以太網(wǎng)交換機(jī)演進(jìn)史

以太網(wǎng)稱霸

作為一種原理簡(jiǎn)單、便于實(shí)現(xiàn)同時(shí)又價(jià)格低廉的局域網(wǎng)鏈路層技術(shù)，以太網(wǎng)正在成為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和壟斷承載技術(shù)。40年風(fēng)雨兼程，以太網(wǎng)逐漸贏得業(yè)界普遍認(rèn)同，成為最有前途的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。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(guān)以太網(wǎng)潛力的備忘錄，這被認(rèn)為是以太網(wǎng)的源起點(diǎn)。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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分布式包交換技術(shù)》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(cè)的多點(diǎn)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)”的專利。多點(diǎn)傳輸系統(tǒng)被稱為CSMA/CD（帶沖突檢測(cè)的載波偵聽多路訪問），從此標(biāo)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(duì)迪吉多、英特爾和施樂進(jìn)行游說，希望與他們一起將以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。這個(gè)通用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)于1980年9月30日出臺(tái)，當(dāng)時(shí)業(yè)界有兩個(gè)流行的非公有網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)演進(jìn)史

從1989年第一臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)面世至今，經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，以太網(wǎng)交換機(jī)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(tái)設(shè)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(shì)，以太網(wǎng)交換機(jī)如今已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

隨著以太網(wǎng)的發(fā)展，以太網(wǎng)交換機(jī)也在持續(xù)演進(jìn)。早期的以太網(wǎng)設(shè)備如集線器是物理層設(shè)備，不能隔絕沖突擴(kuò)散，限制了網(wǎng)絡(luò)性能的提高。交換機(jī)（網(wǎng)橋）作為一種能隔絕沖突的二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，極大地提高了以太網(wǎng)的性能。隨著技術(shù)的發(fā)展，如今的交換機(jī)早已突破當(dāng)年橋接設(shè)備的框架，不僅能完成二層轉(zhuǎn)發(fā)，也能根據(jù)IP地址進(jìn)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(jī)。

根據(jù)交換機(jī)工作的協(xié)議層次，將交換機(jī)劃分為：二層交換機(jī)、三層交換機(jī)和多層多業(yè)務(wù)交換機(jī)，簡(jiǎn)單回顧一下交換機(jī)的發(fā)展歷程。

交換機(jī)前身：集線器

說到交換機(jī)，不得不先說一下和交換機(jī)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(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行再生整形放大，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時(shí)把所有節(jié)點(diǎn)集中在以它為中心的節(jié)點(diǎn)上。
　　
　　

由于集線器收到報(bào)文會(huì)向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)只能傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)幀，通過集線器相連的所有主機(jī)處于同一個(gè)沖突域中，因此，當(dāng)有多臺(tái)主機(jī)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，大量的沖突將導(dǎo)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(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)是共享式以太網(wǎng)的典型代表。

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

二層交換機(jī)

交換機(jī)是在多端口網(wǎng)橋的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，Kalpana公司在1989年發(fā)明了第一臺(tái)以太網(wǎng)交換機(jī)，EtherSwitch EPS-700，對(duì)外提供7個(gè)固定端口。

最初的交換機(jī)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(jī)。二層交換機(jī)識(shí)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(duì)簡(jiǎn)單，便于ASIC實(shí)現(xiàn)，因此轉(zhuǎn)發(fā)性能極高。交換機(jī)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(shí)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(jī)、Huawei 5700-LI系列交換機(jī)。

三層交換機(jī)

在引入VLAN之前，交換機(jī)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(jìn)行通信時(shí)，廣播或組播類型的協(xié)議報(bào)文會(huì)被廣泛使用，如ARP/RIP/DHCP等。如果整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)廣播域，一旦發(fā)出廣播報(bào)文，就會(huì)傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這樣不僅會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且還會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)帶來額外的負(fù)擔(dān)。

隨著時(shí)間的推移，網(wǎng)絡(luò)由最初的軍事、科研用途逐漸融入人們的日常生活，網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(duì)于交換機(jī)而言，路由器不僅價(jià)格昂貴，而且性能較差，無法滿足大量用戶對(duì)大帶寬的需求，人們呼喚能工作在ISO模型第三層的交換機(jī)，在滿足客戶需求的同時(shí)繼續(xù)保持“高性能、低成本”的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)。

三層交換機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)小插曲。由于早期的ASIC芯片無法獨(dú)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(jī)”采用了廣為流傳的“一次路由多次交換”技術(shù)，邏輯上可以看成在原有二層交換機(jī)之上“扣了一個(gè)三層的帽子”，因此對(duì)外表現(xiàn)為“弱三層、強(qiáng)二層”的特點(diǎn)。但隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，很快ASIC就支持了硬件路由查找功能，真正實(shí)現(xiàn)了全硬件三層轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)，因此最終“三層交換機(jī)”只是曇花一現(xiàn)，很快被全硬件三層轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)所取代。為了避免與前期的“三層交換機(jī)”相混淆，支持全硬件三層轉(zhuǎn)發(fā)的交換機(jī)往往也稱為路由交換機(jī)。

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

多業(yè)務(wù)交換機(jī)

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(wù)逐步開始普及，這些業(yè)務(wù)的開展和部署對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shí)為了降低組網(wǎng)成本，簡(jiǎn)化管理維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能出現(xiàn)了融合的趨勢(shì)，這就催生了交換機(jī)支持多層轉(zhuǎn)發(fā)，融合增值業(yè)務(wù)的能力。

