不同用途下交换机互联研究

1、    不同用途下交换机互联研究    姜家文, 陈建华 张爱平摘要：无处不在的信息网络是第三次工业革命的核心，交换机则是网络重要的组成部分。三层交换机的出现使得交换机互联方式复杂多变。该文以华为交换机为例，通过从报文底层帧格式着手，分析交换机不同互联方式的带来的影响，发现交换机之间最常用的连接方式是路由互联;需要二层互联时则需要将vlanif接口上移;特别地，搭配使用光模块和光纤的交换机可以达到延伸网络的效果。关键词： 交换机; 互联; vlan; 路由; 网络延伸：tp393        ：a：1009-30

2、44（2019）24-0031-02开放科学（资源服务）标识码（osid）：research on switch interconnection in different applicationsjiang jia-wen，chen jian-hua，zhang ai-pin（63601 army， jiuquan 732750， china）abstract：at the heart of the third industrial revolution is the ubiquitous information network， and switches are an important c

3、omponent. the emergence of layer 3 switches makes the switch interconnections complex and changeable. in this paper， huawei switches are employed as an example to analyze the impact of different interconnects on the switch. the most common connection between switches is route interconnection. for la

4、yer 2 interconnection， vlanif interface is required. upward; in particular， the use of optical modules and optical fibers with empty-pair switches can achieve the effect of network extension.key words：switch; connection; vlan; route; extension of internet第三次工业革命把人类带入了“信息时代”。互联网是此次工业革命的核心，集线器、网桥、交换机、

5、路由器和防火墙这些网络互联设备则是核心的基石1。随着技术的发展，具有每个端口独占带宽，全双工模式工作优势的交换机，逐步取代了集线器和网桥。尽管交换机可以隔离冲突域，但所有端口仍处于同一广播域。出于对安全和管理方便的考虑，必须把大型局域网通过vlan技术划分为小局域网2。然而许多时候，各个vlan间又存在通信需求，单纯使用路由器来实现vlan间访问，存在端口数量有限，转发速度相比交换机较慢的缺点。基于这种情况三层交换机应运而生，通过配置vlanif接口实现三层网络转发。但正因为三层交换机出现使得交换机互联的情况变得复杂多变，本文以华为交换机为例，通过从底层具体帧格式切入，分析交换机不同互联方式带

6、来的影响，得出不同用途下交换机最佳互联方式。1 互联初衷交换机最初仅工作在osi七层模型的第二层，链路层3。此时交换机根据链路层帧头，如以太网帧头，进行数据交换。交换机具有较多的接口，每个接口独占带宽。百兆交换机，每个接口可同时支持百兆数据交换，因此很适合作为局域网的中枢。在局域网中，交换机主要因为两种原因需要互联。一是接入设备过多，需要提供超过一台交换机最大接口数量的接入。其次以太网信号通过常见的双绞线最远传输距离是100米，超过100米会出现数据延迟、丢包等现象而无法使用，使得楼间等网絡铺设需要网络中继设备4。通过目前大部分交换机提供光模块接口，通过单模光纤可提供高达20km的传输。但是无

7、论是接口过少、距离太远的原因，还是简单的双绞线电口、光模块使用光纤互联方式，都仅仅是物理上的连接，并不能深入了解交换机互联的工作原理。2 交换机互联类型以太网帧格式如下图1所示5，其中802.1p/q标签中vlan id一项用于标识不同vlan的数据包。交换机识中所有数据帧都具有该标签。对于华为交换机，出厂配置时每个接口属于hybrid模式，数据帧进入时打上vlan 0的默认标签，出交换机时去掉vlan 0的默认标签。因此默认情况下，交换机内部所有数据帧带有vlan 0的默认标签。2.1 局域网互联用于同一个子网局域网时，交换机使用出厂配置，通过光纤或双绞线，将交换机任意口串行互联即可。将接入

8、设备ip地址配置在同一子网并接入交换机，可实现互联互通。两交换机间数据量较大时，可使用千兆上行接口作为互联口，或者使用链路聚合技术。此种互联方法虽然简单，但由于交换机所有口均属于同一个广播域，当接入过多设备时，容易引起广播风暴，整个网络的鲁棒性较小，同时广播的存在还会大大降低关键设备的信息安全。2.2 跨交换机vlan互联为了解决大局域网中的广播问题，通过图1数据帧802.1p/q标签中vlan id号的不同将其划分为许多小的虚拟局域网，即vlan。vlan可以隔绝广播，解决了大局域网广播风暴和安全性问题。默认情况下电脑网卡并不能识别带vlan标签的数据帧，因此需要对接入电脑等服务终端交换机接

9、口进行配置，去掉相应vlan标签后传出。对于交换机的互联接口，则必须保留vlan标签，这样才能达到不同交换机上同vlan间的互联互通。在许多情况下，vlan之间也需要互相通信。比如，一般网络设计都会讲服务器划分进一个单独的vlan，但服务器一般需要和多vlan内的主机进行通信6。2.3 vlan间互通为了实现多vlan间的互相通信，需要osi七层模型中的第三层网络层的参与，通过路由实现互通。如果仅仅为了使局域网中vlan互相通讯，使用路由器，会产生较大的额外硬件开销，同时单臂路由回传也会产生性能瓶颈。因此通常使用三层交换机实现vlan互通。以华为三层交换机为例，每个vlan对应一个逻辑vlan

