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百兆競速 管理致勝(虛擬篇)

百兆競速 管理致勝(虛擬篇)

——10款10M/100M自適應
以太網(wǎng)交換機橫向評測報告
《計算機世界》評測實(shí)驗室
中科院計算所網(wǎng)絡(luò )測試實(shí)驗室


---- 編者按:Internet的大行其道,給網(wǎng)絡(luò )連接設備提供了高速發(fā)展的良機。局域網(wǎng)的連接速度也一日千里。作為局域網(wǎng)主要連接設備的以太網(wǎng)交換機,隨著(zhù)技術(shù)的不斷進(jìn)步,功能和性能不斷提升,價(jià)格卻不斷下降,“交換到桌面"再也不只是一句口號了。那么,目前市售的各種品牌的以太網(wǎng)交換機在產(chǎn)品性能、功能、可靠性、易用性、價(jià)格、支持和服務(wù)方面都有哪些特點(diǎn)呢?為了幫助我們的讀者較為客觀(guān)、詳盡地了解這些交換機的產(chǎn)品技術(shù)特色,由《計算機世界》報社組織,《計算機世界》評測實(shí)驗室和中科院計算所網(wǎng)絡(luò )評測實(shí)驗室聯(lián)合進(jìn)行了這次以太網(wǎng)交換機橫向測試,希望在眾說(shuō)紛紜、莫衷一是的時(shí)候能夠給用戶(hù)選用產(chǎn)品提供一點(diǎn)值得參考的東西。 ----回眸以太網(wǎng)

----1973年5月22日,以太網(wǎng)由施樂(lè )公司PARC研究中心的Bob Metcalfe首先提出,經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和改進(jìn),成為目前世界上最流行的局域網(wǎng),其市場(chǎng)占有率超過(guò)80%。

----最初的以太網(wǎng)只支持10Mbps速率(即我們常說(shuō)的10BaseT),采用載波監聽(tīng)多重訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測即CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)協(xié)議。 該協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是避免了在網(wǎng)絡(luò )上有“沖突"時(shí)還繼續發(fā)送全部報文,提高了傳輸效率,但其“推遲算法"存在推遲時(shí)間的隨機性,因為在同一時(shí)間只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以占用以太網(wǎng)總線(xiàn)傳輸數據,這樣就有可能造成網(wǎng)絡(luò )設備爭奪總線(xiàn)的沖突,所以在網(wǎng)絡(luò )流量較高時(shí),其效率會(huì )有明顯降低。 在介質(zhì)上,10BaseT支持3、4、5類(lèi)(線(xiàn)纜的阻抗是100歐)UTP(非屏蔽雙絞線(xiàn))和STP(屏蔽雙絞線(xiàn)),連接距離不超過(guò)100米。10BaseT還支持粗纜、細纜和光纖。由于UTP的價(jià)格很低,性能也不錯,布線(xiàn)方便,所以很快流行起來(lái),目前已經(jīng)成為局域網(wǎng)的主要傳輸介質(zhì)。

----隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )應用范圍的擴大和數據流量的增加,特別是包括語(yǔ)音、圖像和視頻等占用大量帶寬的多媒體信息在網(wǎng)上的實(shí)時(shí)傳輸,10BaseT已經(jīng)不能滿(mǎn)足應用的需求,迫切需要有更新更快的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)出現。

----1993年7月,IEEE成立了快速以太網(wǎng)技術(shù)聯(lián)盟,草擬802.3u 100BaseT快速以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )規范。為保證10BaseT以太網(wǎng)向100BaseT快速以太網(wǎng)的平滑過(guò)渡,100BaseT沿用了10BaseT的CSMA/CD協(xié)議,在介質(zhì)上與10BaseT兼容,因而很好地保護了用戶(hù)以往的投資。由于快速以太網(wǎng)的速度還要配合EIA/TIA 568布線(xiàn)標準,所以快速以太網(wǎng)碰撞域的最大線(xiàn)徑為205米??焖僖蕴W(wǎng)以星形網(wǎng)絡(luò )為主要拓撲結構。

----為什么是交換機?

