交换机(学习资料)

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1、交换机的交换容量又称为背板带宽或交换带宽，是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间 所能吞吐的最大数据量。交换容量表明了交换机总的数据交换能力，单位为Gbps, 般的交换机 的交换容量从几Gbps到上百Gbps不等。一台交换机的交换容量越高，所能处理数据的能力就越强， 但同时设计成本也会越高。我们如何去衡量一个交换机的交换容量是否够用呢？1）所有端口容量乘以端口数量之和的2倍应该小于交换容量，这样可实现全双工无阻塞交换, 证明交换机具有发挥最大数据交换性能的条件。2）满配置吞吐量（Mpps）=满配置端口数x1.488Mpps,其中1个千兆端口在包长为64字节 时的理论吞吐量为 1.488Mpps

2、。交换容量资源的利用率与交换机的内部结构息息相关。目前交换机的内部结构主要有以下几 种：一是共享内存结构，这种结构依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接，由核心引擎检查 每个输入包以决定路由。这种方法需要很大的内存带宽、很高的管理费用，尤其是随着交换机端口 的增加，中央内存的价格会很高，因而交换机内核成为性能实现的瓶颈：二是交叉总线结构，它可 在端口间建立直接的点对点连接，这对于单点传输性能很好，但不适合多点传输；三是混合交叉总 线结构，这是一种混合交叉总线实现方式，它的设计思路是，将一体的交叉总线矩阵划分成小的交 叉矩阵，中间通过一条高性能的总线连接。其优点是减少了交叉总线数，降低了成本，

3、减少了总线 争用：但连接交叉矩阵的总线成为新的性能瓶颈。1 ）线速的背板带宽考察交换机上所有端口能提供的总带宽。计算公式为端口数*相应端口速率*2（全双工模式）如 果总带宽三标称背板带宽，那么在背板带宽上是线速的。2）第二层包转发线速第二层包转发率=千兆端口数量x1.488Mpps+百兆端口数量*0.1488Mpps+其余类型端口数*相应 计算方法，如果这个速率能三标称二层包转发速率，那么交换机在做第二层交换的时候可以做到线 速。3）第三层包转发线速第三层包转发率=千兆端口数量xl.488Mpps+百兆端口数量*0.1488Mpps+其余类型端口数*相应 计算方法，如果这个速率能 标称三层包转

4、发速率，那么交换机在做第三层交换的时候可以做到线 速。那么,1.488Mpps是怎么得到的呢？包转发线速的衡量标准是以单位时间内发送64byte的数据 包（最小包）的个数作为计算基准的。对于千兆以太网来说，计算方法如下：1，000，000，000bps/8bit/ （64 + 8 + 12） byte=1,488,095pps说明：当以太网帧为64byte时，需考虑8byte的帧头和12byte的 帧间隙的固定开销。故一个线速的千兆以太网端口在转发64byte包时的包转发率为1.488Mpps。快 速以太网的统速端口包转发率正好为千兆以太网的十分之一，为148.8kpps。*对于万兆以太网，一

5、个线速端口的包转发率为14.88Mpps。*对于千兆以太网，一个线速端口的包转发率为1.488Mpps。*对于快速以太网，一个线速端口的包转发率为0.1488Mpps。*对于0C - 12的POS端口，一个线速端口的包转发率为1.17Mpps。*对于 OC48 的 POS 端口，一个线速端口的包转发率为 468MppS。所以说，如果能满足上面三个条件，那么我们就说这款交换机真正做到了线性无阻塞背板带宽资源的利用率与交换机的内部结构息息相关。目前交换机的内部结构主要有以下几种： 一是共享内存结构，这种结构依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接，由核心引擎检查每个 输入包以决定路由。这种方法需要

