AI 算力迸发催化数通领域交换机新机遇。当前,AI 大模型训练产生的算力需求激增,交换机作为网络 架构的重要组成部分,将充分受益下游需求爆发而带来的产业景气度提升。
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交换机原理与分类
定义:交换机(Switch)意为“开关”,是一种用于电(光)信号转发的网络设备。它可以为接入交换 机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。从广义上来分析,在通信系统里对于信息交换功能实现 的设备,就是交换机。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机 等。
交换式集线器又称为以太网交换机、二层交换机(表明此交换机工作在数据链路层),或直接简称为交 换机。交换是按照通信两端传输信息的需要,用人工或设备自动完成的方法,把要传输的信息送到符合 要求的相应路由上的技术的统称。
交换机工作于 OSI 参考模型的第二层,即数据链路层。交换机内部的 CPU 会在每个端口成功连接时, 通过将 MAC 地址和端口对应,形成一张 MAC 表。在今后的通讯中,发往该 MAC 地址的数据包将仅送 往其对应的端口,而不是所有的端口。因此,交换机可用于划分数据链路层广播,即冲突域;但它不能 划分网络层广播,即广播域。
交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在背部总线上,控制 电路收到数据包以后,处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的 MAC(网卡的硬件地址)的 NIC(网卡)挂接在哪个端口上,通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口,目的 MAC 若不存 在,广播到所有的端口,接收端口回应后交换机会“学习”新的 MAC 地址,并把它添加入内部 MAC 地址 表中。使用交换机也可以把网络“分段”,通过对照 IP 地址表,交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发,可以有效的减少冲突域。
交换机发展历程
自 1989 年第一台交换机面世至今,交换机已更新至第四代,转发性能、端口速率、交换容量都实现大 幅度提升,交换机技术仍在不断迭代当中。
第一代:集线器:
集线器是交换机的前身,集线器工作于开放系统互联参考模型(OSI)的第一层,即 “物理层”,主要功能为对接收到的信号进行再生整形放大,以扩大网络的传输距离,同时把所有节点 集中在以它为中心的节点上。由于集线器收到报文会向所有端口转发,同时只能传输一个数据帧,通过 集线器相连的所有主机处于同一个冲突域中,因此,当有多台主机同时发送数据报文时,大量的冲突将 导致性能显著下降,以集线器为核心构建的网络是共享式以太网的典型代表。
第二代:二层交换机:
交换机是在多端口网桥的基础上逐步发展起来的,1989 年第一台以太网交换机 诞生,最初的交换机完全符合 OSI 定义的层次模型,即工作于第二层“数据链路层”因而称为“二层交 换机”,
二层交换机识别数据帧中的 MAC(媒体存取控制)地址信息,主要根据 MAC 地址选择转发端 口,算法相对简单,便于 ASIC(专用集成电路)实现,因此转发性能高,使得以太网从共享式升级为 交换式,有效提高小型局域网性能。
第三代:三层交换机:
三层交换机,即工作于第三层“网络层”的交换机,是在 VLAN(虚拟局域网) 技术发展的基础上诞生的。三层交换机是为 IP 设计的,接口类型简单,拥有很强二层包处理能力,适 用于大型局城网内的数据路由与交换,它既可以工作在协议第三层替代或部分完成传统路由器的功能, 同时又具有几乎第二层交换的速度,
第四代:多业务交换机:
在万兆以太网出现后,各类高带宽业务开展和部署对网络设备的要求增多,包 括数据的连通性、安全性、可靠性、服务质量等,同时为了降低组网成本和简化管理维护,网络设备功 能开始出现融合趋势,多业务交换机由此诞生。多业务交换机支持多层转发,但由于 ASIC 的限制,当 前多数多业务交换机为二三层业务叠加上层增值服务,本质上为多设备安装在同一机框。
交换机应用场景
交换机作为各种类型网络终端互联互通的关键设备,应用场景广泛。根据不同应用场景可分为:
交换机网络结构演进
交换机将网路各个部件互相连接,是数据中心算力网络的枢纽。交换机类似于控制器,允许不同的设备 共享信息并且彼此通信。传统的树型网络带宽逐级收敛,云计算数据中心的发展让胖树架构发挥了性能, 胖树架构使用大量的低性能交换机,构建出大规模的无阻塞网络。而对于任意的通信模式,总有路径让 他们的通信带宽达到网卡带宽。
叶脊架构优势明显,扁平化设计,具有带宽高等特点。传统的三层网络可分为接入层、汇聚层、核心层, 将设备上下级连。
但随着网络规模化扩展,这种架构的缺点逐渐暴露,即设备间的通信必须逐级传递, 叶脊网络(leaf-spine)使得网络扁平化,其中叶交换机相当于传统的接入层交换机,脊交换机类似核心 交换机。叶和脊交换机之间通过 ECMP(Equal Cost Multi Path)动态选择多条路径。
如英伟达 DGXA100 SuperPod 中,140 个计算节点对应 188 台 Quantum QM8790。在英伟达 DGXA100 SuperPOD 中,140 个节点对应 188 个台 Quantum QM8790,其中 166 台用于计算,22 台 用于存储。此外,还有负责以太网管理的 8 台 SN4600 及 10 台 AS4610。
英伟达 DGXH100 SuperPod 中,127 个计算节点对应 64 台 Quantum QM9700。在英伟达 DGXH100 SuperPOD 中,127 个节点对应 64 个台 Quantum QM8790,其中 48 台用于计算,16 台用 于存储。此外,还有负责以太网管理的 8 台 SN4600C 及 8 台 SN2201。