漫談局域網交換機

2019-11-05 03:06:53

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　　一、局域網交換機的內部結構
　　局域網交換機卓越的性能表現，來源于其內部獨特的技術結構。而不同的交換模式或不同的交換類型，也跟局域網交換機內部結構密不可分。所以說，了解了局域網交換機的內部結構，就等于了解了局域網交換機的技術特點和工作原理。目前局域網交換機采用的內部技術結構主要有以下幾種。
　　
　　1．共享內存式結構
　　
　　該結構依靠于中心局域網交換機引擎所提供的全端口的高性能連接，并由核心引擎完成檢查每個輸入包來決定連接路由。這種方式需要很大的內存帶寬和很高的治理費用，尤其是隨著局域網交換機端口的增加，需要內存容量更大，速度也更快，中心內存的價格就變得很高，從而使得局域網交換機內存成為性能實現的主要瓶頸。
　　
　　2．交叉總線式結構
　　
　　交叉總線式結構可在端口間建立直接的點對點連接，這種結構對于簡單的單點式（Unicast）信息傳輸來講性能很好，但并不適合點對多點的廣播式傳輸。由于實際網絡應用環境中，廣播和多播傳輸方式很常見，所以這種標準的交叉總線方式會帶來一些傳輸問題。例如，當端口A向端口D傳輸數據時，端口B和端口C就只能等待。而當端口A向所有端口廣播消息時，就可能會引起目標端口的排隊等候。這樣將會消耗掉系統大量帶寬，從而影響局域網交換機傳輸性能。而且要連接N個端口，就需要N×（N+1）條交叉總線，因而實現成本也會隨著端口數量的增加而急劇上升。
　　
　　3．混合交叉總線式結構
　　
　　鑒于標準交叉總線存在的缺陷，一種混合交叉總線實現方式被提了出來。該方式的設計思路是將一體的交叉總線矩陣劃分成小的交叉矩陣，中間通過一條高性能總線連接。該結構的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。
　　
　　4．環形總線式結構
　　
　　這種結構方式在一個環內最多可支持四個交換引擎，并且答應不同速度的交換矩陣互連，以及環與環間通過交換引擎連接。由于采用環形結構，所以很輕易聚集帶寬。當端口數增加的時候，帶寬就相應增加了。與前述幾種結構不同的是，該結構方式有獨立的一條控制總線，用于搜集總線狀態、處理路由、流量控制和清理數據總線。另外，在環形總線上可以加入治理模塊，提供完整的SNMP治理特性。同時還可以根據需要選用第三層交換功能。這種結構的最大優點就是擴展能力強，實現成本低，而且有效地避免了系統擴展時造成的總線瓶頸。
　　
　　二、局域網交換機的主要技術
　　局域網交換機由于使用了虛擬線路交換方式，技術上可在各輸入、輸出端口之間互不爭用帶寬，或在不產生傳輸瓶頸的情況下，完成各端口間數據的高速傳輸，從而大大提高了網絡信息點的數據傳輸，優化了網絡系統。局域網交換機與HUB在硬件上的主要區別是多出了背板總線和交換引擎兩大部分，這說明局域網交換機的技術含量普遍較高。所以要全面了解局域網交換機，就必須清楚局域網交換機的主要技術特點。下面介紹了各類用于局域網交換機中的主要技術。
　　
　　1．可編程ASIC（特定用途集成電路）
　　
　　這是一種專門用于優化第二層交換處理的專用集成電路芯片，也是當前聯網解決方案的核心集成技術，它可將多項功能集成在同一個芯片上，使之具有設計簡單、高可靠性、低電源消耗、更高的性能和成本更低的優點。在局域網交換機上普遍采用的可編程ASIC芯片，是一種可以由廠家，甚至是用戶根據應用需要，編輯專用程度的ASIC芯片，是局域網交換機應用中的重要應用技術之一。
　　
　　2．分布式流水線
　　
