交換機工作原理、分類、組成及變革新機遇在哪？

我認為 AI 時代交換機有望迎來四大產業變革新機遇。

1、 交換機工作在數據鏈路或網絡層，負責電/光信號轉發

交換機是用于電/光信號轉發的網絡設備。普通二層交換機（Switch）意為“開 關”，是一種用于電(光)信號轉發的網絡設備。它基于 MAC 地址進行數據的轉發， 工作在 OS 七層模型中的第二層（數據鏈路層）。普通交換機具有多個端口，每個端 口都具備橋接功能，可以連接一個局域網或一臺高性能服務器或工作站。當設備接 入交換機時，交換機會學習設備的 MAC 地址，并將 MAC 地址與端口對應起來，形 成一張 MAC 地址表。在后續的數據傳輸過程中，交換機根據數據包中的 MAC 地址 信息，將數據從對應的端口發送出去，實現數據的精準轉發。 按應用場景和傳輸介質來看，交換機種類較多。交換機是重要的通信網絡設備， 最常見的網絡交換設備以以太網交換機為主，其次還包括語音交換機、光纖交換機 等，適應不同網絡環境與應用場景。 按照應用場景劃分：（1）園區用以太網交換設備：可分為金融類、政企類、校 園類；（2）運營商用以太網交換設備：可分為城域網用、運營商承建用以及運營商 內部管理網用；（3）數據中心用以太網交換設備：可分為公有云用、私有云用、自 建數據中心用；（4）工業用以太網交換設備：可分為電力用、軌道交通用、市政交 通用、能源用、工廠自動化用等。

以太網交換設備已支持多個層級的數據轉發，網絡性能持續提升。早期以集線 器為代表的以太網設備主要在物理層工作，無法隔絕沖突擴散，網絡性能難以提升， 而以太網交換機能夠隔絕沖突，持續提升以太網性能。世界上第一臺以太網交機最 早于 1989 年問世，經過三十余年的的發展，以太網交換機在轉發性能和功能上持續 提升。轉發性能方面，以太網交換設備的端口速率從 10M 發展到 800G，單臺設備 的交換容量從 Mbps 量級提升至 Tbps 量級。功能方面，以太網交換設備發展至今， 可分為二層交換機、三層交換機和疊加型多業務交換設備。二層交換機和三層交換 機之間的最大區別在于路由功能，疊加型多業務交換設備（四層或更高層）除了實 現二層和三層的業務外，還可具備如防火墻、網關等其他功能。

以太網交換設備能夠使不同網絡中的設備終端實現互聯互通。以太網交換設備 對外提供高速網絡連接端口，與主機和網絡節點相連接，為接入設備的多個網絡節 點提供電信號通路和業務處理模型。以太網交換設備主要采用 OSI 模型，可作用于 物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層或者應用層，通過高帶寬的背部總線和內部 交換矩陣實現多個端口對之間同一時間的數據傳輸和數據報文處理。

二層交換機工作在數據鏈路層，三層交換機工作在網絡層。二層交換機在接受 來自光纖傳輸的光信號后，通過光模塊進行光電轉換，最終將光信號轉換為設備可 理解的數字信號后，數據包從網絡端口進入。PHY 層負責跨物理連接傳輸和接收比 特流，包括編碼、多路復用、同步、時鐘恢復和線路上數據的序列化等，一旦在 PHY 上接收到有效的比特流，則數據將發送到 MAC 控制器， MAC 層負責將比特流轉 換為幀/數據包。經過以太網收發器芯片（PHY 芯片）、MAC 控制器后，進入以太網 交換芯片，基于 MAC 地址進行數據交換；三層交換機/路由器工作在網絡層，能夠 基于 IP 地址進行轉發與路由選擇。

交換機與其他網絡設備功能各不相同。光貓：工作在物理層，通常安裝在網絡 入口處即光纖接入點處，用于光電信號轉換，主要應用在家庭網絡接入場景；路由 器：工作在網絡層，連接不同網絡，基于 IP 地址進行轉發與路由選擇；網關：通常 用于連接使用不同協議的網絡，能夠在多個層次上進行必要的翻譯和協議轉換。二 層交換機主要工作在數據鏈路層，具有網橋和集線器的功能，用于同一網絡內基于 MAC 地址進行幀/數據包轉發與過濾。

