交换机的堆叠与级联

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当单一交换机所能够提供的端口数量不足以满足网络计算机的需求时，必须要由 2 个以上的交换机提供相应数量的端口，这也就要涉及到交换机之间连接的问题。从根本上来讲，交换机之间的连接不外

  乎两种方式，一是堆叠，一是级联。

1. GBIC和SFP

（1）GBIC

Cisco GBIC (Gigastack Gigabit Interface Converter) 是一个通用的、低成本的千兆位以太网堆叠模块，可提供 Cisco 交换机间的高速连接，既可建立高密度端口的叠堆，又可实现与服务器或千兆位主干的连接，为快速以太网向千兆以太网的过渡，提供了廉价的、高性能的选择方案。此外，借助于光纤，还可实现与远程高速主干网络的连接。 GBIC 模块分为两大类，一是普通级联使用的 GBIC 模块，二是堆叠专用的 GBIC 模块。

•   级联 GBIC 模块

   级联使用的 GBIC 模块分为 4 种，一是 1000Base-T GBIC 模块（如图 1 所示），适用于超五类或六类双绞线，最长传输距离为 100 米 ；二是 1000Base-SX GBIC 模块（如图 2 所示），适用于多模多纤（ MMF ），最长传输距离为 500 米 ；三是 1000Base-LX/LH GBIC 模块，适用于单模光纤（ SMF ），最长传输距离为 10 千米；四是 1000Base-ZX GBIC ，适用于长波单模光纤，最长传输距离为 70~100 千米。

  

   GBIC 模块安装于千兆以太网模块的 GBIC 插槽中，用于提供与其他交换机和服务器的千兆位连接。如图 3 所示为安装在 Cisco Catalyst 4006 千兆以太网模块中的 GBIC 。

  

• 堆叠 GBIC 模块

堆叠 GBIC 模块用于实现交换机之间的廉价千兆连接。如图 4 所示为适用于 Cisco Catalyst 2950/3550 的 GigaStack GBIC 堆叠模块。需要注意的是， GigaStack GBIC 专门用于交换机之间的千兆位堆叠， GigaStack GBIC 之间的连接采用专门的堆叠电缆。

图   Cisco GigaStack GBIC堆叠模块和电缆

（2）SFP

SFP （ Small Form-factor Pluggables ）可以简单的理解为 GBIC 的升级版本。 SFP 模块（如图 5 所示）体积比 GBIC 模块减少一半，可以在相同面板上配置多出一倍以上的端口数量。由于 SFP 模块在功能上与 GBIC 基本一致，因此，也被有些交换机厂商称为小型化 GBIC （ Mini-GBIC ）。

  

2. 交换机的堆叠

提供堆叠接口的交换机之间可以通过专用的堆叠线连接起来。通常，堆叠的带宽是交换机端口速率的几十倍，例如，一台 100Mbps 交换机，堆叠后两台交换机之间的带宽可以达到几百兆甚至上千兆。多台交换机的堆叠是靠一个提供背板总线带宽的多口堆叠母模块与单口的堆叠子模块相联实现的，并插入不同的交换机实现交换机的堆叠。

但是，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、甚至是型号是否支持堆叠。

堆叠不仅通常需要使用专门的堆叠电缆，而且甚至需要专门的堆叠模块，如 Cisco GBIC GigaStack （如图 77 所示）。另外，同一叠堆中的交换机必须是同一品牌，否则，根本没有办法堆叠。因此，如果准备使用堆叠的方式扩充端口，就必须事先做好购置计划。

（1）堆叠的优点

交换机的堆叠是扩展端口最快捷、最便利的方式。堆叠的优点实在多多，主要包括以下几个方面：

● 高密度端口

不同品牌的交换机支持堆叠的层数有所不同，一般情况下，最少可堆叠 2 层，而最多可堆叠至 8 层，因此，可在一个狭小的空间内为密集的计算机网络提供上百个端口。

● 高速传输

由于叠堆中所有的计算机都连接至同一高速背板模块，位于不同交换机端口的计算机之间的通信不再需要层层转发，减少了交换机之间的转发延迟，避免了端口冲突，所有端口的计算机间均可以线速进行交换，提高了不同交换机间计算机的通讯速率。

