交换机级连、堆叠和虚拟机框技术分析比较
日期: 2019/8/25 浏览: 0 来源: 学海网收集整理 作者: 学海网
目录
1. 级连技术 1
2. 堆叠技术 2
2.1 虚拟堆叠方式 2
2.2 堆叠技术 4
3. 虚拟机框 5
3.1 虚拟交换技术VS 5
3.2 Cisco Catalyst 6500 VSS 6
4. 总结 8
端口扩展是在LAN网络设计中经常会碰到的问题，目前广泛使用的扩展方式包括级连扩展、堆叠技术扩展和虚拟机框三种技术。
1. 级连技术
（1） 拓扑结构
级连扩展是最直接的一种扩展方式，综合考虑不同交换机的转发性能和端口属性，通过一定的拓扑结构设计，可以方便的实现大量用户端口接入，拓扑结构如图1所示。
图1级连模式
（2） 冗余方式
级连模式是组建大型LAN最理想的方式，可以综合利用各种拓扑设计技术和冗余技术，实现层次化网络结构，如通过双归等拓扑结构设计冗余，通过Link Aggragation技术实现冗余和Up Link的带宽扩展等等，这些技术已经非常成熟，广泛使用在各种局域和城域。
（3） 防环技术
使用生成树技术(STP)避免环路。
（4） 级连端口
使用通用的以太网端口进行层次间互联，如100M FE端口、GE端口以及10GE端口。
（5） 设备管理
需要单独配置每台设备；通过使用网管平台，可以实现对全网设备的统一管理，如拓扑管理和故障管理等等。
（6） 级连数量
当级连层数较多，层次之间同时存在较大的收敛比时，边缘节点之间由于经历了较多的交换和缓存，将出现一定的时延，可以通过上行端口汇聚减小收敛比或者提高上端设备性能的方式进行解决。在级连模式下，为了保证网络的效率，一般建议层数不要超过四层。
（7）部署位置
级连模式是组建结构化网络的必然选择，级连使用通用电缆（光纤）各个组建可以放在任意位置，非常有利于综合布线。
2. 堆叠技术
堆叠技术也是目前在以太网交换机上扩展端口使用较多的一种技术，是一种非标准技术，各个厂商不支持混合堆叠，堆叠模式为各厂商制定，不支持拓扑结构。目前流行的堆叠模式主要有两种：菊花链模式和星型模式。堆叠的最大的优点就是提供简化的本地管理，将一组交换机作为一个对象来管理。
堆叠技术是由一些通过堆叠口相连的以太网交换机组成的一个管理域，其中包括一个主交换机和若干从交换机。对叠在一起的以太网交换机可以看作是一个设备，用户通过主交换机实现对堆叠内所有交换机的管理。它是一种非标准化的技术，各个厂商不支持混合堆叠，堆叠模式为各个厂商定制，不支持拓扑结构。
2.1 虚拟堆叠方式
（1） 拓扑结构
有菊花链和星型两种模式。
1） 菊花链式堆叠
菊花链式堆叠是一种基于级连结构的堆叠技术，对交换机硬件上没有特殊的要求，通过相对高速的端口串接和软件的支持，最终可以实现构建一个多交换机的环状结构，可以实现一定程度上的冗余，但就交换效率来说，同级连处于同一层次，相比之下，菊花链式堆叠需要占用更多的高速端口，不存在拓扑管理，一般不能进行分布式布置，适用于高密度端口需求的单节点机构，可以使用在网络的边缘。其典型结构如图2所示。
图2 菊花链式堆叠结构示意
2） 星型堆叠技术
星型堆叠技术相对菊花链方式较高级，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）高速堆叠接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数量。
例如，Cisco Catalyst 3550-12G交换机提供10个基于GBIC的千兆位以太网端口和2个10/100/1000BaseT端口，10个GBIC可以用于星型的堆叠，如图3所示。
图3 型堆叠结构示意
（2） 冗余方式
菊花链堆叠方式形成了一个封闭的环路，通过软件实现UP LINK的冗余。星型结构堆叠可以使用端口聚合等冗余技术。