2、 交換芯片為核心部件，框式、盒式交換機各司其職

以太網交換機主要由芯片、PCB、光器件、插接件、阻容器件、殼體、電源、 風扇等組成，芯片包含以太網交換芯片、CPU、PHY、CPLD/FPGA 等，其中以太 網交換芯片和 CPU 是最核心部件。以太網交換芯片專為優化網絡應用設計，是負責 交換處理大量數據和轉發報文的專用芯片，芯片內部的邏輯通路由數百個特性集合 組成，以確保芯片在協同工作的同時保持較強的數據處理能力，架構實現較為復雜； CPU 是用于管理登錄、協議交互的控制的通用芯片；PHY 負責處理物理層數據。

交換機的交換性能主要取決于背板帶寬容量/包轉發率、交換容量、端口速率和 端口密度。背板帶寬是衡量交換機數據吞吐能力的重要指標，其值越大說明該交換 機在高負荷下數據交換的能力越強。在全雙工工作模式下，當交換機的背板帶寬容 量≥交換容量（=端口數×端口速率×2）時，才能實現線速轉發（無阻塞轉發），部 分高端交換機采用無背板設計則需關注包轉發率。一般來說，交換機擁有的端口速 率越高則代表設備的處理性能越強，適用于數據流量大的場景；擁有的端口密度越 大，則代表著設備的轉發能力越強，可連接設備數量更多，組網規模更大。 以太網交換機芯片是以太網交換機中用于交換處理大量數據及報文轉發的專用 芯片，相當于網絡方面的 ASIC，部分以太網交換機芯片內部會集成 MAC 控制器和 PHY 芯片。需要傳輸的數據包由物理端口進入以太網交換芯片后，芯片的解析器首 先對數據包進行字段分析，為流分類做準備。通過安全檢測的數據包進行二層交換 或三層路由，流分類處理器對匹配的數據包作出相應動作，將可以轉發的數據包根 據 802.1P 或 DSCP 放到不同隊列的 buffer 中，調度器根據優先級或 WRR 等算法進 行隊列調度并執行流分類修改動作，最后從端口發送該數據包。

從交換機物理形態上，可以分為框式交換機和盒式交換機。框式交換機通常由 一個機框和多個插槽組成，可以插入不同類型和數量的模塊，如接口模塊、主控模 塊、交換模塊等，具有較高的靈活性和擴展性；而盒式交換機一般是一體化設計， 接口數量和類型相對固定，部分盒式交換機接口采用模塊化設計。框式交換機與盒 式交換機的主要差異更多體現在內部構造與應用場景（OSI 使用層級）上。

從應用場景來看，框式交換機背板帶寬通常較大，可處理數據流量較大、適用 端口密度更高的場景，并具備冗余機制，主要適用于大型企業/園區網絡中的核心層、 匯聚層，運營商網絡核心、匯聚節點等，對性能和可靠性要求極高的場景；普通的 盒式交換機，交換容量和端口速率有限主要用于中小企業/樓宇網絡、邊緣計算節點、 中小型數據中心接入層；高速率盒式數據中心交換機，由于配備單個交換容量較高 的交換芯片如博通 Tomahawk 5 或多個交換芯片如英偉達 Quantum-X800 Q3400 交換 機系列，整體端口密度及端口速率較高，亦可用于中大型數據中心網絡組網。