● 便于管理

一个叠堆的若干台交换机可视为一台交换机进行管理，只需赋予其 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强度和难度，极大地节约了管理成本。

（2）GigaStack堆叠技术

借助于 GigaStack 堆叠技术， Cisco 交换机有两种方式堆叠，即菊花链和星形。

● 菊花链

所谓菊花链，顾名思义，就是将交换机一个一个地串接起来，每台交换机都只与自己相邻的交换机进行连接。 Cisco Catalyst 2900G 和 Catalyst 3550 交换机之间就是这样进行堆叠（如图 所示）。

   

图   菊花链式堆叠

可以想见，在这种连接方式中，若位于第 1 台交换机端口上计算机若欲与位于第 3 台交换机端口上的计算机进行通信，就必须经过第 2 台交换机。堆叠的交换机数量越多，通信时需要转发的次数也就越多。而数据的多次转发，将大量带用每台交换机的背板带宽，并有可能使堆叠端口成为传输瓶颈，影响网络内数据的传输速率。

另外，由于所有的交换机之间都只有一条链路，这样，当叠堆内的任何一台交换机、堆叠模板或电缆发生故障时，都将导致整个网络通信的中断。为了提高网络的稳定性，可以在首尾两台交换机之间再连接一条堆叠电缆作为链接冗余（如图 7 所示）。当中间某一台交换机发生故障时，冗余电缆立即被激活，从而保障网络的畅通。

 

图  冗余式菊花链式堆叠

● 星形

所谓星形，是指采用一台多千兆端口的交换机作为堆叠中心，其他交换机通过堆叠模块与该交换机连接在一起（如图 8 所示）。通常情况下，采用 Cisco Catalyst 3550-12G 作为堆叠中心， Cisco Catalyst 3550 或 Catalyst 2950G 作为堆叠成员。该堆叠方式为全双工方式，带宽可以达到 2Gbps 。

    Catalyst 3550 -12G 交换机是 Catalyst 3550 系列交换机中比较特殊的一款。 3550 -12G 可安置于网络骨干网或用作堆叠顶部集中器，从而向单一 IP 管理交换机堆叠提供 12Gbps 的传输速率。通过与新 Cisco Catalyst 3550T-24 和 Cisco 1000BaseT 千兆位接口转换器（ GBIC ）结合， Catalyst 3550 交换机可为那些快速以太骨干网发展过于迅猛的中型企业客户，提供集成型铜线千兆位以太网解决方案。

    采用星形堆叠时，可以通过使用第 2 台 Catalyst 3550-12G 交换机完成连接冗余（如图 9 所示）。目的是在堆叠内构造冗余，这样即使堆叠中任一连接出现故障，都能够保证堆叠继续工作，继续传递数据。

  

（3）StackWise堆叠技术

借助 StackWise 技术，可以将多至 9 台的 Cisco Catalyst 3750 交换机堆叠在一起（如图 10 所示），创建一个 32Gbps 逻辑堆叠交换架构，提供高达 468 个 10/100bps 端口或 252 个 10/100/1000bps 端口。同一堆叠中的所有交换机共享配置和路由信息，从而创建一个单一的交换单元，就好像是一整台交换机一样。

  

StackWise 堆叠技术具有以下特点：

● 构造简单

无需专用管理交换机， 堆叠中的每台交换机都能够充当管理层次中的主交换机或者从交换机，由从堆叠成员交换机中选出的一台主交换机负责管理。一个堆叠中最多可连接 9 台交换机，并将它们整合为一个统一的、逻辑的、针对融合而优化的设备，从而让客户可以更加放心地部署语音、视频和数据应用。

