人工智能专题研究：交换机：算力基座迎来新机遇

人工智能专题研究 交换机——算力基座迎来新机遇 西南证券研究发展中心通信研究团队2023年10月 核心要点 交换机—用于电光信号转发的网络设备，可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。从广义上来分析，即在通信系统里实现信息交换功能的设备。交换机按照应用场景分类，可以分为商用交换机和工业交换机；商用交换机按照应用场景分类，又可以分为企业网交换机（SMB交换机）、园区交换机和数据中心交换机。据IDC数据，2022年，全球交换机市场规模为3080亿元，同比增长17%，预测2022-2027年CAGR约为4.6%；中国交换机市场规模为591亿元，同比增长9.5%，预计未来5年增速高于全球增速，稳定在7%-9%。 交换机行业集中度较高，AI催化下高速率交换机占比将持续提升。据IDC数据，思科、华为、新华三等少数几家企业占据绝大部分市场份额，CR5超过70%。思科、博通等近期发布高速率以太网方案应对AI需求，华为、新华三近期也发布了支持800G的数据中心交换机新品，以面对AI智算需求发展。 美国商务部宣布限制向中国出售先进AI芯片，限制英伟达A800和H800等出口。新禁令公布后30天生效，并进一步将更多参与研发AI芯片的中国公司列入清单。以昇腾910B为代表的华为AI算力芯片，技术方面硬件指标逼近英伟达A100/800，生态建设领先，有望在未来独挑大梁。交换机代工厂菲菱科思、共进股份等有望受益于芯片国产替代红利。 相关标的：交换机代工厂商菲菱科思、共进股份等；工业交换机三旺通信、东土科技等。 风险提示：AI应用发展不及预期的风险；上游芯片供应紧缺风险；市场竞争加剧风险等。 1 目录 一、交换机概述 1.1交换机定义及分类 1.2交换机构成 1.3交换机的技术原理及性能指标 1.4交换机应用场景 1.5交换机产业链 二、交换机行业分析 三、交换机重点公司分析 2 盒式交换机 1.1交换机定义及分类 定义：交换机（Switch）意为“开关”，是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。从广义上来分析，在通信系统里对于信息交换功能实现的设备，就是交换机。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。 交换式集线器又称为以太网交换机、二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层），或直接简称为交换机。交换是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。 机框式交换机 按照硬件形态划分： 盒式交换机：是一种有固定端口数，有时也会带有少量扩展槽的交换机。 机框式交换机：是一种插槽式的交换机，这种交换机扩展性较好，可支持不同的网络类型，可支持更大端口密度的网络。 数据来源：CSDN，西南证券整理3 1.1交换机定义及分类 OSI七层结构（可划分为四层） 按照OSI划分： 二层交换机：基于MAC地址工作的第二层交换机最为普遍，用于网络接入层和汇聚层。 三层交换机：基于P地址和协议进行交换的第三层交换机应用于网络的核心层，也少量应用于汇聚层。部分第三层交换机也同时具有第四层交换功能，可以根据数据帧的协议端口信息进行目标端口判断。 四层交换机：它是一种功能，它决定传输不仅仅依据MAC地址（第二层网桥）或源/目标P地址 （第三层路由)，而且依据TCP/UDP(第四层)应用端口号。第四层交换功能就象是虚IP,指向物理服务器。它所传输的业务服从各种各样的协议，有HTTP、FTP、NFS、Telnet或其他协议。这些业务在物理服务器基础上，需要复杂的载量平衡算法。 四层以上交换机：第四层以上的交换机称之为应用型交换机，主要用于互联网数据中心。 按照网络层次划分： 接入层交换机：一般是固定配置的交换机，端口密度较大，具有较高的接入能力，以10/100M端口为主，以固定端口或扩展槽方式提供1000Mbps的上联端口。 核心层交换机：一般采用机箱式模块化设计，机箱中可承载管理模块、光端口模块、高速电口模块、电源等，具有很高的背板容量； 汇聚层交换机：可以是机箱式模块化交换机，也可以是固定配置的交换机，具有较高的接入能力和 带宽，一般会包含光端口、高速电口等端口； 按照应用区域划分： 广域的交换机：是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，它应用在数据链路层。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。广域网交换机主要应用于电信领域，提供通信用的基础平台； 局域网交换机：应用于局域网络，用于连接终端设备，如PC机及网络打印机等。 数据来源：CSDN，西南证券整理4 交换机结构 1.2交换机构成 盒式、框式交换机外观 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。 数据来源：思科官网，CSDN，西南证券整理5 1.2.1交换机交换架构 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。 