　　有了分布式流水線，多個分布式轉發引擎就能快速、獨立地傳送各自的數據包。而在單個流水線中，多個ASIC芯片可同時處理多個幀。這種并發性和流水線可將轉發性能提高到一個新高度。在所有端口上實現點播（Unicast）、廣播（Broadcast）和組播（Multicast）的線速性能。所以說，分布式流水線的采用是局域網交換機交換速度提高的重要原因。
　　
　　3．動態可擴展內存
　　
　　對于先進的局域網交換產品，高性能和高品質功能往往建立在智能化的存儲器系統之上。動態可擴展內存技術可以使局域網交換機在運行過程中，根據數據流的需要動態地擴展內存容量。為此，在第三層局域網交換機模式中，已將存儲器的一部分直接與轉發引擎關聯起來，從而使其具有增加更多接口模塊的能力。這樣，包括各自的轉發引擎，存儲器也就相應地得到了擴展。同時，還可通過流水線式的ASIC處理，動態地構造緩存，增加內存的使用率，也可使系統在處理較大的突發數據流時，不會產生丟包現象。
　　
　　4．先進的隊列機制
　　
　　事實上，不管網絡設備有多么優秀的性能和品質，誰都會受到其所聯接網段上的數據擁擠所帶來的不同損害。傳統的方式是，通過一個端口的流量必須在只有一個輸出隊列的緩存中保存，不論它的優先級是多大，也必須按照先進先出的方式來處理。當隊列滿時，任何超出部分都將被丟棄。而當隊列變長時，延時也將會增加。顯然，該傳統的隊列機制使得在運行實時事務處理及多媒體應用時，往往變得非常困難。為此，許多網絡設備商都在開發先進的隊列新技術，使其可在一個以太網段上提供不同的服務級別，同時還可提供對延時和抖動的控制。先進的隊列機制可以是每端口具有不同級別的隊列機制，這種隊列機制能更好地區分不同的流量級別，以便使網絡系統能與高性能應用具有更好的匹配。像多媒體和實時數據流這樣的數據包被放進高優先級隊列中，在使用加權公平排隊算法后，就可以更頻繁地處理高優先級隊列，還不會置低優先級隊列于不顧。而且，傳統應用用戶也不會察覺到響應時間和吞吐量的變化，而那些使用緊急應用的用戶則可得到及時的響應。
　　
　　5．自動流量分類
　　
　　在網絡傳輸中，有些數據流比其它數據流更重要，第三層局域網交換機已經開始采用自動流量分類技術，使之可以用來區分不同類型和不同級別的數據流量。實踐證實，在使用自動流量分類技術后，第三層局域網交換機可以指示數據包流水線區分用戶指定的數據流，從而實現了低延時和高優先級傳輸，不僅為非凡數據流量提供了有效的控制和治理途徑，而且還避免了網絡數據流的擁塞。
　　
　　6．智能許可權控制
　　
　　眾所周知，第三層局域網交換機可以為網絡系統提供多種安全機制，如局域網交換機在使用流量分類器后，治理員就可以限制任何被識別的數據流，包括限制對服務器的訪問及排除無用的協議廣播。這就是所謂的智能許可權控制技術，該技術為網絡技術領域里的突破性進展技術-線速防火墻技術提供了技術基礎。
　　
　　7．動態流量監督
　　
　　雖然局域網交換機流量分類、優先化處理以及資源保留等先進技術，可以極大地減輕網絡治理員的治理負擔，但它們無法完成網絡流量監督。動態流量監督實際上是一個保護機制，主要監視流量和網絡擁塞情況，并對這些情況作出動態響應，以保證所有網絡元素（終端用戶和網絡本身）都能置身于治理員的控制之下，并能得到最佳運行。為了在擁塞局域網上進行優先化處理，許多第三層局域網交換機使用了IEEE 802.1p服務級別。為了避免擁塞，某些第三層局域網交換機甚至采用了更先進的技術來動態地監視輸出隊列的大小，以便及時發現一個端口是否將變得擁擠。通過控制隊列大小和擁塞，網絡可以維持對延時敏感的數據流所需的極限。
　　
　　8．向量處理技術
　　
