以太網(wǎng)交換機演進史

以太網(wǎng)稱霸

作為一種原理簡單、便于實現(xiàn)同時又價格低廉的局域網(wǎng)鏈路層技術，以太網(wǎng)正在成為網(wǎng)絡領域的基礎和壟斷承載技術。40年風雨兼程，以太網(wǎng)逐漸贏得業(yè)界普遍認同，成為最有前途的網(wǎng)絡技術。這其中，更高性能的快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的出現(xiàn)，可以說是以太網(wǎng)飛速發(fā)展、迅速稱霸局域網(wǎng)并將觸角滲透到城域網(wǎng)的翅膀。

1973年，施樂帕洛阿爾托研究中心的羅伯特·梅特卡夫(Robert Metcalfe）給他PARC的老板寫了一篇有關以太網(wǎng)潛力的備忘錄，這被認為是以太網(wǎng)的源起點。1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs發(fā)表了一篇名為《以太網(wǎng)：局域計算機網(wǎng)絡的分布式包交換技術》的文章。1977年底，梅特卡夫和他的合作者獲得了“具有沖突檢測的多點數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)”的專利。多點傳輸系統(tǒng)被稱為CSMA/CD（帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問），從此標志以太網(wǎng)的誕生。

1979年，梅特卡夫離開施樂成立了3Com公司。3com對迪吉多、英特爾和施樂進行游說，希望與他們一起將以太網(wǎng)標準化、規(guī)范化。這個通用的以太網(wǎng)標準于1980年9月30日出臺，當時業(yè)界有兩個流行的非公有網(wǎng)絡標準令牌：環(huán)網(wǎng)和ARCNET，在以太網(wǎng)大潮的沖擊下，它們很快萎縮并被取代。

今天，3Com已經(jīng)消失，而以太網(wǎng)卻呈現(xiàn)出了萬夫莫擋的霸氣。

四代交換機演進史

從1989年第一臺以太網(wǎng)交換機面世至今，經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，以太網(wǎng)交換機在轉(zhuǎn)發(fā)性能上有了極大提升，端口速率從10M發(fā)展到了100G，單臺設備的交換容量也由幾十Mbps提升到了幾十Tbps。憑借著“高性能、低成本”等優(yōu)勢，以太網(wǎng)交換機如今已經(jīng)成為應用最為廣泛的網(wǎng)絡設備。

隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，以太網(wǎng)交換機也在持續(xù)演進。早期的以太網(wǎng)設備如集線器是物理層設備，不能隔絕沖突擴散，限制了網(wǎng)絡性能的提高。交換機（網(wǎng)橋）作為一種能隔絕沖突的二層網(wǎng)絡設備，極大地提高了以太網(wǎng)的性能。隨著技術的發(fā)展，如今的交換機早已突破當年橋接設備的框架，不僅能完成二層轉(zhuǎn)發(fā)，也能根據(jù)IP地址進行三層硬件轉(zhuǎn)發(fā)，甚至還出現(xiàn)了工作在四層及更高層的交換機。

根據(jù)交換機工作的協(xié)議層次，將交換機劃分為：二層交換機、三層交換機和多層多業(yè)務交換機，簡單回顧一下交換機的發(fā)展歷程。

交換機前身：集線器

說到交換機，不得不先說一下和交換機外觀非常類似的集線器。

集線器（Hub）工作于OSI(開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型)參考模型第一層，即“物理層”，其主要功能是對接收到的信號進行再生整形放大，以擴大網(wǎng)絡的傳輸距離，同時把所有節(jié)點集中在以它為中心的節(jié)點上。
　　
　　

由于集線器收到報文會向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)，同時只能傳輸一個數(shù)據(jù)幀，通過集線器相連的所有主機處于同一個沖突域中，因此，當有多臺主機同時發(fā)送數(shù)據(jù)報文時，大量的沖突將導致性能顯著下降，這也意味著集線器所有端口都要共享同一帶寬，以集線器為核心構建的網(wǎng)絡是共享式以太網(wǎng)的典型代表。

嚴格來說，集線器不屬于狹義上的交換機范疇，但由于集線器在網(wǎng)絡發(fā)展初期具有舉足輕重的作用，在很長時間內(nèi)占據(jù)著目前接入交換機的應用位置，因此往往也被看成是（第）一層交換機。
　　典型產(chǎn)品有：3COM 3C16410集線器、Cisco 1538集線器。

二層交換機

交換機是在多端口網(wǎng)橋的基礎上逐步發(fā)展起來的，Kalpana公司在1989年發(fā)明了第一臺以太網(wǎng)交換機，EtherSwitch EPS-700，對外提供7個固定端口。

