交换机(学习资料)

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。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，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OC－48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,packetpersecond,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wirespeedforwarding）。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）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，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=60Gbps/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：576x3.125Gbps=1.8Tbps。同理：S8508背板的Serdes（高速差分线）数量为6x2x2x8x2=384;背板带宽为384x3.125Gbps=1.2TbpsS8505背板的Serdes（高速差分线）数量为6x2x2x5x2=240;背板带宽为240x3.125Gbps=750GbpsS8502背板的Serdes（高速差分线）数量为6x12x2=144;背板带宽为144x3.125Gbps=450Gbps3）包转发率线速1Gbps等效于包转发率（按最小包长64字节计算）：（1x10A9bit/s）/（84Byte/packet*8bit/Byte）=1.488MppsS8500系列分布式转发，每块接口板可支持24Ge线速：24Gbps*1.488Mpps/Gbps=35.712Mpps/CardS8512包转发率：35.712Mpps/card*12cards=428.54Mpps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：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。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。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10Mbps、100Mbps等。端口可以支持两种工模式全双工和半双工。(3)高传输宽带。(4)支持虚拟局域网服务。交换局域网是虚拟局域网的基础，当前的交换机基本上都只持虚拟局域网。编辑本段局域网交换机内部结构交换机的内部结构决定交换机的性能，目前采用的内部结构主要有4种：(1)共享式存储器结构:共享储存器结构是帧直接从存储器传送到输出端口，各模块之间不需要用背板总线连接，依赖中心交换引擎来提供全端口的高性能连接，由中心交换引擎检查每个输入包以决定路由。这种方式容易实现，但需要很大的内存容量，很高的管理费用。且由于访问储存器需要时间，不可能在较大的端口数之间实现线速交换，因此比较适合于小系统交换机。（2）交叉总线结构：交叉总线式结构在端口间建立直接的点对点连接，每一模块都直接和任何其他模块相连。每一模块自己处理连接问题。不需要中心交换陈列模块进行集中控制。这种结构适合单点传输，对于多点传输存在一定的问题。（3）混合交叉总线结构：混合交叉总线结构是在交叉总线结构的基础上改进得来的。它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。优点是减少了交叉总线数，降低了成本，还减少了总线争用。但连接交叉矩阵的总线可能称为新的性能瓶颈。（4）环形总线结构：这种结构在1个环内最多支持4个交换引擎并且允许不同速度的交换矩阵互联，环与环之间通过交换引擎连接。与前几种结构不同的是此种结构有独立的一条控制总线，用于搜集总线状态、处理路由、流量控制和清理数据总线。环形总线结构的最大优点是扩展能力强，成本低，因为采用环形结构，很容易聚集带宽，当端口数增加的时候，带宽就相应增加了。另外，它还有效的避免了系统扩展时造成的总线瓶颈。交换方式交换机的交换方式一般地，交换机主要通过以下4中方式实现交换。（1）直通式：在这种模式下，交换机只需要知道帧的目的MAC地址就可以成功的将帧转发到目的地。在交换机读取到帧中足够的信息并能识别出目的地址后，它将立即把帧发送到目的端口。直通式的优点是由于不需要存储，延迟非常小，交换非常快。但是缺点是由于没有缓存，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，而且容易丢包。（2） 存储转发：存储转发方式是将输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找MAC地址表转换成输出端口送出包。由于这种方式可以对进入交换机的数据包进行错误检测，使网络中的无效帧大大减少，所以可有效的改善网络性能。