交换与交换接口技术体系教材

交换与交换接口技术体系教材

前言3

1、数据通信技术3

1.1、并行通信技术3

1.2、串行通信技术4

1.3、以太网通信模型的层次结构以及报文结构5

2、交换式以太网8

2.1、什么是交换式以太网8

2.2、交换式以太网的结构拓扑和要素9

2.2.1）网络布线10

2.2.2）交换机10

2.2.3）终端设备（PC、服务器等）11

2.3、构建交换式以太网11

3、交换机11

3.1、交换机设备的相关名词解释11

3.1.1）管理部分名词13

3.1.2）交换部分名词14

3.1.3）电源时钟和复位电路15

3.2、几种交换机结构15

3.2.1）单片式结构15

3.2.2）外接存储器结构16

3.2.3）集成缓存结构16

3.2.4）外接搜索引擎结构17

3.2.5）模块化结构19

3.2.6）其他结构（选看）21

3.3、二层和三层交换23

3.3.1）二层交换23

3.3.2）三层交换23

4、交换芯片MAC24

4.1、MAC芯片的结构24

4.1.1）BroadcomStrataXGS系列Switch（56xx）24

4.1.2）BroadcomStrataXGSHI系列Switch（5650x）29

4.1.3）BroadcomStrataXGSIII系列Switch（5660x）30

4.1.4）BroadcomStrataXGSIII系列Fabric（5670x）30

4.1.5)MarvellPrestera98DX系列Switch(98DX2x3)31

4.2、MAC提供的对外接口32

4.3、交换芯片的应用模型34

4.3.1)Broadcom芯片应用模型举例34

4.3.2)Marvell芯片应用模型举例34

4.4、报文处理流程36

4.5、硬件调试常用的MAC的寄存器37

4.6、现有的主要SwitchMAC芯片、指标、及厂家37

5、物理层芯片PHY39

5.1、PHY的结构和原理39

5.2、PHY的端口设计42

5.3、电气隔离、隔离变压器与RJ-4543

5.4、常用PHY寄存器44

5.5、常用PHY器件及主要PHY厂家46

6、端口技术47

6.1、1O/1OO/1OOOBASE-T端口47

6.1.1)端口自动协商(Auto-Negotiation)47

6.1.2)自动反转技术(AUTO-MDIX)49

6.1.3)信号编码和扰码技术49

6.1.4)1000BASE-T通信技术50

6.2、100/1000BASE-X端口50

6.3、端口流量控制50

6.4、POE供电端口51

7、交换接口技术52

7.1、各交换接口的特性介绍52

7.2、交换接口之间的转换54

7.3、高速串行接口通信技术57

7.4、交换接口设计技术57

8、测试技术57

8.1、交换测试技术57

8.2、交换接口测试技术58

前言

我公司现在技术积累实际上已经比较丰富，但大多比较零散，未能体系化，表现为没有一份

系统性、完整的从架构到技术细节的文档。这导致初期新员培训难以简单入手，需要提供多个单

独的培训，内容相对分散。为此，以一个相对全面的模式，编撰出这份教材，作为交换接口知识

体系的一个架构，同时汇集相关的一些经典知识文档，作为辅助教材，可以自由深浅的学习。

本教材有助于员工学习和掌握交换和交换接口技术，并从全局的角度对交换机体系有明确的

认识。由于结构清晰，也给查找相关的技术信息和细节带来便捷。

看完本文的字面描述和图解后，应当能理解以太网的通信架构和以太网交换机架构以及一些

基本的技术点。全面学习本文所嵌套的蓝色字体教材后，应能做到掌握或精通以太网通信技术和

以太网交换机技术的主要细节。本文未深触到交换机整机的设计上（管理、电源、时钟、PCB等

都未涉及），重点在于让读者学习交换和交换接口技术。

这份教材需要不断的完善以补充更多可能需要的、更新的、更细的东西，以成完整的交换与

交换接口技术体系的培训教程。

1、数据通信技术

数据通信是依照一定的协议，利用数据传输技术在两个终端之间传递数据信息的一种通信方

式和通信业务。它可实现计算机和计算机、计算机和终端以及终端与终端之间的数据信息传递。

通常参与数据通信需要包含计算机设备（这里的计算机设备可以是任何包含有CPU的智能设

备），通信链路和通信设备。我们需要研究包括通信设备和通信链路的相关技术。

数据通信过程通常比较复杂，从硬性角度来讲，数据通信的物理层无非有两种方式：一是并

行通信，一是串行通信，由于这两个概念的重要性，在此特别提出。

由于数据通信技术很多同事曾在学校学习过，这里不详细讲解，需要了解更多信息，请参考

《数据通信计算机网络》教材。

1.1、并行通信技术

并行通信，顾名思义就是对信息进行同时传输。最典型的并行通信是计算机的IDE硬盘，IDE

光驱，计算机的内存条与CPU之间的通信。

并行通信使用几条数据线，将数据分段同时进行传输，传输速度快，信息率高。比如MCS51

单片机的数据宽度是8位，则其数据总线使用8条线，这8bit的数据是同时传输的。

并行通信常用在PCB板内部通信和板上各芯片之间的通信。其显著缺点是需要很多的信号线，

容易相互干扰，而且通常需要时钟同步，对信号走线的等长要求比较明显，尤其是对于高速信号

更为明显，最典型的是DDRSDRAM存储器对于布线等长控制的严酷要求。为了在板上使用更低的

工作频率获得更高的总传输带宽，并行通信是个较好的选择。

Clock_125MHz一

TX_DataO忖

TX.Daial-

TX_Data2“

TX_Data3.

由以你父A设备B

TX_Data4.

TX_Data5..

TX_Data6.

TX_Data7.

