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交换机的级联、堆叠、集群技术解析
29 2015-07

 在多交换机的局域网环境中,交换机的级联、堆叠和集群是3种重要的技术。级联技术可以实现多台交换机之间的互连;堆叠技术可以将多台交换机组成一个单元,从而提高更大的端口密度和更高的性能;集群技术可以将相互连接的多台交换机作为一个逻辑设备进行管理,从而大大降低了网络管理成本,简化管理操作。

 
  考虑到局域网的发展现状,因此本文提到的局域网,如无特别指出均指10BaseT、100BaseT(F)、1000BaseT(F)的交换式以太网。
交换机级联技术:
  级联可以定义为两台或两台以上的交换机通过一定的方式相互连接,根据需要,多台交换机可以以多种方式进行级联。在较大的局域网例如园区网(校园网)中,多台交换机按照性能和用途一般形成总线型、树型或星型的级联结构。
  城域网是交换机级联的极好例子,目前各地电信部门已经建成了许多市地级的宽带IP城域网。这些宽带城域网自上向下一般分为3个层次:核心层、汇聚层、接入层。核心层一般采用千兆以太网技术,汇聚层采用1000M/100M以太网技术,接入层采用100M/10M以太网技术,所谓"千兆到大楼,百兆到楼层,十兆到桌面"。
  这种结构的宽带城域网实际上就是由各层次的许多台交换机级联而成的。核心交换机(或路由器)下连若干台汇聚交换机,汇聚交换机下联若干台小区中心交换机,小区中心交换机下连若干台楼宇交换机,楼宇交换机下连若干台楼层(或单元)交换机(或集线器)。
  交换机间一般是通过普通用户端口进行级联,有些交换机则提供了专门的级联端口(Uplink Port)。这两种端口的区别仅仅在于普通端口符合MDI标准,而级联端口(或称上行口)符合MDIX标准。由此导致了两种方式下接线方式不同:当两台交换机都通过普通端口级联时,端口间电缆采用交叉电缆(Crossover Cable);当且仅当其中一台通过级联端口时,采用直通电缆(Straight Throurh Cable)。
  为了方便进行级联,某些交换机上提供一个两用端口,可以通过开关或管理软件将其设置为MDI或MDIX方式。更进一步,某些交换机上全部或部分端口具有MDI/MDIX自校准功能,可以自动区分网线类型,进行级联时更加方便。
  用交换机进行级联时要注意以下几个问题。原则上任何厂家、任何型号的以太网交换机均可相互进行级联,但也不排除一些特殊情况下两台交换机无法进行级联。交换机间级联的层数是有一定限度的。成功实现级联的最根本原则,就是任意两节点之间的距离不能超过媒体段的最大跨度。多台交换机级联时,应保证它们都支持生成树(Spanning-Tree)协议,既要防止网内出现环路,又要允许冗余链路存在。
  进行级联时,应该尽力保证交换机间中继链路具有足够的带宽,为此可采用全双工技术和链路汇聚技术。交换机端口采用全双工技术后,不但相应端口的吞吐量加倍,而且交换机间中继距离大大增加,使得异地分布、距离较远的多台交换机级联成为可能。链路汇聚也叫端口汇聚、端口捆绑、链路扩容组合,由IEEE802.3ad标准定义。即两台设备之间通过两个以上的同种类型的端口并行连接,同时传输数据,以便提供更高的带宽、更好的冗余度以及实现负载均衡。链路汇聚技术不但可以提供交换机间的高速连接,还可以为交换机和服务器之间的连接提供高速通道。需要注意的是,并非所有类型的交换机都支持这两种技术。
交换机堆叠技术:
  堆叠是指将一台以上的交换机组合起来共同工作,以便在有限的空间内提供尽可能多的端口。多台交换机经过堆叠形成一个堆叠单元。可堆叠的交换机性能指标中有一个"最大可堆叠数"的参数,它是指一个堆叠单元中所能堆叠的最大交换机数,代表一个堆叠单元中所能提供的最大端口密度。
  堆叠与级联这两个概念既有区别又有联系。堆叠可以看作是级联的一种特殊形势。它们的不同之处在于:级联的交换机之间可以相距很远(在媒体许可范围内),而一个堆叠单元内的多台交换机之间的距离非常近,一般不超过几米;级联一般采用普通端口,而堆叠一般采用专用的堆叠模块和堆叠电缆。一般来说,不同厂家、不同型号的交换机可以互相级联,堆叠则不同,它必须在可堆叠的同类型交换机(至少应该是同一厂家的交换机)之间进行;级联仅仅是交换机之间的简单连接,堆叠则是将整个堆叠单元作为一台交换机来使用,这不但意味着端口密度的增加,而且意味着系统带宽的加宽。     
 