（3） 防环技术
菊花链式结构由于产生了一个封闭的环路结构，需要排除环路所带来的广播风暴影响，通过STP技术，避免环路，在正常工作模式下，任何时刻，环路中的某一从交换机到达主交换机只能通过一个高速口进行（即：另一个高速端口不能分担本交换机的上行数据压力），需要通过所有上游交换机的交换。
当某一台成员/接口/线路坏掉，均会导致STP的重新计算，中断时间即是STP重新计算的时间，受STP的影响，中断时间较长。
（4） 堆叠端口
Cisco 3550系列交换机使用GigaStack GBIC专用模块和独立的端口，在星型堆叠方式的配置中可提供最大2Gbps的转发速率，或在9台交换机的菊花链配置中提供1Gbps的转发带宽。
（5） 堆叠数量
菊花链堆叠方式最多可以支持9台Cisco Catalyst 3550G-24/48交换机堆叠。
星型堆叠方式可以通过1台Cisco Catalyst 3550-12G和10台Cisco Catalyst 3550G-24/48交换机进行堆叠
（6） 设备管理
传统的堆叠技术仍是一种集中管理的端口扩展技术，可以通过网管系统进行管理，不能提供拓扑管理，没有国际标准，兼容性较差。无法提供比较优秀的转发性能和方便的管理特性。
（7） 部署模式
菊花链式堆叠的层数一般不应超过四层，要求所有的堆叠组成员摆放的位置足够近（一般在同一个机架之上）。
2.2 堆叠技术
由于虚拟的堆叠并非真正意义的堆叠，不能提供足够的堆叠带宽性能，所以Cisco公司又推出了真正的堆叠技术，在Catalyst 3750系列交换机上提供StackWise技术。
（1） StackWise堆叠技术
思科StackWise技术使用专用的堆叠端口和特殊的堆叠互联电缆，从而创建一条双向的封闭环路。这条双向环路可以充当它所连接的所有交换机的交换矩阵，每条环路支持16Gbps，总共32Gbps的交换堆叠容量。将单个交换机智能化地结合到一起，创建一个单一的交换单元，同一堆叠中的所有交换机共享配置和路由信息。用户可以在不影响性能的情况下，从一个正在工作的堆叠中添加或者移除交换机。图4为物理堆叠连接图。
图4 思科StackWise技术物理示意
（2） 冗余技术方式
交换机在物理上通过菊花链连接在一起。任何一条电缆发生中断，都将导致堆叠的带宽降低到它的总容量的一半。次秒级定时机制可以检测流量故障，及时地进行故障切换。这种机制可以在定时机制检测到电缆上的互动时重新恢复双路径传输。
通过集成在IOS版本内部的堆叠协议选举出Master和Member，由Master统一管理堆叠的所有交换机，包括配置管理，端口管理等。选举Master或者Member转换为Master状态，大致需要10-20ms时间，除非Master交换机状态发生改变，否则其它Member不会成为Master。
Master的选举或者重选举遵循以下顺序条件：
1）当前交换机为Master
2）堆叠优先级
3）软件版
4）系统在线时间较长
5）MAC地址较小
6）Master多堆叠中移除
7）Master关机或者重启
8）Master故障
（3） 防环路技术
使用STP防止菊花链环路，支持PVST和RPVST+。
堆叠以一个独立的STP节点呈现有网络中，所有的Member使用相同的Bridge ID(为Master的MAC)
新交换机加入到堆叠后，自动将自己的Bridge ID设置为Master的Bridge ID，如果新交换机具有较低的ID并且根路径COST与所有Stack Members相同，新交换机将成为堆叠的root交换机
当堆叠中的一个Member脱离堆叠、堆叠Master交换机故障或者脱离堆叠、连接到堆叠的邻居交换机故障或断电、新外连交换机连接至堆叠等等，都可能会导致Stack的STP进行重新收敛(也可能会对外部产生重新STP计算)