图1典型并行通信示意图

上图表示了一个并行通信的典型结构。如果并行通信链路工作在125MHz同步时钟下，并且线

路的宽度为8（即使用8根数据线TX_Data<0：7>,位宽为8）,数据只在时钟的上升沿被传送，

则线路物理带宽为125MHzX8bit=1000Mbps,这个计算公式对于最高理论物理带宽的计算总是适

用的。

在交换机设备中，使用并行通信接口的典型有：PCI接口（目前主流PCI2.2或2.3规范），

RGMII/GMI：［接口（用于连接交换芯片和物理层芯片）,MH接口（用于连接交换芯片和物理层芯片）,

Flash接口（存储器接口），SDRAM接口（存储器接口）等。

1.2、串行通信技术

串行通信传输提供了并行传输以外的另一种选择，尤其适用于远距离通信。它只使用一条线

路，逐个地传送所有的比特，因为使用的线数量少，它比较便宜，用在长距离连接中也比并行传

输更加可靠，而且布线方面也会有优势。以太网的网络接口就是一种串行通信方式。注意，串行

通信不只是指PC机的UART串行口，而是一个广义的串行通信名词。

因为它每次只能发送一个比特位，所以其速度也比较慢。

串行传输方式给发送设备和接收设备增加了额外的复杂性。发送方必须明确比特发送的顺序。

比如说，发送一个字节的8个比特位时，发送方必须确定是先发送高位比特还是先发送低位比特。

同样，接收方必须知道一个目标字节中收到的第一个比特位应该放在什么位置上。这个问题虽然

看起来比较琐碎，但不同的体系结构对字节内比恃的编号各不相同，而且如果各协议在比特的顺

序上无法取得一致的话，信息的传输将出现错误。

以太网使用的是低bit先传输的模式，数据被分成字节（Byte）为单位，逐个字节使用从bit。〜

bit7传输到网络上。特殊的一点是，帧校验序列FCS的传输比较特别，它是按照从高bit往低bit

传输的，即从bit7〜bitO。而多字节域的各个字节按第一个到最后一个（即从左到右）的顺序发

送，而每个字节采用小端位序（即所谓的LittleEndian或正规形式）传送。举个例子，一个6

字节的域：

08-00-60-01-2C-4A

在以太网链路上，它将按以下顺序（从左向右读）串行地发送：

00010000-00000000-00000110-10000000-00110100-01010010

有两种提供串行通信的方法：异步传输和同步传输。异步传输（AsynchronousTransmission）

指比特被划分成小组独立传送。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们

会在什么时候到达。典型的异步通信接口是计算机的串口（UART口）。异步传输仅仅适用于低速

设备。

同步传输（SynchronousTransmission）有两种模式：一是使用独立的线单独传输时钟（实

际上可理解为位宽为1的并行传输），二是将时钟融合到数据中仍然使用一根线传输时钟和数据，

如果是远距离的传输通常选用后者，比如以太网络口，各种远程数据通信设备；而板级传输通常