目前,市场上的主流交换机可以细分为可堆叠型和非堆叠型两大类。而号称可以堆叠的交换机中,又有虚拟堆叠和真正堆叠之分。所谓的虚拟堆叠,实际就是交换机之间的级联。交换机并不是通过专用堆叠模块和堆叠电缆,而是通过Fast Ethernet端口或Giga Ethernet端口进行堆叠,实际上这是一种变相的级联。即便如此,虚拟堆叠的多台交换机在网络中已经可以作为一个逻辑设备进行管理,从而使网络管理变得简单起来。
  真正意义上的堆叠应该满足:采用专用堆叠模块和堆叠总线进行堆叠,不占用网络端口;多台交换机堆叠后,具有足够的系统带宽,从而保证堆叠后每个端口仍能达到线速交换;多台交换机堆叠后,VLAN等功能不受影响。
  目前市场上有相当一部分可堆叠的交换机属于虚拟堆叠类型而非真正堆叠类型。很显然,真正意义上的堆叠比虚拟堆叠在性能上要高出许多,但采用虚拟堆叠至少有两个好处:虚拟堆叠往往采用标准Fast Ethernet或Giga Ethernet作为堆叠总线,易于实现,成本较低;堆叠端口可以作为普通端口使用,有利于保护用户投资。采用标准Fast Ethernet或Giga Ethernet端口实现虚拟堆叠,可以大大延伸堆叠的范围,使得堆叠不再局限于一个机柜之内。
  堆叠可以大大提高交换机端口密度和性能。堆叠单元具有足以匹敌大型机架式交换机的端口密度和性能,而投资却比机架式交换机便宜得多,实现起来也灵活得多。这就是堆叠的优势所在。
  机架式交换机可以说是堆叠发展到更高阶段的产物。机架式交换机一般属于部门以上级别的交换机,它有多个插槽,端口密度大,支持多种网络类型,扩展性较好,处理能力强,但价格昂贵。
交换机集群技术:
  所谓集群,就是将多台互相连接(级联或堆叠)的交换机作为一台逻辑设备进行管理。集群中,一般只有一台起管理作用的交换机,称为命令交换机,它可以管理若干台其他交换机。在网络中,这些交换机只需要占用一个IP地址(仅命令交换机需要),节约了宝贵的IP地址。在命令交换机统一管理下,集群中多台交换机协同工作,大大降低管理强度。例如,管理员只需要通过命令交换机就可以对集群中所有交换机进行版本升级。
  集群技术给网络管理工作带来的好处是毋庸置疑的。但要使用这项技术,应当注意到,不同厂家对集群有不同的实现方案,一般厂家都是采用专有协议实现集群的。这就决定了集群技术有其局限性。不同厂家的交换机可以级联,但不能集群。即使同一厂家的交换机,也只有指定的型号才能实现集群。
  交换机的级联、堆叠、集群这3种技术既有区别又有联系。级联和堆叠是实现集群的前提,集群是级联和堆叠的目的;级联和堆叠是基于硬件实现的;集群是基于软件实现的;级联和堆叠有时很相似(尤其是级联和虚拟堆叠),有时则差别很大(级联和真正的堆叠)。随着局域网和城域网的发展,上述三种技术必将得到越来越广泛的应用。
 

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