局域網：比較以太網堆疊與級連應用

2019-11-05 03:05:16

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供稿：網友

　　隨著信息通信業的發展以及國民經濟信息化的推進，以太網交換機市場呈穩步上升態勢。有專家估計，在今后１～３年的時間里，我國以太網交換機的市場需求會大幅增長，市場規模將超過路由器，成為ＩＴ行業發展最快的領域之一。國外網絡市場的疲軟以及中國市場的迅速擴展使得市場競爭日益激烈，而系列化將是取勝的要害。
　　
　　　　隨著以太網技術在局域網構建中的迅速普及，以太網平臺已經成為局域網組建中的主流技術平臺，以太網交換機產品正在迅速進入各個領域。現在進行微機互聯的單位越來越多，如何組建一個經濟、實用的局域網成為了一熱門話題。然而，沒有任何一種固定端口的以太網交換機產品能夠百分之百保證滿足工作組隨時隨地可能出現的對以太網端口的擴展要求。因此，端口擴展技術成為工作組用戶網絡設計、規劃的重要話題。
　　
　　　　所有的局域網工作組用戶總是抱著分段投資、平滑擴展的思想來設計他們的接入設備，插槽結構模塊化產品的擴展能力雖好，但是價格卻難以接受，同時不支持拆分使用使其與固定端口產品相比顯得靈活性不夠。因此，使用固定端口產品通過相應的擴展技術達到擴展工作組端口和簡化治理的方式得到了廣泛的認可。
　　
　　　　目前廣泛使用的端口擴展方式包括級連擴展和堆疊技術擴展。
　　
　　級連擴展
　　
　　　級連擴展模式是最常規，最直接的一種擴展方式，一些構建較早的網絡，都使用了集線器（HUB）作為級連的設備。因為當時集線器已經相當昂貴了，多數企業不可能選擇交換機作為級連設備。那是因為大多數工作組用戶接入的要求，一般就是從集線器上一個端口級連到集線架上。在這種方式下，接入能力是得到了很大的提高，但是由于一些干擾和人為因素，使得整體性能十分低下，只單純地滿足了多端口的需要，根本無暇考慮轉發交換功能。現在的級連擴展模式綜合考慮到不同交換機的轉發性能和端口屬性，通過一定的拓撲結構設計，可以方便地實現多用戶接入。級連模式的典型結構如圖一所示。
　　　

　　　　級連模式是組建大型LAN最理想的方式，可以綜合利用各種拓撲設計技術和冗余技術，實現層次化網絡結構，如通過雙歸等拓撲結構設計冗余，通過Link Aggregation技術實現冗余和Up Link的帶寬擴展，這些技術現在已經非常成熟，廣泛使用在各種局域網和城域網中。
　　
　　　　級連模式使用通用的以太網端口進行層次間互聯，如100M FE端口、GE端口以及新興的10GE端口。
　　
　　　　級連模式是以太網擴展端口應用中的主流技術。它通過使用統一的網管平臺實現對全網設備的統一治理，如拓撲治理和故障治理等等。級連模式也面臨著挑戰，當級連層數較多，同時層與層之間存在較大的收斂比時，邊緣節點之間由于經歷了較多的交換和緩存，將出現一定的時延。解決方法是匯聚上行端口來減小收斂比，提高上端設備性能或者減少級連的層次。在級連模式下，為了保證網絡的效率，一般建議層數不要超過四層。假如網絡邊緣節點存在通過廣播式以太網設備如HUB擴展的端口，由于其為直通工作模式，不存在交換，不納入層次結構中，但需要注重的是，HUB工作的CSMA/CD機制中，因沖突而產生的回送可能導致的網絡性能影響將遠遠大于交換機級連所產生的影響。
　　
　　　　級連模式是組建結構化網絡的必然選擇，級連使用通用電纜（光纖），各個組件可以放在任意位置，非常有利于綜合布線。
　　
　　堆疊技術擴展
　　
　　　　堆疊技術是目前在以太網交換機上擴展端口使用較多的另一類技術，是一種非標準化技術。各個廠商之間不支持混合堆疊，堆疊模式為各廠商制定，不支持拓撲結構。目前流行的堆疊模式主要有兩種：菊花鏈模式和星型模式。堆疊技術的最大的優點就是提供簡化的本地治理，將一組交換機作為一個對象來治理。
　　
　　菊花鏈式堆疊
　　　

　　　　菊花鏈式堆疊是一種基于級連結構的堆疊技術，對交換機硬件上沒有非凡的要求，通過相對高速的端口串接和軟件的支持，最終實現構建一個多交換機的層疊結構，通過環路，可以在一定程度上實現冗余。但是，就交換效率來說，同級連模式處于同一層次。菊花鏈式堆疊通常有使用一個高速端口和兩個高速端口的模式，兩者的結構見圖二所示。使用一個高速端口（GE）的模式下，在同一個端口收發分別上行和下行，最終形成一個環形結構，任何兩臺成員交換機之間的數據交換都需繞環一周，經過所有交換機的交換端口，效率較低，尤其是在堆疊層數較多時，堆疊端口會成為嚴重的系統瓶頸。使用兩個高速端口實施菊花鏈式堆疊，由于占用更多的高速端口，可以選擇實現環形的冗余。菊花鏈式堆疊模式與級連模式相比，不存在拓撲治理，一般不能進行分布式布置，適用于高密度端口需求的單節點機構，可以使用在網絡的邊緣。
　　
　　　　菊花鏈式結構由于需要排除環路所帶來的廣播風暴，在正常情況下，任何時刻，環路中的某一從交換機到達主交換機只能通過一個高速端口進行（即一個高速端口不能分擔本交換機的上行數據壓力），需要通過所有上游交換機來進行交換（見圖三）。
　　　