使用前者，传输独立的时钟，因为前者更简单，比如I2C,$PI等就是同步串行口。

同步传输的数据被组合成一定结构的数据报文，我们称之为数据帧。一个数据帧通常包含一

些同步字符，前导码等信息，以便接收方能获取到同步的时钟，进行正确的接收。下面就是一个

数据帧的例子。可以看到前导，同步信息域，还有帧间隙IDLE域（IDLE信号是传输链路定义的

一组特殊的编码，它不同于其他任何字段的内容），这些信息对于接收端正确同步接收时钟和数据

都有重要作用。

通常在帧间隙期间，接收端就开始调整自己的同步状态机，以便进行时钟同步和扰码等系统

电路的同步，“前导”阶段中时钟必须同步完成，以便在“同步”字到来的时候正确的开始报文的

接收，只到FCS之后，再次检测到帧间隙IDLE码流，即本认为帧传输结束。

帧间隙前导同步目的MACt也址源MAC地址长度/

数据域FCS

DASA类型

IDLE1010...101011

12Byte62bit2bit6Byte6Byte2Byte461500Byte4Byte

图3以太网帧

同步传输可以用于高速串行传输，可靠性更高，但是实现相对复杂，需要串行（Serialize）

和解串行（De_Serialize）硬件支持（经常所说的SerDes）。交换接口中有好多使用同步传输的

接口，比如光纤通路、XAUKS3MII.SMIKSGMII.SMI等。

1.3、以太网通信模型的层次结构以及报文结构

以太网通信可以使用不同的物理链路，但是物理链路上传输的都是串行通信数据。为了了解

以太网通信的过程，这里从TCP/IP协议入手，让读者全面了解分层模型的通信过程。重点是理解

通信的层次化，而一个根本定原则是上层的信息会被不变更的封装到下层当中，只到最后形成可

以满足以太网传输的物理数据流进行传输。当今网络行业中，简单的理解以太网就是局域网，只

是一个代名词，至于什么是以太网的官方定义，请参阅《千兆位以太网.pdf》。

高层对话，尽管他

基于国家最大利•们讲不同的语言量接收信息，并决

益的正规信息，＜A令定如何应答

国家领导人国家领导人

“这是不可容忍

的，你这笨蛋”f"那个笨蛋说，他们

无法容忍这种情况”

交换意见，无权产

生或修改其含意

运用外交语;f,.对语言作适当修改，

作适当改动B以符合国家利益

外交官

“对该问题加以外交官

补救，以符合两

“对该问题加以补救,

国稳定和安全的

传达信息，不知以符合两国稳定和安

最大利益”

道对话的意义或全的最大利益”

翻译成共同引申的含义

认可的语言翻译成本国语言

翻译翻译

图4交流过程的层次模型

TCP/IP的分层模型和上面的两国领导人对话一样，需要经过若干层次进行交流。下图是大家

熟悉的OSI七层模型。在当今TCP/IP霸主网络通信的时代，可以说这个七层模型图实际上没有人

在用。

发送信息的进程接收信息的进程

1层间的逻辑通信4

PeA应用层1

i

►

*

每方执行功能并个活发1过1执仃功能并

将倡息送往下一层1.--_______1癖信口送律卜心

ka运输层]

卜-网络层1

数据域路层口-数据械路层]

