交換機(jī)如何工作

可堆疊交換機(jī)具有迅速部署、良好的價(jià)值、可伸縮性以及易于管理等優(yōu)點(diǎn)，目前得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在電子商務(wù)應(yīng)用中尤為流行。但是，完全根據(jù)每個(gè)用戶端口的價(jià)格來(lái)評(píng)估一臺(tái)可堆疊交換機(jī)并不能反映所有情況。事實(shí)上，如果廠商根據(jù)不符合實(shí)際條件的配置來(lái)計(jì)算每端口價(jià)格或做出其它斷言的話，只根據(jù)價(jià)格因素來(lái)判斷一種產(chǎn)品可能會(huì)誤導(dǎo)用戶。
??? 更全面評(píng)估可堆疊交換機(jī)的途徑是增加對(duì)可伸縮性和可管理性能的評(píng)估。在談到可伸縮性時(shí)，許多廠商列舉了用戶端口的數(shù)量來(lái)支持他們對(duì)高可靠性的保證，這是不夠的，還要考慮這種配置有沒有上行鏈路，還需確定交換機(jī)出現(xiàn)阻塞或飽和的位置。這里有三點(diǎn)需要考慮：

??? 內(nèi)部可伸縮性：堆疊設(shè)備之間的互聯(lián)將可伸縮性限制到什么程度？

??? 帶寬擴(kuò)展：有多少端口可以在交換機(jī)過載前從10Mbps以太網(wǎng)升級(jí)到100Mbps以太網(wǎng)端口？

??? 外部可伸縮性：交換機(jī)上行鏈路將向網(wǎng)絡(luò)其它部分傳送的數(shù)據(jù)流限制到什么程度？

??? 以具有24個(gè)用戶端口的交換機(jī)為例。在這里我們有意使用“用戶端口”這個(gè)詞，因?yàn)樵趯?shí)際配置中，一定數(shù)量的端口已經(jīng)被用于服務(wù)器或內(nèi)部和外部連接。如果這24個(gè)端口都具有10Mbps的吞吐量，并且如果可堆疊設(shè)備與一個(gè)千兆以太網(wǎng)上行鏈路連接在一起，那么將8個(gè)端口升級(jí)到100Mbps 以太網(wǎng)將會(huì)使上行鏈路飽和。

??? 計(jì)算過程如下：8個(gè)100Mbps端口等于800Mbps 吞吐量，而余下的16個(gè)10Mbps端口等于160Mbps吞吐量。總計(jì)960Mbps 的吞吐量意味著在不阻塞1Gbps上行鏈路的情況下，無(wú)法實(shí)施進(jìn)一步的快速以太網(wǎng)升級(jí)。

??? 此外，許多第3層可堆疊交換機(jī)不支持差別服務(wù)、服務(wù)類型或多協(xié)議標(biāo)記交換，因而這類可堆疊交換機(jī)需要外部路由器或額外的第3層交換機(jī)來(lái)獲得所需要的管理特性。

??? 可管理性

??? 許多研究證明，涉及到運(yùn)行和管理的費(fèi)用在產(chǎn)品的生命期中耗費(fèi)的資金比產(chǎn)品的最初購(gòu)買費(fèi)用要更多。因此，可管理性成為了評(píng)估總體價(jià)值的另一項(xiàng)關(guān)鍵因素。

??? 可堆疊交換機(jī)固有的優(yōu)勢(shì)在于管理單一邏輯實(shí)體比管理多臺(tái)必須獨(dú)立配置和監(jiān)控的設(shè)備更容易。但是，這里仍有其它一些需要研究的因素，包括用于優(yōu)先數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量（QoS）、執(zhí)行策略的能力、管理VLAN傳輸流的能力以及易于管理和操作性。

??? QoS特性集中在保存所需帶寬和轉(zhuǎn)發(fā)傳輸流來(lái)支持不同服務(wù)水平的需要。一般可堆疊交換機(jī)都支持描述優(yōu)先級(jí)和VLAN的IEEE 802.1p及802.1Q標(biāo)準(zhǔn)。但是當(dāng)涉及到對(duì)資源保留協(xié)議（用于為特定數(shù)據(jù)流保留規(guī)定帶寬的通用機(jī)制）的支持時(shí)結(jié)果卻不盡相同，而資源保留對(duì)于在建立連接時(shí)保證有足夠的帶寬可供使用是不可或缺的。