　　向量處理技術是第三層局域網交換機技術之一，主要用來加速數據幀的處理速度。由于第三層局域網交換機體系結構不僅在第二層之上增加了第三層控制能力，而且還增加了多方位的多種向量控制，從而加強了向量處理功能。第三層局域網交換機的向量處理優點主要有：快速幀處理速度，由于局域網交換機支持基于 ASIC數據包分類、轉發和解釋技術，由軟件進行幀解碼工作被降至最低程度，與純軟件設計相比，這種方法可以獲得很高的性能；具有高度適應性的功能控制，向量處理與可編程的ASIC配合工作，從而能夠以最小的開銷支持未來新標準。如對 ipv6的支持已經是向量邏輯的一部分；增強的治理功能，多方位的向量處理還包括內置的網絡治理代理及RMON等。
　　
　　9．多RISC處理機
　　
　　在高可靠性局域網交換機中，內置一個或多個專門的高性能RISC（RedUCed Instruction Set Computer：精簡指令集計算機）處理器是絕對需要的。事實上，采用RISC處理器的幀處理機FP（Frame PRocessor）與向量邏輯的結合所提供的性能是無與倫比的。一個獨立的應用處理機AP（application Processor）可輔助FP。象FP一樣，AP也是一個高性能的RISC處理器。其中，AP控制器除了進行幀轉發以外，還有高層橋接和路由，如生成樹和OSPF協議，以及SNMP操作和HTTP操作等。所以，使用AP和FP的好處是顯而易見的，因為治理和計算方面的工作并不影響數據轉發，從而可實現高吞吐量和低延時。
　　
　　總之，通過以上技術分析，我們不難看出，高性能、安全性、易用性、可治理性、可堆疊性、服務質量及容錯性是當前局域網交換機的主要技術特點之一。隨著視頻會議、實時組播、網絡電話、程控交換及自動呼叫轉發等多媒體業務的開展，局域網交換技術將會向著高帶寬、安全性、服務質量及智能化技術方向迅猛發展。
　　
　　三、局域網交換機的基本技術指標
　　局域網交換機基本技術指標較多，這些技術指標全面反映了局域網交換機的技術性能和功能，是用戶選購產品時參考的重要數據依據需要注重的是，局域網交換機的這些技術指標所代表的意義各不相同，并非所有用戶都了解，所以全面熟悉這些技術指標，意義非常重大。 1．機架插槽數是指機架式局域網交換機所能安插的最大模塊數。
　　
　　2．擴展槽數是指固定配置式帶擴展槽局域網交換機所能安插的最大模塊數。
　　
　　3．最大可堆疊數是指可堆疊局域網交換機的堆疊單元中所能堆疊的最大局域網交換機數目。顯然，此參數也說明了一個堆疊單元中所能提供的最大端口密度與信息點連接能力。
　　
　　4．最小/最大10兆以太網端口數是指一臺局域網交換機所支持的最小/最大10兆以太網端口數量。
　　
　　5．最小/最大100兆以太網端口數是指一臺局域網交換機所支持的最小/最大100兆以太網端口數量。
　　
　　6．最小/最大1000兆以太網端口數是指一臺局域網交換機所能連接的最小/最大1000兆以太網端口數量。
　　
　　7．支持的網絡類型。一般情況下，固定配置式不帶擴展槽局域網交換機僅支持一種類型的網絡，機架式局域網交換機和固定配置式帶擴展槽局域網交換機可支持一種以上類型的網絡，如支持以太網、快速以太網、千兆以太網、ATM、令牌環及FDDI等。一臺局域網交換機所支持的網絡類型越多，其可用性、可擴展性將越強。
　　
　　8．最大ATM端口數。最大ATM端口數是指一臺ATM局域網交換機或一臺多服務多功能局域網交換機所支持的最大ATM端口數量。
　　
　　9．最大SONET端口數。SONET（同步光傳輸網絡）是一種高速同步傳輸網絡規范，最大速率可達2.5Gbit/s。一臺局域網交換機的最大SONET端口數是指這臺局域網交換機的最大下聯SONET接口數。
