以太网交换机技术的工作原理及行业现状

　　交换机可为任意两个网络节点提供独享电信号通路的网络基础设备，其功能是将计算机、服务器等终端设备与其他交换机、无线接入点等网络设备互联，实现局域网内设备的互联互通。

　　交换机可实现局域网内所有设备的互联互通

　　交换机是一种用于电(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。交换机的核心功能是连接计算机、服务器、网络打印机、网络摄像头、IP电话等终端设备，并通过与其他交换机、无线接入点、网络防火墙、路由器等网络设备互联，构建局域网从而实现所有设备的互联互通。

　　交换机可根据网络覆盖范围、传输速率和介质、应用规模等进行分类

　　在各类交换机中，最常见的交换机是以太网交换机。然而交换机从广义上还可分为广域网交换机和局域网交换机，广域网交换机主要在电信领域中提供通信用的基础平台，局域网交换机则用于连接局域网内的终端设备;从传输介质和传输速度上可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆/万兆以太网交换机、FDDI交换机、ATM交换机和令牌环交换机等;从应用规模上可分为企业级交换机、部门级交换机、工作组交换机等。

　　以太网交换机∶工作原理为根据MAC地址进行数据转发最常见的交换机为以太网交换机，其结构是每个端口都与主机相连，保证每一对相互通信的主机都能无冲突地进行数据传输，并依照数据帧中的MAC地址进行数据转发。

　　以太网交换机工作在数据链路层，根据数据帧中的MAC地址进行数据转发

　　最常见的交换机是以太网交换机，以太网交换机是基于以太网传输数据的交换机，其结构是每个端口都直接与主机相连，并且能同时连通多对端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样无冲突地进行数据传输。以太网交换机工作在OSI网络参考模型的物理层、数据链路层、网络层和传输层，二层以太网交换机主要根据数据帧中的MAC地址进行转发。

　　当PCA向PCD发送单播帧时，交换机在端口E1/0/1收到PCA发出的数据帧后，检索MAC地址表项，发现目的MAC地址对应的端口是E1/0/4，就把此数据帧从E1/0/4转发，不在端口E1/0/2和E1/0/3转发，PCB和PCC也因此不会收到PCA发出的数据帧;

　　当PCA想其他PC发送广播、组播和未知单播帧时，交换机把广播、组播帧从除了源端口的所有端口转发出去，目的是让网络中其他成员收到这些数据帧。

　　以太网交换机市场规模∶全球以太网交换机2022Q1市场收入达76亿美元，同比增长12.7%。增长来源于超大规模和云服务商数据中心交换容量的持续提升，以及企业和分支机构的园区网络正处设备更新周期。

　　根据IDC的数据，全球以太网交换机市场在2022年Q1收入达76亿美元，同比增长12.7%。在此之前，全球以太网交换机市场在2020年和2021年收入分别达278亿美元和307亿美元，2020年全球市场收入同比下降3.47%，而2021年市场出现回暖，全球市场收入同比增长9.70%。2022年第一季度，全球以太网交换机增长的主要驱动力来源于超大规模数据中心和云服务提供商数据中心交换容量的持续提升，以及企业和分支机构的园区网络正处设备更新周期。IDC的数据还显示，2022年第一季度，全球数据中心用以太网交换机收入占比达46.3%，同比增长20.8%，相应的端口出货量同比增长3.7%;而非数据中心用交换机(包括企业园区和分支机构以太网交换机)收入占比达53.7%，同比增长6.4%，相应的端口出货量同比增长4.7%。

　　上游以太网交换芯片∶以太网交换机核心部件以太网交换芯片为以太网交换机的核心部件，其可直接决定交换机性能和数据处理转发能力。以太网交换芯片技术壁垒较高，芯片研发资金壁垒较高且周期较长，因此国产化程度较低以太网交换机内部架构与以太网交换芯片报文交换处理流程。

　　以太网交换芯片为以太网交换机核心部件，整体技术壁垒与资金壁垒较高

　　以太网交换芯片是用于交换处理大量数据及报文转发的专用芯片，其性能可直接决定以太网交换机性能和数据转处理及转发能力。以太网交换芯片主要工作在OSI模型的物理层、数据链路层、网络层和传输层，可提供二层转发和三层路由等功能。

　　以太网交换芯片的工作原理为∶数据包通过物理端口进入以太网交换芯片后，由解析器对数据爆头字段进行匹配，为流分类做准备，之后经过安全引擎进行硬件安全检测，符合安全的数据包进行二层转发或三层路由，再由过滤引擎对数据包进行丢弃、限速等处理，而后对于可转发的数据包放到不同队列的buffer中，调度器根据优先级进行队列调度，在端口发出该数据包之前进行流分类修改动作，最后从相应的端口发出数据包。

　　以太网交换芯片速率∶以太网交换芯片在不同应用场景下速率覆盖百兆、千兆、万兆、25/40/100G、400G等。目前，新华三推出了针对园区网络的业界首款400G园区核心交换机，标志着园区网络"超宽"时代到来。