6、很大的内存带宽、很高的管理费用，尤其是随着交换机端口的增 加，中央内存的价格会很高，因而交换机内核成为性能实现的瓶颈；二是交叉总线结构，它可在端 口间建立直接的点对点连接，这对于单点传输性能很好，但不适合多点传输；三是混合交叉总线结 构，这是一种混合交叉总线实现方式，它的设计思路是，将一体的交叉总线矩阵划分成小的交叉矩 阵，中间通过一条高性能的总线连接。其优点是减少了交叉总线数，降低了成本，减少了总线争用； 但连接交叉矩阵的总线成为新的性能瓶颈。包转发率：单位一般为pps,packet per second,一般指3层的转发速率（二层转发速率没有太大意 义，交换机在很早就实现了线速转发wire

7、speed forwarding）。衡量转发率时，一般用小包即64字 节的包。原因：早期的路由器上共享内存架构，每一条新流必须查找一次路由表而查找路由表的工 作由CPU进行，而由于当时路由器CPU的处理速度很低远远无法对快速以太网之类的介质做快速转发。采用小包来测试可以测试出路由器路由表查找能力（包越小，则需要查找路由表的次数越多， 这个很好理解吧？）。交换容量：单位一般为G,早期路由器一般为总线体系结构，所有的接口和CPU通过一根PCI 总线线路（对，就是PC上的PCI总线，C7200当前也还是采用这种体系结构）。众所周知，总线 系统的转发性能很有限，一般为8G。因此在测试时采用1500字节

8、的大包，力图在测试中尽量将路 由器的总线给塞满，以测试出路由器的交换容量。1）交换容量两块主控板（含 Crossbar 交换网片） 11 冗余备份。每块接口板通过两条高速总线分别连到两块主控板上的Crossbar，两条高速总线1+1冗余备份。每条高速总线由6对（12条）3.125Gbps的SERDES 组成，带宽为37.5Gbps，有效带宽为30Gbps（ 8B/10B编码），两块主控板负荷分担时有效带宽 60Gbps。即每块接口板带宽：Serders总线数量x每条Serdes的带宽x（ 8B/10B编码的开销）x两块 主控板负荷分担：（6x2）x3.125x（8B/10B）x2 = 60Gb

9、ps/CardS8505: 60Gbps/Card * 5 = 300GbpsS8508: 60Gbps/Card * 8 = 480GbpsS8512: 60Gbps/Card * 12= 720GbpsS8502 吞吐量：单交换网板时， 120G + 2 * 60G = 240Gbps；双交换网板时， 120G * 2 = 240Gbps；2）背板带宽两块主控板（含Crossbar交换网片）：1 + 1冗余备份。每块接口板通过两条高速总线分别连到两块 主控板上的Crossbar，两条高速总线1+1冗余备份。每条高速总线由6对（12条）3.125Gbps的SERDES 组成。同时预留一倍高速

10、总线用于交换容量翻倍。 S8512 背板的 Serdes （高速差分线）数量为 6x2x2x12x2 =576;背板带宽为：576 x3.125Gbps= 1.8Tbps。同理：S8508背板的Serdes（高速差分线）数量为6x2x2x8x2 = 384;背板带宽为384 x 3.125Gbps= 1.2Tbps S8505背板的Serdes（高速差分线）数量为6x2x2x5x2 = 240;背板带宽为240 x 3.125Gbps= 750Gbps S8502背板的Serdes （高速差分线）数量为6x12x2 =144;背板带宽为144 x 3.125Gbps= 450Gbps 3 ）

11、包转发率线速1Gbps等效于包转发率（按最小包长64字节计算）：（1x10A9 bit/s） / （ 84Byte/packet * 8bit/Byte ） = 1.488 MppsS8500系列分布式转发，每块接口板可支持24 Ge线速：24 Gbps *1.488 Mpps/Gbps = 35.712Mpps /CardS8512 包转发率：35.712 Mpps/card * 12 cards =428.54 Mpps取整数 428Mpps。类似的，S8508、S8505、S8502 包转发率分别为 285Mpps, 178Mpps、142Mpps。4）业务板性能Firewall的性能：