网络故障时间是STP计算的时间，较长，这一点与后面讲到的虚拟机框技术有着本质的不同。
（4） 堆叠数量
最多支持9台交换机堆叠。
（5） 设备管理方便
堆叠后的3750交换机，可以通过Master进行统一管理，在Mater上进行配置操作，配置信息分发至各Member交换机。
具体配置及管理信息，请参考：
3. 虚拟机框
3.1 虚拟交换技术VS
虚拟交换（Virtual Switching）技术是指在同一台物理设备上执行多种交换功能，或在网络中的多台物理设备上执行单功能交换，而在现实交换机操作过程中，只在一台物理交换机上执行交换功能。虚拟交换技术支持很多不同的应用程序使用同一台交换机。每种不同功能都具有各自的性能和安全等控制。通过虚拟交换技术，服务供应商可以按照需要创建动态混合服务，而不需要增加新的硬件支持即可逐步包含新服务类型或通用控制平面。虚拟交换技术是多服务网络交换结构中的核心概念。
多服务交换论坛（MSF）为多平面系统定义了一个支持虚拟交换功能结构框架。该结构框架采用独立的控制平面，使其能提供最大服务功效；它具有高度灵活性，同时还支持异步传输模式（ATM）、语音及网际协议（IP）服务。
多平面结构框架由五个逻辑平面组成：适配（Adaptation）、交换（Switching）、控制（Control）、应用（Application）和管理（Management）。Adaptation 面为用户或其它网络元素提供物理接口；Switching 面提供连接物理接口的实际交换结构；Control 面负责管理网络服务事件并控制Adaptation 和 Switching 面；Application 和 Management 面提供使用 Control 面性能的服务。
MSF 框架支持多台控制器共享 Switching 面和 Adaptation 面的资源。通过对交换机资源施行服务和策略管理，可以对控制器进行独立或组合以支持网络应用。本质上，虚拟交换机是由每个控制器创建，这使得多个同时工作的 Control 面可以控制 Forwarding 面，同时对单端口上的 Control 面进行高粒度控制。服务供应商通过虚拟交换机结构可以同时支持 ATM、语音和 IP 服务，且是通过独立的 Control 面实现最大服务功效。他们为 ATM 和 IP QoS 提供了单独队列，并允许同时使用 ATM CoS 和 IP QoS。
3.2 Cisco Catalyst 6500 VSS
（1） Cisco Catalyst 6500 VSS系统概述
Cisco Catalyst 6500系列虚拟交换系统1440可以整合两台物理的Cisco catalyst 6500系列交换机成为一台单一逻辑上的虚拟交换机。图5介绍了VSS的工作模式，两台Cisco Catalyst 6509交换机配置虚拟交换系统后，就可以当作一台单独的Cisco Catalyst 6509交换机进行管理。
图5 Cisco Virtual Switching System
启用虚拟交换系统技术是通过一条特殊的链路来绑定两个机架成为一个虚拟的交换系统，这个特殊的链路称之为虚拟交换机链路（Virtual Switch Link,VSL）。VSL承载特殊的控制信息并使用一个头部封装每个数据帧穿过这条链路。
（2） Cisco Catalyst 6500 虚拟交换系统1440架构体系
Cisco Catalyst 6500虚拟交换系统允许合并两个交换机成为一台无论是从网络控制层面和管理视图上在网络上都是一个单独的设备实体。对于邻居，这个虚拟交换系统相当于一台单独的交换机或者路由器。
