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交换机的三种连接方式:级联、堆叠和集群,图文并茂详细解答

2022-01-06    智能化弱电工程分享
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交换机的三种连接方式:级联、堆叠和集群,图文并茂详细解答

 

概述:

交换机的连接主要有三种方式,级联方式、堆叠方式和集群方式。

级联方式实现简单,只需一根普通的双绞线即可,节约成本而且基本不受距离的限制。而堆叠方式投资相对较大,且只能在很短的距离内连接,实现起来比较困难。集群连接方式,就是将多台互相连接(级联或堆叠)的交换机作为一台逻辑设备进行管理。

交换机的三种连接方式:级联、堆叠和集群,图文并茂详细解答

 

1、级联

这是最常用的一种多台交换机连接方式,它通过交换机上的级联口(UpLink)进行连接。需要注意的是交换机不能无限制级联,超过一定数量的交换机进行级联,最终会引起广播风暴,导致网络性能严重下降。级联设备之间是相互独立工作的,逻辑上是独立的。且不同厂商的设备之间理论上是可以互相级联的。级联又分为使用普通端口级联和使用Uplink端口级联。

级联一般是用来扩展扩大接口数量,增加下联用户的数量,同时级联还可以用来扩大网络的长度。

使用普通口来级联

所谓普通端口就是通过交换机的某一个常用端口(如RJ-45端口)进行连接。这时所用的连接双绞线要用反线(交叉线),即是说双绞线的两端要跳线(第1-3与2-6线脚对调)。

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Uplink口级联

在所有交换机端口中,都会在旁边包含一个Uplink端口。此端口是专门为上行连接提供的,只需通过直通双绞线将该端口连接至其他交换机上除“Uplink端口”外的任意端口即可(注意,并不是Uplink端口的相互连接)。

通常,uplink口会与某个端口(第一个或最后一个)共用链路,比如带uplink的8口集线器实际上有9口,uplink口和1口共用,即用了uplink口,1口就不能再被使用。

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级联中需要注意的问题

(1)级联时,各个设备必须启用生成树协议,防止生成环路,也要保证冗余链路

(2)理论上级联可以无限制地连接下去,但是实际上当级联设备增多时,会产生广播风暴的问题

(3)原则上任何厂家、任何型号的以太网交换机均可进行级联,但也不排除一些特殊情况下两台交换机无法进行级联。

(4)级联会产生级联瓶颈。

对于级联瓶颈,应该尽力保证交换机间中继链路具有足够的带宽,为此可采用全双工技术和链路汇聚技术。

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2、 堆叠

为什么有堆叠技术?

对于盒式交换机,经常用在网络的汇聚层和接入层。但是由于网络的规模不断提高,信息点密度越来越高,而盒式交换机的端口数量的相对固定,普通的级联不能很好地满足需求,其缺陷不断的暴露出来。比如管理困难,存在转发瓶颈等。为了更好地解决端口密度的增长问题,堆叠技术应运而生。

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堆叠的好处:

堆叠可以大大提高交换机端口密度和性能。 堆叠单元具有足以匹敌大型机架式交换机的端口密度和性能, 而投资却比机架式交换机便宜得多 ,实现起来也灵活得多。 这就是堆叠的优势所在。

机架式交换机可以说是堆叠发展到更高阶段的产物。 机架式交换机一般属于部门以上级别的交换机,它有多个插槽,端口密度大,支持多种网络类型,扩展性较好,处理能力强,但价格昂贵。

堆叠方式比级联方式具有更好的性能,信号不易衰竭,且通过堆叠方式,可以集中管理多台交换机,大大减化了管理工作量;如果实在需要采用级联,也最好选用Uplink端口的连接方式。因为这可以在最大程度上保证信号强度,如果是普通端口之间的连接,必定会使网络信号严重受损。

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什么是堆叠?

堆叠是指将一台以上的交换机组合起来共同工作,以便在有限的空间内提供尽可能多的端口。多台交换机经过堆叠形成一个堆叠单元。可堆叠的交换机性能指标中有一个"最大可堆叠数"的参数,它是指一个堆叠单元中所能堆叠的最大交换机数,代表一个堆叠单元中所能提供的最大端口密度。

目前,市场上的主流交换机可以细分为可堆叠型和非堆叠型两大类。而号称可以堆叠的交换机中,又有虚拟堆叠和真正堆叠之分。所谓的虚拟堆叠,实际就是交换机之间的级联。交换机并不是通过专用堆叠模块和堆叠电缆,而是通过Fast Ethernet端口或Giga Ethernet端口进行堆叠,实际上这是一种变相的级联。即便如此,虚拟堆叠的多台交换机在网络中已经可以作为一个逻辑设备进行管理,从而使网络管理变得简单起来。

真正的堆叠需要采用专用堆叠模块和堆叠总线进行堆叠,不占用网络端口;多台交换机堆叠后,具有足够的系统带宽,从而保证堆叠后每个端口仍能达到线速交换;多台交换机堆叠后,VLAN等功能不受影响。

