解決以太網交換機參數的困惑

    交換機根據工作協議層可以劃分為第二層交換機、第三層交換機和第四層交換機,根據是否支持網管功能可以劃分 網管型交換機和非網管理型交換機。
    包轉發率標志了交換機轉發數據包能力的大小。單位一般位pps(包每秒),一般交換機的包轉發率在幾十Kpps到幾百Mpps不等。包轉發速率是指交換機每秒可以轉發多少百萬個數據包(Mpps),即交換機能同時轉發的數據包的數量。
    包轉發率以數據包為單位體現了交換機的交換能力。 其實決定包轉發率的一個重要指標就是交換機的背板帶寬,背板帶寬標志了交換機總的數據交換能力。一臺交換機的背板帶寬越高,所能處理數據的能力就越強,也就是包轉發率越高。
交換機的背板帶寬交換機的背板帶寬是交換機接口處理器或接口卡和數據總線間所能吞吐的最大數據量。背板帶寬標志了交換機總的數據交換能力,單位為Gbps,也叫交換帶寬,一般的交換機的背板帶寬從幾Gbps到上百Gbps不等。一臺交換機的背板帶寬越高,所能處理數據的能力就越強,但同時設計成本也會越高。
    但是,我們如何去考察一個交換機的背板帶寬是否夠用呢?一般來講,我們應該從兩個方面來考慮:
1)所有端口容量乘以端口數量之和的2倍應該小于背板帶寬,這樣可實現全雙工無阻塞交換,證明交換機具有發揮最大數據交換性能的條件。
2)滿配置吞吐量(Mpps)=滿配置端口數×1.488Mpps,其中1個千兆端口在包長為64字節時的理論吞吐量為1.488Mpps。例如,一臺最多可以提供64個千兆端口的交換機,其滿配置吞吐量應達到64×1.488Mpps=95.2Mpps,才能夠確保在所有端口均線速工作時,提供無阻塞的包交換。
    如果一臺交換機最多能夠提供176個千兆端口,而宣稱的吞吐量不到261.8Mpps(176×1.488Mpps=261.8Mpps),那么用戶有理由認為該交換機采用的是有阻塞的結構設計。 一般是兩者都滿足的交換機才是合格的交換機。 背板帶寬資源的利用率與交換機的內部結構息息相關。
目前交換機的內部結構主要有以下幾種:一是共享內存結構,這種結構依賴中心交換引擎來提供全端口的高性能連接,由核心引擎檢查每個輸入包以決定路由。這種方法需要很大的內存帶寬、很高的管理費用。
    尤其是隨著交換機端口的增加,中央內存的價格會很高,因而交換機內核成為性能實現的瓶頸;二是交叉總線結構,它可在端口間建立直接的點對點連接,這對于單點傳輸性能很好,但不適合多點傳輸;
    三是混合交叉總線結構,這是一種混合交叉總線實現方式,它的設計思路是,將一體的交叉總線矩陣劃分成小的交叉矩陣,中間通過一條高性能的總線連接。其優點是減少了交叉總線數,降低了成本,減少了總線爭用;但連接交叉矩陣的總線成為新的性能瓶頸。
2、以太網交換機堆疊
    交換機堆疊是通過廠家提供的一條專用連接電纜,從一臺交換機的"UP"堆疊端口直接連接到另一臺交換機的"DOWN"堆疊端口。以實現單臺交換機端口數的擴充。一般交換機能夠堆疊4~9臺。
    為了使交換機滿足大型網絡對端口的數量要求,一般在較大型網絡中都采用交換機的堆疊方式來解決。要注意的是只有可堆疊交換機才具備這種端口,所謂可堆疊交換機,就是指一個交換機中一般同時具有"UP"和"DOWN"堆疊端口。
    當多個交換機連接在一起時,其作用就像一個模塊化交換機一樣,堆疊在一起交換機可以當作一個單元設備來進行管理。一般情況下,當有多個交換機堆疊時,其中存在一個可管理交換機,利用可管理交換機可對此可堆疊式交換機中的其他“獨立型交換機”進行管理。可堆疊式交換機可非常方便地實現對網絡的擴充,是新建網絡時最為理想的選擇。
