通信设备行业深度报告：AI时代交换机迎四大产业变革新机遇

交换机变革1：AI驱动组网架构变革，新增后端组网需求 相比传统网络架构，AI服务器组网增加后端网络组网（Back End），增加了每台服务器的网络端口数量，叠加AI集群加速Scale out，万卡、十万、百万卡集群组网使得网络架构层数提升，有望带来大量高速交换机需求。当前IB仍然主导AI后端网络，但以太网根基深厚，生态厂商众多，未来以太网方案占比有望逐步提升，最终或将成为主流方案。 交换机变革2：800G交换机开始放量，102.4T交换芯片有望推出 AI大模型参数量持续增长倒逼集群规模提升，叠加AI芯片带宽提升，促使交换机端口速率及交换容量同步升级。交换机端口速率从200G向400G、800G、1.6T提升，交换芯片带宽容量提升至25.6T、51.2T，下一代102.4T交换芯片有望于2025年下半年推出，盒式交换机端口数量得以持续增长以支持组网规模提升，高速数据中心交换机市场规模有望快速增长。 交换机变革3：交换机白盒化趋势显著，带来新成长机遇 白盒交换机是一种硬件与软件解耦的网络交换机，其硬件由开放化的硬件组件组成，而软件可由用户或第三方自由选择和定制，具备灵活性、可扩展性较高、采购和维护成本较低等优势，广泛应用于互联网厂商和运营商网络，交换机白盒化趋势显著，目前产业生态较为完善，商用交换机芯片厂商、JDM/ODM/OEM交换机设备商有望迎来发展新机遇。 交换机变革4：光交换机商用逐渐成熟，光电融合组网落地大模型训练 光电路交换机（OCS）主要通过配置光交换矩阵,从而在任意输入/输出端口间建立光学路径以实现信号的交换，相比电交换机，光交换机具有成本低、时延低、功耗低、可靠性高等特点，在AI大模型预训练应用场景中表现较好。当前光电融合方案中OCS方案商用化程度较高，基于3D-MEMS系统的OCS方案综合应用较好。 投资建议： AI时代交换机迎来四大变革，交换机产业链有望长期受益。（1）交换机&交换芯片推荐标的：紫光股份、盛科通信、中兴通讯；受益标的：锐捷网络、菲菱科思、共进股份、烽火通信、Arista网络、思科、Juniper、博通、Marvell等；（2）全光交换机受益标的：光迅科技、Coherent等；（3）工业交换机受益标的：映翰通、三旺通信、东土科技等；（4）交换机配套AIDC推荐标的：宝信软件、润泽科技； 受益标的：光环新网、奥飞数据、云赛智联、网宿科技等；（5）交换机配套光器件推荐标的：中际旭创、新易盛、天孚通信；受益标的：华工科技、光迅科技、源杰科技等；（6）交换机配套液冷推荐标的：英维克；受益标的：科华数据、网宿科技、飞荣达、高澜股份、申菱环境等。 风险提示：云计算需求不及预期、数字经济增长不及预期、AI发展不及预期 1、交换机：AI时代的核心网络通信设备 以太网交换机是重要的通信网络设备，随着全球AI的高速发展，AI集群规模持续增长，AI集群网络对组网架构、网络带宽、网络时延等方面提出更高要求，带动交换机朝着高速率、多端口、白盒化、光交换机等方向持续迭代升级，我们认为AI时代交换机有望迎来四大产业变革新机遇。 交换机变革1：AI集群新增后端组网需求，集群规模持续增长，以太网占比有望逐步提升，有望带来大量高速以太网交换机需求 （1）AI训练集群带来GPU互联需求，新增后端网络组网需求。AI服务器比传统服务器新增GPU模组，GPU模组通过对应的网卡与其他服务器或交换机互联，实现各节点之间的通信。因此相比传统网络架构，AI服务器组网增加后端网络组网（Back End），增加了每台服务器的网络端口数量，拉动对高速交换机、网卡、光模块、光纤光缆等组件需求。 （2）AI集群加速Scale out，万卡、十万、百万卡集群组网带来大量高速交换机需求。随着AI模型参数持续增长，带动集群规模从百卡、千卡拓展至万卡、十万卡，Scale out推动组网架构从2层向3层、4层架构拓展，带来大量高速交换机需求。 （3）以太网网络根基深厚，生态厂商众多，AI网络中以太网网络占比有望持续提升。IB网络凭借低延迟、堵塞控制以及自适应路由等机制，仍然主导AI后端网络，但随着以太网网络部署的不断优化，超以太网联盟加速发展，我们认为未来以太网方案占比有望持续提升，带动以太网交换机需求增长。 交换机变革2：AI网络带来低时延、大带宽等网络需求，400G/800G交换机持续放量，1.6T交换机加速落地 AI大模型参数量持续增长倒逼集群规模提升，叠加AI芯片带宽提升，促使交换机端口速率及交换容量同步升级。交换机端口速率从200G向400G、800G、1.6T提升，交换芯片带宽容量提升至25.6T、51.2T，下一代102.4T交换芯片有望于2025年下半年推出，盒式交换机端口数量得以持续增长以支持组网规模提升，高速数据中心交换机市场规模有望快速增长。 交换机变革3：交换机白盒化趋势显著，带来新成长机遇 白盒交换机是一种硬件与软件解耦的网络交换机，其硬件由开放化的硬件组件组成，而软件可由用户或第三方自由选择和定制，具备灵活性、可扩展性较高、采购和维护成本较低等优势，广泛应用于互联网厂商和运营商网络，交换机白盒化趋势显著，目前产业生态较为完善，商用交换机芯片厂商、JDM/ODM/OEM交换机设备商有望迎来发展新机遇。 交换机变化4：光交换机商用逐渐成熟，光电融合组网落地大模型训练 光电路交换机（OCS）主要通过配置光交换矩阵,从而在任意输入/输出端口间建立光学路径以实现信号的交换，相比电交换机，光交换机具有成本低、时延低、功耗低、可靠性高等特点，在AI大模型预训练应用场景中表现较好。当前光电融合方案中OCS方案商用化程度较高，基于3D-MEMS系统的OCS方案综合应用较好。 1.1、交换机工作在数据链路或网络层，负责电/光信号转发 交换机是用于电/光信号转发的网络设备。普通二层交换机（Switch）意为“开关”，是一种用于电(光)信号转发的网络设备。它基于MAC地址进行数据的转发，工作在OS七层模型中的第二层（数据链路层）。普通交换机具有多个端口，每个端口都具备桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。当设备接入交换机时，交换机会学习设备的MAC地址，并将MAC地址与端口对应起来，形成一张MAC地址表。在后续的数据传输过程中，交换机根据数据包中的MAC地址信息，将数据从对应的端口发送出去，实现数据的精准转发。 按应用场景和传输介质来看，交换机种类较多。交换机是重要的通信网络设备，最常见的网络交换设备以以太网交换机为主，其次还包括语音交换机、光纤交换机等，适应不同网络环境与应用场景。 按照应用场景划分：（1）园区用以太网交换设备：可分为金融类、政企类、校园类；（2）运营商用以太网交换设备：可分为城域网用、运营商承建用以及运营商内部管理网用；（3）数据中心用以太网交换设备：可分为公有云用、私有云用、自建数据中心用；（4）工业用以太网交换设备：可分为电力用、轨道交通用、市政交通用、能源用、工厂自动化用等。 图1：交换机种类较多 以太网交换设备已支持多个层级的数据转发，网络性能持续提升。早期以集线器为代表的以太网设备主要在物理层工作，无法隔绝冲突扩散，网络性能难以提升，而以太网交换机能够隔绝冲突，持续提升以太网性能。世界上第一台以太网交机最早于1989年问世，经过三十余年的的发展，以太网交换机在转发性能和功能上持续提升。转发性能方面，以太网交换设备的端口速率从 10M 发展到800G，单台设备的交换容量从Mbps量级提升至Tbps量级。功能方面，以太网交换设备发展至今，可分为二层交换机、三层交换机和叠加型多业务交换设备。二层交换机和三层交换机之间的最大区别在于路由功能，叠加型多业务交换设备（四层或更高层）除了实现二层和三层的业务外，还可具备如防火墙、网关等其他功能。 表1：以太网设备发展阶段 以太网交换设备能够使不同网络中的设备终端实现互联互通。