但是缺点是由于需要存储再转发，导致数据处理时延大，然而随着ASIC的降低以及处理器的速度的增加，许多新的交换机都可以在很短的时间内完成整个帧的检查，所以这种交换方式应用比较广泛。（3） 碎片隔离：碎片隔离是上述两种技术的综合。它检查数据包的长度是否够64B,如果小于这个值，说明是假包，则丢弃该包；如果大于这个值，则发送该包。这种方式也不能提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。（4）智能交换模式:智能交换模式集中了直通式和存储转发式两者的优点。只要可能，交换机总是采用直通式模式，但是一旦网络出错率超过了事先设定的阈值，交换机将采用存储转发模式，当网络出错率下降后，又重新开始直通式模式。技术特点低交换延迟这是局域网交换机的主要特点，从传输延迟时间的量级来看，如果局域网交换机为几十RS,那么网桥为几百RS,而路由器为几千gSo支持不同的传输速率和工作模式局域网交换机的端口可以设计成支持不同的传输速率，例如支持10Mb/s的端口、支持100Mb/s的端口、支持100Mb/s的端口。同时，端口还可以设计成支持半双共和全双工两种工作模式。支持虚拟局域网服务交换式局域网是虚拟局域网的基础,目前的Ethernet交换机基本上都可以支持虚拟局域网服务。高传输带宽编辑本段全双工局域网全双工局域网的概念所有共享式局域网都是半双工方式的，即信道在任何时候只能在一个方向上传输数据，要么就是发送数据，要么就是接收数据，不能二者兼而有之。因为共享式局域网中所有的用户都依赖单条共享介质，所以在技术上不可能同时发送和接收数据。全双工局域网每个站点可以同时发送和接收数据，一对线用于发送数据，另一对线用于接收数据。交换技术是全双工以太网的必要前提，因为全双工要求只有两个站的点对点的连接。但有一点要注意，交换式局域网并不自动就是全双工操作，只有在交换器中设置了全双工端口以及做一些相应的改进，交换式局域网才是全双工局域网。全双工局域网的优点由于同时发送和接收，这在理论上可以使传输速度翻一番。例如工作于全双工模式的10BASE-T双绞线链路速率可达20Mbit/s。网段长度不再受共享介质半双工局域网计时要求的限制，它只受介质系统本身传输信号能力的限制。例如，在半双工模式下，100BASE-FX光纤网段长度限制为412m,而同样的介质系统在全双工模式下的长度可达2000m。3.全双工局域网标准IEEE与1997年3月正式制定了802.3x全双工局域网标准。该标准规定了全双工操作的使用方法以及全双工流量控制机制。IEEE802.3X标准规定全双工操作应该满足以下要求：物理介质必须不受干扰地支持同步发送和接收信号；全双工点对点链路必须连接两个站点；局域网上的两个站点都可以而且已配置成使用全双工模式。这意味着两个局域网接口必须可以同时发送和接收帧。编辑本段虚拟局域网(VLAN)编辑本段体系结构大型局域网总是由多个局域网通过多种网络互连设备，如网桥、路由器或交换机等连接而成的。由于对局域网带宽不断增长的要求必须在以太网或令牌环网固定的10Mbps或16Mbps的带宽限制下，所以在一个典型的局域网设计中不同局域网段的数目正迅速性地增长着。交换式局域网，作为一种能通过增加网段提高局域网容量的技术，已经迅速地确立了它自己的地位。这是因为局域网交换机能够以较低的成本在多个网段提供高质量的报文传输服务。这正如以前的路由器，作为连接局域网段的互连设备曾大量替代了互连网桥，而现在交换机趋向于替代局域网中的路由器。交换式局域网中路由选择的作用：在了解局域网中交换和路由选择各自的作用之前，首先应该明白这两种技术的差别。局域网交换机有点象网桥，通常它们互连同种类型的局域网段，如都是以太网段或都是令牌环网段的情形。它们在端口之间透明地传送信息，以令牌环网为例，就是用源路由选择的方法。透明交换机对端站是不可见的，它们通过检查传送到它们端口的局域网段中的所有信息包来进行学习，从而得知各站点的位置，并根据在每个信息包中的目的网络地址把信息包送往适当的端口。这也意味着它们的运作独立于与端站之间互相通信的协议，不管是TCP/IP协议，还是NovellIPX，NETBIOS或者IBM的SNA协议。令牌环网的源路由选择交换机与透明交换机不同之处仅在于，源路由选择交换机是根据由端站往每个信息包中插入的信息来把信息包送往相应的端口，同样这也是独立于下层网络协议的。但在一些情况中，交换机可用来互连不同类型的局域网，例如，一些交换机可互连FDDI主干网和以太网段。在这种情形下，交换机只是在以太网和FDDI帧之间作些简单的转换工作，这样就遵循了对端站的透明性原则。另一方面，路由器被设计成具有把任何类型的网络信息包传送到任何其他类型网络的能力，它们对端站是不透明的：事实上，当一个以太网的端站想要路由器另一端的站点进行通信时，它只是对相应的路由器进行寻址，而不是目的站点。当一个路由器从一个以太网段收到一个要发往另一个网段的信息包时，路由器取出报文的头部，检查报头中的目的地址，然后根据这些信息查询相应的表，确定这个目的站点是否位于它的一个直接相连的局域网段中，否则，该信息包应被送往另一个路由器，在作出相应的决定后，这个路由器将为这个信息包添加新的报头并将它发送出去。为了确定信息包往哪一个端口转发，路由器要维护复杂的查找表，这些表是由每个路由器与网络中的其它路由器相互合作