    堆疊中的所有交換機可視為一個整體的交換機來進行管理,也就是說,堆疊中所有的交換機從拓撲結構上可視為一個交換機。堆棧在一起的交換機可以當作一臺交換機來統一管理。
    交換機堆疊技術采用了專門的管理模塊和堆棧連接電纜,這樣做的好處是,一方面增加了用戶端口,能夠在交換機之間建立一條較寬的寬帶鏈路,這樣每個實際使用的用戶帶寬就有可能更寬(只有在并不是所有端口都在使用情況下)。另一方面多個交換機能夠作為一個大的交換機,便于統一管理。
3、交換方式目前交換機在傳送源和目的端口的數據包時通常采用直通式交換、存儲轉發式和碎片隔離方式三種數據包交換方式。目前的存儲轉發式是交換機的主流交換方式。
(1)、直通交換方式(Cut-through) 采用直通交換方式的以太網交換機可以理解為在各端口間是縱橫交叉的線路矩陣電話交換機。它在輸入端口檢測到一個數據包時,檢查該包的包頭,獲取包的目的地址,啟動內部的動態查找表轉換成相應的輸出端口,在輸入與輸出交叉處接通,把數據包直通到相應的端口,實現交換功能。
    由于它只檢查數據包的包頭(通常只檢查14個字節),不需要存儲,所以切入方式具有延遲小,交換速度快的優點。所謂延遲(Latency)是指數據包進入一個網絡設備到離開該設備所花的時間。
它的缺點主要有三個方面:一是因為數據包內容并沒有被以太網交換機保存下來,所以無法檢查所傳送的數據包是否有誤,不能提供錯誤檢測能力;第二,由于沒有緩存,不能將具有不同速率的輸入/輸出端口直接接通,而且容易丟包。
如果要連到高速網絡上,如提供快速以太網(100BASE-T)、FDDI或ATM連接,就不能簡單地將輸入/輸出端口“接通”,因為輸入/輸出端口間有速度上的差異,必須提供緩存;第三,當以太網交換機的端口增加時,交換矩陣變得越來越復雜,實現起來就越困難。 
(2)、存儲轉發方式(Store-and-Forward) 存儲轉發(Store and Forward)是計算機網絡領域使用得最為廣泛的技術之一,以太網交換機的控制器先將輸入端口到來的數據包緩存起來,先檢查數據包是否正確,并過濾掉沖突包錯誤。
    確定包正確后,取出目的地址,通過查找表找到想要發送的輸出端口地址,然后將該包發送出去。正因如此,存儲轉發方式在數據處理時延時大,這是它的不足,但是它可以對進入交換機的數據包進行錯誤檢測,并且能支持不同速度的輸入/輸出端口間的交換,可有效地改善網絡性能。
    它的另一優點就是這種交換方式支持不同速度端口間的轉換,保持高速端口和低速端口間協同工作。實現的辦法是將10Mbps低速包存儲起來,再通過100Mbps速率轉發到端口上。
(3)、碎片隔離式(Fragment Free) 這是介于直通式和存儲轉發式之間的一種解決方案。它在轉發前先檢查數據包的長度是否夠64個字節(512 bit),如果小于64字節,說明是假包(或稱殘幀),則丟棄該包;如果大于64字節,則發送該包。該方式的數據處理速度比存儲轉發方式快,但比直通式慢,但由于能夠避免殘幀的轉發,所以被廣泛應用于低檔交換機中。
    使用這類交換技術的交換機一般是使用了一種特殊的緩存。這種緩存是一種先進先出的FIFO(First In First Out),比特從一端進入然后再以同樣的順序從另一端出來。當幀被接收時,它被保存在FIFO中。
    如果幀以小于512比特的長度結束,那么FIFO中的內容(殘幀)就會被丟棄。因此,不存在普通直通轉發交換機存在的殘幀轉發問題,是一個非常好的解決方案。數據包在轉發之前將被緩存保存下來,從而確保碰撞碎片不通過網絡傳播,能夠在很大程度上提高網絡傳輸效率。


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