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交換機的級聯、堆疊、集群技術解析

來源:亞博app登錄光電發布日期:2015-07-29 10:53:24點擊次數:

在多交換機的局域網環境中,交換機的級聯、堆疊和集群是3種重要的技術。級聯技術可以實現多臺交換機之間的互連;堆疊技術可以將多臺交換機組成一個單元,從而提高更大的端口密度和更高的性能;集群技術可以將相互連接的多臺交換機作為一個邏輯設備進行管理,從而大大降低了網絡管理成本,簡化管理操作。

  考慮到局域網的發展現狀,因此本文提到的局域網,如無特別指出均指10BaseT、100BaseT(F)、1000BaseT(F)的交換式以太網。
交換機級聯技術
  級聯可以定義為兩臺或兩臺以上的交換機通過一定的方式相互連接,根據需要,多臺交換機可以以多種方式進行級聯。在較大的局域網例如園區網(校園網)中,多臺交換機按照性能和用途一般形成總線型、樹型或星型的級聯結構。
  城域網是交換機級聯的極好例子,目前各地電信部門已經建成了許多市地級的寬帶IP城域網。這些寬帶城域網自上向下一般分為3個層次:核心層、匯聚層、接入層。核心層一般采用千兆以太網技術,匯聚層采用1000M/100M以太網技術,接入層采用100M/10M以太網技術,所謂"千兆到大樓,百兆到樓層,十兆到桌面"。
  這種結構的寬帶城域網實際上就是由各層次的許多臺交換機級聯而成的。核心交換機(或路由器)下連若干臺匯聚交換機,匯聚交換機下聯若干臺小區中心交換機,小區中心交換機下連若干臺樓宇交換機,樓宇交換機下連若干臺樓層(或單元)交換機(或集線器)。
  交換機間一般是通過普通用戶端口進行級聯,有些交換機則提供了專門的級聯端口(Uplink Port)。這兩種端口的區別僅僅在于普通端口符合MDI標準,而級聯端口(或稱上行口)符合MDIX標準。由此導致了兩種方式下接線方式不同:當兩臺交換機都通過普通端口級聯時,端口間電纜采用交叉電纜(Crossover Cable);當且僅當其中一臺通過級聯端口時,采用直通電纜(Straight Throurh Cable)。
  為了方便進行級聯,某些交換機上提供一個兩用端口,可以通過開關或管理軟件將其設置為MDI或MDIX方式。更進一步,某些交換機上全部或部分端口具有MDI/MDIX自校準功能,可以自動區分網線類型,進行級聯時更加方便。
  用交換機進行級聯時要注意以下幾個問題。原則上任何廠家、任何型號的以太網交換機均可相互進行級聯,但也不排除一些特殊情況下兩臺交換機無法進行級聯。交換機間級聯的層數是有一定限度的。成功實現級聯的最根本原則,就是任意兩節點之間的距離不能超過媒體段的最大跨度。多臺交換機級聯時,應保證它們都支持生成樹(Spanning-Tree)協議,既要防止網內出現環路,又要允許冗余鏈路存在。
  進行級聯時,應該盡力保證交換機間中繼鏈路具有足夠的帶寬,為此可采用全雙工技術和鏈路匯聚技術。交換機端口采用全雙工技術后,不但相應端口的吞吐量加倍,而且交換機間中繼距離大大增加,使得異地分布、距離較遠的多臺交換機級聯成為可能。鏈路匯聚也叫端口匯聚、端口捆綁、鏈路擴容組合,由IEEE802.3ad標準定義。即兩臺設備之間通過兩個以上的同種類型的端口并行連接,同時傳輸數據,以便提供更高的帶寬、更好的冗余度以及實現負載均衡。鏈路匯聚技術不但可以提供交換機間的高速連接,還可以為交換機和服務器之間的連接提供高速通道。需要注意的是,并非所有類型的交換機都支持這兩種技術。
交換機堆疊技術
  堆疊是指將一臺以上的交換機組合起來共同工作,以便在有限的空間內提供盡可能多的端口。多臺交換機經過堆疊形成一個堆疊單元。可堆疊的交換機性能指標中有一個"最大可堆疊數"的參數,它是指一個堆疊單元中所能堆疊的最大交換機數,代表一個堆疊單元中所能提供的最大端口密度。
  堆疊與級聯這兩個概念既有區別又有聯系。堆疊可以看作是級聯的一種特殊形勢。它們的不同之處在于:級聯的交換機之間可以相距很遠(在媒體許可范圍內),而一個堆疊單元內的多臺交換機之間的距離非常近,一般不超過幾米;級聯一般采用普通端口,而堆疊一般采用專用的堆疊模塊和堆疊電纜。一般來說,不同廠家、不同型號的交換機可以互相級聯,堆疊則不同,它必須在可堆疊的同類型交換機(至少應該是同一廠家的交換機)之間進行;級聯僅僅是交換機之間的簡單連接,堆疊則是將整個堆疊單元作為一臺交換機來使用,這不但意味著端口密度的增加,而且意味著系統帶寬的加寬。     
 
