交換機的級連擴展與堆疊技術(shù)介紹

級連擴展

級連擴展模式是最常規(guī)，最直接的一種擴展方式，一些構(gòu)建較早的網(wǎng)絡(luò)，都使用了集線器（HUB）作為級連的設(shè)備。因為當時集線器已經(jīng)相當昂貴了，多數(shù)企業(yè)不可能選擇交換機作為級連設(shè)備。那是因為大多數(shù)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(zhuǎn)發(fā)交換功能。現(xiàn)在的級連擴展模式綜合考慮到不同交換機的轉(zhuǎn)發(fā)性能和端口屬性，通過一定的拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以方便地實現(xiàn)多用戶接入。

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(shè)計技術(shù)和冗余技術(shù)，實現(xiàn)層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如通過雙歸等拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余，通過 Link Aggregation技術(shù)實現(xiàn)冗余和Up Link的帶寬擴展，這些技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，廣泛使用在各種局域網(wǎng)和城域網(wǎng)中。

級連模式使用通用的以太網(wǎng)端口進行層次間互聯(lián)，如100M FE端口、GE端口以及新興的10GE端口。

級連模式是以太網(wǎng)擴展端口應(yīng)用中的主流技術(shù)。它通過使用統(tǒng)一的網(wǎng)管平臺實現(xiàn)對全網(wǎng)設(shè)備的統(tǒng)一管理，如拓撲管理和故障管理等等。級連模式也面臨著挑戰(zhàn)，當級連層數(shù)較多，同時層與層之間存在較大的收斂比時，邊緣節(jié)點之間由于經(jīng)歷了較多的交換和緩存，將出現(xiàn)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(shè)備性能或者減少級連的層次。在級連模式下，為了保證網(wǎng)絡(luò)的效率，一般建議層數(shù)不要超過四層。如果網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點存在通過廣播式以太網(wǎng)設(shè)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(jié)構(gòu)中，但需要注意的是，HUB工作的CSMA/CD機制中，因沖突而產(chǎn)生的回送可能導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)性能影響將遠遠大于交換機級連所產(chǎn)生的影響。

級連模式是組建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)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(shù)擴展

堆疊技術(shù)是目前在以太網(wǎng)交換機上擴展端口使用較多的另一類技術(shù)，是一種非標準化技術(shù)。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(jié)構(gòu)。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(shù)的最大的優(yōu)點就是提供簡化的本地管理，將一組交換機作為一個對象來管理。

菊花鏈式堆疊

菊花鏈式堆疊是一種基于級連結(jié)構(gòu)的堆疊技術(shù)，對交換機硬件上沒有特殊的要求，通過相對高速的端口串接和軟件的支持，最終實現(xiàn)構(gòu)建一個多交換機的層疊結(jié)構(gòu)，通過環(huán)路，可以在一定程度上實現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(fā)分別上行和下行，最終形成一個環(huán)形結(jié)構(gòu)，任何兩臺成員交換機之間的數(shù)據(jù)交換都需繞環(huán)一周，經(jīng)過所有交換機的交換端口，效率較低，尤其是在堆疊層數(shù)較多時，堆疊端口會成為嚴重的系統(tǒng)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(xiàn)環(huán)形的冗余。菊花鏈式堆疊模式與級連模式相比，不存在拓撲管理，一般不能進行分布式布置，適用于高密度端口需求的單節(jié)點機構(gòu)，可以使用在網(wǎng)絡(luò)的邊緣。

菊花鏈式結(jié)構(gòu)由于需要排除環(huán)路所帶來的廣播風暴，在正常情況下，任何時刻，環(huán)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(shù)據(jù)壓力），需要通過所有上游交換機來進行交換。

菊花鏈式堆疊是一類簡化的堆疊技術(shù)，主要是一種提供集中管理的擴展端口技術(shù)，對于多交換機之間的轉(zhuǎn)發(fā)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(xiàn)UP LINK的冗余。菊花鏈式堆疊的層數(shù)一般不應(yīng)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(shù)是一種高級堆疊技術(shù)，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(tǒng)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(jù)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(shù)。

