以太網稱霸

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

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潛力的備忘錄，這被認為是以太網的源起點。1976年，梅特卡夫和他的助手David Boggs發表了一篇名為《以太網：局域計算機網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據通信系統”的專利。多點傳輸系統被稱為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標準化、規范化。這個通用的以太網標準于1980年9月30日出臺，當時業界有兩個流行的非公有網絡標準令牌：環網和ARCNET，在以太網大潮的沖擊下，它們很快萎縮并被取代。

今天，3Com已經消失，而以太網卻呈現出了萬夫莫擋的霸氣。

四代交換機演進史

從1989年第一臺以太網交換機面世至今，經過20多年的快速發展，以太網交換機在轉發性能上有了極大提升，端口速率從10M發展到了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”等優勢，以太網交換機如今已經成為應用最為廣泛的網絡設備。

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

根據交換機工作的協議層次，將交換機劃分為：二層交換機、三層交換機和多層多業務交換機，簡單回顧一下交換機的發展歷程。

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(開放系統互聯參考模型)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，以擴大網絡的傳輸距離，同時把所有節點集中在以它為中心的節點上。

由于集線器收到報文會向所有端口轉發，同時只能傳輸一個數據幀，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送數據報文時，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絡是共享式以太網的典型代表。

嚴格來說，集線器不屬于狹義上的交換機范疇，但由于集線器在網絡發展初期具有舉足輕重的作用，在很長時間內占據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橋的基礎上逐步發展起來的，Kalpana公司在1989年發明了第一臺以太網交換機，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(數據鏈路層)，因此也被稱為二層交換機。二層交換機識別數據幀中的MAC地址信息，主要根據MAC地址選擇轉發端口，算法相對簡單，便于ASIC實現，因此轉發性能極高。交換機的出現，解決了集線器的沖突域問題，使得以太網從“共享式“步入了“交換式”時代，大大提高了局域網的性能。

典型產品：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協議棧進行通信時，廣播或組播類型的協議報文會被廣泛使用，如ARP/RIP/DHCP等。如果整個網絡只有一個廣播域，一旦發出廣播報文，就會傳遍整個網絡，這樣不僅會影響到網絡帶寬，而且還會對網絡中的主機帶來額外的負擔。

隨著時間的推移，網絡由最初的軍事、科研用途逐漸融入人們的日常生活，網絡用戶數急速提升，廣播域帶來的問題愈發明顯。雖然VLAN在交換機上能夠實現廣播域的隔離，但VLAN之間的轉發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保持“高性能、低成本”的傳統優勢。

三層交換機的發展經歷了一個小插曲。由于早期的ASIC芯片無法獨立完成三層轉發的完整功能，2002年左右出現的“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”，因此對外表現為“弱三層、強二層”的特點。但隨著芯片技術的發展，很快ASIC就支持了硬件路由查找功能，真正實現了全硬件三層轉發的交換機，因此最終“三層交換機”只是曇花一現，很快被全硬件三層轉發的交換機所取代。為了避免與前期的“三層交換機”相混淆，支持全硬件三層轉發的交換機往往也稱為路由交換機。

典型產品：Cisco 3750-X系列交換機、Huawei 5700-EI系列交換機。

多業務交換機

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

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

典型產品：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發架構，單機交換容量最大可達18.56Tbps，最大支持12個業務槽位，支持防火墻/NAT、負載均衡、無線AC、IPSec VPN等多種增值業務能力。

為了便于對比，我們把上面幾代產品簡單列表如下：

面向未來網絡，第五代交換機呼之欲出

近幾年來，云計算、BYOD移動辦公、SDN、物聯網、視頻以及大數據等新概念層出不窮，引發了對高密度、高性能、更靈活、更大規模以太網的需求，由此引發了新一輪以太網交換技術的革命性增長。

總體來說，新業務環境對以太網交換機的期望集中在以下幾個方面：

全可編程能力

業務靈活性是當前交換機面臨的最大挑戰。為了增加交換機的業務靈活性，廠商往往采用可編程ASIC技術實現多業務能力，但可編程ASIC僅具備部分可編程能力，如自定義報文解析，帶來的業務靈活性非常有限，無法完全滿足快速多變的業務需求。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務需求。用戶通過升級軟件的方式即可支持新業務，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、流量優化、快速部署的目的，SDN也正以不可阻擋之勢沖擊著現有網絡架構，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三網合一(語音、數據、數字電視)，再到數據中心的三網合一(計算、存儲、通信)，網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成本，簡化管理維護。

以園區應用為例，WLAN及BYOD的快速發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實現無線有線的融合，支持有線用戶、無線用戶的統一接入和統一策略。另外，隨著網絡全面步入“以用戶為中心”的時代，精細化用戶管理也已成為園區網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需求，但其不菲的價格阻礙了在園區網的應用，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%以上是物聯網應用， 而隨著物聯網One M2M標準組織的建立，IPv6應用將進一步在能源、電力、交通等行業擴張。物聯網帶來了無限連接需求，要求網絡設備必須具備更大的表項規格，以適應網絡5-10年的擴張能力。

強大的QoS能力

如何保證網絡應用端到端的QoS一直是交換機面臨的重大挑戰。

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

此外，網絡級QoS檢測和呈現一直是IP網絡的一個難點。在新部署業務時，用戶要能夠準確判斷當前網絡是否滿足需求;由于網絡質量是動態的，在業務運行期間，用戶還需要及時感知到網絡質量的變化情況，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芯片為核心的傳統交換機憑借著“高性能、低成本”等優勢已成為應用最為廣泛的網絡設備，然而在面對云計算、BYOD移動辦公、SDN、物聯網以及大數據帶來的變化和挑戰時，ASIC芯片靈活性差的缺點使得傳統交換機難當重任，繼續在ASIC平臺上采用混合模型修修補補也無法延續交換機昔日的輝煌，只有通過變革與創新才能保持交換機的競爭力。要實現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。