交换机之间连接技术及优缺点介绍

交换机级联、堆叠、集群技术介绍

交换机应该是网络中最常见的网络设备，不论是企业还是家庭用户，对交换机应该都不陌生。特别是对于企业的网络管理员来说，不论高端还是低端，交换机绝对是网络中非常重要的设备，并且数量较多，因此对于交换机之间的连接我们有必要搞清楚。

最简单的局域网(LAN)通常由一台集线器(或交换机)和若干台微机组成。随着计算机数量的增加、网络规模的扩大，在越来越多的局域网环境中，交换机取代了集线器，多台交换机互连取代了单台交换机。

在多交换机的局域网环境中，交换机的级联、堆叠和集群是3种重要的技术。级联技术可以实现多台交换机之间的互连；堆叠技术可以将多台交换机组成一个单元，从而提高更大的端口密度和更高的性能；集群技术可以将相互连接的多台交换机作为一个逻辑设备进行管理，从而大大降低了网络管理成本，简化管理操作。

考虑到局域网的发展现状，因此本文提高的局域网，如无特别指出均指10BaseT、100BaseT(F)、1000BaseT(F)的交换式以太网。

一、级联

级联可以定义为两台或两台以上的交换机通过一定的方式相互连接。根据需要，多台交换机可以以多种方式进行级联。在较大的局域网例如园区网(校园网)中，多台交换机按照性能和用途一般形成总线型、树型或星型的级联结构。

城域网是交换机级联的极好例子。目前各地电信部门已经建成了许多市地级的宽带IP城域网。这些宽带城域网自上向下一般分为3个层次：核心层、汇聚层、接入层。核心层一般采用千兆以太网技术，汇聚层采用1000M/100M以太网技术，接入层采用100M/10M以太网技术，所谓"千兆到大楼，百兆到楼层，十兆到桌面"。

这种结构的宽带城域网实际上就是由各层次的许多台交换机级联而成的。核心交换机(或路由器)下连若干台汇聚交换机，汇聚交换机下联若干台小区中心交换机，小区中心交换机下连若干台楼宇交换机，楼宇交换机下连若干台楼层(或单元)交换机(或集线器)。 交换机间一般是通过普通用户端口进行级联，有些交换机则提供了专门的级联端口(Uplink Port)。这两种端口的区别仅仅在于普通端口符合MDI标准，而级联端口(或称上行口)符合MDIX标准。由此导致了两种方式下接线方式度不同：当两台交换机都通过普通端口级联时，端口间电缆采用直通电缆(Straight Throurh Cable)；当且仅当中一台通过级联端口时，采用交叉电缆(Crossover Cable)。

为了方便进行级联，某些交换机上提供一个两用端口，可以通过开关或管理软件将其设置为MDI或MDIX方式。更进一步，某些交换机上全部或部分端口具有MDI/MDIX自校准功能，

可以自动区分网线类型，进行级联时更加方便。

用交换机进行级联时要注意以下几个问题。原则上任何厂家、任何型号的以太网交换机均可进行级联，但也不排除一些特殊情况下两台交换机无法进行级联。交换机间级联的层数是有一定限度的。成功实现级联的最根本原则就是任意两站点之间的距离不能超过媒体段的最大跨度。多台交换机级联时，应保证它们都支持生成树(Spanning-Tree）协议，既要防止网内出现环路，又要允许冗余链路存在。

进行级联时，应该尽力保证交换机间中继链路具有足够的带宽，为此可采用全双工技术和链路汇聚技术。交换机端口采用全双工技术后，不但相应端口的吞吐量加倍，而且交换机间中继距离大大增加，使得异地分布、距离较远的多台交换机级联成为可能。链路汇聚也叫端口汇聚、端口捆绑、链路扩容组合，由IEEE802.3ad标准定义。即两台设备之间通过两个以上的同种类型的端口并进行连接，同时传输数据，以便提供更高的带宽、更好的冗余度以及实现负载均衡。链路汇聚技术不但可以提供交换机间的高速连接，还可以为交换机和服务器之间的连接提供高速通道。需要注意的是，并非所有类型的交换机都支持这两种技术。