由于ASIC芯片能力的限制，當(dāng)前的多業(yè)務(wù)交換機(jī)采用了基本二、三層業(yè)務(wù)“疊加”上層增值業(yè)務(wù)的混合模型，在組網(wǎng)應(yīng)用時(shí)對(duì)外呈現(xiàn)為多臺(tái)物理設(shè)備，本質(zhì)上是多臺(tái)設(shè)備安裝在同一機(jī)框內(nèi)，沒有實(shí)現(xiàn)真正的融合。因此，這種混合模型的多業(yè)務(wù)交換機(jī)距離客戶心目中期望的真正多業(yè)務(wù)交換機(jī)還有一定差距。

典型產(chǎn)品：Cisco 6500系列交換機(jī)、Huawei S9700系列交換機(jī)。其中Huawei S9700交換機(jī)采用全分布式硬件轉(zhuǎn)發(fā)架構(gòu)，單機(jī)交換容量最大可達(dá)18.56Tbps，最大支持12個(gè)業(yè)務(wù)槽位，支持防火墻/NAT、負(fù)載均衡、無線AC、IPSec VPN等多種增值業(yè)務(wù)能力。

為了便于對(duì)比，我們把上面幾代產(chǎn)品簡(jiǎn)單列表如下：

面向未來網(wǎng)絡(luò)，第五代交換機(jī)呼之欲出

近幾年來，云計(jì)算、BYOD移動(dòng)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(duì)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(shù)的革命性增長(zhǎng)。
　　總體來說，新業(yè)務(wù)環(huán)境對(duì)以太網(wǎng)交換機(jī)的期望集中在以下幾個(gè)方面：

全可編程能力

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

此外，為了達(dá)到簡(jiǎn)化管理、流量?jī)?yōu)化、快速部署的目的，SDN也正以不可阻擋之勢(shì)沖擊著現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，除了當(dāng)前的Openflow1.3標(biāo)準(zhǔn)，各廠商也都在推出自己的SDN標(biāo)準(zhǔn)。SDN本身也要求下一代交換機(jī)必須具備完全可編程能力，確保網(wǎng)絡(luò)能夠平滑向SDN演進(jìn)。

高度“一體化”

從最早的交換、路由功能融合，到運(yùn)營(yíng)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(jì)算、存儲(chǔ)、通信），網(wǎng)絡(luò)功能的融合一直是個(gè)大趨勢(shì)，而這背后的推動(dòng)力都是為了降低組網(wǎng)成本，簡(jiǎn)化管理維護(hù)。

以園區(qū)應(yīng)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(shè)備來完成的，這給IT管理和維護(hù)人員帶來了很大負(fù)擔(dān)，因此迫切要求第五代交換機(jī)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(luò)全面步入“以用戶為中心”的時(shí)代，精細(xì)化用戶管理也已成為園區(qū)網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的一部分。雖然獨(dú)立BRAS設(shè)備在功能上能滿足園區(qū)需求，但其不菲的價(jià)格阻礙了在園區(qū)網(wǎng)的應(yīng)用，因此交換機(jī)融合BRAS功能也將是一個(gè)趨勢(shì)。

超大硬件表項(xiàng)資源

到2015年，連接到Internet上的終端將達(dá)到33億，其中70%以上是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用， 而隨著物聯(lián)網(wǎng)One M2M標(biāo)準(zhǔn)組織的建立，IPv6應(yīng)用將進(jìn)一步在能源、電力、交通等行業(yè)擴(kuò)張。物聯(lián)網(wǎng)帶來了無限連接需求，要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須具備更大的表項(xiàng)規(guī)格，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)5-10年的擴(kuò)張能力。

強(qiáng)大的QoS能力

如何保證網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用端到端的QoS一直是交換機(jī)面臨的重大挑戰(zhàn)。

進(jìn)入富媒體時(shí)代后，網(wǎng)絡(luò)上承載著大量的實(shí)時(shí)視頻類業(yè)務(wù)，不僅需要較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和丟包率有著很高的要求。而IP網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特點(diǎn)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(shí)延和額外帶寬開銷，要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備具備一定的吸納突發(fā)的能力和精細(xì)化的隊(duì)列調(diào)度能力。

此外，網(wǎng)絡(luò)級(jí)QoS檢測(cè)和呈現(xiàn)一直是IP網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)難點(diǎn)。在新部署業(yè)務(wù)時(shí)，用戶要能夠準(zhǔn)確判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)是否滿足需求；由于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量是動(dòng)態(tài)的，在業(yè)務(wù)運(yùn)行期間，用戶還需要及時(shí)感知到網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的變化情況，并及時(shí)做出響應(yīng)，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(jī)憑借著“高性能、低成本”等優(yōu)勢(shì)已成為應(yīng)用最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，然而在面對(duì)云計(jì)算、BYOD移動(dòng)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(shí)，ASIC芯片靈活性差的缺點(diǎn)使得傳統(tǒng)交換機(jī)難當(dāng)重任，繼續(xù)在ASIC平臺(tái)上采用混合模型修修補(bǔ)補(bǔ)也無法延續(xù)交換機(jī)昔日的輝煌，只有通過變革與創(chuàng)新才能保持交換機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力。要實(shí)現(xiàn)交換技術(shù)在上述幾點(diǎn)的突破，就必須對(duì)交換機(jī)底層架構(gòu)進(jìn)行革命性提升，我們將其定義為第五代交換機(jī)。