以太网交换设备对外提供高速网络连接端口，与主机和网络节点相连接，为接入设备的多个网络节点提供电信号通路和业务处理模型。以太网交换设备主要采用OSI模型，可作用于物理层、数据链路层、网络层、传输层或者应用层，通过高带宽的背部总线和内部交换矩阵实现多个端口对之间同一时间的数据传输和数据报文处理。 图2：交换机主要工作在OSI模型中的数据链路和网络层 二层交换机工作在数据链路层，三层交换机工作在网络层。二层交换机在接受来自光纤传输的光信号后，通过光模块进行光电转换，最终将光信号转换为设备可理解的数字信号后，数据包从网络端口进入。PHY层负责跨物理连接传输和接收比特流，包括编码、多路复用、同步、时钟恢复和线路上数据的序列化等，一旦在PHY上接收到有效的比特流，则数据将发送到MAC控制器，MAC层负责将比特流转换为帧/数据包。经过以太网收发器芯片（PHY芯片）、MAC控制器后，进入以太网交换芯片，基于MAC地址进行数据交换；三层交换机/路由器工作在网络层，能够基于IP地址进行转发与路由选择。 图3：光信号通过端口进入交换机内部通过PHY、MAC层后进行转发 交换机与其他网络设备功能各不相同。光猫：工作在物理层，通常安装在网络入口处即光纤接入点处，用于光电信号转换，主要应用在家庭网络接入场景；路由器：工作在网络层，连接不同网络，基于IP地址进行转发与路由选择；网关：通常用于连接使用不同协议的网络，能够在多个层次上进行必要的翻译和协议转换。二层交换机主要工作在数据链路层，具有网桥和集线器的功能，用于同一网络内基于MAC地址进行帧/数据包转发与过滤。 表2：交换机应用场景广泛 1.2、交换芯片为核心部件，框式、盒式交换机各司其职 以太网交换机主要由芯片、PCB、光器件、插接件、阻容器件、壳体、电源、风扇等组成，芯片包含以太网交换芯片、CPU、PHY、CPLD/FPGA等，其中以太网交换芯片和CPU是最核心部件。以太网交换芯片专为优化网络应用设计，是负责交换处理大量数据和转发报文的专用芯片，芯片内部的逻辑通路由数百个特性集合组成，以确保芯片在协同工作的同时保持较强的数据处理能力，架构实现较为复杂； CPU是用于管理登录、协议交互的控制的通用芯片；PHY负责处理物理层数据。 图4：美满12.8T芯片白盒交换机内部构成图 图5：信号在交换机中传递过程示意图 交换机的交换性能主要取决于背板带宽容量/包转发率、交换容量、端口速率和端口密度。背板带宽是衡量交换机数据吞吐能力的重要指标，其值越大说明该交换机在高负荷下数据交换的能力越强。在全双工工作模式下，当交换机的背板带宽容量≥交换容量（=端口数×端口速率×2）时，才能实现线速转发（无阻塞转发），部分高端交换机采用无背板设计则需关注包转发率。一般来说，交换机拥有的端口速率越高则代表设备的处理性能越强，适用于数据流量大的场景；拥有的端口密度越大，则代表着设备的转发能力越强，可连接设备数量更多，组网规模更大。 以太网交换机芯片是以太网交换机中用于交换处理大量数据及报文转发的专用芯片，相当于网络方面的ASIC，部分以太网交换机芯片内部会集成MAC控制器和PHY芯片。需要传输的数据包由物理端口进入以太网交换芯片后，芯片的解析器首先对数据包进行字段分析，为流分类做准备。通过安全检测的数据包进行二层交换或三层路由，流分类处理器对匹配的数据包作出相应动作，将可以转发的数据包根据802.1P或DSCP放到不同队列的buffer中，调度器根据优先级或WRR等算法进行队列调度并执行流分类修改动作，最后从端口发送该数据包。 图6：以太网交换芯片报文处理架构 典型以太网交换芯片主要由接口模块、内容处理模块、进出口数据包修改模块、MMU模块、L2处理器（查阅MAC表）、L3处理器（查阅路由表）、安全模块等模块组成，部分以太网交换机芯片内部会集成CPU、MAC控制器和PHY芯片。 图7：典型以太网交换芯片架构 图8：博通Trident 5交换芯片架构 从交换机物理形态上，可以分为框式交换机和盒式交换机。