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解决以太网交换机参数的困惑
作者:系统管理员    发布于:2018-06-25 14:50:37    文字:【】【】【
摘要:目前以太网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。
下面文章进行有效的说明下以太网交换机的参数配置问题,交换机根据工作协议层可以划分为第二层交换机、第三层交换机和第四层交换机,根据是否支持网管功能可以划分 网管型交换机和非网管理型交换机。

包转发率标志了交换机转发数据包能力的大小。单位一般位pps(包每秒),一般交换机的包转发率在几十Kpps到几百Mpps不等。包转发速率是指交换机每秒可以转发多少百万个数据包(Mpps),即交换机能同时转发的数据包的数量。

包转发率以数据包为单位体现了交换机的交换能力。 其实决定包转发率的一个重要指标就是交换机的背板带宽,背板带宽标志了交换机总的数据交换能力。一台交换机的背板带宽越高,所能处理数据的能力就越强,也就是包转发率越高。

交换机的背板带宽交换机的背板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。背板带宽标志了交换机总的数据交换能力,单位为Gbps,也叫交换带宽,一般的交换机的背板带宽从几Gbps到上百Gbps不等。一台交换机的背板带宽越高,所能处理数据的能力就越强,但同时设计成本也会越高。

但是,我们如何去考察一个交换机的背板带宽是否够用呢?一般来讲,我们应该从两个方面来考虑:

1)所有端口容量乘以端口数量之和的2倍应该小于背板带宽,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×1.488Mpps,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。例如,一台最多可以提供64个千兆端口的交换机,其满配置吞吐量应达到64×1.488Mpps=95.2Mpps,才能够确保在所有端口均线速工作时,提供无阻塞的包交换。

如果一台交换机最多能够提供176个千兆端口,而宣称的吞吐量不到261.8Mpps(176×1.488Mpps=261.8Mpps),那么用户有理由认为该交换机采用的是有阻塞的结构设计。 一般是两者都满足的交换机才是合格的交换机。 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。

2、以太网交换机堆叠

交换机堆叠是通过厂家提供的一条专用连接电缆,从一台交换机的"UP"堆叠端口直接连接到另一台交换机的"DOWN"堆叠端口。以实现单台交换机端口数的扩充。一般交换机能够堆叠4~9台。

为了使交换机满足大型网络对端口的数量要求,一般在较大型网络中都采用交换机的堆叠方式来解决。要注意的是只有可堆叠交换机才具备这种端口,所谓可堆叠交换机,就是指一个交换机中一般同时具有"UP"和"DOWN"堆叠端口。

当多个交换机连接在一起时,其作用就像一个模块化交换机一样,堆叠在一起交换机可以当作一个单元设备来进行管理。一般情况下,当有多个交换机堆叠时,其中存在一个可管理交换机,利用可管理交换机可对此可堆叠式交换机中的其他“独立型交换机”进行管理。可堆叠式交换机可非常方便地实现对网络的扩充,是新建网络时最为理想的选择。

堆叠中的所有交换机可视为一个整体的交换机来进行管理,也就是说,堆叠中所有的交换机从拓扑结构上可视为一个交换机。堆栈在一起的交换机可以当作一台交换机来统一管理。

交换机堆叠技术采用了专门的管理模块和堆栈连接电缆,这样做的好处是,一方面增加了用户端口,能够在交换机之间建立一条较宽的宽带链路,这样每个实际使用的用户带宽就有可能更宽(只有在并不是所有端口都在使用情况下)。另一方面多个交换机能够作为一个大的交换机,便于统一管理。

3、交换方式目前交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式交换、存储转发式和碎片隔离方式三种数据包交换方式。目前的存储转发式是交换机的主流交换方式。

(1)、直通交换方式(Cut-through) 采用直通交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时,检查该包的包头,获取包的目的地址,启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口,在输入与输出交叉处接通,把数据包直通到相应的端口,实现交换功能。

由于它只检查数据包的包头(通常只检查14个字节),不需要存储,所以切入方式具有延迟小,交换速度快的优点。所谓延迟(Latency)是指数据包进入一个网络设备到离开该设备所花的时间。

它的缺点主要有三个方面:一是因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来,所以无法检查所传送的数据包是否有误,不能提供错误检测能力;第二,由于没有缓存,不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通,而且容易丢包。

如果要连到高速网络上,如提供快速以太网(100BASE-T)、FDDI或ATM连接,就不能简单地将输入/输出端口“接通”,因为输入/输出端口间有速度上的差异,必须提供缓存;第三,当以太网交换机的端口增加时,交换矩阵变得越来越复杂,实现起来就越困难。 

(2)、存储转发方式(Store-and-Forward) 存储转发(Store and Forward)是计算机网络领域使用得最为广泛的技术之一,以太网交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来,先检查数据包是否正确,并过滤掉冲突包错误。

确定包正确后,取出目的地址,通过查找表找到想要发送的输出端口地址,然后将该包发送出去。正因如此,存储转发方式在数据处理时延时大,这是它的不足,但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测,并且能支持不同速度的输入/输出端口间的交换,可有效地改善网络性能。

它的另一优点就是这种交换方式支持不同速度端口间的转换,保持高速端口和低速端口间协同工作。实现的办法是将10Mbps低速包存储起来,再通过100Mbps速率转发到端口上。 

(3)、碎片隔离式(Fragment Free) 这是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案。它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节(512 bit),如果小于64字节,说明是假包(或称残帧),则丢弃该包;如果大于64字节,则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快,但比直通式慢,但由于能够避免残帧的转发,所以被广泛应用于低档交换机中。

使用这类交换技术的交换机一般是使用了一种特殊的缓存。这种缓存是一种先进先出的FIFO(First In First Out),比特从一端进入然后再以同样的顺序从另一端出来。当帧被接收时,它被保存在FIFO中。

如果帧以小于512比特的长度结束,那么FIFO中的内容(残帧)就会被丢弃。因此,不存在普通直通转发交换机存在的残帧转发问题,是一个非常好的解决方案。数据包在转发之前将被缓存保存下来,从而确保碰撞碎片不通过网络传播,能够在很大程度上提高网络传输效率。

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