以下文章有效地解释了以太网交换机的参数配置。交换机按工作协议层可分为二层交换机、三层交换机和四层交换机,按是否支持网络管理功能可分为网管交换机和非网管交换机。
数据包转发速率表示交换机转发数据包的能力。一般单位比特pps (packet per second),一般交换机的包转发速率从几十Kpps到几百Mpps不等。包转发速率是指交换机每秒可以转发多少百万个包(Mpps),即交换机同时可以转发的包的数量。
包转发速率以包为单位反映交换机的交换能力。事实上,决定包转发速率的一个重要指标是交换机的背板带宽,它标志着交换机的总数据交换能力。交换机的背板带宽越高,数据处理能力越强,即包转发速率越高。
交换机的底板带宽交换机的底板带宽是交换机接口处理器或接口卡与数据总线之间的最大数据吞吐量。背板带宽表示交换机总的数据交换能力,单位为Gbps,也称为交换带宽。通常,交换机的背板带宽从几Gbps到几百Gbps不等。交换机的背板带宽越高,数据处理能力越强,但设计成本也越高。
但是,我们如何检查一台交换机的背板带宽是否足够呢?一般来说,我们应该从两个方面考虑:
1)所有端口的容量乘以2倍端口数量之和应该小于背板的带宽,才能实现全双工无阻塞交换,证明交换机有条件发挥最大的数据交换性能。
2)全配置吞吐量(Mpps)=全配置端口数 1.488Mpps,当包长为64字节时,一个千兆端口的理论吞吐量为1.488Mpps。例如,一个可以提供多达64个千兆端口的交换机,在全配置下的吞吐量应该是641.488Mpps=95.2Mpps,这样才能保证所有端口都以平均速度工作时的无阻塞分组交换。
如果一台交换机最多可以提供176个千兆端口,但宣称的吞吐量低于261.8 mpps(1761.488 mpps=261.8 mpps),那么用户有理由认为该交换机采用了阻塞结构设计。一般来说,满足这两个要求的交换机是合格的交换机。背板带宽资源的利用与交换机的内部结构密切相关。
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,依靠中央交换引擎提供所有端口的高性能连接,核心引擎检查每一个进来的包来决定路由。这种方法需要大的存储器带宽和高的管理成本。
特别是随着交换机端口的增加,中央存储器的价格会很高,所以交换机核心成为性能实现的瓶颈。二是交叉总线结构,可以在端口之间建立直接的点对点连接,对于单点传输性能较好,但不适合多点传输;
三是混合跨总线结构,这是一种混合跨总线的实现方式。它的设计思想是将集成的交叉矩阵分成小的交叉矩阵,用一条高性能总线连接起来。优点是减少交叉总线数量,降低成本,减少总线争用;但是连接交叉矩阵的总线成为新的性能瓶颈。
2.以太网交换机堆栈交换机堆栈通过制造商提供的特殊连接电缆,从一台交换机的“上行”堆栈端口直接连接到另一台交换机的“下行”堆栈端口。从而实现单个交换机端口数量的扩展。一般可以堆叠4 ~ 9个开关。
为了使交换机满足大规模网络对端口数量的要求,大规模网络中一般采用交换机堆叠的方式。应当注意,只有可堆叠交换机才有这样的端口。所谓的堆叠式交换机是指交换机通常同时具有“向上”和“向下”堆叠端口。
当多个交换机连接在一起时,它们就像一个模块化交换机,堆叠的交换机可以作为一个单元设备进行管理。通常,当有多个交换机堆叠时,其中有一个可管理的交换机,该可堆叠交换机中的其他“独立交换机”可以由该可管理的交换机管理。堆叠式交换机可以轻松扩展网络,是构建新网络时最理想的选择。
堆叠中的所有交换机都可以作为一个整体来管理,也就是说,堆叠中的所有交换机在拓扑中都可以被视为一个交换机。堆叠交换机可以作为一台交换机进行管理。
堆叠交换机技术采用特殊的管理模块和堆叠连接电缆。这样做的好处是,一方面增加了用户端口,交换机之间可以建立更宽的宽带链路,使得每个用户实际使用的带宽可能更宽(前提是不是所有端口都在使用)。另一方面,多台交换机可以作为一台大交换机,便于统一管理。
3.交换方式目前交换机在源端口和目的端口传输数据包时,通常采用直通交换、存储转发交换和分片隔离三种数据包交换方式。目前,存储转发模式是交换机的主流交换模式。
(1)直通模式。使用直通模式的以太网交换机可以理解为具有交叉端口的线路矩阵电话交换机。当输入端口检测到一个数据包时,检查包头,获取数据包的目的地址,启动内部动态查找表转换成对应的输出端口,连接在输入输出的交叉点,直接将数据包连接到对应的端口,实现交换功能。
由于只检查包头(通常只有14个字节),不需要存储,切入方式具有延时小,切换速度快的优点。延迟是指数据包进入网络设备和离开设备所需的时间。
其缺点主要在三个方面:一是由于以太网交换机没有保存数据包内容,无法检查传输的数据包是否有错,无法提供检错能力;其次,由于没有缓存,不同速率的I/O端口无法直连,容易丢包。
如果要连接高速网络,如快速以太网(100BASE-T)、FDDI或ATM连接,不能简单地‘连接’输入/输出端口,因为输入/输出端口之间存在速度差,必须提供缓存;第三,当以太网交换机的端口增加时,交换矩阵变得越来越复杂,实现起来更加困难。
(2)存储转发。存储转发是计算机网络领域中应用最广泛的技术之一。以太网交换机的控制器首先缓存从输入端口传入的数据包,首先检查数据包是否正确,并过滤掉冲突的数据包错误。
确认包正确后,取出目的地址,通过查找表找到想要发送的输出端口地址,然后发送包。正因为如此,存储转发模式在数据处理上有很长的时间延迟,这是它的不足。但是,它可以检测进入交换机的数据包的错误,支持不同速度的输入/输出端口之间的交换,有效地提高网络性能。
它的另一个优点是,这种交换模式支持不同速度端口之间的交换,保持高速端口和低速端口协同工作。实现方法是存储10Mbps的低速包,以100Mbps的速率转发到端口。
(3)无片段。这是一种介于直通型和存储转发型之间的解决方案。在转发之前,它会检查数据包的长度是否足以容纳64个字节(512位)。如果小于64字节,说明是假包(或残留帧),然后丢弃该包。如果大于64字节,则发送数据包。这种模式的数据处理速度比存储转发模式快,但比直通模式慢。但是,它广泛用于低端交换机,因为它可以避免转发残余帧。
使用这种交换技术的交换机通常使用特殊的缓存。这个缓冲器是一个先进先出FIFO(先入先出),其中位从一端进入,然后以相同的顺序从另一端出来。当接收到一个帧时,它被保存在FIFO中。
如果帧以小于512位的长度结束,FIFO中的内容(剩余帧)将被丢弃。所以不存在普通直通转发交换机存在的残帧转发问题,是一个非常好的解决方案。数据包在转发前会进行缓存,保证碰撞碎片不会在网络中传播,可以大大提高网络传输效率。