10、if接口，可以对其配置ip地址，同一个交换机不同vlanif接口间是默认互通的，不同交换机vlanif接口之间可以通过路由协议实现互联互通。因此存在如下图2所示两种互联方式。图2左将vlanif接口都配置在汇聚交换机上，接入交换机划分vlan并将相应接口放入对应vlan中。二层不同vlan数据帧通过汇聚交换机三层逻辑互联vlanif接口实现了通讯，完成了远距离的数据传输。图2右的连接方式则完全不同于图2左。对于图2左，尽管vlanif接口仅在汇聚交换机上配置，但本质上可以将接入汇聚交换机看成一个大的逻辑交换机。交换机之间的线路上是通过trunk模式或者hybrid模式连接，即线路上的数据帧带有

11、vlan标签。对于图2右，交换机互连口工作在access口模式，即线路上的数据帧是不带有vlan标签的。此时，两交换机之间的连接更加类似于路由器之间的连接，相应连接口是否划分在一样的vlan已不再重要。对于华为交换机来说，不支持直接将二层接口转换为三层接口并配置ip地址。一般采取的方法是在交换机上划分一个单独的数据传输vlan，在该vlan相应的vlanif接口上配置ip地址，用于与其他路由交换设备之间的数据传输。同一个交换机上，其他vlan需要外传的数据通过该数据传输vlan向外中转。不同三层交换机vlanif接口，则通过路由协议等方式实现互通。因此，使用此种互联方式时，互联接口遵循路由器之

12、间连接的所有规则，唯一区别，是路由器直接在相应三层接口下配置，而三层交换机在vlanif接口下配置。进一步，三层交换机与路由器互联时也应该采用右图中的连接方式。因为路由器除了子接口外并不能识别带有vlan标签的数据帧。左图的连接方式，优点在于配置简单，ip地址浪费较少，但需要谨慎选择配置vlanif接口的交换机，同时vlan在所有交换机上有效，需要合理分配vlan。右图的连接方式，优点在于不用考虑连接交换机的vlan分配，但需要更多的ip地址段，同时还需要进行路由协议配置。三层交换机的出现其实是相比于交换机，路由器性能不足的妥协。交换机主要是依靠硬件工作，而路由器更多依靠软件工作。随着技术的进

13、步，路由器的性能最终将得到改进，得以匹配交换机的性能。因此vlanif接口的连接方式将越来越少，图2右中连接方式将更加流行。3 不同用途下交换机互联在实际组网过程中，需要根据实际情况综合使用以上所有连接方式。如下图3所示，交换机1位于数据机房，上行链路接核心交换机或者路由器，下挂3个接入交换机。交换机5是交换机2的延伸。当接入设备距离网络中枢距离较远时，可以采用光模块加光纤的模式，作为网络的延伸。如果接入交换机之间需要二层互通时，不考虑使用xvlan等大二层技术时，应该将跨交换机互通vlan对应vlanif接口放置于最顶层的交换机1上7。为方便设备的管理，一般对同一类设备跨地域使用时，比如ip

14、电话，可能会使用此种连接方式。如图中交换机3和交换机5之间，由于使用到了ip电话，可以将vlanif接口配置在交换机1上，这样不同的ip电话之间可以二层互通，减少语音延迟。但需要考虑设备数量，避免过小ip地址段，使得可用ip地址数量小于设备数量。其他情形下，在ip地址充足的情况下，可以使用路由方式互联，以减少跨区域vlan的管理8。最大的好处在于底层交换机之间的vlan划分互不影响，可以随意划分，同时，不必考虑vlanif接口的汇聚点，所有数据包均通过每台交换机传输vlan进行传送。网络拓扑显得简单可靠，不易产生错误，减轻网络管理人员的负担。当交换机数量较多时，更建议使用此种连接方式。如图中交

15、换机4和交换机1之間的连接。4 结束语该文首先提出了交换机互联的必要性，然后介绍了交换机间连接方式的分类，特别地从底层以太网帧头格式出发，最后以一个实际的示例，展示了不同连接方式的使用场合。得出以下结论：（1）交换机之间最常用的连接方式是路由互联;（2）当设备需要二层互联时则需要将vlanif接口上移，便于vlan间的数据交换;（3）空配的交换机使用光模块和光纤可以达到网络延伸的效果。参考文献：1 cohen-almagor r. internet historym/moral， ethical， and social dilemmas in the age of technology： theories and practice. igi global， 2013： 19-39.2 朱仕耿.hcnp路由交换学习指南m.人民邮电出版社， 2017.3 王达.华为交换机学习指南j. 2014.4 姜惠民.教育部职业教育与成人教育司推荐教材 网络布线与小型局域网搭