二、堆叠

堆叠是指将一台以上的交换机组合起来共同工作，以便在有限的空间内提供尽可能多的端口。多台交换机经过堆叠形成一个堆叠单元。可堆叠的交换机性能指标中有一个"最大可堆叠数"的参数，它是指一个堆叠单元中所能堆叠的最大交换机数，代表一个堆叠单元中所能提供的最大端口密度。

堆叠与级联这两个概念既有区别又有联系。堆叠可以看作是级联的一种特殊形势。它们的不同之处在于：级联的交换机之间可以相距很远(在媒体许可范围内)，而一个堆叠单元内的多台交换机之间的距离非常近，一般不超过几米；级联一般采用普通端口，而堆叠一般采用专用的堆叠模块和堆叠电缆。一般来说，不同厂家、不同型号的交换机可以互相级联，堆叠则不同，它必须在可堆叠的同类型交换机(至少应该是同一厂家的交换机)之间进行；级联仅仅是交换机之间的简单连接，堆叠则是将整个堆叠单元作为一台交换机来使用，这不但意味着端口密度的增加，而且意味着系统带宽的加宽。

目前，市场上的主流交换机可以细分为可堆叠型和非堆叠型两大类。而号称可以堆叠的交换机中，又有虚拟堆叠和真正堆叠之分。所谓的虚拟堆叠，实际就是交换机之间的级联。交换机并不是通过专用堆叠模块和堆叠电缆，而是通过Fast Ethernet端口或Giga Ethernet端口进行堆叠，实际上这是一种变相的级联。即便如此，虚拟堆叠的多台交换机在网络中已经可以作为一个逻辑设备进行管理，从而使网络管理变得简单起来。

真正意义上的堆叠应该满足：采用专用堆叠模块和堆叠总线进行堆叠，不占用网络端口；多台交换机堆叠后，具有足够的系统带宽，从而保证堆叠后每个端口仍能达到线速交换；多

台交换机堆叠后，VLAN等功能不受影响。

目前市场上有相当一部分可堆叠的交换机属于虚拟堆叠类型而非真正堆叠类型。很显然，真正意义上的堆叠比虚拟堆叠在性能上要高出许多，但采用虚拟堆叠至少有两个好处：虚拟堆叠往往采用标准Fast Ethernet或Giga Ethernet作为堆叠总线，易于实现，成本较低；堆叠端口可以作为普通端口使用，有利于保护用户投资。采用标准Fast Ethernet或Giga Ethernet端口实现虚拟堆叠，可以大大延伸堆叠的范围，使得堆叠不再局限于一个机柜之内。

堆叠可以大大提高交换机端口密度和性能。堆叠单元具有足以匹敌大型机架式交换机的端口密度和性能，而投资却比机架式交换机便宜得多，实现起来也灵活得多。这就是堆叠得优势所在。

机架式交换机可以说是堆叠发展到更高阶段得产物。机架式交换机一般属于部门以上级别得交换机，它有多个插槽，端口密度大，支持多种网络类型，扩展性较好，处理能力强，但价格昂贵。

三、集群

所谓集群，就是将多台互相连接(级联或堆叠)的交换机作为一台逻辑设备进行管理。集群中，一般只有一台起管理作用的交换机，称为命令交换机，它可以管理若干台其他交换机。在网络中，这些交换机只需要占用一个IP地址(仅命令交换机需要)，节约了宝贵的IP地址。在命令交换机统一管理下，集群中多台交换机协同工作，大大降低管理强度。例如，管理员只需要通过命令交换机就可以对集群中所有交换机进行版本升级。