最初的交換機是完全符合OSI定義的層次模型的，也就是說工作在OSI模型的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），因此也被稱為二層交換機。二層交換機識別數(shù)據(jù)幀中的MAC地址信息，主要根據(jù)MAC地址選擇轉(zhuǎn)發(fā)端口，算法相對簡單，便于ASIC實現(xiàn)，因此轉(zhuǎn)發(fā)性能極高。交換機的出現(xiàn)，解決了集線器的沖突域問題，使得以太網(wǎng)從“共享式“步入了“交換式”時代，大大提高了局域網(wǎng)的性能。

典型產(chǎn)品：Cisco 2960系列交換機、Huawei 5700-LI系列交換機。

三層交換機

在引入VLAN之前，交換機只能隔離沖突域，而不能分割廣播域。然而在TCP/IP協(xié)議棧進行通信時，廣播或組播類型的協(xié)議報文會被廣泛使用，如ARP/RIP/DHCP等。如果整個網(wǎng)絡只有一個廣播域，一旦發(fā)出廣播報文，就會傳遍整個網(wǎng)絡，這樣不僅會影響到網(wǎng)絡帶寬，而且還會對網(wǎng)絡中的主機帶來額外的負擔。

隨著時間的推移，網(wǎng)絡由最初的軍事、科研用途逐漸融入人們的日常生活，網(wǎng)絡用戶數(shù)急速提升，廣播域帶來的問題愈發(fā)明顯。雖然VLAN在交換機上能夠?qū)崿F(xiàn)廣播域的隔離，但VLAN之間的轉(zhuǎn)發(fā)還是要通過路由器來完成。相對于交換機而言，路由器不僅價格昂貴，而且性能較差，無法滿足大量用戶對大帶寬的需求，人們呼喚能工作在ISO模型第三層的交換機，在滿足客戶需求的同時繼續(xù)保持“高性能、低成本”的傳統(tǒng)優(yōu)勢。

三層交換機的發(fā)展經(jīng)歷了一個小插曲。由于早期的ASIC芯片無法獨立完成三層轉(zhuǎn)發(fā)的完整功能，2002年左右出現(xiàn)的“三層交換機”采用了廣為流傳的“一次路由多次交換”技術，邏輯上可以看成在原有二層交換機之上“扣了一個三層的帽子”，因此對外表現(xiàn)為“弱三層、強二層”的特點。但隨著芯片技術的發(fā)展，很快ASIC就支持了硬件路由查找功能，真正實現(xiàn)了全硬件三層轉(zhuǎn)發(fā)的交換機，因此最終“三層交換機”只是曇花一現(xiàn)，很快被全硬件三層轉(zhuǎn)發(fā)的交換機所取代。為了避免與前期的“三層交換機”相混淆，支持全硬件三層轉(zhuǎn)發(fā)的交換機往往也稱為路由交換機。

典型產(chǎn)品：Cisco 3750-X系列交換機、Huawei 5700-EI系列交換機。

多業(yè)務交換機

近年來，尤其是萬兆以太網(wǎng)出現(xiàn)后，語音、視頻、游戲等高帶寬業(yè)務逐步開始普及，這些業(yè)務的開展和部署對網(wǎng)絡設備的要求已經(jīng)不僅僅是完成數(shù)據(jù)的連通性，還提出了一些新的需求，比如安全性、可靠性、QoS等。同時為了降低組網(wǎng)成本，簡化管理維護，網(wǎng)絡設備的功能出現(xiàn)了融合的趨勢，這就催生了交換機支持多層轉(zhuǎn)發(fā)，融合增值業(yè)務的能力。

由于ASIC芯片能力的限制，當前的多業(yè)務交換機采用了基本二、三層業(yè)務“疊加”上層增值業(yè)務的混合模型，在組網(wǎng)應用時對外呈現(xiàn)為多臺物理設備，本質(zhì)上是多臺設備安裝在同一機框內(nèi)，沒有實現(xiàn)真正的融合。因此，這種混合模型的多業(yè)務交換機距離客戶心目中期望的真正多業(yè)務交換機還有一定差距。

典型產(chǎn)品：Cisco 6500系列交換機、Huawei S9700系列交換機。其中Huawei S9700交換機采用全分布式硬件轉(zhuǎn)發(fā)架構，單機交換容量最大可達18.56Tbps，最大支持12個業(yè)務槽位，支持防火墻/NAT、負載均衡、無線AC、IPSec VPN等多種增值業(yè)務能力。

為了便于對比，我們把上面幾代產(chǎn)品簡單列表如下：

面向未來網(wǎng)絡，第五代交換機呼之欲出

近幾年來，云計算、BYOD移動辦公、SDN、物聯(lián)網(wǎng)、視頻以及大數(shù)據(jù)等新概念層出不窮，引發(fā)了對高密度、高性能、更靈活、更大規(guī)模以太網(wǎng)的需求，由此引發(fā)了新一輪以太網(wǎng)交換技術的革命性增長。
　　總體來說，新業(yè)務環(huán)境對以太網(wǎng)交換機的期望集中在以下幾個方面：

