Die Rolle von Switch-Chips
Ethernet-Switching-Geräte bestehen aus Ethernet-Switching-Chips, CPU, PHY, PCB, Schnittstellen-/Port-Subsystemen usw., wobei die Ethernet-Switching-Chips und die CPU die Kernkomponenten darstellen.
Ethernet-Switching-Chips sind dedizierte Chips, die zum Schalten und Verarbeiten großer Datenmengen und zur Nachrichtenweiterleitung verwendet werden. Es handelt sich dabei um spezielle integrierte Schaltkreise, die für Netzwerkanwendungen optimiert sind. Die Logikpfade in Ethernet-Switching-Chips bestehen aus Hunderten von Funktionssätzen, die zusammenarbeiten und gleichzeitig extrem hohe Datenverarbeitungskapazitäten aufrechterhalten, sodass ihre architektonische Implementierung komplex ist.
Die CPU ist ein Allzweckchip, der zur Verwaltung der Anmeldung und Protokollinteraktionssteuerung verwendet wird; PHY wird zur Verarbeitung der Daten der physischen Schicht der elektrischen Schnittstelle verwendet. Einige Ethernet-Switch-Chips integrieren die CPU und PHY im Ethernet-Switch-Chip.
Funktionsprinzip von Switch-Chips
Ethernet-Switching-Chips entsprechen auf logischer Ebene dem OSI-Modell (Open Communications Systems Interconnection Reference Model).
Das OSI-Modell umfasst die physische Schicht, die Datenverbindungsschicht, die Netzwerkschicht, die Transportschicht, die Sitzungsschicht, die Darstellungsschicht und die Anwendungsschicht. Ethernet-Switching-Chips arbeiten hauptsächlich auf der physischen Schicht, der Datenverbindungsschicht, der Netzwerkschicht und der Transportschicht und bieten Hochleistungs-Bridging-Technologie (Layer 2-Weiterleitung) für die Datenverbindungsschicht, Hochleistungs-Routing-Technologie (Layer 3-Routing) für die Netzwerkschicht, Sicherheitsrichtlinientechnologie (ACL) für die Transportschicht und darunter sowie Datenverarbeitungsfunktionen wie Verkehrsplanung und -verwaltung.
Das spezifische Arbeitsprinzip ist wie folgt: 1. Nachdem die zu übertragende Nachricht/das zu übertragende Datenpaket über den Port in den Ethernet-Switching-Chip gelangt ist, wird zunächst das Paketheaderfeld abgeglichen, um die Flussklassifizierung vorzubereiten. 2. Anschließend wird der Hardware-Sicherheitstest durch die Sicherheits-Engine ausgeführt. 3. Datenpakete, die die Sicherheitsanforderungen erfüllen, werden auf Schicht 2 umgeschaltet oder auf Schicht 3 weitergeleitet. Anschließend werden über den Flussklassifizierungsprozessor relevante Aktionen für die übereinstimmenden Datenpakete ausgeführt (z. B. Verwerfen, Begrenzen der Geschwindigkeit, Ändern des VLAN usw.). 4. Pakete, die weitergeleitet werden können, werden gemäß 802.1P oder DSCP in den Puffern verschiedener Warteschlangen abgelegt. Der Scheduler plant die Warteschlangen gemäß Priorität oder Algorithmen wie WRR und führt eine Flussklassifizierungsänderung durch, bevor der Port das Paket sendet, und sendet es schließlich vom entsprechenden Port aus.
Die Entwicklung von Switch-Chips
Wenn man auf die Entwicklung von Switch-Chips zurückblickt, hat sich die Kapazität der Chips der TH-Serie von Broadcom seit der Veröffentlichung von Tomahawk1 im Jahr 2014 alle zwei Jahre verdoppelt:
100G-Ära: Im September 2014 brachte Broadcom das erste Tomahawk-Produkt auf den Markt. 2016 begannen Rechenzentren mit der Aufrüstung auf 100G, und zu dieser Zeit wurden auch 100G-Lichtwellenleiter-Transceiver und 100G-Switches in großem Maßstab eingesetzt.
400G-Ära: Der erste 400G-Chip (Tomahawk3) wurde im Dezember 2017 getestet. 2018 brachten führende Switch-Hersteller wie Cisco, Arista und Junpier nacheinander 400G-Switch-Produkte auf den Markt. 2019 wurden Produkte der 400G-Serie auf den Markt gebracht. Im selben Jahr brachten auch inländische Hersteller wie H3C und Ruijie 400G-Switch-Produkte auf den Markt. Im Dezember 2019 wurde der weltweit erste Switch-Chip Tomahawk4 mit einer Switching-Kapazität von 25.6 Tbit/s offiziell auf den Markt gebracht. Er unterstützt die Bereitstellung von 64*400G/128*200G/256*100G. 2022 beginnt das erste Jahr der Massenproduktion optischer 400G-Transceiver, und Rechenzentren werden offiziell von 100G auf 400G umgestellt.
