聊聊什么是“以太网交换机”？

以太网交换机是一种网络设备，用于在局域网（LAN）中连接多台计算机和其他网络设备。它的作用类似于一个交通枢纽，将数据包从一个设备传输到另一个设备。

以太网交换机通过物理端口连接计算机、服务器、打印机等设备，并根据数据包的目标MAC地址（Media Access Control，媒体访问控制地址）将数据包从源设备转发到目标设备。这种转发过程是基于交换机内部的转发表进行的。

当一个数据包到达交换机时，交换机会查看数据包中的目标MAC地址，并将该地址与其内部的转发表进行匹配。如果目标MAC地址在转发表中存在，交换机会将数据包直接转发到与目标设备连接的端口上；如果目标MAC地址不在转发表中，交换机会将数据包广播到所有其他端口上，以便找到目标设备。

总之以太网交换机是一种重要的网络设备，用于在局域网中实现高速、可靠的数据传输，并提供灵活的网络管理和安全功能。它是现代网络中不可或缺的基础设施之一。

从硬件结构来看，交换机由机壳、电源、风扇、背板、管理引擎、系统控制器、交换模块、线卡构成。机壳是交换机的外壳，用于保护内部电子元器件，某些交换机采用金属机壳，可防止磁场对交换机的干扰。风扇用于对交换机散热，保证交换机内部温度处于正常区间，保障交换机长期稳定运行。电源包含外置电源、内置电源两种方式，外置电源可提供灵活电源配置。框式交换机中的背板是用于连接管理引擎、交换模块、线卡等部分的一块PCB板。

• 管理引擎：管理引擎上有配置口，属于串行接口，可通过串口线缆和计算机连接，用于对交换机的管理及配置操作。

• 系统控制器：负责控制电源和风扇。

• 线卡：可用于配置以太网接口，通过以太网接口与计算机或其他硬件设备连接，用于数据传输。

• 交换模块：负责不同接口之间的数据转发和交换，交换单元采用高性能ASIC芯片

业界主流的三种架构：Full-MESH架构；CROSSBAR架构；CLOS架构。目前主流的高端核心交换机大部分采用CLOS架构。

基于CLOS架构的交换网板设计：

①非正交结构/平行结构：线卡与交换模板平行，二者通过在背板上走线连接。华为的交换机使用非正交设计。缺点：PCB背板走线带来信号干扰、背板设计限制宽带升级、散热难度大。

②正交结构：线卡和交换模块垂直，通过背板直接连接，该设计减少了背板走线带来的信号衰减，但是限制了带宽升级，思科使用正交结构。

③无背板架构：线卡和交换模块垂直连接，解除了背板对宽带升级的限制，容易散热。

交换模块作用机制：线卡A到线卡B的数据传输路径为：线卡A→背板→交换模块→交换芯片

交换机性能指标：

假设：端口数量=车道数；背板带宽=马路上单位时间内通过的车的数量；交换容量=十字路口指挥者在单位时间内能指挥多少辆车安全无阻碍通过路口。

如果单位时间内，马路上最多能跑1000辆汽车，并且十字路口指挥者指挥能力足够强，则在有十字路口的马路上最多可以跑1000辆汽车，相当于交换机达到线速指标。

然而如果十字路口指挥者指挥能力不足，单位时间只能指挥500辆车顺利通过，则有十字路口的马路上最多只能顺利跑500辆汽车，未达到线速指标要达到线速指标，即按数据传输速度实现无阻塞的数据交换，在全双工端口下需满足：背板带宽≥端口数×端口速率×2；同时交换容量≥端口数×端口速率。

