关于以太网的端口扩展方式介绍及对比

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随着以太网技术在局域网构建中的迅速普及，以太网平台已经成为局域网组建中的主流技术平台，以太网交换机产品正在迅速进入各个领域。现在进行微机互联的单位越来越多，如何组建一个经济、实用的局域网成为了一热门话题。然而，没有任何一种固定端口的以太网交换机产品能够百分之百保证满足工作组随时随地可能出现的对以太网端口的扩展要求。因此，端口扩展技术成为工作组用户网络设计、规划的重要话题。
所有的局域网工作组用户总是抱着分段投资、平滑扩展的思想来设计他们的接入设备，插槽结构模块化产品的扩展能力虽好，但是价格却难以接受，同时不支持拆分使用使其与固定端口产品相比显得灵活性不够。因此，使用固定端口产品通过相应的扩展技术达到扩展工作组端口和简化管理的方式得到了广泛的认可。
目前广泛使用的端口扩展方式包括级连扩展和堆叠技术扩展。
级连扩展
级连扩展模式是最常规，最直接的一种扩展方式，一些构建较早的网络，都使用了集线器（HUB）作为级连的设备。因为当时集线器已经相当昂贵了，多数企业不可能选择交换机作为级连设备。那是因为大多数工作组用户接入的要求，一般就是从集线器上一个端口级连到集线架上。在这种方式下，接入能力是得到了很大的提高，但是由于一些干扰和人为因素，使得整体性能十分低下，只单纯地满足了多端口的需要，根本无暇考虑转发交换功能。现在的级连扩展模式综合考虑到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，可以方便地实现多用户接入。级连模式的典型结构如图一所示。

图一

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LinkAggregation技术实现冗余和UpLink的带宽扩展，这些技术现在已经非常成熟，广泛使用在各种局域网和城域网中。
级连模式使用通用的以太网端口进行层次间互联，如100MFE端口、GE端口以及新兴的10GE端口。
级连模式是以太网扩展端口应用中的主流技术。它通过使用统一的网管平台实现对全网设备的统一管理，如拓扑管理和故障管理等等。级连模式也面临着挑战，当级连层数较多，同时层与层之间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。解决方法是汇聚上行端口来减小收敛比，提高上端设备性能或者减少级连的层次。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。如果网络边缘节点存在通过广播式以太网设备如HUB扩展的端口，由于其为直通工作模式，不存在交换，不纳入层次结构中，但需要注意的是，HUB工作的CSMA/CD机制中，因冲突而产生的回送可能导致的网络性能影响将远远大于交换机级连所产生的影响。
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），各个组件可以放在任意位置，非常有利于综合布线。
堆叠技术扩展
堆叠技术是目前在以太网交换机上扩展端口使用较多的另一类技术，是一种非标准化技术。各个厂商之间不支持混合堆叠，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。堆叠技术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。
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，最终实现构建一个多交换机的层叠结构，通过环路，可以在一定程度上实现冗余。但是，就交换效率来说，同级连模式处于同一层次。菊花链式堆叠通常有使用一个高速端口和两个高速端口的模式，两者的结构见图二所示。使用一个高速端口（GE）的模式下，在同一个端口收发分别上行和下行，最终形成一个环形结构，任何两台成员交换机之间的数据交换都需绕环一周，经过所有交换机的交换端口，效率较低，尤其是在堆叠层数较多时，堆叠端口会成为严重的系统瓶颈。使用两个高速端口实施菊花链式堆叠，由于占用更多的高速端口，可以选择实现环形的冗余。菊花链式堆叠模式与级连模式相比，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。

图二

菊花链式结构由于需要排除环路所带来的广播风暴，在正常情况下，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端口进行（即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来进行交换（见图三）。

图三

菊花链式堆叠是一类简化的堆叠技术，主要是一种提供集中管理的扩展端口技术，对于多交换机之间的转发效率并没有提升（单端口方式下效率将远低于级连模式），需要硬件提供更多的高速端口，同时软件实现UPLINK的冗余。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）。
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（见图四）。