]——-►物埋层1

L

r——►

数据流的物理传输

图5OSI通信层次模型

相对来讲，TCP/IP模型比这个OSI七层模型要简单很多，实际上只有4个层次，但更容易理

解。下面左图是TCP/IP通信模型，右图是以FTP传输应用为例的一个通信示意图。

图6TCP/IP通信层次模型和FTP协议应用举例

我们暂时不关心这里的每个细节，而有关TCP/IP协议栈的信息请参考《TCPIP协议详解卷一：

协议》的1〜4小节。但这是我们必须了解的一个基础知识，不强制但推荐学习。

以典型的“应用一一＞TCP一一＞IP——＞以太网链路”的封装为例子，通信过程对报文的封装

如下图。简单的所谓“二层交换”只涉及到最下面的那一层（即“以太网帧”这层）的数据转发，

因此二层交换是以太网通信的基础。各种报文都被转换成满足以太网帧（注意我们这里只讲述以

太网，不涉及其他如ATM,FDDI,SONET之类的模型）的格式，从而寄托在以太网上传输，传输过

程中发生的任何交换，都是以这种二层交换为基础的。三层交换相对高级，后面再论。

用户数据

APP

用户数据

首部

▼

TCP首部用户数据

TCP段

▼

IP首部TCP首部用户数据

IP数据报

▼

以太网以太网

首部首部用户数据

首部IPTCP尾部

1420204

—以太网帧一

46〜1500字节

图7TCP/IP通信层次协议栈封装

无论上层是使用哪种协议最后到串行链路上传输的就是以太网帧（只针对以太网而言），也就

是上图所列的最下面那个层的结构，这种帧的格式如下。图中的“目的MAC地址+源MAC地址+长

度/类型”构成“以太网首部”，后面的“数据域”通常就是“IP数据报”（当然也可能是其他数

据报），这样就可以和上图对应起来。

1'1*A厂小占

前导同步目的MAC地址源MAC地址长度/数据域FCS

DASA类型

1010...101011

62bit2bit6Byte6Byte2Byte46——15OOByte4Byte

图8标准以太网（EthernetV2）帧格式

如果是带有"服务质量"（QoS）或者VLAN（VirtualLocalAreaNetwork虚拟局域网）标识

的报文，这个帧格式中就会增加一个4字节的字段，称之为Qtag或者VLANTag»Qtag的来历是

IEEE802.1Q规范。

前导同步目的MAC地址源MAC地址里誓Tag长度/数据域FCS

DASA番饕信息类型

10I0...101011TPID

62bit2bit6Byte6Byle2Byte2Byte2Byte42——1500Byte4Byte

<—Qtag—►

COS/VID

图9带有QTAG的以太网帧格式

VLAN用于限制以太网帧的广播域，简单的讲，如果一个网络中有200台计算机，如果其中50

台被分成一个VLAN1,另50台被分成一个VLAN2,还有100台分成一个VLAN3。那么VLAN1的50

台计算机之间内部通信只需要通过二层转发，VLAN1内部网络当中的所有的广播报文他们都可以

直接收到。同理，VLAN2和VLAN3内部的所有计算机都可以直接进行二层通信。但是，VLAN1.2.3

之间的计算机不能直接通信，他们不会收到来自不同VLAN计算机的广播帧，为了让他们正常通信，

需要具有涉及到三层交换的功能，此处不多讲。需要注意的是，VLAN的划分是一个逻辑区域的概

念，而不是绝对的物理隔离，两个相同的VLAN可以处于不同的物理位置或者不同的交换机下。

关于帧格式的详细介绍，请参考《千兆位以太网.pdf》或者《IEEE802.3》关于帧格式的部分。

2、交换式以太网

2.1、什么是交换式以太网

简单的来讲，交换式以太网就是使用交换机进行数据转发的以太网。交换式以太网的数据转

发核心是交换机，其与早期的共享式以太网的最大不同就是使用了交换机，而不是HUB。HUB是一

个共享介质设备，而交换机是一个存储转发设备，每个连接到交换机上的PC或者网络终端设备都

可以享有较大带宽，尤其是在网络流量较重（负载较重）的时候，交换式以太网的优势显著体现。

而共享式以太网在达到30%负载的时候，性能将急剧下降。目前主流网络基本全部采纳交换式以

太网，老式的CSMA/CD共享介质方式在当今以太网中实际上很难见到了，所以我们可以暂先放弃

对IEEE802.3规范初期的很多关于CSMA/CD部分知识的学习。

2.2、交换式以太网的结构拓扑和要素

下图是我司高教行业校园网解决方案图，这是一个典型的交换式以太网方案，其中包含了目

前我司一些主流的交换机设备。用户的PC机可以挂接到所述的任何一台交换机设备上，最典型的