　　以太网交换芯片在不同应用场景下，最大端口速率覆盖百兆、千兆、万兆、25/40/100G、400G等

　　家用以太网交换机主要满足用户低成本、即插即用、无需配置的需求，该类家用交换机设备对应的以太网交换芯片最大端口速率通常为百兆或千兆。

　　企业网络交换机通常需具备CLI、Web和SNMP等管理功能和可操作的配置功能，其对应的以太网交换芯片最大端口速率通常为千兆/万兆。在企业网络架构中，企业接入层交换机主要为电脑、无线AP、IP 摄像头等设备提供网络连接，所需交换芯片多为千兆速率;企业汇聚层交换机是多台接入层交换机的汇聚点，所需交换芯片速率多为万兆;企业核心层交换机是整个企业网络的传输骨干，所需交换芯片速率可达25/40/100G。 目前，400G网络在超大规模数据中心已规模部署，400G数据中心网络方案也已足够成熟。近年来，园区网络的复杂性使得400G网络推进缓慢。然而近日，新华三发布了业界首款400G园区核心交换机，标志着园区网络“超宽”时代的到来。

　　以太网交换机发展至今，端口速率从10M发展至当今主流的400G，并向800G演进，交换容量提升至数十Tbps。2022Q1市占率前五厂商为思科、Arista Networks、华为、HPE和新华三。

　　2022Q1以太网交换机市场份额前五名厂商为思科、Arista Networks、华为、HPE、新华三以太网交换机集成了上游以太网交换芯片、CPU、PHY芯片和各类电子元器件，随着以太网交换芯片和CPU的飞速发展，以太网交换机的转发性能也得到了飞速的提升。以太网交换机的端口速率从早期的十兆发展至目前主流的400G，并持续向800G演进;每台以太网交换机的单机交换容量也从最初的数十Mbps增长至目前的数十Tbps;以太网交换机也从最早仅支持二层转发，逐步发展至可进行三层转发和四层转发。

　　中国本土以太网交换机设备厂商包括华为、新华三、中兴通讯、烽火通信、锐捷网络、迈普技术等。海外以太网交换机厂商包括思科、瞻博、Aruba、Arista Networks、HPE、Mellanox等。 根据IDC的数据，2022年Q1全球以太网交换机市场份额前五名的厂商分别为思科、Arista Networks、华为、HPE、新华三，市占率分别为45.4%、9.3%、7.5%、6%、5.6%。

　　白盒交换机解耦底层硬件与上层网络功能和协议为应对业务多样性和流量激增背景下数据中心的快速迭代，白盒交换机应运而生，其通过解耦底层硬件与上层网络功能和协议，提升设备灵活性，使网络升级无需受限于传统封闭式设备。

　　白盒交换机解耦底层硬件与上层网络功能和协议，提升了设备灵活性，使得下游各应用场景对网络的升级无需再受限于封闭式的黑盒设备

　　随着近年来云计算、大数据等技术的飞速发展，各类新兴应用层出不穷，如AR/VR、远程医疗、自动驾驶、4K/8K超高清视频等。这些应用无疑对现有网络和算力资源带来巨大挑战，为应对多样化业务带来的流量激增等挑战，大型数据中心数量与规模持续增长，“东数西算”工程更是加快了超大规模数据中心建设的速度。而超大型数据中心对网络高稳定性、高可控、高性能、低成本的需求同样对传统黑盒网络设备带来不小的挑战。传统黑盒设备从软件到硬件都是完全封闭开发的，这就导致不同厂商设备间互通性低，运维团队难以统一管控，且难以快速定位故障。同时， 黑盒设备的封闭式架构也对后期网络升级和功能扩展带来不小的阻碍。为了实现更快的迭代速率和统一的设备管控能力，白盒设备如白盒交换机应运而生。白盒交换机采用开放的设备架构，对网络底层硬件与上层网络功能和协议进行解耦，极大提升了设备的灵活性，为数据中心、运营商承载网等应用场景的网络升级扫清了障碍。

　　白盒交换机可分为硬件(交换芯片、CPU、网卡等)和软件(网络操作系统和应用)两部分

　　白盒交换机分为硬件和软件两个部分，其中硬件包括交换芯片、CPU、网卡、存储、外围硬件设备等，软件则包括网络操作系统及配套应用。白盒交换机的网络操作系统一般通过基础软件平台如ONIE的引导完成安装，芯片接口层如SAI则将交换芯片的硬件功能封装为统一的接口，从而解耦上层应用与底层的软件。

　　思科∶2022Q1全球以太网交换机市占率第一思科是全球领先的网络解决方案提供商，其以太网交换机产品在2022Q1市场份额达45.4%，位列全球第一。思科以太网交换机产品覆盖园区/小型企业局域网、工业网络、数据中心场景。

　　根据IDC的数据，2022年第一季度，全球以太网交换机市场中，思科市占率达45.4%，位列全球第一。同时，思科在2022Q1的以太网交换机收入同比增长3.8%。

　　华为∶中国本土以太网交换机厂商市占率第一名华为具备以太网交换芯片自研能力，其以太网交换机产品覆盖中小型/大型企业园区网络、数据中心场景。2022Q1，华为以太网交换机产品全球市占率达7.5%，为中国厂商市占率第一名。

　　根据IDC的数据，2021年，全球以太网交换机市场中，华为市占率达10.2%，而2022年第一季度，华为全球以太网交换机产品市占率为7.5%，略有下降，但其仍然为中国以

　　太网交换机厂商市占率第一名。同时，华为以太网交换机收入在2022Q1增长了7.2%。

　　审核编辑：郭婷