图四

星型堆叠
星型堆叠技术使所有的堆叠组成员交换机到达堆叠中心Matrix的级数缩小到一级，任何两个端节点之间的转发需要且只需要经过三次交换，转发效率与一级级连模式的边缘节点通信结构相同，因此，与菊花链式结构相比，它可以显著地提高堆叠成员之间数据的转发速率，同时，提供统一的管理模式，一组交换机在网络管理中，可以作为单一的节点出现。
星型堆叠模式适用于要求高效率高密度端口的单节点LAN，星型堆叠模式克服了菊花链式堆叠模式多层次转发时的高时延影响，但需要提供高带宽Matrix，成本较高，而且Matrix接口一般不具有通用性，无论是堆叠中心还是成员交换机的堆叠端口都不能用来连接其他网络设备。使用高可靠、高性能的Matrix芯片是星型堆叠的关键。一般的堆叠电缆带宽都在2G-2.5G之间（双向），比通用GE略高。高出的部分通常只用于成员管理，所以有效数据带宽基本与GE类似。但由于涉及到专用总线技术，电缆长度一般不能超过2m，所以，星型堆叠模式下，所有的交换机需要局限在一个机架之内。
可见，传统的堆叠技术是一种集中管理的端口扩展技术，不能提供拓扑管理，没有国际标准，且兼容性较差。但是，在需要大量端口的单节点LAN，星型堆叠可以提供比较优秀的转发性能和方便的管理特性。级连是组建网络的基础，可以灵活利用各种拓扑、冗余技术，在层次太多的时候，需要进行精心的设计。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堆叠需要交换两次，星型堆叠模式需要更大的投资，菊花链式堆叠模式需要占用更多的高速端口，普通级连成为最经济和高效的组建方式。另外，还可以利用从前已有的交换设备，不需重复投资，但是，这两台设备需单独管理（见图五）。

图五

传统的堆叠技术应用往往受限于地理位置的限制，往往需要放置在同一个机架，在高密度端口应用时，会给布线带来困难。所以各大厂商纷纷积极寻求支持分布式堆叠技术。目前，华为公司QuidwayS系列以太网交换机产品、Cisco系列以太网交换产品均提供集群管理模式。QuidwayS系列以太网交换机采用华为统一的ＶＲＰ操作系统和统一的iManager网管系统。该网管系统支持中文界面，采用标准协议和开放技术，全面兼容主流网管平台。QuidwayS系列以太网交换机在华为二层交换全线速、三层交换全线速、业务交换全线速和QoS服务全线速“四个全线速”的设计思想指导下，充分利用产品开发的后发优势，在产品的系统设计、扩展能力以及提供丰富的业务特性方面满足宽带城域网络和企业网络的需求，能为客户提供更加高效、安全、易于扩展的客户化解决方案。
以华为公司产品（HGMP）为例，通过集群管理模式的支持，可以在使用Quidway系列交换机通过通用级连模式构建的网络上实现集中的配置和管理，一个LAN可以加入成为一个组，对于网管系统，一个组可以表现为同一台设备，使用一个IP地址进行管理，相当于甚至优于从前堆叠组的管理效果。然而作为通用性的集中表现，组成员交换机在组内可以实现拓扑设计以及成员的分布式放置，而且堆叠端口可以任选设备支持的通用端口或者使用端口的汇聚，使得用户可以获得灵活控制交换网络堆叠带宽的能力，从而达到更高的灵活性要求。
对于不同的环境，选用不同的端口扩展模式的效果是不一致的。在当前情况下，普通的级连模式还是解决层次化网络的主要的应用手段，星型堆叠模式是提供单节点端口扩展的简单管理模式，而通过集群管理实现的分布式堆叠将是下一代堆叠的主要方式。