是从“接入层”连接PC机，接入层的那些交换机是S2150G,S2126G等设备。而S5750系列和S3760

系列处在比接入高一个层次，我们称之为“汇聚层”，下图的拓扑比较复杂，每个楼层都有该楼的

汇聚交换机。而再往上的S8606交换机亦可称之为汇聚层交换机，可以理解为更高层次的汇聚，

因为他需要处理更多的流量。再上层的S8610就是所谓的“核心层二这就是我们所最常见也是用

途最广泛最灵活的交换式以太网结构。

高教行业一高校校园网整体解决方案HR.

万兆碳痛

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广场裨吟

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S215O1

各教学、科研楼图书馆各楼层各学生宿舍楼栋各教工住宅楼株

图10锐捷网络校园网解决方案

按照核心，汇聚，接入交换机的角度来讲:

图11核心（骨干）、汇聚与接入层

《千兆位以太网.pdf》的3.4节（PU5）有介绍交换式以太网。

2.2.1）网络布线

对于10Mbps的以太网，早期使用3类非屏蔽双绞线（电缆），后面100Mbps和1000Mbps的以

太网，多使用5类非屏蔽双绞线（UTP）。双绞线适合近距离传输，端口之间的布线距离通常在100

米以内，远距离传输常使用光纤。与合适的光模块配合，不同的光纤常见的可传输300米，500

米，1km,10km,40km,甚至80km,光纤传输在布局大型网络时尤其显出优势，但其成本相对于

双绞线要高。

双绞线电缆和光纤布线根据接口和距离选择，上面的校园网拓扑图可以看到一些端倪。

2.2.2）交换机

交换机是一种基于MAC地址（网卡的硬件地址，一个48bit长度的全球唯一标识）识别，能

完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表

中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达

目的地址。

以太网交换机不同于简单的网桥（网桥是使用CPU转发的一种设备，其速度非常有限，这里

不多说），以太网交换机通常使用专用集成电路（ASIC）或者多个CPU,因此使交换机可以并行收

发多个帧信息，所有端口都可同时进行收发工作。此外，以太网帧交换机检测帧信息、维护地址

表与转发决策可同时进行。目前，以太网交换机主要有捷径（Cut-Through）交换，准捷径（Interim

Cut-Through）交换和存储转发（StoreandForwarding）交换三种交换方式。

捷径（Cut-Through简称C&T）交换是只要报文的第一个bit一进入交换机就开始执行转发动

作。报文进来经过一定的电路处理，就被发送到目的端口，典型特点是接收端口的报文正在接收，

而同时目的端口也已经在发送来自源端口的帧（正在接收的帧）。

准捷径（InterimCut-Through）交换是只要报文有部分被存储下来，就开始执行转发动作。

存储转发（StoreandForwarding简称S&F）交换是以太网交换机用得最多的交换方式。这

种交换是将整个报文接收下来，并存储完成后，再决定执行其转发动作。

这种交换方式的特点是灵活性高，可以对报文进行一定的处理，变更和分析，整个过程中具

有较强的可操作性，但是需要一定容量的存储器。我们目前的交换机产品都是采取存储转发模式

的交换。

2.2.3）终端设备（PC,服务器等）

数据终端设备有多种，最常见的是PC机，而PC机的网卡就是一个执行以太网协议的通信接

入口。还有如网络摄像头、P0$机器等。这些设备是网络上数据流量的来源。

2.3、构建交换式以太网

构建交换式以太网需要上面提到的3个要素：终端、交换机、和布线。从连接上讲，由于各

种组网差别不大，这是一个相对简单的过程，硬件连接完成后，有很多软件上的东西需要配置,

而且根据应用情况的不同相当复杂，因此这里不多介绍，本文只关心硬件连接方式和性能。

锐捷网络宿舍网解决方案

WWWE-MailDNSStirVI«wGSNM£SAM>t£内部・务H

图12校园网学生宿舍组网示例

可参看《构建企业级交换网络.pdf》（选学）文档，它里面有一些概念，对于理解交换式以太

网的组网有帮助。

3、交换机

3.1、交换机设备的相关名词解释

开始交换机的学习之前，先要了解以太网的架构，如下图。它体现了MAC层和PHY层的分工，

之间通过一个特定的交换接口连接（下图是包含十兆MH（或者AUI）、百兆MH、和千兆GMH）。

HigherLayers

图13以太网的架构

各个层次完成的功能简单介绍如下：

■物理编码子层(PCS)

