“量網裁機”

2019-11-03 10:16:07

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供稿：網友

于春雷

　　邊緣千兆以太網交換機的主要作用是，利用千兆以太網模塊保證主干速率為1000M的同時，實現下級100M到桌面，使用戶得到更大的帶寬。由于它具有價格較低，需求量大，可以應用于各種層次等優點，已經得到了各方面用戶的認同。因而，該款產品的市場品牌眾多，無疑增加了用戶的選購難度。那么，如何做到——“量網裁機”

　　技術的日趨完善使以太網占領了局域網領域，帶寬需求的迅速增長推動以太網向千兆、萬兆發展，目前，以千兆交換機為網絡核心的構架日益獲得廣泛應用。千兆以太網交換機作為整個網絡的中樞神經，其重要性早已為人所熟知。而邊緣千兆以太網交換機的應用是替換現有網絡上的交換機，以實現網絡升級。它主要的作用是利用千兆位以太網模塊，上連主干，保證主干速率為1000M的同時，實現下級100M到桌面，使用戶得到更大的帶寬。典型拓撲結構如圖所示。市場方面，隨著國產網絡廠商技術的不斷進步，邊緣千兆交換機的價格也飛速下降。由于它具有價格較低，需求量大，可以應用于各種層次等優點，已經得到了各方面用戶的認同。因而，該款產品的市場品牌眾多，無疑增加了用戶的選購難度。本文將幫助用戶了解邊緣千兆以太網交換機的注意事項，進而提供一些選購參考。

　　選購原則

　　邊緣千兆以太網交換機種類繁多，價格、功能、性能各異，用戶如何做到“量網裁機”，以避免不必要的浪費或失誤，是用戶選購適合產品的原則。

　　首先需要明確的是，應該盡量選用吞吐量達到線速或接近線速的交換機產品，延遲也要盡量低，處理數據包的響應能力要好。雖然在一般環境下網絡負載都達不到交換機的工作承載極限，但網絡的實際應用環境極為復雜，一些很難預測的大規模數據包很可能“不期而至”，因此選擇擁有足夠處理能力的交換機產品才不會“手忙腳亂”。

　　其次要考慮交換機的兼容性和擴展性。大多數網絡都是由百兆向千兆升級，因此，為了盡可能保護從前的投資，設備的兼容性和擴展性都非常重要。而交換機的擴展性最大的體現就是交換機的擴展模塊了。例如模塊化交換機可以提供一系列擴展模塊，如千兆以太網模塊，FDDI模塊，ATM模塊，令牌環模塊等等，當然它的價格也比較昂貴。

　　再次要考慮交換端口的數量和容錯性。端口數量是最直觀的衡量因素，常見的交換機端口數有8、12、16、24、48等幾種。從應用上說，24口交換機較8口和16口的產品有更大的擴展余地，對企業進一步擴充網絡有利。而容錯性對于關鍵部門的應用是絕對必要的，像金融證券等行業對容錯性的要求就很高。而相對來講，教育行業對容錯性的要求就不是十分嚴格。因此，金融部門盡量選擇一些網絡處理能力強的、容錯性好的設備，而教育行業常有突發的大數據量多媒體等應用，可以選擇一些高帶寬、高擴展性的交換設備。

　　當然，還要考慮交換機的管理能力，其中包括網管功能和后臺維護管理系統。一臺交換機管理系統的優良對其設置和以后使用都會帶來直接影響。如大型企業具有跨地域、跨行業、多層次和全方位等特點，業務內容覆蓋面廣，網絡數據傳輸量大，數據交換能力強，首先要滿足企業內部通信的需要，建立網絡平臺，并且要求網絡系統不宕機，穩定可靠，不間斷運行。因而對交換機的可管理性、高可靠性要求很高。

　　總之，在選購邊緣千兆以太網交換機時，要根據實際網絡需要綜合考慮各種因素。

　　產品參數

　　上面講述了選購交換機的原則，下面我們要了解一下各項參數對交換機的影響。

　　交換方式

　　首先應該了解一下交換機的交換方式。交換機的交換方式大致有直通式（Cut Through）、存儲轉發（Store ＆ Forward）、碎片隔離（Fragment Free）三種。邊緣交換機也同樣支持以上三種交換方式，而最常使用的為直通式和儲存轉發式。碎片隔離是有些交換機不支持的。