此种连接方式主要应用在大型网络中对端口需求比较大的情况下。交换机的堆叠是扩展端口最快捷、最便利的方式,同时堆叠后的带宽是单一交换机端口速率的几十倍。但并不是所有的交换机都支持堆叠的,这取决于交换机的品牌、型号是否支持堆叠。它主要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。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。

采用堆叠方式的交换机要受到种类和相互距离的限制。首先实现堆叠的交换机必须是支持堆叠的;另外由于厂家提供的堆叠连接电缆一般都在1米左右,故只能在很近的距离内使用堆叠功能。

*堆叠是在背板上进行的,实际上是将多台交换机的背板进行了连接,所以性能会增强

 

虚拟堆叠

虚拟堆叠,实际上是通过软件层面虚拟成一台设备。一种虚拟化堆叠的实现方式:利用DDP协议(设备发现协议),指定一台交换机为命令主机,该交换机在开启协议后会自动搜索属于同一个域的成员交换机。如果把命令交换机比作文件目录的根目录,那么成员交换机就相当于根目录下的子目录子文件。交换机之间通过Ulink协议通信。共用命令设备的IP。

目前市场上有相当一部分可堆叠的交换机属于虚拟堆叠类型而非真正堆叠类型。 很显然,真正意义上的堆叠比虚拟堆叠在性能上要高出许多,但采用虚拟堆叠至少有两个好处 :虚拟堆叠往往采用标准 Fast Ethernet 或 Giga Ethernet 作为堆叠总线, 易于实现,成本较低 ;堆叠端口可以作为普通端口使用, 有利于保护用户投资 。采用标准 Fast Ethernet 或 Giga Ethernet端口实现虚拟堆叠,可以 大大延伸堆叠的范围 ,使得堆叠不再局限于一个机柜之内。

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堆叠主要有以下几种组建方式:

2.1菊花链式堆叠

菊花链堆叠模式是利用专用的堆叠电缆,将多台交换机以环路方式串接起来,组建成一个交换机堆叠组。菊花链堆叠模式中的冗余电缆只是冗余备份作用,也可以不连接。采用菊花链堆叠模式,从主交换机到最后一台交换机之间,数据包要历经中间所有交换机,传输效率较低,因此堆叠层数不宜太多。菊花链堆叠模式虽然保证了每个交换机端口的带宽,但是并没有使多交换机之间数据的转发效率得到提升,而且堆叠电缆往往距离较短,因此采用菊花链堆叠模式时,主要适用于有大量计算机的机房。

 

在菊花链式堆叠中,由于堆叠口的端口类型不同,又可以分为两种,单工堆叠和双工堆叠。

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单工堆叠就是指一个堆叠口只能收数据或者发数据,那么形成堆叠的话就需要两个口连接,一个口用来收(RX),一个口用来发(TX);

而支持双工堆叠的堆叠口即可收数据,又可发数据,所以在形成堆叠的时候只需要一个口连接即可。

在这儿值得注意的是,单工堆叠的时候,因为每个口只能收或者发,所以当两台设备相连的时候,一台设备发数据的接口必须接另外一台设备收数据的接口。

形如这样的堆叠方式就是线性堆叠(如上图右边部分),一般单工堆叠都是线性堆叠。而双工堆叠一般又叫环形堆叠。环形堆叠也有两种连接模式:

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这边大家需要着重理解示意图1和示意图2中最右半边的图的区别。虽然二者在连接示意图上形态相同,但是由于端口性质不同,所以二者之间实际上是完全不一样的。

环形堆叠相对于线形堆叠的好处在于,环形堆叠的冗余链路将会在其他正常链路的某一条出现故障时,承担故障链路的工作,从而能保证系统的高稳定性。

 

2.2 星形堆叠

星型堆叠技术是一种高级堆叠技术,对交换机而言,需要提供一个独立的或者集成的高速交换中心(堆叠中心),所有的堆叠主机通过专用的(也可以是通用的高速端口)高速堆叠端口上行到统一的堆叠中心,堆叠中心一般是一个基于专用ASIC的硬件交换单元,根据其交换容量,带宽一般在10-32G之间,其ASIC交换容量限制了堆叠的层数。星形堆叠要求交换机有足够的背板带宽,并且有多个堆叠模块,然后使用高速堆叠电缆将交换机的内部总线连接成为一条高速链路。

星形堆叠的优点是传输速度要远远超过交换机的级联模式,而且可以显著地提高堆叠交换机之间数据的转发速率。一个堆叠的若干台交换机可以视为一台交换机进行管理,只需赋予1个IP地址,即可通过该IP地址对所有的交换机进行管理,从而大大减少了管理的难度。

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星形堆叠的优势:

在于一台交换机到另一台交换机之间的转发路径要比菊花链式堆叠短,不会出现跨多台交换机的情况。(堆叠中心到其他交换机之间只有一层,每个交换机之间通信只需要转发两次)