Full-Mesh Crossbar CLOS 分类 无缓存 缓存 非正交背板 正交背板 正交零背板 硬件架构 无交换网板； 线卡之间通过背板走线连接 单平面交换；集中调度；交叉点无缓存 单平面交换；分布式调度；交叉点有缓存 多平面交换； 线卡和交换网板平行；背板长走线 多平面交换；线卡和交换网卡正交；背板短走线 多平面交换； 线卡和交换网板正交；无背板无走线 功能特点 受限于背板带宽和连接总数，可扩展性差；背板带宽是瓶颈 随端口数增加，交叉点数量呈几何增长； 系统容量大时，仲裁器易形 成瓶颈 随端口数增加，交叉点数量呈几何增长；调度算法复杂度限制扩展 背板限制带宽扩展且无法实 现直通数据；走线带来信号衰减； 基于Cell的动态负载均衡实 现无阻塞 背板限制带宽扩展且无 法实现直通数据； 基于Cell的动态负载均衡实现无阻塞 带宽扩展更换相应网板即可；无背板设计实现交换机直通散热；基于Cell的动态负载均衡实现无阻 塞 适用设备 低密度槽位 高密度槽位；可面向未来1~3年发展 高密度槽位；可面向未来1~3年发展 高密度槽位； 可面向未来10年扩展 业界典范 •思科N7004 •华为 S7703/S9303/S9703 •锐捷N18007/S8605E/S8607E/S7505C •思科N7K系列（N7004除外） •华为S7700/S9300/S9700系列（3槽/10槽除 外） •新华三S75E/S10506/S10510/S7506E- X/S7510E-X（不配独立的FE时就是Crossbar架构） •锐捷S12000/S8600/S7808C •华为CE12800系列 •新华三S12500-X/S12500-X-AF系列 •锐捷N18000+C类交换网板/N18000-X系列 数据来源：公司官网，CSDN，西南证券整理6 1.2.2基于CLOS架构的交换网板设计 三种交换网板设计：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→背板→线卡B。交换模块通过内部芯 片，识别MAC地址，并将MAC地址和对应的线卡端口对应，从而将数据转发至目的端口。 三种交换模块架构设计 图（1）：非正交结构图（2）：正交结构图（3）：无背板架构 数据交换方式 线卡A 背板 芯片 交换模块 线卡B 数据来源：CSDN，知乎，西南证券整理7 1.3交换机的技术原理 交换机在同一时刻可进行多个端口对之间的数据传输。每一端口都可视为独立的物理网段（注：非IP网段），连接在其上的网络设备独自享有全部的带宽，无须同其他设备竞争使用。当节点A向节点D发送数据时，节点B可同时向节点C发送数据，而且这两个传输都享有网络的全部带宽，都有着自己的虚拟连接。假使这里使用的是10Mbps的以太网交换机，那么该交换机这时的总流通量就等于2×10Mbps=20Mbps，而使用10Mbps的共享式HUB时，一个HUB的总流通量也不会超出10Mbps。总之，交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据帧功能的网络设备。 交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。 交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有的端口都挂接在背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在，广播到所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。使用交换机也可以把网络“分段”，通过对照IP地址表，交换机只允许必要的网络流量通过交换机。通过交换机的过滤和转发，可以有效的减少冲突域。 （见左图）交换机工作流程： 以太网连接的端口，可以连接多种网络设备主机A、B、C和D； 将连接到交换机的设备的MAC地址存储到一张表； 当主机A和主机C想通信时，主机A会发送数据包到交换机，交换机只会发送给主机C，如左图，主机A发送数据包给主机C，交换机识别出主机C的MAC地址，将数据包转发到主机C连接的端口，只有主机C能收到数据包。 交换机工作流程 数据来源：CSDN，西南证券整理8 路由器工作流程 路由器2 交换机A 路由器1 交换机B 集线器工作流程 集线器仅仅知道端口上是否连接了设备，经过集线器传输的数据包，所有设备都能接收到，如右图，当主机A发送数据包给主机C时，主机B和D都能接收到数据； 路由器用于连接两个网络（如右图），他们有自己唯一的网络地址，有各自的路由器1和路由器2，和交换机A和交换机B以及主机在各自网络内部交换数据。路由器可以使得不同网络之间实现数据传输。 1.3.1交换机、集线器和路由器的区别 交换机 集线器 路由器 工作原理 创造网络； 检测到连接交换机的具体设备；含有一个已连接设备的MAC地址与端口映射表，识别MAC地址 创造网络；只检测物理上连接到它的所有设备； 无MAC地址和端口映射表； 连接网络； 连接不同的网络，促使不同网络的主机完成通信；识别IP地址 工作方式 能够隔离冲突域并有效地抑制广播风暴的产生 是一种广播模式，所有