千兆以太网交换机的基本构成及日常工作

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1、千兆以太网交换机的基本构成及日常工作 千兆以太网交换机有很多值得学习的地方，这里我们主要介绍 千兆以太网交换机的基本构成及日常工作。 随着企业网络化应用的发展，人们已经不满足于100兆的桌面网络速度。很多人在寻找更快速的局域网连接技术，使用千兆以太网或者更快的万兆技术。这样的变化不仅仅是发生在园区网的骨干，也同样发生在每一个配线间中，企业的IT管理人员希望能为每一个桌面用户提供10倍于以前的网络连接。 选择有很多种理由，了解是选择的基础。您了解千兆以太网交换机吗？在本期交换机专刊中，我们选择了这样一个命题，希望能带您走进千兆以太网交换机的内部，看看它是怎样工作、怎样构成的，为什么能有如此不同，

2、等等。随着这些问题的解决，您选择产品的基础会更雄厚。设备制造商们在设计千兆以太网交换机时，通常需要通过不同的设置项来满足客户的需求，这些需求通常包括以下几个方面： 1. 可以堆叠以得到充分的可扩展性； 2. 可以通过机框结构得到弹性的骨干扩展能力； 3. 可以和服务器设备集成，以达到计算和网络的集成； 4. 中小型企业会要求固定端口或者说可独立工作的交换机； 5. 对于没有IT部门的小公司，非管理型设备会更受欢迎。 另外还有一些其他需求，如降低设计、生产和装配成本。这些需求很多是相互矛盾的，但是它们又是真实存在的。满足它们的方法是通过不同种类的交换机产品来实现，而不断进步的半导体技术使得千兆以

3、太网交换机的设计和制造进入了高度模块化和集成化阶段，为设计不同种类的交换机提供了技术上的便捷。下面，我们就不同类型的交换机逐一展示其设计原理和体系结构，帮您判断什么样的交换机才是您真正需要的。 可堆叠交换机 这些交换机往往用于连接用户到高速的园区网骨干。通常，它们有一些所谓的高速“用户”端口，并且具有很强的可扩展性。当数据从这些端口汇总上来时，会从更高速的数据上联通路传递出去，以实现和中心服务器、IP PBX等设备的数据交互。可堆叠交换机通常会放置在企业的配线间或者机房中，它能适应增长中的网络。如果有新的用户加入到网络中，管理员只需简单地在原来的设备上面放置一台新的设备，然后通过一个外部的“堆

4、叠”接口将所有的交换机连接起来。事实上，这就像您自己又开发了一台新的、更大的千兆以太网交换机一样，可以方便地和原先的交换机一起管理，只是容量增大了。有一个高速的堆叠端口是可堆叠交换机的基本特征。 机框式交换机 这种类型的千兆以太网交换机应用于高性能的网络骨干层。该系统有很多插槽，可以用来接插很多冗余的网络接口卡，包括系统总线、电源、安全模块等。整个系统能被设置成高冗余性的系统，在出现不可控的灾难或故障时仍能提供可用的网络服务。性能是机框式设备的重要考量指标，但是更重要的是系统的高可靠性和高可用性。它的故障率通常被要求在平均每年的停机检修时间不超过5分钟。 集成数据服务器的交换机 这种交换机也可

5、以称之为集成交换机的应用服务器。我们通常提到的刀片服务器就属于这类产品，它们通过高速的数据通道和刀片服务器的机框相连，而刀片服务器的机框就像这样一台千兆以太网交换机。刀片服务器的交换背板通常都是千兆级的，它允许服务器之间以极高的速度互连，这使高速的、分布式计算成为可能，而这些正是网络计算的发展方向。 和机框式交换机一样，刀片服务器的背板同样是一块高速背板，它可以看做一台千兆以太网交换机。与普通计算机不同的是，网络接口芯片收到数据后，大部分就通过交换芯片执行存储和转发操作，并不经过系统的CPU，上文提到的独立（固定端口）交换机和非管理型交换机就是这样的结构。所不同的是，独立（固定端口）交换机只是

