以太网交换设备的核心组成部分包括以太网交换芯片、CPU、PHY、PCB、接口/端口子系统等，其中以太网交换芯片和CPU是关键组件。以太网交换芯片是专门设计用于交换和处理大量数据及报文转发的集成电路，针对网络应用进行了优化。其内部集成了数百个功能模块，协同工作以维持极高的数据处理能力，架构实现极其复杂。

CPU作为通用芯片，负责管理登录和协议交互控制；而PHY则用于处理电接口的物理层数据。某些以太网交换芯片将CPU和PHY集成到了芯片内部。

交换芯片的工作原理

以太网交换芯片在逻辑层面遵循OSI模型，主要在物理层、数据链路层、网络层和传输层发挥作用，为数据链路层提供高效桥接技术（二层转发），为网络层提供高效路由技术（三层路由），同时提供安全策略技术（ACL）以及流量调度和管理等数据处理能力。

具体工作流程包括：接收报文/数据包后，首先进行包头字段匹配，为流分类做准备；随后通过安全引擎进行硬件安全检查；符合条件的安全数据包进行二层交换或三层路由操作；匹配后的数据包执行相关动作，如丢弃、限速、修改VLAN等；对于可转发的数据包，按照802.1P或DSCP放入不同队列的缓存中，调度器依据优先级或WRR等算法调度队列，完成流分类修改后，最终通过对应端口发送。

交换芯片的演进

回顾交换机芯片的发展历史，自2014年博通发布Tomahawk1以来，容量每两年翻一番。

• 100G时代：2014年9月，Tomahawk1发布，随后数据中心开始转向100G升级，100G光模块、100G交换机大规模部署。

• 400G时代：2017年12月，首款400G芯片（Tomahawk3）出样，2018年思科、Arista、Junpier等厂商发布400G交换机，同年H3C、锐捷等国内厂商推出400G交换机。2019年12月，25.6Tbps的交换机芯片Tomahawk4上市，支持64*400G/128*200G/256*100G部署。2022年，400G光模块进入量产阶段，数据中心完成从100G到400G的迭代。

• 800G时代：2022年8月，博通推出51.2Tbps的Tomahawk5ASIC，单芯片支持64端口800Gbps、128端口400Gbps或256端口200Gbps交换机。2023年3月，Tomahawk5系列芯片批量出货，800G光模块发布，进入迭代周期。

交换芯片分类

以太网交换芯片根据带宽和应用分为以下几个类别：

• 按带宽：从百兆、千兆、千兆/万兆、25G/40G/100G、400G至800G。

• 按应用场景：分为企业网、互联网服务提供商（ISP）、数据中心和工业应用，具体包括金融、政企、校园、城域网、运营商自建网、公有云、私有云、自建数据中心、电力、轨道交通、市政交通、能源、工厂自动化等领域。

交换芯片重要参数

交换容量和端口速率是衡量交换机性能的关键参数。交换容量表示交换芯片的数据交换能力，即接口处理器或接口卡与数据总线之间的最大数据量，目前最高已达51.2Tbps。端口速率则是交换芯片或交换机每个端口每秒传输的最大比特数，常见范围从10M到400G。

其他重要参数还包括包转发率、VLAN支持、冗余功能（模块和路由）、性能指标等。

光口和电口

电口：通常采用RJ45接口，用于连接网线。

光口：用于连接光模块，包括SFP+、SFP28、QSFP+等接口类型。SFP+和SFP28在外观上相似，但SFP28支持更高的速率，最高可达25G，而SFP+仅支持10G。QSFP+在外观上与SFP+有很大差异，两者不兼容，主要用于40G以上速率的连接。

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