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1、Cisco多层交换园区网设计模型概述本文首先阐述如何使用多层交换机构建园区网，然后详细讲解多层交换网的设计要点。一般来说，使用分级设计的多层交换网络能够使网络工作在最佳状态，并具有较好的可伸缩性、容错性和可操作性。不管是用以太网做主干也好，ATM做主干也好，多层交换模式都有它的优点，分级设计使园区网的实现变得非常容易，排错也简单，因为多层交换的设计是模块化的，所以可以根据建筑物模块的增加来进行升级。第三层的作用可以让广播数据限制在核心交换网之外，并能通过OSPF和EIGRP协议在主干网上实现链路负载平衡功能。多层交换保持现有的寻址方式，容易迁移，Uplink Fast通道和HSRP协议提供冗余
2、和快速收敛。带宽升级可以从以太网到快速以太通道、千兆以太网到千兆以太通道，多层模块支持各种现有的协议。目 录园区网设计考虑因素2网络的桥接2寻址能力和升级能力2第二层交换3第三层交换4第四层交换4虚拟局域网VLAN和仿真局域网LANE4园区网设计的参考模型5Hub和路由器模型5园区网VLAN模型6ATM上的多协议交换7多层交换模型8新一代80/20 规则8多层交换模型的组成9冗余和负载平衡9带宽升级12核心层策略13定位服务器14ATM / LANE 主干14I P 多播访问 16迁移策略18安全性能19多层模型之间的桥接19多层模型的优点20附录A：实现多层设计模型20以太网主干20服务器配
3、置26ATM LANE主干27 小结：34园区网设计考虑因素平面桥接网最早的园区网被认为是在单一局域网上添加了多个新用户而形成的。这样的LAN是网络设备通过物理或逻辑线路连在一起构成的网络。在这样的网络中，所有网络设备共享半双工的10M可用以太网带宽。这时，整个网络是一个碰撞域，因为所有网络设备可以侦听到网络上传输的数据，会产生数据包冲突，因此就引进CSMA/CD碰撞检测机制来规划网络上的数据传输。当一个碰撞域上的数据传输变得非常拥挤时，就应该加入一个网桥，网桥是一个存储转发型的数据包交换机，他把整个网络分成若干个碰撞域，来减小数据包的碰撞，增加传输效率。网桥不会隔离网端上的广播、多播和组播数
4、据，就是说，整个园区网所有桥接网络是一个单一广播域。生成树协议STP的开发避免了数据回路。下面是STP广播域的主要特征：冗余链路被封锁不能传输数据不同节点之间存在非理想路经STP收敛通常需要40到50秒在第二层传输的广播数据会中断所有的主机在第二层产生的广播风暴会影响到整个域的主机隔离故障非常困难网络安全没有保障理论上，广播数据的大小受整个广播域的大小限制，实际上，管理一个桥接架构的园区网会随着网络的不断扩大而变得越来越难，一个的工作站的故障有可能造成整个网络的瘫痪。当设计桥接网的时候，每个桥接网段就相当于一个工作组，工作组服务器和客户机一样被放在同一个网段中，使大部分数据传输在本地网段中，这
5、就是遵循80/20 原则。寻址能力和伸缩能力路由器是一个用来构建互联网络的包交换机，负责在不同的广播域之间传输数据。路由器是根据网络地址而不是物理地址来转发数据包的。互联网络的可伸缩性比桥接的网络要好，因为路由器可以对网络地址进行总结，从而计算出一条最好的传输路径，路由器之间通常使用诸如OSPF、EIGRP之类的路由协议来交换路由信息。与STP相比，路由协议有以下特征：可以通过几条相同代价的路径来实现链路负载平衡在网络之间使用最小开销路经网络状态变化时进行快速收敛汇总路由信息为了控制广播数据，Cisco的路由器提供了许多增值功能来提高园区网的可管理性和可伸缩性，这些功能是IOS的特性，现在几乎
6、所有Cisco的路由器和交换机上都有。IOS软件的功能对每个协议都有特别的支持，它们包括：TCP/IPAppleTalkDECnetNovell IPXIBM SNA、DLSw、APPN在园区网中，从一端到另一端的路由跳数被称为网络直径，给园区网设计定义直径是需要有丰富的经验的，这就要用到分层设计模型，图1展示的就是一个路由器-HUB结构的典型设计。从一个建筑物的终端主机到另一建筑物的终端主机的路由跳数一般只有2跳，从终端主机到FDDI主干一般只有1跳。图1 ：用路由器和HUB组成的传统园区网第二层交换第二层交换是基于硬件设备的桥接，数据帧的发送是由专门的硬件来解决，通常是使用ASIC芯片。如
7、今，在园区网的设计中，集线器通常被交换机取代。交换机与集线器相比，它的优点是非常突出的，试想，一个有100人的工作组使用集线器共享一个半双工的10M网段，那么平均每个人只有分配到100K左右的带宽，如果是用全双工的交换机的话，那么每端口的带宽是20M，相差甚大，但服务器的端口就成了瓶颈。交换机可以使网络设计在每个网段上提供更多的主机数，使一个完整的园区网方案中包含更少的逻辑网络或者物理网络。然而，交换机也和网桥一样有他们共同的局限性，网络的广播数据还是会随着网段上主机数目的增加而增加。广播也影响着主机传输数据，STP限制、收敛速度慢和冗余链路封闭的问题仍然存在。第三层交换第三层交换的实质是基于