　　
　　10．最大FDDI端口數是指一臺FDDI局域網交換機或一臺多服務多功能局域網交換機所支持的最大FDDI端口數量。
　　
　　11．背板吞吐量也稱背板帶寬，是局域網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。一臺局域網交換機的背板帶寬越高，所能處理數據的能力就越強，但同時設計成本也將會越高。
　　
　　12．緩沖區大小。有時又叫做包緩沖區大小，是一種隊列結構，被局域網交換機用來協調不同網絡設備之間的速度匹配部件。突發數據可以存儲在緩沖區內，直到被慢速設備處理為止。緩沖區大小要適度，過大的緩沖空間會影響正常通信狀態下數據包的轉發速度（因為過大的緩沖空間需要相對多一點的尋址時間），并增加設備的成本。而過小的緩沖空間在發生擁塞時又輕易丟包出錯。所以，適當的緩沖空間加上先進的緩沖調度算法是解決緩沖問題的合理方式。因此，對于網絡主干設備，在緩沖區大小方面需要注重以下幾點。
　　
　?。?）每端口是否享有獨立的緩沖空間，而且該緩沖空間的工作狀態不會影響其它端口緩沖的狀態；
　　
　?。?）模塊或端口是否設計有獨立的輸入緩沖、獨立的輸出緩沖，或是輸入/輸出緩沖；
　　
　?。?）是否具有一系列的緩沖治理調度算法，如RED、WRED、RR/FQ及WERR/WEFQ等。
　　
　　13．最大MAC地址表大小。連接到局域網上的每個端口或設備都需要一個MAC地址，其它設備要用到此地址來定位特定的端口及更新路由表和數據結構。MAC地址有6字節長，由IEEE來分配，又叫物理地址。一個設備的MAC地址表大小反映了連接到該設備能支持的最大節點數。
　　
　　14．最大電源數。一般地，核心設備都提供有冗余電源供給，在一個電源失效后，其它電源仍可繼續供電，不影響設備的正常運轉。在接有多個電源時，要注重用多路市電供給，這樣，在一路線路失效時，其它線路仍可供電。高端局域網交換機是大型網絡的核心設備，必須確保它的可用性，因而都有電源冗余。另外，有桌型局域網交換機還提供交流電源插口和直流電源插口，用戶要關注直流電源的電壓是否符合你的要求。
　　
　　15．支持協議和標準。局域網交換機所支持的協議和標準內容，直接決定了局域網交換機的網絡適應能力。這些協議和標準一般是指由國際標準化組織所制訂的聯網規范和設備標準。
　　
　　四、局域網交換機的選購要求
　　在電子商務高速發展的今天，中小企業使用局域網交換機組建企業網絡正在成為時尚。就是普通辦公室局域網系統也在考慮交換到桌面，實現辦公室帶寬網絡化。其原因就是由于局域網交換機具有安裝簡單快速、網絡適應能力強、性能良好、可伸縮性強、治理方便和維護簡單等許多優點。然而，許多用戶在選購局域網交換機時，往往過多地依靠于系統集成商，甚至僅僅根據廠商所推薦的解決方案作為標準，或者完全根據自已的需求來要求廠商提供產品。事實上，這些都具有一定的片面性。網絡系統集成商是站在自己的位置上追求最大利益，廠商所提供的網絡解決方案往往缺少你所需要的非凡性，而完全按照每個用戶端口的價格來選購產品也是不現實的。因此，用戶只有學會選擇，才能真正獲得價廉物美的網絡產品。
　　
　　1．可伸縮性
　　