800G-Ära: In Im August 2022 brachte Broadcom den Tomahawk 5ASIC mit einer Geschwindigkeit von bis zu 51.2 Tbit/s auf den Markt, der 64-Port-800-Gbit/s-, 128-Port-400-Gbit/s- oder 256-Port-200-Gbit/s-Switches mit einem einzigen Chip unterstützt. Im März 2023 wurden die Ethernet-Switch/Router-Chips der Tomahawk 5-Serie in Chargen ausgeliefert. Die Branche ist in den 800G-Iterationszyklus eingetreten und 800G-optische Transceiver werden auf den Markt gebracht.
Switch-Chip-Klassifizierung
Ethernet-Switching-Chips können je nach Bandbreite und Anwendung in folgende Kategorien unterteilt werden:
Nach Bandbreite: Ethernet-Switching-Chips können wie folgt unterteilt werden: 1) 100M: Wird in Switching-Geräten für den Heimgebrauch verwendet; 2) Gigabit: Wird in Switching-Geräten für kleine Unternehmen verwendet; 3) Gigabit und 10 Gigabit: Wird in Switching-Geräten für große Unternehmen verwendet; 4) 25G, 40G, 100G: Wird in Rechenzentren und bei Betreibern verwendet; 5) 400G: Wird in Rechenzentren und bei Betreibern verwendet. 8) 800G
Nach Anwendungsszenario: Ethernet-Switching-Chips werden je nach nachgelagerten Anwendungsszenarien in vier Kategorien unterteilt: Unternehmensnetzwerk, Betreiber, Rechenzentrum und Industrie. Die spezifischen Anwendungsbereiche der oben genannten Anwendungsszenarien sind wie folgt:
1) Ethernet-Switching-Geräte für Unternehmensnetzwerke: können in Finanz-, Regierungs- und Unternehmens- sowie Campus-Typen unterteilt werden; 2) Ethernet-Switching-Geräte für Internetdienstanbieter (ISPs): Sie können in Stadtnetze, vom Betreiber aufgebaute und vom Betreiber interne Verwaltungsnetzwerke unterteilt werden; 3) Ethernet-Switching-Geräte für Rechenzentren: können in öffentliche Clouds, private Clouds und selbstgebaute Rechenzentren unterteilt werden; 4) Industrielle Ethernet-Switching-Geräte: können in Strom, Schienenverkehr, städtische Beförderung, Energie und Fabrikautomatisierung unterteilt werden.
Wichtige Parameter des Switch-Chips
Switching-Kapazität und Port-Geschwindigkeit sind wichtige Parameterindikatoren von Switches.
Die Schaltkapazität ist die maximale Datenmenge, die zwischen dem Switch-Schnittstellenprozessor oder der Schnittstellenkarte und dem Datenbus verarbeitet werden kann, und gibt die Datenaustauschfähigkeit des Switch-Chips an. Die Schaltkapazität wird auch Backplane-Bandbreite genannt. Derzeit erreichen die von Broadcom, Marvell und Cisco auf den Markt gebrachten Produkte mit der höchsten Switch-Kapazität 51.2 Tbit/s. Die Portgeschwindigkeit ist die maximale Anzahl der pro Sekunde an jedem Port des Switch-Chips/Switches übertragenen Bits. Bei Ethernet-Switches liegen die derzeit üblichen Raten zwischen 10 M und 400 G.
Darüber hinaus sind die Paketweiterleitungsrate, ob VLAN (Virtual Local Area Network) unterstützt wird, ob Modulredundanz vorhanden ist, ob Routing-Redundanz vorhanden ist usw. wichtige Indikatoren zur Messung der Leistung von Switch-Geräten.
Optische und elektrische Anschlüsse
Elektrischer Anschluss: gewöhnliche RJ45-Schnittstelle, normalerweise zum Anschließen des Netzwerkkabels verwendet.
Optischer Anschluss: Wird zum Verbinden optischer Transceiver verwendet. Je nach Verpackungsform der Schnittstelle kann es in SFP+, SFP28 und QSFP+ unterteilt werden. SFP+: Unterstützt GE/10GE-Raten SFP28, GE/10GE/25GE-Raten QSFP+ und 40GE/100GE-Raten. SFP+ und SFP28 haben das gleiche strukturelle Erscheinungsbild und sind miteinander kompatibel, aber SFP28 unterstützt eine höhere Rate von bis zu 25G, während SFP+ nur bis zu 10G unterstützt. QSFP+ unterscheidet sich im Erscheinungsbild stark von SFP+ und die beiden sind nicht kompatibel. QSFP+ wird bei Raten über 40G verwendet.