　　直通方式的以太網絡交換機可以理解為在各端口間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機。其優點是不需要存儲，延遲（Latency）非常小、交換非常快。它的缺點是因為數據包的內容并沒有被以太網交換機保存下來，所以無法檢查所傳送的數據包是否有誤，不能提供錯誤檢測能力，由于沒有緩存，不能將具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通，而且，當以太網絡交換機的端口增加時，交換矩陣變得越來越復雜，實現起來相當困難。

　　存儲轉發方式是計算機網絡領域應用最為廣泛的方式，它把輸入端口的數據包先存儲起來，然后進行CRC檢查，在對錯誤包處理后才取出數據包的目的地址，通過查找表轉換成輸出端口送出包。優點是它可以對進入交換機的數據包進行錯誤檢測，尤其重要的是，它可以支持不同速度的輸入輸出端口間的轉換，保持高速端口與低速端口間的協同工作。缺點是存儲轉發方式在數據處理時延時大。用戶可以根據自己的實際情況進行靈活選擇。

　　擴展性

　　交換機的擴展性表現在端口數、擴展槽數和最大堆疊數等方面。端口數是交換機的一個直接表象。其端口數越大，對交換機的背板帶寬要求就大，而生產的技術難度也就越大。現在市面上常見的邊緣千兆交換機主要集中在24口上。擴展槽數對交換機的擴展性顯而易見，其支持的擴展槽數越多，交換機的擴展性能也就越高。交換機的堆疊是靠一個提供背板總線帶寬的多口堆疊母模塊與單口的堆疊子模塊相連實現的，并插入不同的交換機實現交換機的堆疊。上聯交換機可以通過上聯端口實現與骨干交換機的連接。例如，一臺具有24個10M/100M端口的千兆以太網邊緣交換機，就可以通過1000M端口與1000M主干交換機實現1000M速率的連接交換機。

　　此外，交換機的底座類型也是影響交換機的擴展的一個因素。目前，市場上的交換機按設計理念分為三種：固定式、模塊式、混合式。固定配置交換機一般具有固定端口的配置，如Cisco的Catalyst 1900/ 2900交換機，3Com的SuperStack Ⅱ系列等交換機。固定配置交換機的可擴充性顯然不如模塊式交換機，但是成本卻要低得多。模塊化交換機最大的特色就是具有很強的可擴展性，所以能夠將具有不同協議、不同拓撲結構的網絡連接起來，它最大的缺點就是價格昂貴，一般作為骨干交換機來使用。而混合式為以上兩種的綜合，既增加了靈活性，又節省了一部分成本。所以在選擇交換機時應按照需要和經費來綜合考慮到底購買哪種類型的交換機。一般來說，大型網絡的中心交換機應考慮其擴充性和冗余性，適合采用機箱式交換機；而二級交換機或者中小型網絡的主干則可采用簡單明了的獨立式交換機，即千兆邊緣以太網交換機。

　　兼容性

　　兼容性方面，要考慮二層與三層交換。現在市場上的主流邊緣交換機都是具有不完善的三層功能的以太網交換機。局域網交換機是工作在OSI第二層的（數據鏈路層），可以理解為一個多端口網橋，因此傳統上稱為第二層交換。目前，交換技術已經延伸到OSI第三層的部分功能，即所謂第三層交換，三層交換可以不將廣播封包擴散，直接利用動態建立的MAC地址來通信，具有多路廣播和虛擬網間基于ip、IPX等協議的路由功能，使得高速下的線性路由和服務質量都有了可靠的保證。

　　而作為二層交換機，無疑就會面對廣播風暴，針對其缺點，出現了VLAN技術。一個VLAN就是一個獨立的廣播域，可以有效地防止廣播風暴，因此配置十分靈活。VLAN技術使得一組網絡設備，不管它們是處于同一物理網段，還是分布在不同的地點，都能像連接在同一網段上一樣進行通信。802.1Q就是VLAN的標準。不同廠商的設備只要支持802.1Q標準，就可以互聯，可以進行VLAN的劃分，解決了兼容性問題。現在已經把一臺交換機是否支持VLAN作為衡量一臺交換機性能好壞的一個很重要的參數。

　　可靠性

　　在安全、可靠性能上有眾多參數。可靠性方面就要談到交換機設備是否支持熱插拔、設備的冗余備份、散熱能力和設備的故障恢復時間等。熱插拔技術是指關于關鍵模塊是否支持熱插拔，例如千兆模塊、電源等。因為金融證券行業對穩定性和響應時間要求比較高，該行業涉及的數據較敏感，所以要求有鏈路冗余。