　　可伸縮性和可治理性是選擇局域網交換機的首要問題。可伸縮性好并非僅僅是產品擁有很多端口數量。因為局域網交換機應用最重要的事情之一，是確定其端口在什么情況下會出現擁塞或飽和。所以用戶需要考慮下面幾個要害的問題：內部可伸縮性在2個堆疊的局域網交換機之間，最大的可伸縮性是多少？帶寬的增長在局域網交換機沒有過載時，有多少個端口的傳輸速率可以從10Mbit/s提高到100Mbit/s？外部可伸縮性局域網交換機上連的最高速率是多少？例如，有1臺24用戶端口的可堆疊局域網交換機（注重，這里有意識地使用“用戶端口”這個術語，是因為在現實情況中，局域網交換機還有一些端口必須分配給服務器以及內部或外部連接），假設這24個端口能傳輸的流量全都是10Mbit/s，并且這臺局域網交換機上連的速率為1Gbit/s，因此，假如其中有8個端口的速率提高到100Mbit/s，就會導致上連的飽和。因為8個端口的傳輸速率達到100Mbit/s時，總流量就是800Mbit/s。而剩下的16個端口，每個端口速率為10Mbit/s，總共才160Mbit/s。這樣，24個端口流量總和為960Mbit/s，這說明這臺局域網交換機再也無法處理快速以太網連接了，否則就會出現擁塞。假如局域網交換機上連的速率為2Gbit/s，則它最多只能處理19個快速以太網端口，否則就會發生擁塞。所以，選擇局域網交換機的可伸縮性，直接決定了局域網各信息點傳輸速率的升級能力。
　　
　　2．可治理性
　　
　　研究證實，與所有網絡設備一樣，局域網交換機在運行和治理方面所付出的代價同樣遠遠超過購買成本?；谶@方面考慮，可治理性已經開始成為評定局域網交換機的另一個要害因素。一般來講，局域網交換機本身就具有一定的可治理性能，至于可堆疊式局域網交換機還具有可以把幾個所堆疊的局域網交換機作為1臺局域網交換機來治理的優點，而不需要對每一臺局域網交換機分別進行治理和監視。需要注重的是，在可治理內容中包括了處理具有優先權流量的服務質量（QoS）、增強策略治理的能力、治理虛擬局域網流量的能力，以及配置和操作的難易程度。其中QoS性能主要表現在保留所需要的帶寬，從而支持不同服務級別的需求。可治理性還涉及到設備對策略的支持，策略是一組規則，它控制局域網交換機工作。網絡治理員采用策略分配帶寬，并對每個應用流量和控制網絡訪問指定優先級。其重點是帶寬治理策略，且必須滿足服務級別協議SLA（Service-Level Agreement）。分布式策略是堆成組疊局域網交換機的重要內容，因為一次配置1臺局域網交換機是非常麻煩的，而且還輕易產生一些潛在的錯誤。當采取一種新策略時，可能會導致需要迅速改變許多局域網交換機配置。因此，應該檢查可堆疊局域網交換機是否支持目錄網絡或輕載目錄訪問協議（LDAP），以提高局域網交換機的可治理性。
　　
　　3．端口帶寬及類型選擇
　　
　　選擇什么類型的局域網交換機，用戶首先應根據自己組網帶寬需要，再從局域網交換機端口帶寬設計方面來考慮。從端口帶寬的配置看，目前市場上有n×10Mbit/s+m×100Mbit/s低快速端口專用型、n×10M/100Mbit/s端口自適應型、n×1000Mbit/s+m×100Mbit/s高速端口專用型三種。第一種配置n×10Mbit/s+m×100Mbit/s低快速端口專用型，一般可完成骨干跑100Mbit/s全雙工，分支跑10Mbit/s的數據。從技術角度上看，這類配置的局域網交換機嚴格限制了網絡的升級，用戶無法實現高速多媒體網絡，因此國內外廠商已基本停止生產這種產品；第二種配置n×10M/100Mbit/s端口自適應型，是目前市場上的主流產品，因為它們有自動協商功能AN（Auto Negotiation），能夠檢測出其下聯設備的帶寬是10Mbit/s還是100Mbit/s，是全雙工還是半雙工。當網卡與局域網交換機相聯時，假如網卡支持全雙工，這條鏈路可以收、發各占100Mbit/s的帶寬，實現200Mbit/s的帶寬，同樣的情況也可能出現在局域網交換機到局域網交換機的連接中，應用環境非常寬輕；第三種配置n×1000Mbit/s+m×100Mbit/s高速端口專用型，與第一類局域網交換機配置方式相似，所不同的是不僅帶寬要多幾個數量級，而端口類型也完全不同。即采用這種配置方案的局域網交換機，是當前高速網絡和光纖網絡接入方案中的重要設備，可徹底解決網絡服務器之間的瓶頸問題，但成本要遠遠高于前兩類產品。