??? 對(duì)策略的支持

??? 策略是指控制交換機(jī)行為的規(guī)則，網(wǎng)絡(luò)管理員利用策略為應(yīng)用流分配帶寬、優(yōu)先級(jí)以及控制網(wǎng)絡(luò)訪問，其重點(diǎn)是滿足服務(wù)水平協(xié)議所需的帶寬管理策略及向交換機(jī)發(fā)布策略的方式。由于一次配置一臺(tái)交換機(jī)需要耗費(fèi)大量人力，并有可能會(huì)出現(xiàn)輸入錯(cuò)誤，因此策略必須發(fā)布到交換機(jī)組。在需要新策略時(shí)，大量的交換機(jī)應(yīng)能夠被迅速修改，因此，需檢查可堆疊交換機(jī)是否支持目錄使能網(wǎng)絡(luò)和輕目錄訪問協(xié)議，以及通用開放策略服務(wù)（一種有望實(shí)施的特性更豐富的協(xié)議）。

??? 用戶可以使用VLAN跨多臺(tái)交換機(jī)或堆疊設(shè)備來(lái)管理傳輸流。目前的產(chǎn)品都支持802.1Q標(biāo)記定義的VLAN，許多產(chǎn)品還支持基于交換機(jī)端口、媒體訪問控制地址、第3層協(xié)議或策略的其它VLAN 。