6、在端口扩展性上略输于更高级的交换机，但是根据设计的不同，在系统中可以使用很高级的CPU和大量的内存。这样多层交换机可以用系统的CPU来处理诸如路由、网络安全等策略，实现高级的网络应用。很多交换机使用了通用的CPU，当然不是我们常见的Intel，而是像摩托罗拉MPC8245或者MIPS等RISC芯片。 图4中BCM5464是一块4端口的千兆位电信号收发器，具有集成铜线/光纤媒质接口。这就是我们所谓的网络接口芯片，它需要和光纤或者铜线的物理层定义设备（PHY）一同工作，构成以太网原始信号的收发接口。然后，它向上和一个12端口的千兆位交换芯片连接，三片BCM5464所传递上来的12路千兆信号在交换芯

7、片BCM5691中完成交换，在交换芯片中，会建立对应的MAC学习机制和映射表，再通过相应的BCM5464转发到目的端口。 对于不可管理型的千兆以太网交换机，因为需求更简单，所以在设计时可以使用更少的内存和更低能耗、更低成本的CPU，常见的有ARM内核的各种CPU。这种简单的设计只是起到启动系统，将简单控制指令下载到交换芯片的作用，无法完成高层次的交换。 千 兆 位 以 太 网 交 换 机 大 比 武 张 雨 编 译 - 1998 年6 月25 日，IEEE 通 过 了 关 于Gigabit Ethernet（ 千 兆 位 以 太 网） 的 802.3z 标 准。 千 兆 位 以 太 网 技 术

8、 从 诞 生 到 成 为 标 准 经 过 了 近 两 年 时 间。 -该 标 准 出 台 一 年 多 以 来， 各 种 千 兆 位 交 换 设 备 发 展 得 非 常 快。 为 了 比 较 此 类 设 备 的 性 能， 我 们 测 试 了 众 多 厂 商 生 产 的 千 兆 位 以 太 网 交 换 机。 这 些 厂 商 包 括：Bay、 Cabletron、Cisco、Compaq、Extreme、HP、Lucent 和3Com 等。 测 试 平 台 -我 们 使 用48 台P 450MHz PC 机 组 建 了 一 个 Linux 网 络。 而 千 兆 位 以 太 网 交 换 机 被 设 置

9、 成 两 个48 端 口 的 分 组， 并 通 过 千 兆 位 链 路 互 连。 在 不 同 级 别 用 户 负 载 的 情 况 下， 我 们 分 别 测 试 了FTP、Telnet 和Web 浏 览 的 流 量。 - 适 配 器 -测 试 系 统 中， 每 台PC 上 的 第 一 个LAN 适 配 器 被 保 留， 用 于 任 务 控 制 和 机 器 之 间 的 通 信， 称 为 灰 色 适 配 器。 第 二 个 和 第 三 个LAN 适 配 器（ 黑 色 和 绿 色 适 配 器） 连 接 到 被 测 试 的 交 换 机 上。 其 中 一 半 的 黑 色 适 配 器 用 电 缆 连 接 到

10、左 边 一 组 10/100Mbps 端 口， 而 另 一 半 用 电 缆 连 接 到 右 边 的 端 口 组。 类 似 地， 一 半 绿 色 适 配 器 连 接 到 右 边 的 端 口 组， 另 一 半 连 接 到 左 边 的 端 口 组。 -所 有LAN 适 配 器 配 置 成100Mbps 全 双 工 模 式 运 行， 这 样 配 置 的 理 论 最 大 带 宽 是 每 个 方 向 大 约4.8Gbps。 千 兆 位 链 路 应 该 能 够 支 持 每 个 方 向1Gbps 的 速 率， 因 此 这 样 配 置 能 够 提 供 足 够 的 流 量 来 测 试 各 种 千 兆 位 设 备。

11、 -VLAN -我 们 设 置 了 两 种 虚 拟LAN 来 进 行Layer 2 和 Layer 3 通 信 的 测 试。 -对 于Layer 2 测 试， 所 有 黑 色 适 配 器 被 分 配 到 同 一 个B 类 子 网， 而 所 有 绿 色 适 配 器 被 分 配 给 另 一 个B 类 子 网。 测 试 期 间， 双VLAN 中 的 所 有 适 配 器 与 相 同 子 网 上 的 其 他 节 点 进 行 通 信 时， 不 需 要 路 由 功 能。 所 有 的 寻 址 可 以 由TCP/IP 协 议 的layer 2 完 成。 对 于Layer 3 测 试， 每 个 适 配 器 分 配