　　
　　4． VLAN的選擇
　　
　　VLAN技術主要是用來治理虛擬局域網用戶在局域網交換機之間的流量，現在大多數局域網交換機都支持IEEE 802.1Q附加協議定義的VLAN標準，從而利用局域網交換機端口、MAC地址及第3 層協議和策略來支持VLAN的實現。局域網交換機的VLAN功能可以用于廣播控制、組分區和簡化主機治理，其最大特點是在物理上連接在同一臺局域網交換機上的所有主機和終端設備，可以根據用戶應用的需要將其分為多個邏輯局域網，相同邏輯局域網上的主機可以相互交換數據，而不同邏輯局域網上主機則無法相互訪問，且不同邏輯局域網可以共同擁有同一個物理服務器，從而可幫助用戶對主機做好合理治理。VLAN作為一種有效的網管手段，已經得到了越來越廣泛的應用。但是各個廠商提出了不同的標準，用不同的標準劃分VLAN不僅在功能上有較大差別，而且會給網管帶來混亂。最初的VLAN劃分是基于端口的，大部分臺灣廠商的局域網交換機都遵循這個標準。較新的VLAN產品劃分標準不但能實現端口VLAN，還能支持基于MAC地址的VLAN，以及基于協議的VLAN，但這些產品普遍遵循CGMP（Cisco Group Management Protocol）協議，而Intel與3Com公司的產品只遵循IEEE802.1Q標準。這說明，新的VLAN標準并不統一，用戶在選擇時一定注重這些標準和你所需要的VLAN是否統一。
　　
　　5．多媒體寬帶網局域網交換機選擇
　　
　　現代局域網越來越多地將100兆高速以太交換到桌面，以實現局域網內部VOD（視頻點播）業務。尤其是智能小區的普及，使寬帶高速網絡所帶來的視頻、音頻和小區物業治理，越來越被人們所重視。顯然，這樣的寬帶應用環境是交換機的重要領域。所以，假如用戶想組建這樣的高速寬帶局域網，在選擇局域網交換機時應該注重如下幾個方面。首先是背板帶寬要高。寬帶局域網的每個信息點都在10Mbit/s以上，有的還使每個信息點達到了100Mbit/s。所以，用戶在組建多媒體寬帶網時，原則上要求背板帶寬越高越好，因為它可為局域網交換機在高負荷下提供高速交換通道，也為用戶客戶端和局域網系統升級留有足夠余地。其次是端口線速率要大，即每端口每秒能夠吞吐多少數據包。再者是包轉換能力，即要求局域網交換機每秒鐘轉發數據包的數量。最后則要求局域網交換機可提供QoS性能，方便網絡的治理與維護。
　　
　　6．是否選擇第三層交換功能
　　
　　第三層交換功能最明顯的特點就是局域網交換機提供的VLAN，而劃分VLAN是為了屏蔽廣播數據包，以及網絡安全與網絡控制治理方面的需要。不過，這種能夠滿足VLAN之間高效通信需求，且價格較高的第三層局域網交換機，對于在中小企業應用廣泛的局域網系統并沒有多少價值。因為VLAN劃分對于獨立性極高的中小企業網絡來講，其網絡內部的安全性和網管性已沒有多少意義了。取而代之的是，這種要求不高的安全和網管需要，完全可以采用技術成熟、種類較多、性能穩定和價格合理的第二層局域網交換機來完成。其實，采用基于第二層局域網交換機也可以實現VLAN功能，因為用戶可以通過第二層局域網交換機的公共端口，提供不同VLAN之間的高效通信，還可通過授權加以控制。總之，第二層局域網交換機還是有其許多優點，值得用戶考慮。

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