在虚拟交换系统中，其中一个机箱指定为活跃交换机，另一台被指定为备份虚拟交换机。所有的控制层面的功能，包括管理（SNMP，Telnet，SSH等），二层协议（BPDU、PDUs、LACP等），三层协议（路由协议等）以及软件数据等，都是由活跃交换机的引擎进行管理。在活跃交换机上的超级引擎与备份交换机引擎上的PFC负责响应处理硬件转发信息到分布式转发卡（DFC）之上贯穿整个虚拟交换系统。
图6. Components of Cisco Virtual Switching System
从数据层面和流量转发图上来看，在虚拟交换系统1440中的所有交换机都参与流量转发。在活跃虚拟交换机超级引擎上的PFC执行为所有进入活跃虚拟交换机的流量转发查找，反之，位于备份状态的交换机引擎上的PFC执行为所有进行备份状态交换机流量转发查找。
加之所有DFCs通过整个Cisco虚拟交换系统同时执行数据包查询，这样就使Cisco虚拟交换系统合计就有超过800Mpps的IPv4查询性能。因为虚拟交换系统中的所有交换矩阵都处于活跃状态，那么虚拟交换系统整体的交换矩阵性能达到1440Gbps，即1.44Tbps。
（3） 无环路技术
VSS系统通过MEC（多机箱以太通道）建立一个无环路的拓扑结构，如下图所示
图7 VSS 1440 Loop-Free Logical View with Multichassis EtherChannel
VSS系统对外体现为单一独立的设备，通过STP技术来防止内部环路的产生。
（4） VSS管理
Cisco Catalyst 6500系列虚拟交换系统1440的基本原理是允许集中管理全部网络和硬件资源，包括三层协议（OSPF、EIGRP、BGP等）和二层协议（SPT、UDLD、LACP、流控等）。在Cisco虚拟交换系统中一个超级引擎被选举为整个虚拟系统的主管理单元。
带有担当主要管理单元的这个机箱应用为活跃交换机，另一交换机箱应用为备份交换机。做为主要管理单元的引擎作为活跃引擎，而在虚拟交换系统另一个机箱中的引擎作为一个热备份引擎。可以使用下面的命令检查这个设置信息。
（5） VSS系统的特点
增加带宽，可达1.44Tbps ；无环路架构，通过STP技术防止环路 ；高可靠性；简化网络结构，以独立的设备身份部署到网络中；部署方式简单 。
4. 总结
（1） 级连
1）是组建网络的基础，可以灵活利用各种拓扑、冗余技术，对设备无特殊要求；
2）在层次太多的时候，需要进行精心的设计，避免出现环路；
3）对于级连层次很少的网络，级连方式可以提供最优性能，例如在需要扩展为两倍端口的网点，使用星型堆叠边缘之间需要交换三次，级连模式和菊花链式需要交换两次，星型堆叠需要更大的投资，菊花链式需要占用更多的高速端口，普通级连是最经济的组建方式，还可以综合利用上以前的已有交换设备，但是两台设备需分开管理；
4）不会增加交换性能，但是可以通过端口聚合等技术实现；
4）无法简化设备管理，但可能过网管软件进行统一监控管理，需要使用厂商的设备管理器方可进行统一的配置管理。
（2） 堆叠
1）逻辑上属于一个设备，便于管理；
2）增加交换机的背板容量，提升性能，如Cisco Catalyst 3750可以达到32G的背板容量，3750E可以达到64G的背板容量；
3）需要专门的堆叠模块和线缆；
4）同一厂家的同一系列交换机产品才能进行堆叠，软件版本也要相同，不具有兼容性，各厂商均为私堆叠技术，无法混合堆叠。
（3）虚拟机框
1）大幅度提高性能，如Cisco Catalyst 6500的VSS可以达到1.44Tbps，Juniper的VC也可以达到128G的背板；
2）便于管理和部署，在网络中以独立的设备体现；
3）提供高可靠性，Cisco使用NSF/SSO协议实现VSS两个引擎的切换，最低50MS的切换时间；
4）各厂商私有技术，无法混合组合。