星型堆叠劣势:

堆叠中心挂掉,导致所有设备不能上网;

但是,星形堆叠的成本较高,需要专用的堆叠中心支持,也与机箱式交换机的角色重复。

 

 

2.3 堆叠的原理

堆叠系统中的交换机,运行着一个堆叠的协议,随着堆叠进程的不断运行,堆叠状态机从一
个状态跃迁到另一个状态,状态跃迁如图 4 所示:

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Blocked:堆叠检测状态机挂起,此时设备可能刚刚上电、工作在单机模式下、完成堆叠检测的过
程;
Ready:开始进行堆叠检测;
Discovery:正在搜集堆叠成员信息;
Topo: 主机进行堆叠拓扑的配置。

从堆叠系统中的交换机上电,到整个系统堆叠完毕,需要经历以下基本过程:

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拓扑发现三个阶段:

使用 probe 报文,用于决定堆叠口的连接,搜集对端的堆叠口信息;本设备发出的 probe 报文记录着本机已知的堆叠口信息,当其他设备接收到probe 报文后,将本机的堆叠口信息增加到该报文中,并转发到本地所有的堆叠口,最终这个probe 报文回到发送者时就已经搜集到其他设备上已知的堆叠口信息,这些信息被更新到堆叠数据库中

使用 routing 报文,将本地搜集到的堆叠口信息传播到所有邻居;

使用 config 报文,用于各交换机间同步堆叠检测的结束状态。当本地堆叠口的接收/发送方向的信息都已搜集到后,本地交换机的堆叠状态标记为本地完成,表示本地设备已经完成堆叠发现工作。当堆叠数据库里的所有其他已知设备的堆叠状态都标记为本地完成,则本地交换机的堆叠状态就标记为全部完成,标识拓扑中的所有交换机设备都完成了堆叠发现工作。随后在每个设备的堆叠数据库基础上开始进行主从选举。

 

2完整的过程描述如下:

1、堆叠的建立

两台交换机启动时,通过相互竞争,其中一台成为堆叠主机,另一台成为堆叠备份机。竞争的规则如下:

第一,系统的运行状态:已启动并正常运行的交换机优先级高于正在启动的交换机,前者成为css主机。

第二,堆叠的优先级:如果运行状态相同,则优先级高的交换机成为CSS主机。

第三,mac地址大小:如果运行状态和堆叠优先级均相同,则MAC地址小的交换机成为CSS主机。

当2台交换机选出主、备机后,CSS主机的主用主控板就成为堆叠系统的主板,CSS备机的主用主控板则成为堆叠系统的备板。在系统主板和备板之间进行HA备份处理,CSS主机和备机的备用主控板将成为堆叠的候选系统备板。

 

2、堆叠的配置和转发

堆叠建立后,可以通过接口板上的业务端口、系统主板上的串口或网管口登陆CSS系统,进行业务配置和系统管理。CSS提供四维的接口视图(框/槽/卡/端口),支持对两台设备中的所有端口进行业务相关配置、操作。以框/槽为单位对两台设备中的所有单板进行管理,如查询单板信息、对单板进行复位等操作。在CSS环境下,业务流量转发同单框环境下的区别:跨设备的转发需要经过交换网两次。对于报文内容的处理没有区别,都需要进行一次上、下行处理。对外呈现为一台设备。

 

3、堆叠的分裂处理

堆叠建立后,堆叠主机和备份机定时发送心跳报文以维持堆叠状态。当2台设备心跳超时后,为了避免CSS线缆、CSS卡和主控板等硬件故障导致2台交换机间没有可用的CSS链路,以至失去通信,CSS系统将再分裂成2台独立交换机。堆叠分裂后,下述情况将引发整个网络出现故障:2台设备均运行正常,且以完全相同的全局配置运行,即以同样的IP和MAC地址与网络中的其他设备通信。因此,CSS分裂后需检测系统是否有2个以相同配置运行的设备(是否存在双主机),并进行相应处理,使整个网络得以正常运行,提升堆叠系统的可用性。

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3、集群

交换机的级联技术一般用来实现多台交换机之间的互相连接;堆叠技术用来将多台交换机组成一个单元,从而提高更大的端口密度和更高的性能;集群技术用来将相互连接的多台交换机作为一个逻辑设备进行管理,从而降低网络管理成本,简化管理操作。

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所谓集群,就是将多台互相连接(级联或堆叠)的交换机作为一台逻辑设备进行管理。集群中,一般只有一台起管理作用的交换机,称为命令交换机,它可以管理若干台其它交换机。在网络中,这些交换机只需要占用一个IP地址(仅命令交换机需要)。在命令交换机统一管理下,集群中多台交换机协同工作,大大降低管理强度。

交换机的级联、堆叠、集群这3种技术既有区别又有联系。级联和堆叠是实现集群的前提,集群是级联和堆叠的目的;级联和堆叠是基于硬件实现的;集群是基于软件实现的;

 

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