?交換是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的方向。路由技術(shù)是交換網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。交換網(wǎng)絡(luò)中路由技術(shù)選用得正確與否，將直接影響到網(wǎng)絡(luò)的整體性能的好壞。因此路由技術(shù)越來(lái)越受到生產(chǎn)廠家與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員的重視。
???
???? 一、三種路由技術(shù)
??? 目前交換網(wǎng)絡(luò)中的路由技術(shù)有三種，其中第一種是最為保守的方法，即第三層的路由器與第二層交換機(jī)相結(jié)合的方法。第二層交換機(jī)嚴(yán)格限制于橋結(jié)構(gòu)，用于同一虛擬網(wǎng)內(nèi)的不同節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，在OSI參考模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)虛擬LAN的功能，將第三層的功能留給路由器實(shí)現(xiàn)，由路由器完成虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸與建立LAN與企業(yè)主干網(wǎng)連接的工作。
??? 第二種方法采用分布式路由技術(shù)。其特點(diǎn)是它使用多層交換機(jī)，將第二層的橋與第三層的路由結(jié)合在一起，有的文獻(xiàn)也將多層交換機(jī)稱之為第三層交換機(jī)。它本身所具有的路由功能支持虛擬LAN，并支持大多數(shù)同一虛擬網(wǎng)內(nèi)或不同虛擬網(wǎng)之間節(jié)點(diǎn)的通信，減少了工作組與部門之間所使用的路由器的數(shù)目。但它仍然不能完全擺脫使用傳統(tǒng)路由器，這是因?yàn)槎鄬咏粨Q機(jī)只能提供高檔路由器所能提供的協(xié)議、安全、交通管理及與WAN連接功能的子集。如CISCO公司7000系列路由器能夠處理12種協(xié)議并支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、電路交換與信元交換的廣域網(wǎng)通信，而Alantec公司生產(chǎn)的Powerhub多層交換機(jī)卻只能處理三種協(xié)議:DECnet、IP與IPX，并且沒有WAN接口。因此，多層交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中需要使用路由器作為廣域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，并完成較為復(fù)雜的路由功能。
　　 交換網(wǎng)中的第三種路由技術(shù)則采用了一種全新的結(jié)構(gòu):路由服務(wù)器與邊界交換機(jī)相結(jié)合。我們知道，傳統(tǒng)的路由器完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇兩項(xiàng)工作。而基于路由服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)則由兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)備分別完成上述兩項(xiàng)功能:邊界交換機(jī)完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)，而路由信息的確定由價(jià)格較為昂貴的路由服務(wù)器完成。邊界交換機(jī)只有在自己的地址表中找不到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地址時(shí)才訪問路由服務(wù)器，此時(shí)路由器對(duì)之響應(yīng)一個(gè)正確的地址，交換機(jī)再將該信息緩存?zhèn)溆?。需要指出的是，目前路由服?wù)器與交換機(jī)之間的通信協(xié)議還不統(tǒng)一，不同廠家的產(chǎn)品還不兼容。
??? 二、比較與評(píng)價(jià)
　　 上述三種路由技術(shù)各有特色，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)實(shí)際情況加以選用。為使人們對(duì)它們有更好的了解，我們分以下四個(gè)方面對(duì)它們進(jìn)行比較。
??? 1.組網(wǎng)規(guī)模
??? 網(wǎng)絡(luò)的大小是選擇何種路由技術(shù)組網(wǎng)的決定性因素。第二層交換機(jī)與傳統(tǒng)路由器相結(jié)合的辦法適用于較小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用。但當(dāng)主干網(wǎng)擴(kuò)展成比較大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，第二層虛擬LAN的開銷將明顯增大。
??? 隨著主干網(wǎng)的擴(kuò)展，多層交換機(jī)的智能優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，由于它僅向那些屬于某一特定子網(wǎng)的網(wǎng)段轉(zhuǎn)發(fā)廣播，因此減少了主干網(wǎng)上廣播交通的數(shù)量。由于多層交換機(jī)組成的虛擬網(wǎng)絡(luò)具有過濾功能，并能節(jié)省主干網(wǎng)的帶寬與端站點(diǎn)的時(shí)鐘，因此虛擬網(wǎng)絡(luò)的安全性較好。另外，它與第一種方法相比，由于交換機(jī)可在工作組與部門范圍內(nèi)同時(shí)負(fù)責(zé)交換與路由選徑工作，故節(jié)省了傳統(tǒng)路由器使用的數(shù)目。分布式路由器法與路由服務(wù)器也比較適用于大型的分布式網(wǎng)絡(luò)。
??? 2.延遲
??? 網(wǎng)絡(luò)延遲的增加會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降，網(wǎng)絡(luò)延遲的大小一般與設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)交通之前所必須處理的作業(yè)的大小成正比。對(duì)于第二層的以太交換機(jī)來(lái)講，由于第二層虛擬網(wǎng)本質(zhì)上使用橋而不使用路由器，因此相對(duì)速度較快，當(dāng)執(zhí)行一個(gè)簡(jiǎn)單的MAC地址尋找時(shí)，一個(gè)信息包(64字節(jié))的延遲小于100微秒。第三層路由器的使用增加了頭標(biāo)的尋找及某些算法的執(zhí)行，因此大大增加了信息包的延遲，其延遲時(shí)間高達(dá)5毫秒。
??? 可見，對(duì)于由第二層交換機(jī)與第三層路由器結(jié)合組成的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)交通經(jīng)由交換機(jī)時(shí)具有相當(dāng)好的性能;當(dāng)交通從一個(gè)交換機(jī)經(jīng)由路由器流向另一個(gè)交換機(jī)時(shí)性能較差。
??? 幾乎所有的第二層交換機(jī)與軟件配合使用都能將節(jié)點(diǎn)組成虛擬網(wǎng)絡(luò)(廣播域)，并以此改善網(wǎng)絡(luò)的性能。同一虛擬網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間的交通在MAC層進(jìn)行交換，延遲較小。不同虛擬網(wǎng)之間的節(jié)點(diǎn)交換信息時(shí)，信息包傳遞要經(jīng)過路由器，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)延遲較大。