目前,市場上的主流交換機可以細分為可堆疊型和非堆疊型兩大類。而號稱可以堆疊的交換機中,又有虛擬堆疊和真正堆疊之分。所謂的虛擬堆疊,實際就是交換機之間的級聯。交換機并不是通過專用堆疊模塊和堆疊電纜,而是通過Fast Ethernet端口或Giga Ethernet端口進行堆疊,實際上這是一種變相的級聯。即便如此,虛擬堆疊的多臺交換機在網絡中已經可以作為一個邏輯設備進行管理,從而使網絡管理變得簡單起來。
  真正意義上的堆疊應該滿足:采用專用堆疊模塊和堆疊總線進行堆疊,不占用網絡端口;多臺交換機堆疊后,具有足夠的系統帶寬,從而保證堆疊后每個端口仍能達到線速交換;多臺交換機堆疊后,VLAN等功能不受影響。
  目前市場上有相當一部分可堆疊的交換機屬于虛擬堆疊類型而非真正堆疊類型。很顯然,真正意義上的堆疊比虛擬堆疊在性能上要高出許多,但采用虛擬堆疊至少有兩個好處:虛擬堆疊往往采用標準Fast Ethernet或Giga Ethernet作為堆疊總線,易于實現,成本較低;堆疊端口可以作為普通端口使用,有利于保護用戶投資。采用標準Fast Ethernet或Giga Ethernet端口實現虛擬堆疊,可以大大延伸堆疊的范圍,使得堆疊不再局限于一個機柜之內。
  堆疊可以大大提高交換機端口密度和性能。堆疊單元具有足以匹敵大型機架式交換機的端口密度和性能,而投資卻比機架式交換機便宜得多,實現起來也靈活得多。這就是堆疊的優勢所在。
  機架式交換機可以說是堆疊發展到更高階段的產物。機架式交換機一般屬于部門以上級別的交換機,它有多個插槽,端口密度大,支持多種網絡類型,擴展性較好,處理能力強,但價格昂貴。
交換機集群技術
  所謂集群,就是將多臺互相連接(級聯或堆疊)的交換機作為一臺邏輯設備進行管理。集群中,一般只有一臺起管理作用的交換機,稱為命令交換機,它可以管理若干臺其他交換機。在網絡中,這些交換機只需要占用一個IP地址(僅命令交換機需要),節約了寶貴的IP地址。在命令交換機統一管理下,集群中多臺交換機協同工作,大大降低管理強度。例如,管理員只需要通過命令交換機就可以對集群中所有交換機進行版本升級。
  集群技術給網絡管理工作帶來的好處是毋庸置疑的。但要使用這項技術,應當注意到,不同廠家對集群有不同的實現方案,一般廠家都是采用專有協議實現集群的。這就決定了集群技術有其局限性。不同廠家的交換機可以級聯,但不能集群。即使同一廠家的交換機,也只有指定的型號才能實現集群。
  交換機的級聯、堆疊、集群這3種技術既有區別又有聯系。級聯和堆疊是實現集群的前提,集群是級聯和堆疊的目的;級聯和堆疊是基于硬件實現的;集群是基于軟件實現的;級聯和堆疊有時很相似(尤其是級聯和虛擬堆疊),有時則差別很大(級聯和真正的堆疊)。隨著局域網和城域網的發展,上述三種技術必將得到越來越廣泛的應用。
 
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