● 易于管理

每个 StackWise 堆叠都拥有一个单一的 IP 地址，并且作为一个统一的对象进行管理。单一 IP 管理适用于包括故障检测、虚拟 LAN （ VLAN ）创建和更改、安全和 QoS 控制等多种活动。每个堆叠只有一个配置文件，它将被分发给堆叠中的各个成员。这让堆叠中的每台交换机都可以共用相同的网络拓扑、介质访问控制（ MAC ）地址和路由信息。

● 堆叠互联

利用特殊的堆叠互联电缆和堆叠软件，思科 StackWise 技术最多可以将 9 台单独的 Cisco Catalyst 3750 交换机连接到一个统一的逻辑单元中。堆叠相当于一个单一的交换单元，由一个从成员交换机中选出的主交换机管理。主交换机可以自动地创建和升级所有的交换信息和可选的路由表。一个工作中的堆叠可以在不中断服务的情况下，添加新的成员或者移除旧的成员。

● 双向流与负载均衡

为了有效地平衡流量负载，分组被分配到两条逻辑计数循环路径上。每个计数循环路径都支持 16Gbps 的流量，总共支持 32Gbps 。输出队列会计算路径的使用率，以确保流量负载的平衡分配。系统为流量提供服务的方式取决于它的服务等级（ CoS ）或者差分服务代码点（ DSCP ）值。低延时的流量会获得较高的优先级。

● 连接 冗余

通过特殊的堆叠互联电缆，可将叠堆中的所有交换机组织成一个单一的逻辑单元，从而创建一条双向的封闭环路。如果检测到电缆中存在断点，流量将会立即转到另外一条 16Gbps 路径上继续转发。次秒级定时机制可以检测流量故障，及时地进行故障切换，并在检测到电缆上的互动时重新恢复双路径传输。需要注意的是，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。

● 热插拔

用户可以在不影响堆叠性能的情况下，在一个工作中的堆叠中添加或者移除交换机。堆叠将会搜集包括交换表在内的各种信息，并在获得新地址之后更新 MAC 地址。网络管理员不需要对交换机进行任何配置，就可以直接使用该交换机。同样，用户也可以在不对剩余交换机产生影响的情况下，从一个工作中的堆叠中移除交换机。当堆叠发现一系列端口不再可用时，它将在不影响转发或者路由的情况下更新相关信息。

3. 交换机的级联

不仅相同品牌或不同品牌的交换机之间都可以通过级联的方式而扩展端口，而且交换机和集线器之间也可以通过级联的方式进行。因此，级联通常是解决不同品牌交换机如何连接的有效手段。

（1）双绞线端口的级联

级联既可使用普通端口也可使用特殊的 MDI-II 端口。当相互级联的两个端口分别为普通端口（即 MDI-X ）端口和 MDI-II 端口时，应当使用直通电缆。当相互级联的两个端口均为普通端口（即 MDI-X ）或均为 MDI-II 端口时，则应当使用交叉电缆。

无论是 10Base-T 以太网、 100Base-TX 快速以太网还是 1000Base-T 千兆以太网，级联交换机所使用的电缆长度均可达到 100 米，这个长度与交换机到计算机之间长度完全相同。因此，级联除了能够扩充端口数量外，另外一个用途就是快速延伸网络直径。当有 4 台交换机级联时，网络跨度就可以达到 500 米。这样的距离对于位于同一座建筑物内的小型网络而言已经足够了！

● 使用 Uplink 端口级联

现在，越来越多交换机（ Cisco 交换机除外）提供了 Uplink 端口（如图 所示），使得交换机之间的连接变得更加简单。

   

图   Uplink端口

      Uplink 端口是专门用于与其他交换机连接的端口，可利用直通跳线将该端口连接至其他交换机的除 Uplink 端口外的任意端口（如图 所示），这种连接方式跟计算机与交换机之间的连接完全相同。需要注意的是，有些品牌的交换机（如 3Com ）使用一个普通端口兼作 Uplink 端口，并利用一个开关（ MDI/MDI-X 转换开关）在两种类型间进行切换。

 