　　　　菊花鏈式堆疊是一類簡化的堆疊技術，主要是一種提供集中治理的擴展端口技術，對于多交換機之間的轉發效率并沒有提升（單端口方式下效率將遠低于級連模式），需要硬件提供更多的高速端口，同時軟件實現UP LINK的冗余。菊花鏈式堆疊的層數一般不應超過四層，要求所有的堆疊組成員擺放的位置足夠近（一般在同一個機架之上）。
　　
　　　　星型堆疊技術是一種高級堆疊技術，對交換機而言，需要提供一個獨立的或者集成的高速交換中心（堆疊中心），所有的堆疊主機通過專用的（也可以是通用的高速端口）高速堆疊端口上行到統一的堆疊中心，堆疊中心一般是一個基于專用ASIC的硬件交換單元，根據其交換容量，帶寬一般在10－32G之間，其ASIC交換容量限制了堆疊的層數（見圖四）。
　　　

　　星型堆疊
　　
　　　　星型堆疊技術使所有的堆疊組成員交換機到達堆疊中心Matrix的級數縮小到一級，任何兩個端節點之間的轉發需要且只需要經過三次交換，轉發效率與一級級連模式的邊緣節點通信結構相同，因此，與菊花鏈式結構相比，它可以顯著地提高堆疊成員之間數據的轉發速率，同時，提供統一的治理模式，一組交換機在網絡治理中，可以作為單一的節點出現。
　　
　　　　星型堆疊模式適用于要求高效率高密度端口的單節點LAN，星型堆疊模式克服了菊花鏈式堆疊模式多層次轉發時的高時延影響，但需要提供高帶寬Matrix，成本較高，而且Matrix接口一般不具有通用性，無論是堆疊中心還是成員交換機的堆疊端口都不能用來連接其他網絡設備。使用高可靠、高性能的Matrix芯片是星型堆疊的要害。一般的堆疊電纜帶寬都在2G-2.5G之間（雙向），比通用GE略高。高出的部分通常只用于成員治理，所以有效數據帶寬基本與GE類似。但由于涉及到專用總線技術，電纜長度一般不能超過2m，所以，星型堆疊模式下，所有的交換機需要局限在一個機架之內。
　　
　　　　可見，傳統的堆疊技術是一種集中治理的端口擴展技術，不能提供拓撲治理，沒有國際標準，且兼容性較差。但是，在需要大量端口的單節點LAN，星型堆疊可以提供比較優秀的轉發性能和方便的治理特性。級連是組建網絡的基礎，可以靈活利用各種拓撲、冗余技術，在層次太多的時候，需要進行精心的設計。對于級連層次很少的網絡，級連方式可以提供最優性能。例如，在需要擴展為兩倍端口的網點，使用星型堆疊邊緣之間需要交換三次，級連模式和菊花鏈式堆疊需要交換兩次，星型堆疊模式需要更大的投資，菊花鏈式堆疊模式需要占用更多的高速端口，普通級連成為最經濟和高效的組建方式。另外，還可以利用從前已有的交換設備，不需重復投資，但是，這兩臺設備需單獨治理（見圖五）。
　　

　　　　傳統的堆疊技術應用往往受限于地理位置的限制，往往需要放置在同一個機架，在高密度端口應用時，會給布線帶來困難。所以各大廠商紛紛積極尋求支持分布式堆疊技術。目前，華為公司Quidway S系列以太網交換機產品、Cisco系列以太網交換產品均提供集群治理模式。Quidway S系列以太網交換機采用華為統一的ＶＲＰ操作系統和統一的iManager網管系統。該網管系統支持中文界面，采用標準協議和開放技術，全面兼容主流網管平臺。Quidway S系列以太網交換機在華為二層交換全線速、三層交換全線速、業務交換全線速和QoS服務全線速“四個全線速”的設計思想指導下，充分利用產品開發的后發優勢，在產品的系統設計、擴展能力以及提供豐富的業務特性方面滿足寬帶城域網絡和企業網絡的需求，能為客戶提供更加高效、安全、易于擴展的客戶化解決方案。
　　
　　　　以華為公司產品（HGMP）為例，通過集群治理模式的支持，可以在使用Quidway系列交換機通過通用級連模式構建的網絡上實現集中的配置和治理，一個LAN可以加入成為一個組，對于網管系統，一個組可以表現為同一臺設備，使用一個ip地址進行治理，相當于甚至優于從前堆疊組的治理效果。然而作為通用性的集中表現，組成員交換機在組內可以實現拓撲設計以及成員的分布式放置，而且堆疊端口可以任選設備支持的通用端口或者使用端口的匯聚，使得用戶可以獲得靈活控制交換網絡堆疊帶寬的能力，從而達到更高的靈活性要求。
　　
　　　　對于不同的環境，選用不同的端口擴展模式的效果是不一致的。在當前情況下，普通的級連模式還是解決層次化網絡的主要的應用手段，星型堆疊模式是提供單節點端口擴展的簡單治理模式，而通過集群治理實現的分布式堆疊將是下一代堆疊的主要方式。

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