目前采用交换矩阵的交换机一般都能达到线速指标，如思科采用使用交换矩阵模块。一般来说，背板带宽意义较小，而交换容量、包转发率是体现了交换机性能的关键指标。

交换机应用场景：

按照交换机的应用场景分类：商用交换机和工业交换机。商用交换机按照应用场景分类：企业网交换机（SMB交换机）、园区交换机、数据中心交换机。

园区网的网络层次采用业界成熟的三层架构：

接入交换机：接入层交换机一般部署在楼道的网络机柜中，接入园区网用户（PC机或服务器），提供二层交换机功能，也支持三层接入功能（接入交换机为三层交换机）。由于接入层交换机直接接园区网用户，根据用户接入信息点数目和类型（GE/FE），对接入交换机的GE/FE接口密度有较高的要求。另外接入交换机部署在楼道网络机柜，数量大，对于成本、功耗和易管理维护等特性要求较高。

汇聚交换机：园区汇聚层交换机一般部署在楼宇独立的网络汇聚机柜中，汇聚园区接入交换机的流量，一般提供三层交换机功能，汇聚层交换机作为园区网的网关，终结园区网用户的二层流量，进行三层转发。根据需要，可以在汇聚交换机上集成增值业务板卡（如防火墙，负载均衡器、WLAN AC控制器）或者旁挂独立的增值业务设备，为园区网用户提供增值业务。

核心交换机：园区核心层交换机部署在园区核心机房中，汇聚各楼宇/区域之间的用户流量，提供三层交换机功能，连接园区外部网络到内部用户的“纵向流量”和不同汇聚区域用户之间的“横向流量”要求高密10GE、高转发性能。

数据中心交换机网络拓扑结构：

传统三层网络架构：包括数据中心与外部运营商互联的核心交换层，接入层，以及将连接两者实现数据聚合的汇聚层。，现今的数据中心网络主要分为三层拓扑结构。

• 接入交换机物理连接服务器；

• 汇聚交换机连接同一个二层网络（VLAN）下的接入交换机，同时提供其他的服务，例如防火墙，SSL offload，入侵检测，网络分析等， 它可以是二层交换机也可以是三层交换机；

• 核心交换机为进出数据中心的包提供高速的转发，为多个二层局域网（VLAN）提供连接性，核心交换机为通常为整个网络提供一个弹性的三层网络。

数据中心交换机——叶脊结构

叶脊结构（分布式核心网络）架构：Spine-Leaf 网络架构，也称为分布式核心网络，由于这种网络架构来源于交换机内部的 Switch Fabric，因此也被称为Fabric 网络架构，同属于 CLOS 网络模型。事实已经证明，Spine-Leaf 网络架构可以提供高带宽、低延迟、非阻塞的服务器到服务器连接。

数据中心网络拓扑结构由Spine和Leaf这两个交换层组成

• Leaf层由访问交换机组成，汇聚来自服务器的流量，并直接连接到Spine或网络核心。

• Spine交换机在全网格拓扑中互连所有Leaf交换机。上图中，绿色节点代表交换机，灰色节点代表服务器。在绿色节点中，最上面的是Spine节点，下面是Leaf节点。

   

Spine-Leaf架构更适合满足现代应用程序的需求

• 扁平化：扁平化设计缩短服务器之间的通信路径，从而降低延迟，可以显著提高应用程序和服务性能。

• 易扩展：如果 Spine 交换机的带宽不足，我们只需要增加 Spine 节点数，也可以提供路径上的负载均衡；如果接入连接不足，则只需增加 Leaf 节点数。

• 低收敛比：容易实现 1:X 甚至是无阻塞的 1:1 的收敛比，而且通过增加 Spine 和 Leaf 设备间的链路带宽也可以降低链路收敛比。简化管理：叶脊结构可以在无环路环境中使用全网格中的每个链路并进行负载平衡，这种等价多路径设计，在使用 SDN 等集中式网络管理平台时处于最佳状态。

• 边缘流量处理：随着物联网（IoT）等业务的兴起，接入层压力剧增，可能有数千个传感器和设备在网络边缘连接并产生大量流量。Leaf 可以在接入层处理连接，Spine 保证节点内的任意两个端口之间提供延迟非常低的无阻塞性能，从而实现从接入到云平台的敏捷服务。

• 多云管理：数据中心或云之间通过 Leaf Spine 架构仍可以实现高性能、高容错等优势，而多云管理策略也逐渐成为企业的必选项。