行业报告-说一说交换机

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。

分享下载：交换机行业深度：竞争格局、发展趋势、产业链

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。

• 二层交换机：基于 MAC 地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络接入层和汇聚层。
• 三层交换机：基于 P 地址和协议进行交换的第三层交换机应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。 部分第三层交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判断。
• 四层交换机：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据 MAC 地址（第二层网桥）或源/目标 P 地址（第三 层路由），而且依据 TCP/UDP（第四层）应用端口号。

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：

• 园区企业交换机作为连接个人、家庭与社会关系的纽带，横跨教育、医疗、金融等多个行业，对核心设 备的超宽、融合能力提出更高诉求。
• 数据中心交换机主要用于支持数据中心网络组网，支持较为丰富的数据中心特性。
• 工业交换机针对工业应用需求提供组网设备，要求耐高低温能力强、抗干扰能力更强、更高的可靠性稳 定性安全性等，其广泛运用至工业控制、制造业、能源电力、智慧交通等领域。

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。