　　典型以太網拓撲結構圖

　　生成樹協議（Spanning Tree PRotocol）是交換機的一項冗余措施。能夠提供路徑冗余，即使網絡中有多條有效路徑會引起不正常的環路，導致網絡不正常時。使用STP可以使兩個終端中只有一條有效路徑。一些最新的技術，例如FEC（Fast Ethernet Channel）、ALB（Advanced Load Balancing）和Port Trunking 技術則可以允許每條冗余連接鏈路實現負載分擔。其中FEC和ALB技術是用來實現交換機與服務器之間的連接（Server to Switch），而Port Trunking技術則是實現交換機之間的連接（Switch to Switch）。

　　其他功能特性

　　除了以上介紹的參數外，還有其他重要功能特性對交換機也有影響，如端口速率，它已經從10M、100M提高到現在的1000M。由于10/100兆自適應網卡的價格大幅降低，使用戶能夠在桌面上享受到快速以太網帶寬，進而越來越多的用戶在主干上將使用千兆以太網交換技術。1000M核心交換機一般應用在大型網絡的骨干網中，與ATM一樣，為用戶提供高速的主干帶寬。而1000M邊緣交換機將在中小型網絡的主干中發揮作用，或者在大型網絡中扮演二級交換機的角色。對于100M交換機和1000M邊緣交換機來說，還有一種常見的參數是速率的自協商，即交換機的端口速率可以與網卡匹配，決定是以10M速率還是以100M速率連接。而在千兆端口上可以與上級主干交換機或服務器進行自協商。具備自協商功能的邊緣交換機能夠主動與所連設備進行調節，達到最佳工作狀態。

　　背板帶寬

　　背板帶寬也是選購交換機時需要注意的參數，它將為交換機在高負荷下提供高速交換。背板帶寬也稱背板吞吐量，是交換機接口處理器或接口卡和數據總線間所能吞吐的最大數據量。一般來說，一臺交換機的背板帶寬越高，所能處理數據的能力就越強，但同時設計成本也會上升。背板帶寬資源的利用率是與交換機的內部結構息息相關的。目前交換機采用的內部結構主要有以下幾種：一是共享內存結構。這種方法需要很大的內存帶寬,很高的管理費用。尤其是隨著交換機端口的增加,由于需要內存容量更大，速度也更快,中央內存的價格變得很高，交換機內核成為性能實現的瓶頸。因此，目前共享內存結構不是最合理地利用背板帶寬資源的內部結構。二是交叉總線結構。這種結構對于單點傳輸來講性能很好,但并不適合點對多點傳輸。三是混合交叉總線結構。其優點是減少了交叉總線數，降低了成本,還減少了總線爭用，但連接交叉矩陣的總線成為新的性能瓶頸。一般百兆交換機的背板帶寬已經達到4.8GB，而邊緣千兆交換機根據其所附加千兆模塊不同，背板帶寬也不同，一般附有兩個千兆模塊的邊緣千兆以太網交換機的背板帶寬是9.6GB。

　　背板帶寬對交換機中的具體參數的影響就是吞吐量，它是指設備所有端口同時收發數據的能力的總和，也就是交換機的處理數據的能力的體現。

　　組播控制

　　隨著VR 、3D等多媒體和VOD等廣播業務/實時業務的開展，就需要能夠支持QoS功能的交換機，即IP路由交換機。但是對于不具備完善三層功能的邊緣千兆以太網交換機而言，就要具有組播控制功能（IGMP Snooping）。一般交換對IP的多播數據同廣播數據一樣處理，他們將這些數據轉發往所有的其他交換機端口，而不管它們是否需要。IGMP 是路由器和它所連接的主機之間相互交換IP組信息的協議，有了IGMP Snooping功能，交換機就能偵測經過它的IGMP報文，從中學習IP組的信息。攔截IGMP Router 和IGMP Host 發送IGMP幀，并設置交換模塊的組播幀的轉發機制，使得從Router傳送下來的組播幀，僅轉發給需要的端口，此項功能減少了不必要的網絡帶寬的浪費，從而可以進一步提高網絡的帶寬。

　　因此了解交換機參數不僅是必要的，更有助于您更好地作出選擇。

摘自《中國計算機報》

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