星型堆疊

星型堆疊技術(shù)使所有的堆疊組成員交換機到達堆疊中心Matrix的級數(shù)縮小到一級，任何兩個端節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)需要且只需要經(jīng)過三次交換，轉(zhuǎn)發(fā)效率與一級級連模式的邊緣節(jié)點通信結(jié)構(gòu)相同，因此，與菊花鏈式結(jié)構(gòu)相比，它可以顯著地提高堆疊成員之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)速率，同時，提供統(tǒng)一的管理模式，一組交換機在網(wǎng)絡(luò)管理中，可以作為單一的節(jié)點出現(xiàn)。

星型堆疊模式適用于要求高效率高密度端口的單節(jié)點LAN,星型堆疊模式克服了菊花鏈式堆疊模式多層次轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備。使用高可靠、高性能的Matrix芯片是星型堆疊的關(guān)鍵。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管理，所以有效數(shù)據(jù)帶寬基本與GE類似。但由于涉及到專用總線技術(shù)，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(nèi)。

可見，傳統(tǒng)的堆疊技術(shù)是一種集中管理的端口擴展技術(shù)，不能提供拓撲管理，沒有國際標準，且兼容性較差。但是，在需要大量端口的單節(jié)點LAN,星型堆疊可以提供比較優(yōu)秀的轉(zhuǎn)發(fā)性能和方便的管理特性。級連是組建網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，可以靈活利用各種拓撲、冗余技術(shù)，在層次太多的時候，需要進行精心的設(shè)計。對于級連層次很少的網(wǎng)絡(luò)，級連方式可以提供最優(yōu)性能。例如，在需要擴展為兩倍端口的網(wǎng)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(jīng)濟和高效的組建方式。另外，還可以利用從前已有的交換設(shè)備，不需重復(fù)投資，但是，這兩臺設(shè)備需單獨管理。

傳統(tǒng)的堆疊技術(shù)應(yīng)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(yīng)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(shù)。目前，華為公司Quidway S系列以太網(wǎng)交換機產(chǎn)品、Cisco系列以太網(wǎng)交換產(chǎn)品均提供集群管理模式。Quidway S系列以太網(wǎng)交換機采用華為統(tǒng)一的VRP操作系統(tǒng)和統(tǒng)一的iManager網(wǎng)管系統(tǒng)。該網(wǎng)管系統(tǒng)支持中文界面，采用標準協(xié)議和開放技術(shù)，全面兼容主流網(wǎng)管平臺。Quidway S系列以太網(wǎng)交換機在華為二層交換全線速、三層交換全線速、業(yè)務(wù)交換全線速和QoS服務(wù)全線速"四個全線速"的設(shè)計思想指導(dǎo)下，充分利用產(chǎn)品開發(fā)的后發(fā)優(yōu)勢，在產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計、擴展能力以及提供豐富的業(yè)務(wù)特性方面滿足寬帶城域網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)品（HGMP）為例，通過集群管理模式的支持，可以在使用Quidway系列交換機通過通用級連模式構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)集中的配置和管理，一個LAN可以加入成為一個組，對于網(wǎng)管系統(tǒng)，一個組可以表現(xiàn)為同一臺設(shè)備，使用一個IP地址進行管理，相當于甚至優(yōu)于從前堆疊組的管理效果。然而作為通用性的集中表現(xiàn)，組成員交換機在組內(nèi)可以實現(xiàn)拓撲設(shè)計以及成員的分布式放置，而且堆疊端口可以任選設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(huán)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(wǎng)絡(luò)的主要的應(yīng)用手段，星型堆疊模式是提供單節(jié)點端口擴展的簡單管理模式，而通過集群管理實現(xiàn)的分布式堆疊將是下一代堆疊的主要方式。