集群技术给网络管理工作带来的好处是毋庸置疑的。但要使用这项技术，应当注意到，不同厂家对集群有不同的实现方案，一般厂家都是采用专有协议实现集群的。这就决定了集群技术有其局限性。不同厂家的交换机可以级联，但不能集群。即使同一厂家的交换机，也只有指定的型号才能实现集群。如CISCO 3500XL 系列就只能与1900、 2800 、2900XL系列实现集群。

交换机的级联、堆叠、集群这3种技术既有区别又有联系。级联和堆叠是实现集群的前提，集群是级联和堆叠的目的；级联和堆叠是基于硬件实现的；集群是基于软件实现的；级联和堆叠有时很相似(尤其是级联和虚拟堆叠)，有时则差别很大(级联和真正的堆叠)。随着局域网和城域网的发展，上述三种技术必将得到越来越广泛的应用。

网络交换机设备的级联(图解)

一、 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！

1． 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1所示），使得交换机之间的连接变得更加简单。

图1 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2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2 利用交叉线通过普通端口级联交换机

二、 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。

1． 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”（如图4所示）。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。

图3 光纤端口的级联

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（如图所示）。

图4 核心交换机与骨干交换机的连接

2． 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。

3． 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。

交换机应该是网络中最常见的网络设备，不论是企业还是家庭用户，对交换机应该都不陌生。特别是对于企业的网络管理员来说，不论高端还是低端，交换机绝对是网络中非常重要的设备，并且数量较多，因此对于交换机之间的连接我们有必要搞清楚。

一、浅析连接原理

参加过工程实施的也许知道交换机可以有两种连接方式，那就是级联（Uplink）和堆叠（Stack）。但是对于这两种连接方式你又了解多少呢？下面逐一讲解。

级联是最常见的连接方式，就是使用网线将两个交换机进行连接。连接的结果是，在实际的网络中，它们仍然各自工作，仍然是两个独立的交换机。

堆叠是通过交换机的背板进行连接的，是一种建立在芯片级上的连接。一般只有中、高端交换机才提供堆叠功能。并且需要专用的堆叠模块和堆叠线缆。连接的结果是，在实际的网络中，对于其它网络设备以及网络员来说，它们是一台交换机，即两台24口的交换机堆叠以后，效果就相当于一个48口的交换机。

二、不同连接方式的优缺点

都是为了完成网络的连接，为什么还要分级联和堆叠呢？直接用网络连接的级联方式不是更方便吗？为什么还需要堆叠呢？两种连接方式的本质是不一样的，用来满足不同的要求，当然从一定程度上说，不能直接说哪一种连接方式好，而是根据实际需要、实际情况选择不同的连接方式。

级联的优点是可以延长网络的距离，理论上可以通过双绞线和多级的级联方式无限远的延长网络距离，级联后，在网络管理过程中仍然是多个不同的网络设备。另外级联基本上不受设备的限制，不同厂家的设备可以任意级联。级联的缺点就是多个设备的级联会产生级联瓶颈。例如，两个百兆交换机通过一根双绞线级联，这时它们的级联带宽是百兆，这样不同交换机之间的计算机要通讯，都只能通过这百兆带宽。

堆叠的优点是不会产生性能瓶颈，因为通过堆叠，可以增加交换机的背板带宽，不会产生性能瓶颈。通过堆叠可以在网络中提供高密度的集中网络端口，根据设备的不同，一般情况下最大可以支持8层堆叠，这样就可以在某一位置提供上百个端口。堆叠后的设备在网络管理过程中就变成了一个网络设备，只要赋于一个IP地址，方便管理，也节约管理成本。堆叠的缺点主要是受设备限制，并不是所有的交换机都支持堆叠字，不同厂家，不同型号，进行堆叠需要特定的设备的支持。受距离限制，因为受到堆叠线缆长度的限制，堆叠的交换机之间的距离要求很近。还有就是不同厂家的设备有时不能很好的兼容，因此厂家的设备想要进行堆叠非常困难。