PCS发送子层主要功能：

•PCS编码；

•碰撞检测

•并/串变换

PCS接收子层主要功能：

•串/并变换

•PCS解码；

•载波检测

•码组成帧

■物理介质连接子层(PMA)主要功能：

•链路监测

•载波检测

•PAM5编码/译码

•发送时钟合成

•接收时钟恢复

■物理介质相关子层(PMD)主要功能：

•数据流加密扰码/解扰(Scrambling/Descrambling)

•NRZI编/译码

•多越变延信号(MLT-3)编码/译码

•接收信号直流恢复和自适应均衡

此功能是概括性的，根据速率和介质的不同，各有差异。

下面以一个典型的交换机结构为例，对交换机设备做几个名词解释。下图是我公司S3750交

换机的内部结构框图，包含24个百兆电口，4个千兆电口和4个千兆光口，基本涵盖了一个典型

以太网交换机的主要组件。

图中包含4个组成部分，分别用4个有色边框表示：左上部粉红色框内是“管理部分”模块；

右边的红色框内是“电源时钟和复位电路”模块；中间的绿色框内是“交换MAC模块”，下面的蓝

色框内则是''物理层模块”，包括P11Y,隔离变压器，RJ-45接口，SFP接口等；“交换MAC模块”

和“物理层模块”通常合起来称之为“交换部分后续在使用Cadence绘制电路原理图的时候，

就是按照这里列举的3大块的模式进行划分的。

3.1.1）管理部分名词

CPU：CPU是管理部分的核心，运行驱动程序、和网络操作系统，对本机电所有智能管理和配

置通过CPU实现。我们常用的CPU是MPC824x,MPC854x系列、BCM5836等，主频166MHz~1GHz

的都有。可以去看《MPC8245硬件设计指南.doc》、《BCM5836硬件设计指南.doc》和

《MPC8540-MPC8541CPU硬件设计指南.doc》（都是选看）等资料。

Flash：Flash存储器肯定不陌生，用于存放启动程序和主程序以及记录运行过程中的一些信

息。常用的有所谓的并行Flash,是NORFlash类型，使用并行数据接口，读写操作类似RAM,容

量一般较小，常是2MB〜8MB,如S29AL系列。还有串行Flash,是NANDFlash,使用串行接口，

容量一般较大，我们用得多的是32MB的器件，SAMSUNG品牌居多，如K9F系列。

SDRAM：SDRAM与计算机的内存条一样，运行程序的时候作为内存使用。

串口：串口连接到交换机的CPU上。用于网络管理人员从外部PC通过PC机器的串口访问交

换机的CPU,进行一些配置和调试等。串口通常使用MAX3243这样的驱动芯片。

RTC：RTC是RealTimeClock实时时钟的简称。简单的理解它和我们手上带灯电子表一样，

就是拿来走时的。CPU可以从它这里获取一些时间信息用于某些算法或者打印一些syslog信息。

我们常用的芯片是PCF8563。

PCI:一种并行接口，和我们熟悉的PC机上的PCI插槽一样。CPU通常是通过PCI接口对交

换芯片（SwitchMAC）进行配置和访问。这些访问操作包括芯片驱动，初始化配置，特殊报文交

互等。有兴趣可以看«PCISpecificationV23.pdD选看或从各种CPU自己提供的资料中获取相

关信息。

I2C:12c接口是一种2线接口，用得也很多，有兴趣可以看《i2c总线协议（中文版）.pdf》

选看。

3.1.2）交换部分名词

SwitchMAC（交换芯片）：交换芯片是整个交换机系统的核心，他完成数据转发决策和以太网

介质访问控制协议（MAC=MediaAccessControl）的实现，交换芯片通常是一个专用集成电路（ASIC）。

关于交换芯片的细节将在后面介绍。

DDRSDRAM：常称之为交换SDRAM,或交换缓存，它其实和前面CPU中用的SDRAM没什么区别，

只是工作频率更高、速度更快。交换缓存用于临时存放队列报文。有很多交换芯片集成了交换缓

存,不需要专门外接DDRSDRAM«我们公司常见的如HY5DU28XXX系列，K4D26xxx系列。