??? 分布路由技術(shù)允許交換機(jī)在第三層協(xié)議子網(wǎng)ID虛擬網(wǎng)間傳遞信息，能克服上述路由器所形成的瓶頸。
??? 路由服務(wù)器法使用邊界交換機(jī)做出路徑的選擇。偶而在邊界交換機(jī)不知道發(fā)送目標(biāo)地址時(shí)，才向路由服務(wù)器發(fā)詢問信息包，此時(shí)才會(huì)出現(xiàn)尋徑的延遲。正常情況下，交換機(jī)可以直接在緩存地址表中查找地址，之后可直接轉(zhuǎn)發(fā)信息包，此種情況下產(chǎn)生的延遲與MAC層交換機(jī)的延遲基本相同。
???
???? 3.管理
??? 路由信息存放于網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)路由器中，每種協(xié)議都有相應(yīng)的表列。網(wǎng)管人員必須逐個(gè)對(duì)路由器進(jìn)行配置，其中包括濾波器的設(shè)置，增加、修改路由表等。加之人機(jī)界面是基于文本的界面，因此當(dāng)企業(yè)網(wǎng)擴(kuò)展到較大規(guī)模時(shí)，路由器的管理與配置是相當(dāng)費(fèi)時(shí)的。
??? 分布式路由技術(shù)不利的一面是其管理的開銷與路由及交換表數(shù)目的增加呈指數(shù)增加趨勢(shì)。為了克服這一缺點(diǎn)，生產(chǎn)商家擬采用以下措施:在中心控制臺(tái)制定交通管制策略，并通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)傳播，從而避免對(duì)每個(gè)設(shè)備逐一配置，并增加圖形人機(jī)界面。
??? 路由服務(wù)器的特點(diǎn)是易于管理，只需對(duì)一個(gè)路由服務(wù)器的配置就可提供高質(zhì)量的服務(wù)與虛擬網(wǎng)絡(luò)的管理。如Cabletron公司的Securefast管理程序就能夠允許網(wǎng)管人員利用屏幕，對(duì)不同組的用戶分配訪問權(quán)限，通過執(zhí)行該軟件將訪問權(quán)限通知所有的交換機(jī)。
??? 路由服務(wù)器方法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，允許網(wǎng)管人員透明地制定交通管理策略，不必關(guān)心端站用戶的類型。例如，網(wǎng)管人員可將以太交換機(jī)上的節(jié)點(diǎn)與ATM上的服務(wù)器分配給同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)，而不必輸入以太節(jié)點(diǎn)的MAC或IP地址，也不必輸入ATM節(jié)點(diǎn)的VPI/VCI。 4.價(jià)格
??? 價(jià)格是人們組網(wǎng)考慮的另一個(gè)主要因素。以下作者給出幾個(gè)公司生產(chǎn)的50、250、500個(gè)端口三種路由方式產(chǎn)品的平均每個(gè)端口價(jià)格的對(duì)比情況(見表1～2)。這里每個(gè)端口的價(jià)格是用端口的數(shù)目去除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備總價(jià)格所得的結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括以太交換機(jī)、ATM交換機(jī)、路由服務(wù)器與第三層路由器。
??? 路由服務(wù)器組網(wǎng)方式只有Newbridge公司給出價(jià)格，其50、250、500個(gè)端口設(shè)備每個(gè)端口的平均價(jià)格分別為1920、1520與1435美元。
??? 從上面給出的數(shù)據(jù)可以看出，基于第二層交換與路由器方式組網(wǎng)的方案價(jià)格最便宜，分布式路由技術(shù)組網(wǎng)價(jià)格最高，而路由服務(wù)器方式組網(wǎng)價(jià)格適中。從中我們還可發(fā)現(xiàn)，使用第二層交換機(jī)與第三層路由器組網(wǎng)時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，平均每個(gè)端口的價(jià)格越來(lái)越小，路由服務(wù)器組網(wǎng)的情況與之類似。但分布式路由器組網(wǎng)方式平均每個(gè)端口的價(jià)格受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模影響不大。
??? 三、與ATM主干的連接
??? 由于路由服務(wù)器與分布式路由方式組成的交換LAN與ATM主干相連目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，故各公司提供的連接方式也不盡相同。
??? 常見的方法是將以太或令牌環(huán)局域網(wǎng)交換機(jī)的所有虛擬網(wǎng)的交通送往裝有ATM接口卡的路由器，但這種作法的缺點(diǎn)是路由器將會(huì)成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，影響了網(wǎng)絡(luò)的整體性能。
??? 較好的方法是，以太LAN交換機(jī)都備有各自的ATM接口，從而允許LAN交換機(jī)與ATM交換機(jī)直接建立連接，不必經(jīng)由路由器，這是一個(gè)明顯的改進(jìn)。但不同虛擬網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸仍需經(jīng)過路由器，瓶頸依然存在。
??? 目前關(guān)于傳統(tǒng)的交通在ATM上傳輸有兩種標(biāo)準(zhǔn):其一是ATM論壇制定
??? 的LAN仿真，另一種標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際計(jì)算機(jī)互連網(wǎng)絡(luò)工程任務(wù)組IETF制定的ATM上的傳統(tǒng)IP標(biāo)準(zhǔn)(IPOverATM)。LAN仿真運(yùn)行于介質(zhì)訪問控制MAC層，它的最大好處是，能確保以太及令牌環(huán)的交通在不需對(duì)應(yīng)用程序及人機(jī)界面做任何改變的情況下在ATM網(wǎng)上正常運(yùn)行。IPOverATM標(biāo)準(zhǔn)與LAN仿真具有相同的目的，與LAN仿真不同的是，它只允許ATM交通運(yùn)行于IP網(wǎng)絡(luò)。但是，它們都沒有徹底地解決不同虛擬網(wǎng)之間交通的傳輸，仍需要在不同虛擬網(wǎng)之間設(shè)有路由器:路由器將信元裝配成信息包，完成路由選擇，并在發(fā)送前再將信息包恢復(fù)成信元，這樣做效率明顯要低得多。為了消除路由器形成的瓶頸，ATM論壇制定了ATM上的多協(xié)議傳輸標(biāo)準(zhǔn)(MPOA)，其目的是解決ATM上的多種協(xié)議的傳輸，這其中包括IP、IPX/SPX與Appletalk等。MPOA的不同虛擬網(wǎng)之間的路由交通是基于網(wǎng)絡(luò)層的交通信息(如IP子網(wǎng)地址)，以達(dá)到避免使用外部路由器的目的。

??? 四、結(jié)論
??? 綜上所述，三種路由器技術(shù)各有特點(diǎn)，各有所長(zhǎng)，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際需要加以選擇。需要強(qiáng)調(diào)的是，路由技術(shù)在當(dāng)前，乃至于在可預(yù)見的未來(lái)，仍是交換網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)非常重要的組成部分，路由技術(shù)選擇的正確與否會(huì)直接影響網(wǎng)絡(luò)整體性能，必須予以足夠的重視。