12、64字节包长200Mbps，1500字节包长2Gbps;IPSec性能：64字节包长70Mbps，1400字节包长600Mbps;NAT处理能力约为4.5Mpps（ 3GE线速）；VPLS处理能力约为4.5Mpps（ 3GE线速）；交换式局域网所有站点都连接到一个交换式集线器或局域网交换机上。交换式集线器或局域网 交换机具有交换功能，它们的特点是：所有端口平时都不连通，当工作站需要通信时，交换式集线 器或局域网交换机能同时连通许多端口，使每一对端口都能像独占通信媒体那样无冲突的传输数 据，通信完成后断开连接。由于消除了公共的通信媒体，每个站点独自使用一条链路，不存在冲突 问题，可以提高用户的平

13、均数据传输速率，即容量得以扩大。交换式局域网的优点：（ 1）采用星型 拓扑结构，容易扩展，而且每个用户的带宽并不因为互连的设备增多而降低。（ 2）由于消除了公共 的通信媒体，每个站点独自使用一条链路，不存在冲突问题，可以提高用户的平均数据传输速度。 交换式局域网无论是从物理上还是逻辑上都是星形拓扑结构，多台交换式集线器可以串接，连成多 级星形结构。交换式局域网可向用户提供共享式局域网不能实现的一些功能，主要包括以下几个方面：（ 1）隔离冲突域在共享式以太网中，使用 CSMA/CD 算法来进行介质访问控制。如果两个或 者更多站点同时检测到信道空闲而有帧准备发送，它们将发生冲突。一组竞争信道访问的

14、站点称为 冲突域。显然同一个冲突域中的站点竞争信道，便会导致冲突和退避。而不同冲突域的站点不会竞 争公共信道，它们则不会产生冲突。在交换式局域网中，每个交换机端口就对应一个冲突域，端口 就是冲突域终点，由于交换机具有交换功能，不同端口的站点之间不会产生冲突。如果每个端口只 连接一台计算机站点，那么在任何一对站点之间都不会有冲突。若一个端口连接一个共享式局域网， 那么在该端口的所有站点之间会产生冲突，但该端口的站点和交换机其他端口的站点之间将不会产 生冲突。因此，交换机隔离了每个端口的冲突域。（2）扩展距离交换机可以扩展LAN的距离。每个交换机端口可以连接不同的LAN，因此， 每个端口都可以达到

15、不同LAN的技术所要求的最大距离，而与连接到其他交换机端口 LAN的长度 无关。(3) 增加总容量在共享式LAN中，其容量由所有接入设备共享。而在交换式局域网中，由于 交换机的每个端口具有专用容量，交换式局域网总容量随着交换机的端口数量而增加。所以交换机 提供的数据数传输容量比共享式LAN大得多。(4) 数据率灵活性对于共享式LAN,不同LAN采用不同数据率，但连接到同一共享式LAN 的所有设备必须使用同样的数据率。而对于交换式局域网，交换机的每个端口可以使用不同的数据 率，所以可以以不同数据率部署站点，非常灵活。基本原理交换式局域网的核心设备使局域网交换机，局域网交换机可以在它的多个端口之间

16、建立多个并 发连接。典型的交换式局域网使交换式以太网(switchedEthernet)，它的核心部件是以太网交换机(Ethernetswitch )。以太网交换机可以有多个端口，每个端口可以单独与一个结点连接，也可以与 一个共享介质式的以太网集线器连接。 1.局域网交换机的分类：按照所执行的功能不同，局域网交 换机可以分为两种。(1)二层交换：执行桥接功能，是根据MAC地址转发数据，交换速度快，但 控制功能弱，没有路由选择功能。(2)三层交换：是根据 IP 地址转发数据，具有路由功能。三层 交换是二层交换与路由功能的有机组合。技术特点( 1)低交换延迟。这是交换机得主要特点。从传输延迟的量级来看，如果交换机为几十微秒， 则网桥为几百微秒，路由器为几千微秒。(2 )支持不同的传输速率和工作模式。交换机的端口可以支持不同的传输速率，如支持