全可編程能力

業(yè)務靈活性是當前交換機面臨的最大挑戰(zhàn)。為了增加交換機的業(yè)務靈活性，廠商往往采用可編程ASIC技術實現(xiàn)多業(yè)務能力，但可編程ASIC僅具備部分可編程能力，如自定義報文解析，帶來的業(yè)務靈活性非常有限，無法完全滿足快速多變的業(yè)務需求。因此未來的交換機必須具備完全可編程能力才能滿足快速變化的業(yè)務需求。用戶通過升級軟件的方式即可支持新業(yè)務，而無需更換硬件，保護客戶的前期投資。

此外，為了達到簡化管理、流量優(yōu)化、快速部署的目的，SDN也正以不可阻擋之勢沖擊著現(xiàn)有網(wǎng)絡架構，除了當前的Openflow1.3標準，各廠商也都在推出自己的SDN標準。SDN本身也要求下一代交換機必須具備完全可編程能力，確保網(wǎng)絡能夠平滑向SDN演進。

高度“一體化”

從最早的交換、路由功能融合，到運營商的Triple-Play三網(wǎng)合一（語音、數(shù)據(jù)、數(shù)字電視），再到數(shù)據(jù)中心的三網(wǎng)合一（計算、存儲、通信），網(wǎng)絡功能的融合一直是個大趨勢，而這背后的推動力都是為了降低組網(wǎng)成本，簡化管理維護。

以園區(qū)應用為例，WLAN及BYOD的快速發(fā)展使得無線用戶迅猛增加，而目前無線用戶的接入和管理分別是由不同的設備來完成的，這給IT管理和維護人員帶來了很大負擔，因此迫切要求第五代交換機能夠?qū)崿F(xiàn)無線有線的融合，支持有線用戶、無線用戶的統(tǒng)一接入和統(tǒng)一策略。另外，隨著網(wǎng)絡全面步入“以用戶為中心”的時代，精細化用戶管理也已成為園區(qū)網(wǎng)絡中不可或缺的一部分。雖然獨立BRAS設備在功能上能滿足園區(qū)需求，但其不菲的價格阻礙了在園區(qū)網(wǎng)的應用，因此交換機融合BRAS功能也將是一個趨勢。

超大硬件表項資源

到2015年，連接到Internet上的終端將達到33億，其中70%以上是物聯(lián)網(wǎng)應用， 而隨著物聯(lián)網(wǎng)One M2M標準組織的建立，IPv6應用將進一步在能源、電力、交通等行業(yè)擴張。物聯(lián)網(wǎng)帶來了無限連接需求，要求網(wǎng)絡設備必須具備更大的表項規(guī)格，以適應網(wǎng)絡5-10年的擴張能力。

強大的QoS能力

如何保證網(wǎng)絡應用端到端的QoS一直是交換機面臨的重大挑戰(zhàn)。

進入富媒體時代后，網(wǎng)絡上承載著大量的實時視頻類業(yè)務，不僅需要較大的網(wǎng)絡帶寬，而且對網(wǎng)絡的時延和丟包率有著很高的要求。而IP網(wǎng)絡的一個重要特點就是流量的不確定性和突發(fā)性，為了避免大量丟包引入的時延和額外帶寬開銷，要求網(wǎng)絡設備具備一定的吸納突發(fā)的能力和精細化的隊列調(diào)度能力。

此外，網(wǎng)絡級QoS檢測和呈現(xiàn)一直是IP網(wǎng)絡的一個難點。在新部署業(yè)務時，用戶要能夠準確判斷當前網(wǎng)絡是否滿足需求；由于網(wǎng)絡質(zhì)量是動態(tài)的，在業(yè)務運行期間，用戶還需要及時感知到網(wǎng)絡質(zhì)量的變化情況，并及時做出響應，如切換到備份鏈路。
　　
　　在過去的二十多年中，以ASIC芯片為核心的傳統(tǒng)交換機憑借著“高性能、低成本”等優(yōu)勢已成為應用最為廣泛的網(wǎng)絡設備，然而在面對云計算、BYOD移動辦公、SDN、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)帶來的變化和挑戰(zhàn)時，ASIC芯片靈活性差的缺點使得傳統(tǒng)交換機難當重任，繼續(xù)在ASIC平臺上采用混合模型修修補補也無法延續(xù)交換機昔日的輝煌，只有通過變革與創(chuàng)新才能保持交換機的競爭力。要實現(xiàn)交換技術在上述幾點的突破，就必須對交換機底層架構進行革命性提升，我們將其定義為第五代交換機。