PHY：PHY是物理层芯片的简称，它是以太网物理介质与MAC之间数据交互的桥梁。它执行以

太网规定的物理层协议，接收来自网络的数据帧，并传输到MAC。同时PHY接收来自MAC的数据，

并按照以太网协议规定的物理层封装和电气特性，将报文发送到以太网络上。有的时候PHY也被

叫Transceiver,简单的理解其为一个收发器。后面有专门介绍PHY。

SMH/GMII接口：这都是MAC与PHY之间的接口，俗称交换接口。SMH用于百兆及百兆以下

MAC与PHY连接,GMII用于千兆，类似的接口还有SGMII,S3MII,Mil,RGMII等。

SMI接口：SMI是串行管理接口（SerialManagementInterface）的简称，由两根线MDC和

MDI0组成，用于MAC对PHY的管理，是PHY的管理接口。

隔离变压器：隔离变压器用于芯片电路端与以太网络线路的电气隔离。因为对端连接设备电

路设计的不可知性，长线传输时这种隔离是必须的。另外，电气隔离措施对于交换机系统防雷也

有重要作用。隔离变压器后文将有详细介绍。

RJ-45：PC机的网口就是一种常见的RJ-45接口。用于连接非屏蔽双绞线，10/100/1000BASE-T

交换机大量使用这种接口。

SFP：SFP是光模块接口，可以连接SFP光模块，注意光模块接口不需要隔离变压器，因为光

传输通路本身就是电气隔离的。光口常常用于远距离传输。

LED模块：LED（发光二极管）模块用于做端口指示，指示端口是否正常连接（link）,或是

否有数据传输（active）,LED点灯可以是MAC给出，也可以是PHY给出。

3.1.3）电源时钟和复位电路

电源模块：为整个交换机提供电源。因为电流常常较大，所以通常需要使用高效率的DC/DC

模块实现。DC/DC模块将12V或5V电压转换成3.3V,2.5V,1.8V,L25V等，单路提供电流最大

可达到15A左右。我们常用的DC/DC电源芯片有NCP5422,NCP5425。电源模块有时候需要上电时

序控制，采取相关的设计可以实现对DC/DC电源的上电时序控制。

复位模块：提供全局复位，还可能控制复位的顺序。我们常用的复位芯片是TPS3823,它具

有上电复位和看门狗检测功能。

时钟模块：提供芯片的工作时钟。我们公司常用的时钟有TXC,TAITEN,VECTRON等厂家，所

用频率以25MHz,125MHz,156.25MHz,187.5MHz等居多。所选种类有晶体（频率较低，如25MHz,

12Mhz等）和晶体振荡器（简称晶振）两种。常选的时钟Buffer有ICS9112-27,ICS9112-17,

SY100EPU1,CY2305等。

3.2、几种交换机结构

通过上面的讲解，我们基本上就熟悉了整个交换机的架构。无论怎么变，都有其共性。这里

提到的主要是智能网管型交换机，具有管理模块；当然有的交换机更简单，没有管理模块（所谓

傻瓜机），由于这种交换机技术含量相对低、更简单，我们不过多研究。下面列举的一些交换结构，

都逃不出上面所述的3个基本模块。此处不再提及老式的以CPU为中心的软交换方案。

3.2.1）单片式结构

下面是一个典型的单片式结构的交换框图。

SwitchMAC

Switch.Switch.Switch

PHY■PHY■PHY

___

£隔离变压器

RJ-45Port

图15单片式交换机架构

这种结构的特点是单芯片集成了MAC和PHY,集成度高，图中的绿色部分表示芯片内部。通

常只有简单的CPU接口，或者不用CPU,大部分家用SOHO路由器是这样的，成本低。

我们的部分路由器上使用的就是这种结构，比如NBR2500上使用的BCM5395就是这种结构的

RoboSwitch,再如$2026交换机也是使用集成PHY的。

3.2.2）外接存储器结构

典型的外接存储器结构如下。早期用得比较多，交换芯片提供缓存控制器和存储接口，外接