图   利用直通线通过 Uplink端口级联交换机

● 使用普通端口级联

如果交换机没有提供专门的级联端口（ Uplink 端口），那么，将只能使用交叉跳线，将两台交换机的普通端口连接在一起，扩展网络端口数量（如图 所示）。需要注意的是，当使用普通端口连接交换机时，必须使用交叉线而不是直通线。

  

 

 

图   利用交叉线通过普通端口级联交换机

（2）光纤端口的级联

由于光纤端口的价格仍然非常昂贵，所以，光纤主要被用于核心交换机和骨干交换机之间连接，或被用于骨干交换机之间的级联。需要注意的是，光纤端口均没有堆叠的能力，只能被用于级联。

● 光纤跳线的交叉连接

所有交换机的光纤端口都是 2 个，分别是一发一收。当然，光纤跳线也必须是 2 根，否则端口之间将无法进行通讯。当交换机通过光纤端口级联时，必须将光纤跳线两端的收发对调，当一端接“收”时，另一端接“发”。同理，当一端接“发”时，另一端接“收” 。令人欣慰的是， Cisco GBIC 光纤模块都标记有收发标志，左侧向内的箭头表示“收”，右侧向外的箭头表示“发”。如果光纤跳线的两端均连接“收”或“发”，则该端口的 LED 指示灯不亮，表示该连接为失败。只有当光纤端口连接成功后， LED 指示灯才转为绿色。

    同样，当骨干交换机连接至核心交换机时，光纤的收发端口之间也必须交叉连接。

  

● 光纤跳线及光纤端口类型

光纤跳线分为单模光纤和多模光纤。交换机光纤端口、跳线都必须与综合布线时使用的光纤类型相一致，也就是说，如果综合布线时使用的多模光纤，那么，交换机的光纤接口就必须执行 1000Base-SX 标准，也必须使用多模光纤跳线；如果综合布线时使用的单模光纤，那么，交换机的光纤接口就必须执行 1000Base-LX/LH 标准，也必须使用单模光纤跳线。

需要注意的是，多模光纤有两种类型，即 62.5/125μm 和 50/125μm 。虽然交换机的光纤端口完全相同，而且两者也都执行 1000Base-SX 标准，但光纤跳线的芯径必须与光缆的芯径完全相同，否则，将导致连通性故障。

另外，相互连接的光纤端口的类型必须完全相同，或者均为多模光纤端口，或者均为单模光纤端口。一端是多模光纤端口，而另一端是单模光纤端口，将无法连接在一起。

● 传输速率与双工模式

与 1000Base-T 不同， 1000Base-SX 、 1000Base-LX/LH 和 1000Base-ZX 均不能支持自适应，不同速率和双工工作模式的端口将无法连接并通讯。因此，要求相互连接的光纤端口必须拥有完全相同的传输速率和双工工作模式，既不可将 1000Mbps 的光纤端口与 100Mbps 的光纤端口连接在一起，也不可将全双工模式的光纤端口与半双工模式的光纤端口连接在一起，否则，将导致连通性故障。

（3）光电收发器的连接

当建筑之间或楼层之间的布线采用光缆，而水平布线采用双绞线时，可以采用两种方式实现两种传输介质之间的连接。一是采用同时拥有光纤端口和 RJ-45 端口的交换机，在交换机之间实现光电端口之间的互连（如图 16 所示）；二是采用廉价的光电转换设备，一端连接光纤一端连接交换机的双绞线端口，实现光电之间的相互转换。如图 17 所示为 SC-to-RJ-45 收发转发器。

   

    相比较而言，模块化交换机的传输性能更高，而光电转换设备的价格更低。因此，应当根据网络的数据传输需要和投资额度决定采用哪种设备。需要注意的是，并非全部光纤收发器都支持全双工，部分产品只支持半双工，因此，应当在选购时注意鉴别。另外，考虑到兼容性，建议选用相同品牌和类型的产品。

    光电收发器的一端使用光纤跳线连接至光纤配线架，实现与远端光纤接口的连接；另一端使用双绞线跳线连接至交换机的 RJ-45 端口，实现与交换机上其他计算机间连接，从而完成网络骨干的光纤传输。

