коммутаторов, такие как Cisco, Arista и Junpier, последовательно выпустили коммутаторы 400G. В 2019 году были запущены продукты серии 400G. В том же году отечественные производители, такие как H3C и Ruijie, также выпустили коммутаторы 400G. В декабре 2019 года был официально запущен первый в мире чип коммутатора Tomahawk4 с коммутационной способностью 25.6 Тбит/с. Он может поддерживать развертывание 64*400G/128*200G/256*100G. В 2022 году оптический трансивер 400G вступает в первый год массового производства, а центры обработки данных официально переходят с 100G на 400G.
Эпоха 800G: в В августе 2022 года Broadcom выпустила Tomahawk 5ASIC со скоростью до 51.2 Тбит/с, который будет поддерживать коммутаторы с 64 портами 800 Гбит/с, 128 портами 400 Гбит/с или 256 портами 200 Гбит/с на одном чипе. В марте 2023 года чипы коммутатора/маршрутизатора Ethernet Tomahawk 5 серии были отправлены партиями. Промышленность вступила в итерационный цикл 800G, и выпускаются оптические приемопередатчики 800G.
Классификация чипов переключателей
Микросхемы коммутации Ethernet можно разделить на следующие категории в зависимости от пропускной способности и применения:
По пропускной способности: Чипы коммутации Ethernet можно разделить на: 1) 100M: используются в домашнем коммутационном оборудовании; 2) Гигабитный: применимо к коммутационному оборудованию малых предприятий; 3) Гигабит и 10 Гигабит: используются в коммутационном оборудовании крупных предприятий; 4) 25G, 40G, 100G: используются в центрах обработки данных и у операторов; 5) 400G: используется в центрах обработки данных и у операторов. 8) 800Г
По сценарию применения: Чипы коммутации Ethernet делятся на четыре категории в зависимости от сценариев применения: корпоративная сеть, оператор, центр обработки данных и промышленность. Конкретные области применения приведенных выше сценариев применения следующие:
1) Коммутационное оборудование Ethernet для корпоративных сетей: можно разделить на финансовые, правительственные и корпоративные, а также кампусные типы; 2) Коммутационное оборудование Ethernet для интернет-провайдеров (ISP): его можно разделить на городскую сеть, сеть управления, построенную оператором, и сеть внутреннего управления оператора; 3) Коммутационное оборудование Ethernet для центров обработки данных: можно разделить на общедоступное облако, частное облако и центры обработки данных, построенные самостоятельно; 4) Коммутационное оборудование промышленного Ethernet: можно разделить на энергетическое, железнодорожное, муниципальное, энергетическое и промышленное.
Важные параметры микросхемы переключателя
Коммутационная способность и скорость порта являются важными показателями параметров коммутаторов.
Коммутационная способность — это максимальный объем данных, который может быть обработан между процессором интерфейса коммутатора или интерфейсной платой и шиной данных, что указывает на возможность обмена данными микросхемы коммутатора. Коммутационная способность также называется пропускной способностью объединительной платы. В настоящее время продукты с самой высокой коммутационной способностью, выпущенные Broadcom, Marvell и Cisco, достигли 51.2 Тбит/с. Скорость порта — это максимальное количество бит, передаваемых в секунду на каждом порту коммутационного чипа/коммутатора. Для коммутаторов Ethernet текущие общие скорости составляют от 10M до 400G.
Кроме того, важными показателями для измерения производительности коммутационного оборудования также являются скорость пересылки пакетов, поддерживается ли VLAN (виртуальная локальная сеть), имеется ли резервирование модулей, имеется ли резервирование маршрутизации и т. д.
Оптические и электрические порты
Электрический порт: обычный интерфейс RJ45, обычно используемый для подключения сетевого кабеля.
Оптический порт: используется для подключения оптического трансивера. По форме упаковки интерфейса его можно разделить на SFP+, SFP28 и QSFP+. SFP+: поддерживает скорости GE/10GE SFP28, скорости GE/10GE/25GE QSFP+ и скорости 40GE/100GE. SFP+ и SFP28 имеют одинаковую конструкцию и совместимы друг с другом, но SFP28 поддерживает более высокую скорость, до 25G, а SFP+ поддерживает только до 10G. QSFP+ внешне сильно отличается от SFP+, и они несовместимы. QSFP+ используется на скоростях выше 40G.