什么是以太网交换机？
By Catherine
以太网交换机是一种网络设备，用于连接局域网（LAN）中的多台计算机和其他网络设备。它就像一个交通枢纽，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，并根据数据包的目的MAC地址（媒体访问控制）将数据包从源设备转发到目标设备。这个转发过程是基于交换机内部的转发表的。
当数据包到达交换机时，交换机会检查数据包中的目标MAC地址，并将该地址与其内部转发表进行匹配。如果转发表中存在目标MAC地址，交换机会将数据包直接转发到目标设备连接的端口；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，以查找目标设备。
总之，以太网交换机是一种重要的网络设备，用于实现局域网中高速、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。
交换机的定义及分类
从硬件结构来看，交换机由机箱、电源、风扇、背板、管理引擎、系统控制器、交换模块和线卡组成。机箱是交换机的外壳，用于保护内部电子元件。有些交换机使用金属外壳来防止磁场干扰开关。风扇用于对交换机进行散热，保证交换机内部温度在正常范围内，保证交换机长期稳定运行。电源包括外部电源和内置电源。外部电源可提供灵活的电源配置。机箱式交换机中的背板是一块PCB板，用于连接管理引擎、交换模块、线卡等部件。
- 管理引擎：管理引擎上有一个配置口，为串行接口，可以通过串口线连接到计算机，对交换机进行管理和配置。
- 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，通过以太网接口连接计算机或其他硬件设备进行数据传输。
- 交换模块：负责不同接口之间的数据转发和切换。交换单元采用高性能ASIC芯片。
业界三大主流架构：Full-MESH架构、CROSSBAR架构、CLOS架构。目前主流的高端核心交换机大多采用CLOS架构。
基于CLOS架构的交换网板设计：
- 非正交结构/并行结构：线卡和交换模块并联，两者通过背板走线连接。华为的交换机采用非正交设计。缺点：PCB背板烧写带来信号干扰，背板设计限制宽带升级和散热。
- 正交结构：线卡与交换模块垂直，通过背板直接连接。这种设计减少了背板布线带来的信号衰减，但限制了带宽的升级。思科采用正交结构。
- 无背板架构：线卡和交换模块垂直连接，解除背板对宽带升级的限制，并有利于散热。
交换模块的工作机制：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。
交换模块架构设计
交换机性能指标：
假设：端口数=车道数；背板带宽=单位时间内道路上通过的汽车数量；交换能力=单位时间内路口指挥员可以指挥安全无阻碍通过路口的车辆数量。
如果单位时间内道路上最多可以运行1000辆汽车，并且路口指挥员的指挥能力足够强，那么有路口的道路上最多可以运行1000辆汽车，相当于道岔达到了线速度指标。
但如果路口指挥员的指挥能力不足，单位时间内只能指挥500辆车辆顺利通过，那么有路口的道路上最多只能有500辆车辆顺利行驶，这意味着线速度指标没有达到。即要实现无阻塞数据交换，数据传输速度必须满足全双工端口的要求：背板带宽≥端口数×端口速度×2；同时，交换容量≥端口数X端口速度。
目前，采用交换矩阵的交换机一般都可以实现线速指标。例如，思科使用交换矩阵模块。一般来说，背板带宽意义不大，而交换容量和包转发率才是体现交换机性能的关键指标。
端口速率
开关应用场景：
按交换机的应用场景分类：商用交换机和工业交换机。商用交换机根据应用场景分为：企业网交换机（SMB交换机）、园区交换机、数据中心交换机。
园区网网络层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网络机柜内，接入园区网用户（PC或服务器），提供二层交换机功能，同时支持三层交换机接入功能（接入交换机为三层交换机）。由于接入层交换机直接与园区网用户相连，根据用户接入信息点的数量和类型（GE/FE），对接入交换机GE/FE接口的密度提出了更高的要求。另外，接入交换机部署在楼道网络机柜中，数量较多，对成本、功耗、管理维护等要求较高。
- 汇聚交换机：园区汇聚层交换机一般部署在大楼内独立的网络汇聚柜中，汇聚来自园区接入交换机的流量。它们一般提供三层交换功能。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并进行三层转发。根据需要，可以在汇聚交换机上集成增值业务板，如防火墙、负载均衡器、WLAN AC控制器等，也可以挂接独立的增值业务设备，为园区网用户提供增值服务。
- 核心交换机：园区核心层交换机部署在园区核心机房。它聚合建筑物和区域之间的用户流量，提供三层交换功能。连接园区外部网络与内部用户的“垂直流量”和不同汇聚区域用户之间的“水平流量”需要高密度10GE和高密度转发性能。
数据中心交换机的网络拓扑：
传统的三层网络架构：包括互连数据中心与外部运营商的核心交换层、接入层以及连接两者实现数据汇聚的汇聚层。如今的数据中心网络主要分为三层拓扑。
- 接入交换机物理连接到服务器。
- 汇聚交换机连接同一二层网络（VLAN）下的接入交换机，并提供其他服务，如防火墙、SSL卸载、入侵检测、网络分析等。它可以是二层交换机或三层交换机。
- 核心交换机提供进出数据中心的数据包的高速转发，提供与多个第2层LAN(VLAN)的连接。它们通常为整个网络提供弹性的第3层网络。
传统数据中心三层结构
数据中心交换机——叶脊架构
Leaf-Spine架构：也称为分布式核心网络。由于这种网络架构源自交换机内部的Switch Fabric，因此也称为Fabric网络架构，属于CLOS网络模型。Spine-Leaf网络架构已被证明可以提供高带宽、低延迟、无阻塞的服务器到服务器连接。
数据中心网络拓扑由两个交换层组成、主干层和叶子层。
叶层由接入交换机组成，这些交换机聚合来自服务器的流量并直接连接到主干或网络核心。
主干交换机以全网状拓扑互连所有叶子交换机。上图中，绿色节点代表交换机，灰色节点代表服务器。绿色节点中，最上面的是Spine节点，下面的是Leaf节点。
Spine-Leaf架构适合现代应用的需求
- 扁平化设计：扁平化设计缩短了服务器之间的通信路径，从而减少了延迟，可以显著提高应用和服务性能。
- 易于扩展：如果Spine交换机的带宽不足，只需要增加Spine节点数量或者提供路径上的负载均衡即可；如果访问连接不足，只需增加Leaf节点数量即可。
- 收敛比低：很容易实现1:X甚至无阻塞1:1的收敛比，并且还可以通过增加Spine和Leaf设备之间的链路带宽来降低链路收敛比。
- 简化管理：叶脊结构可以利用全网状网络中的每个链路在无环路环境中进行负载均衡。当使用SDN等集中式网络管理平台时，这种等成本多路径设计能够发挥最佳效果。
- 边缘流量处理：随着物联网等业务的兴起，接入层的压力急剧增加。网络边缘可能有数千个传感器和设备连接并产生大量流量。Leaf可以处理接入层的连接，Spine可以保证节点内任意两个端口之间的无阻塞性能和极低的延迟，从而实现从接入到云平台的敏捷服务。
- 多云管理：数据中心或云可以通过Leaf Spine架构实现高性能、高容错等优势，多云管理策略逐渐成为企业的必备。
数据中心叶脊结构
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