細分背板架構來看，常見的包括 Full-Mesh 交換架構、Crossbar 矩陣交換架構 和 CLOS 交換架構等。（1）在 Full mesh 架構中，所有業務線卡通過背板走線連接到 其它線卡，任意兩個節點間都直接連接，所以隨著節點數量增加連接總數也持續上 升，因此可擴展性較差；（2）Crossbar 架構則是一種兩級架構，每個 CrossPoint 都是 一個開關，交換機通過控制開關來完成輸入到特定輸出的轉發，隨著端口數量的增 加，交叉點開關的數量呈幾何級數增長，端口數量仍然有限；（3）CLOS 架構是一種 多級架構，每個入口級開關連接至中間級開關再連接到出口級開關，每塊業務線卡 和所有交換網板相連，交換芯片集成在交換網板上，實現了交換網板和主控引擎硬 件分離。CLOS 架構又可細分為非正交背板、正價背板和正交零背板設計。

3、 交換機：AI 時代的核心網絡通信設備

以太網交換機是重要的通信網絡設備，隨著全球 AI 的高速發展，AI 集群規模 持續增長，AI 集群網絡對組網架構、網絡帶寬、網絡時延等方面提出更高要求，帶 動交換機朝著高速率、多端口、白盒化、光交換機等方向持續迭代升級，我們認為 AI 時代交換機有望迎來四大產業變革新機遇。

交換機變革 1：AI 集群新增后端組網需求，集群規模持續增長，以太網占比有 望逐步提升，有望帶來大量高速以太網交換機需求

（1）AI 訓練集群帶來 GPU 互聯需求，新增后端網絡組網需求。AI 服務器比 傳統服務器新增 GPU 模組，GPU 模組通過對應的網卡與其他服務器或交換機互聯， 實現各節點之間的通信。因此相比傳統網絡架構，AI 服務器組網增加后端網絡組網 （Back End），增加了每臺服務器的網絡端口數量，拉動對高速交換機、網卡、光模 塊、光纖光纜等組件需求。 （2）AI 集群加速 Scale out，萬卡、十萬、百萬卡集群組網帶來大量高速交換 機需求。隨著 AI 模型參數持續增長，帶動集群規模從百卡、千卡拓展至萬卡、十萬 卡，Scale out 推動組網架構從 2 層向 3 層、4 層架構拓展，帶來大量高速交換機需求。 （3）以太網網絡根基深厚，生態廠商眾多，AI 網絡中以太網網絡占比有望持 續提升。IB 網絡憑借低延遲、堵塞控制以及自適應路由等機制，仍然主導 AI 后端網 絡，但隨著以太網網絡部署的不斷優化，超以太網聯盟加速發展，我們認為未來以 太網方案占比有望持續提升，帶動以太網交換機需求增長。

交換機變革 2：AI 網絡帶來低時延、大帶寬等網絡需求，400G/800G 交換機持 續放量，1.6T 交換機加速落地

AI 大模型參數量持續增長倒逼集群規模提升，疊加 AI 芯片帶寬提升，促使交 換機端口速率及交換容量同步升級。交換機端口速率從 200G 向 400G、800G、1.6T 提升，交換芯片帶寬容量提升至 25.6T、51.2T，下一代 102.4T 交換芯片有望于 2025 年下半年推出，盒式交換機端口數量得以持續增長以支持組網規模提升，高速數據 中心交換機市場規模有望快速增長。

交換機變革 3：交換機白盒化趨勢顯著，帶來新成長機遇

白盒交換機是一種硬件與軟件解耦的網絡交換機，其硬件由開放化的硬件組件 組成，而軟件可由用戶或第三方自由選擇和定制，具備靈活性、可擴展性較高、采 購和維護成本較低等優勢，廣泛應用于互聯網廠商和運營商網絡，交換機白盒化趨 勢顯著，目前產業生態較為完善，商用交換機芯片廠商、JDM/ODM/OEM 交換機設 備商有望迎來發展新機遇。

交換機變化 4：光交換機商用逐漸成熟，光電融合組網落地大模型訓練

光電路交換機（OCS）主要通過配置光交換矩陣,從而在任意輸入/輸出端口間建 立光學路徑以實現信號的交換，相比電交換機，光交換機具有成本低、時延低、功 耗低、可靠性高等特點，在 AI 大模型預訓練應用場景中表現較好。當前光電融合方 案中 OCS 方案商用化程度較高，基于 3D-MEMS 系統的 OCS 方案綜合應用較好。