    当网络直径过大，已经远远超出双绞线所能支持的传输距离时，都会借助于光纤进行传输。如果网络用户较量较少，仅仅是为了实现远距离通讯，对网络性能和数据传输速率没有太高要求，可以在两端均使用光电收发器 + 普通 RJ-45 端口交换机的方式，从而大幅降低网络成本。

    如果整个网络连接有多幢建筑，而且对数据传输性能要求较高，只是某个子网无需较高的性能，则可以只在一端使用光电收发器 ，而另一端使用带有光纤接口的中心或骨干交换机，从而在保证整体网络性能的同时，提高网络的性价比。

   

图 19  一端使用光电收发转发器

连接光电收发器与交换机时，应当注意以下几个方面的问题：

l         连接光电收发器与交换机的双绞线跳线应当为直通线。有些光纤收发器提供一个 MDI/MDI-X 按钮开关，当使用交叉线时应当按下 MDI/MDI-X 开关按钮，而使用直通线时，则无需按下该按钮。事实上，只要 LED 指示灯变绿即为连通状态，否则，说明连接跳线或开关按钮有问题。

l         连接光电收发器与光纤配线架的光纤跳线通常为 ST-SC ， SC 端连接至光电收发器， ST 端连接至光纤配线架。

l         光纤跳线的类型与芯径必须与布线中使用的光纤完全相同。

4. 冗余连接及其实现

无论什么设备都无法保障运行的绝对稳定性，即使再优秀的产品也不会真的保证 24*7 不间断的工作。除去设备或模块损坏、传输线路中断等硬件故障原因以外，还可能由于网络流量过载、任务负荷过大而导致核心交换机瘫痪。因此，若欲保障网络的稳定性，保证重要服务不被中断，就必须采取必要的应对措施。通常情况下，这种措施就是冗余连接，即在核心交换机与骨干交换机之间，以及交换机与服务器之间创建多个连接。

（1）EtherChannel

EtherChannel 和 Port Trunking （多干路冗余连接）技术，将交换机上的多个端口在物理上连接起来，在逻辑上捆绑在一起，形成一个拥有较大带宽的端口，组成一个干路，既可以增加交换机之间，以及交换机与服务器之间的连接带宽，实现均衡负载，又可提供冗余连接 。当所有端口都正常工作时，绑定的带宽为所有端口带宽之和。当某个端口宕掉后，其他端口仍能维持正常连接。 Cisco 的 EtherChannel 有 2 个级别，即 Fast EtherChannel 和 Giga Etherchannel ，最大带宽分别为 400Mbps 和 4Gbps 。

  

（2）Spanning Tree

Spanning Tree 实现冗余连接的工作方式是 Stand By 。在交换机之间创建两条链路，由于交换机之间存在两条链路时会导致拓扑环， 因此，借助于 Spanning Tree 技术使得除了一条链路工作外，其余链路实际上是处于待机（ Stand By ）状态，这显然影响传输的效率。

  

5. 交换机与集线器的连接

随着交换机技术的不断成熟和制造成本的不断下降， 100Mbps 集线器与 100Mbps 交换机在价格上已经相差很少了，尤其是傻瓜集线器与交换机，甚至已经到了可以忽略不计的程度。虽然两者价格非常相近，但通信效率却有天壤之别，所以，网络中很少会用到 100Mbps 集线器。与此同时， 10Mbps 交换机也在已经丧失了在价格上的优势，所以，现在市场上几乎是清一色的 100Mbps 交换机。 10Mbps 集线器由于价格非常低廉，因此，仍然顽强地在小型廉价的网络中生存着。

由于性价比的原因，市场上已经看不到支持堆叠的集线器了。所以，集线器基本上都是采用级联的方式扩展端口和网络直径。

集线器之间的联级，以及集线器与交换机的联级跟交换机之间的连接完全相同。当一端使用专用的 Uplink 端口时，使用直通线；当两端均使用普通端口时，则使用交叉线。

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