12、 一 个 唯 一 的B 类IP 地 址。 在96 端 口VLAN 中 的 任 何 两 个 端 口 之 间 的 通 信 都 要 从 一 个 子 网 跨 越 到 另 一 个 子 网， 因 此 就 需 要TCP/IP 协 议 的Layer 3 路 由 功 能。 - 通 信 特 性 -Internet 上 主 要 的TCP/IP 通 信 都 是 由Telnet、 FTP 和Web 应 用 产 生 的。 -Telnet 通 信 一 般 产 生 大 量 的 短 信 息。 因 为 Telnet 通 信 通 常 都 是 客 户 从 键 盘 输 入 几 条 指 令， 然 后 服 务 器 对 这 些 指 令 作

13、出 应 答， 所 以 用 户 输 出 的 指 令 和 服 务 器 作 出 的 应 答 长 度 都 很 短。 -FTP 通 信 经 常 产 生 大 量 的 长 信 息 交 换。 用 户 通 常 使 用FTP 在 机 器 之 间 传 输 文 件。 文 件 传 输 过 程 中，FTP 程 序 将 以 网 络 支 持 的 最 大 信 息 长 度 来 发 送 数 据。 对 于 以 太 网 上 的 TCP/IP 协 议 而 言， 信 息 长 度 的 最 大 值 约 为1500 比 特。 -Web 通 信 产 生 的 信 息 有 长 有 短。 键 盘 和 鼠 标 操 作 由 本 地 浏 览 器 进 行 处

14、理， 因 此 不 会 影 响 网 络 的 通 信。 当 一 个 用 户 点 击 一 个URL 时， 一 条 短 信 息 就 通 过Internet 发 送 出 去。 作 为 应 答， 将 有HTML 页 面 显 示 在 本 地 浏 览 器 上。 这 个 页 面 文 件 可 能 很 小， 但 也 可 能 很 大( 比 如 包 括 很 大 的 图 形 文 件)。 - 测 试 方 案 -我 们 针 对 这 三 种 通 信 类 型 设 计 了 三 种 测 试 方 案： -Telnet 测 试： 从 键 盘 输 入 一 串49 个 字 符 的 序 列， 每 个 字 符 输 入 后， 发 送 数 据 的P

15、C 将 等 待 远 程PC 回 显 字 符， 以 后 再 输 入 下 一 个 字 符。 当 全 部 字 符 序 列 被 成 功 输 入 和 回 显 以 后， 重 复 执 行 这 个 过 程。 -FTP 测 试： 先 上 载 一 个4MB 的 文 件， 再 下 载 此 文 件， 并 且 重 复 执 行。 不 论 是 上 载 还 是 下 载 文 件， 目 标 路 径 都 指 定 为/dev/null， 保 证FTP 传 输 不 会 进 行 物 理 磁 盘I/O 操 作， 以 防 止 磁 盘I/O 性 能 影 响 测 试。 -Web 测 试： 显 示 一 系 列 文 件， 包 括 一 些 小 于1K

16、B 的HTML 文 件 和 三 个 各 有200KB 的 图 像 文 件。 循 环 执 行 这 些 操 作， 同 样 是 为 了 防 止 磁 盘I/O 操 作 影 响LAN 上 的 通 信。 -另 外， 我 们 还 测 试 了 由40 的Web 浏 览、 40 的Telnet 通 信 和20 的FTP 任 务 组 成 的 混 合 通 信 流 量。 -测 试 的 目 的 之 一， 是 通 过 逐 步 增 加 网 络 通 信 流 量 进 而 确 定 在 千 兆 位 链 路 上 有 哪 些 点 会 成 为 通 信 的 瓶 颈。 另 一 个 目 的 是 要 确 定 使 用 千 兆 位 链 路 的 高 速 数 据 网 络 的 合 理 容 量。 - 测 试 控 制 -我 们 的 方 案 是， 将 数 据 的 发 送 点 和 接 收 点 以 三 种 方 式 组 合， 测 试 不 同 级 别 用 户 负 载 情 况 下 的 工 作 表