8、硬件的路由，数据包的发送也是通过ASIC芯片来完成的。在园区网设计中，第三层交换机可以依靠协议、接口和特殊功能的支持来代替路由器，支持标准数据包头并改写TTL值的第三层交换模式叫逐包转发模式。高档的Layer 3 交换机的实现方法因生产厂家而异，Cisco的12000千兆交换路由器是以线速率实现包的快速转发的。Catalyst系列交换机使用的是通过ASIC芯片开发的超级交换引擎，Cisco的第三层交换机是跟标准相兼容的，可以把它当作高速路由器连到网络外部的设备上。Cisco的第三层交换机在Catalyst的基础上结合了IOS提供的多协议支持功能和基于第三层硬件交换的技术。路由交换模块RSM是一
9、个由IOS支持的和Cisco7500系列一样的RSP2引擎。NetFlow卡 是一个用来在Catalyst5000的超级引擎上升级的功能子卡，基于硬件的第三层交换机就是通过在NetFlow功能卡上的ASIC芯片来实现包交换的。第四层交换第四层交换指的是在硬件路由的基础上再加上应用程序的功能。在TCP或UDP数据流中，应用请求被编码成端口号放在数据报的头部。Cisco的路由器可以用扩展访问列表来控制数据传输，也可用NetFlow交换模式进行流量计算。Catalyst系列的交换机可以在第三层交换和第四层交换之间自由切换，当它被用作第三层交换的时候，NetFlow功能卡通过目标IP地址来区别数据流量
10、，当它被用作第四层交换的时候，NetFlow功能卡是通过原IP地址、目标IP地址、原端口号和目标端口号来区分数据流量的。因为两种模式都是基于同一种硬件的，所以两种模式几乎没有什么区别。如果是要通过应用程序来进行流量控制就选择第四层交换，如果是要通过应用程序进行流量统计就使用第三层交换。多层交换多层交换指的是“一次路由，然后交换”，它可以根据MAC地址、IP地址、协议和端口号进行交换。在高性能的网络中，这种技术被广泛采用。虚拟局域网VLAN和仿真局域网LANE在园区网中跨网段交换的实现方法是VLAN技术。一个VLAN是从物理网络布局独立出来的逻辑网络，可以跨交换机组成一个VLAN，每一个VLAN
11、是一个独立的广播域，功能和一个扩展桥接网段相似，STP通常在交换机之间起作用。图2展示了三个VLAN，分别是Pink、Purple和Green，每种颜色代表一个工作组，也表示一个逻辑子网：Pink = 172.16.1.0Purple = 172.16.2.0Green = 172.16.3.0图2 ：虚拟局域网VLAN技术支持园区在范围内实现VLAN的一个技术是VLAN关联(trunk)。VLAN关联使得在两个交换机之间可以传输多个逻辑网络的数据，交换机和路由器的VLAN关联只须连接一条网线。在图2中服务器X可以同时和三个VLAN交换数据，黄色的线路表示有ISL协议运行的部分，ISL负责传输
12、不同VLAN之间的信息。ISL、802.10和802.1Q都是用来在VLAN之间互相通信的标记协议，所谓标记就是在VLAN之间传输的数据帧头部添加了一个整数值，用来区别不同的VLAN。ATM上的LANE允许在单一的ATM网络上形成逻辑局域网，ATM上的LANE使用和VLAN相似的数据报头，使用ISL、802.10和802.1q协议，所以ELAN和以太网VLAN是相互兼容的。在图2中，交换机B和交换机C作为LANE的LEC客户身份连接三个VLAN，使他们能够通过ATM主干相互通讯。服务器B也是一个LEC，为VLAN服务，它能直接和三个VLAN相互通信。ATM LANE仿效以太网，在面向连接的AT
13、M中广播协议，网络中图中没有列出LANE配置服务器LECS、LANE服务器LES和未知广播服务器BUS，他们的作用是使LANE工作的更像以太网LAN，在Cisco LightStream1010、Catelyst5000的LANE卡和有ATM接口的路由器都支持这些功能。在一个VLAN上的以太网主机或服务器不能和另外一个VLAN的以太网主机或服务器相互访问。图2中，在VLAN Green中的客户机Z不能和VLAN Pink中的服务器Y相互通信，因为在两个VLAN中没由路由器提供服务，在后面的章节中，我们会讲到使用LANE技术来实现它们之间的通信。园区网设计的参考模型HUB和路由器模型图1展示了一个由路由器和HUB组成的传统园区网，其中访问层的设备是HUB，分布层由路由器组成，核心层是FDDI光纤环网。在分布层中，路由器的作用是控制广播数据和对网络进行分段。在HUB和路由器之间的每条线路相当于一个逻辑网络，或者说是一个子网。几个HUB也可以通过桥接而组成一个子网。这种模式的优点是可升级性比较好，因为路由器具有智能化的路由协议如OSPF和EIGRP等。分布层是访问层跟核心层的