存储器常常是DDRSDRAM或更高速度SRAM。尤其是在大带宽、高性能要求的交换设备上，可能使

用RLDRAM（一种延迟较低的DRAM）。

SwitchMAC

SwitchSwitchSwitch

PHYPHYPHY

图16外接存储器交换机架构

外接报文存储器通常是SDRAM或者DDRSDRAM。接口数据宽度通常为32bit、64bit或者128bit。

我公司的S2126G,S2150G,S3750等都是使用外接交换缓存的产品。

3.2.3）集成缓存结构

为了减少外接存储器的麻烦，这种结构将存储器集成到SwitchMAC中了，设计更简单。部分

系统还将CPU也集成到SwitchMAC中了。但是PHY是分离出来的，同样图中绿色表示芯片。目前

还没有发现有将CPU,MAC,PIIY全部集成的产品。

SwitchMAC

缓存

SwitchSwitchSwitch

PHYPHYPHY

图17集成存储器/CPU交换机架构

这种结构的交换机我们有S5750系列千兆端□万兆上链交换机（缓存内置，CPU外置），S2600

系列百兆交换机（CPU和缓存全内置）。

3.2.4）外接搜索引擎结构

随着网络规模的扩展,同时接入网络的用户数量巨大增加，交换机需要更大的表项，包括二

层和三层表项（关于表项,在交换芯片部分将予以介绍），以便更好的支持核心应用。

接

外

报文

缓

存

CPU

SwitchSwitch

PHYPHY

图18TCAM扩展表项交换机架构

从图可以看出，这个多出了一个TCAM及扩展表项存储器。这个东西的作用是增大交换芯片的

二层（MAC地址表）和三层（IP和路由表）表项，并且通过TCAM技术，巨大表项的查表时间非常

短，理论查表速度是1个时钟周期即可查找出结果。TCAM使用并行查表技术，比软件查表和逐项

查表快多了，即使是上百万条的表项，也可以在极短的时钟周期内命中。

《CISCOSwitch内部结构体系.ppt》（选看）分析里有个关于TCAM搜索的动画，在ppt文档

的第74〜75页。

High-LevelForwardingEngineLogic

图19TCAM表项搜索a

GenericTCAMLookupLogic

OOOlllxx

lOHOlxxM

loonixxg

000000<x日

1.Relevantfieldsreadfrom.”，，，010010XX

contentsofpacket1=Compare

「iiinixxra

0=Mask0011OOxxn

2.Lookupkeycreated11

3AslookupkeycomparedtovalueQ

entries,associatedmaskappliedlOllxxxx授

4.LongestmatchreturnsresultHOlxxxx日

HIT!OllOxxxx

Resultformatvariesdependingonlookup㈣

type

OOllxxxxQ

OOOOxxxxd

lOOOxxxxn

Masks

图20TCAM表项搜索b

关于TCAM技术的更多详细介绍，可以参考《TCAM预研报告.doc》（选看）。

我公司的S86系列MPLS卡就是这种结构，其最大特点是使用TCAM技术，表项扩展灵活。

3.2.5）模块化结构

我们现在有两种模块化交换机结构，就是所谓的分布式交换架构和集中式交换架构。

分布式交换结构如下（如我司对S68/86/96系列）：

如BCM5670,BCM5671,BCM56700等）芯片置于背板，作为全局的交换核心，而每个模块（线卡）

上也有自己的SwitchMAC芯片（如BCM5665,BCM5695,BCM56504等），而且功能比较强大，成本

相对高，如三层路由等高级功能，主要完成本板的报文转发。分布式交换的灵活性非常高，具有

较高的成本和较强的性能。

如果单个交换卡模块上有多个交换芯片，通常也需要在交换卡模块上放置一颗Crossbar芯片,

用于实