----最早出現的以太網(wǎng)連接設備是Hub(集線(xiàn)器)和網(wǎng)橋。

----Hub對信號進(jìn)行再生放大,播放到網(wǎng)絡(luò )上的所有端口,并能自動(dòng)檢測"碰撞",發(fā)出阻塞(JAM)信號以增強整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的防沖突能力。Hub還有自動(dòng)指示和隔離故障站點(diǎn)的功能。但Hub簡(jiǎn)單重復發(fā)送數據的方式浪費了大量網(wǎng)絡(luò )帶寬,這在網(wǎng)絡(luò )負載很輕的時(shí)候還沒(méi)有什么大問(wèn)題,但當網(wǎng)絡(luò )比較繁忙的時(shí)候就會(huì )有致命的弱點(diǎn)。更為致命的是使用Hub連接的共享網(wǎng)絡(luò )的所有節點(diǎn)只能共同使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍內的沖突域。這樣,Hub就沒(méi)有跨網(wǎng)段的連接能力。

----網(wǎng)橋是用來(lái)連接2個(gè)或超過(guò)2個(gè)LAN網(wǎng)段的設備, 工作在OSI模型的第2層,通過(guò)在LAN內部和不同的LAN網(wǎng)段之間快速轉發(fā)數據來(lái)擴展網(wǎng)絡(luò )的性能。第2層工作在包含客戶(hù)機/服務(wù)器物理地址的通信協(xié)議一層,即數據鏈路層或稱(chēng)MAC層。每個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備的第2層地址是唯一的。

----網(wǎng)橋會(huì )檢查數據包的MAC地址,如果它不知道目的地址,會(huì )將該數據發(fā)給除源LAN網(wǎng)段外的所有網(wǎng)段。網(wǎng)橋的缺點(diǎn)是功能單一,速度也較慢。

----大約在1993年,市場(chǎng)上出現了第一批以太網(wǎng)交換機。交換機同網(wǎng)橋一樣也工作在OSI模型的第2層。但與網(wǎng)橋相比,交換機具有很高的處理速度,時(shí)延很小。交換機檢查每一個(gè)收到的數據包,并對數據包進(jìn)行相應的處理。在檢測到網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間有數據傳輸的要求后,交換機在源和目的節點(diǎn)間建立起獨立的物理連接,這條線(xiàn)路是完全私用的,因而有效地避免了數據碰撞。交換機具有自動(dòng)學(xué)習功能,能夠自動(dòng)建立使用網(wǎng)段的地址信息。交換機內保存有每一個(gè)網(wǎng)段上所有節點(diǎn)的物理地址,只允許必要的網(wǎng)絡(luò )流量通過(guò)交換機。例如,當交換機接收到一個(gè)數據包之后,根據自身保存的網(wǎng)絡(luò )地址表檢查數據包內包含的發(fā)送和接收方地址。如果接收方位于發(fā)送方網(wǎng)段,該數據包就會(huì )被交換機丟棄(即被過(guò)濾),不能通過(guò)交換機傳送到其他網(wǎng)段;如果接收方和發(fā)送方位于兩個(gè)不同的網(wǎng)段,該數據包才會(huì )被交換機轉發(fā)到目標網(wǎng)段。

----如上所述,交換機可以過(guò)濾數據包或者重新生成并轉發(fā)新包,所以交換技術(shù)可以用來(lái)把一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò )劃分成幾個(gè)獨立的沖突域,不同的沖突域之間可以互相溝通,這樣就能有效地削減甚至消除網(wǎng)絡(luò )中的信號碰撞, 避免廣播風(fēng)暴, 減少誤包和錯包的出現。同時(shí),因為交換機可以重新生成原數據包并進(jìn)行轉發(fā),所以它支持更長(cháng)的傳輸距離和更多的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。交換機的每一個(gè)端口都可以形成一個(gè)沖突域,這是與Hub最大的不同。 而且一般的Hub和堆疊式Hub是不支持全雙工的。而交換機支持數據的同時(shí)雙向傳輸,這樣實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )連接帶寬就增加了1倍。由于交換機與Hub工作在同一層,所以也不牽涉到協(xié)議方面的問(wèn)題。

----除此以外,交換機比Hub和網(wǎng)橋更勝一籌的是具有更廣泛的功能,如VLAN(Virtual LAN)功能。 VLAN將物理的以太網(wǎng)段劃分為邏輯的虛擬網(wǎng)段,其優(yōu)點(diǎn)主要體現在以下幾個(gè)方面:

----1. 廣播控制:普通的交換機端口只在物理上隔離沖突域,而VLAN端口能夠提供隔離廣播和多播(多點(diǎn)傳送)的邏輯沖突域。

----2. 安全:可以設置安全等級。如果沒(méi)有路由設備,位于1個(gè)VLAN以外的設備將不能訪(fǎng)問(wèn)該VLAN內的設備,反之亦然。這對于某些敏感應用來(lái)講非常重要。

----3. 性能:在某種程度上,可以將VLAN看作私用LAN,某些網(wǎng)絡(luò )流量被屏蔽到VLAN外。 通過(guò)重新配置VLAN用戶(hù)組,甚至可以重新分配網(wǎng)絡(luò )負載。

----4. 網(wǎng)絡(luò )管理:通過(guò)VLAN軟件可以很迅速地更改配置,從邏輯上指定組內端口,而不必再重新進(jìn)行物理布線(xiàn)。

----隨著(zhù)近幾年交換技術(shù)的不斷發(fā)展,交換機的性能和功能不斷增強, 一些重要的產(chǎn)品功能,如Trunking(端口干路)和VLAN技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)品化,而價(jià)格卻急劇下降。這些新技術(shù)對于企業(yè)的投資來(lái)說(shuō),其優(yōu)異的性能和高度智能化是網(wǎng)絡(luò )建設者的理想選擇。

----交換機的內部結構 ----交換機卓越的性能表現來(lái)源于其內部獨特的結構,目前交換機采用的內部結構主要有以下幾種:

----1. 共享內存結構

----依賴(lài)中心交換引擎來(lái)提供全端口的高性能連接。由核心引擎檢查每個(gè)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(zhù)交換機端口的增加,由于需要內存容量更大,速度也更快,中央內存的價(jià)格變得很高。交換機內核成為性能實(shí)現的瓶頸。

----2. 交叉總線(xiàn)結構

----此種交換機結構可以用圖1很直觀(guān)地說(shuō)明。

----交叉總線(xiàn)式結構在端口間建立直接的點(diǎn)對點(diǎn)連接。這種結構對于單點(diǎn)(unicast)傳輸來(lái)講性能很好,但并不適合點(diǎn)對多點(diǎn)傳輸。由于在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò )應用環(huán)境中廣播和多播傳輸很常見(jiàn),這種標準的交叉總線(xiàn)方式會(huì )帶來(lái)一些問(wèn)題。例如:當端口A(yíng)向端口D傳輸數據時(shí),端口B和C就只能等待。而當端口A(yíng)向所有的端口廣播消息時(shí),可能會(huì )引起目標端口的排隊等候。這樣會(huì )消耗掉大量的帶寬,從而影響了交換機的性能。而且很容易理解的是要連接n個(gè)端口,就需要n×(n1)條交叉總線(xiàn),因而實(shí)現成本會(huì )隨端口數的增加急劇上升。

----3. 混合交叉總線(xiàn)結構

----鑒于標準交叉總線(xiàn)存在的缺陷,一種混合交叉總線(xiàn)實(shí)現方式被提了出來(lái)。此種方式的設計思路是將一體的交叉總線(xiàn)矩陣劃分成小的交叉矩陣,中間通過(guò)一條高性能的總線(xiàn)連接。優(yōu)點(diǎn)是減少了交叉總線(xiàn)數,降低了成本,還減少了總線(xiàn)爭用。但連接交叉矩陣的總線(xiàn)成為新的性能瓶頸。

----4. 環(huán)形總線(xiàn)結構

----如圖2所示,這種結構在1個(gè)環(huán)內最多支持4個(gè)交換引擎并且允許不同速度的交換矩陣互連,環(huán)與環(huán)間通過(guò)交換引擎連接。由于采用環(huán)形結構, 所以很容易聚集帶寬,當端口數增加的時(shí)候,帶寬就相應增加了。與前述幾種結構不同的是此種結構有獨立的一條控制總線(xiàn),用于搜集總線(xiàn)狀態(tài)、處理路由、流量控制和清理數據總線(xiàn)。另外在環(huán)形總線(xiàn)上可以加入管理模塊,提供完整的SNMP管理特性。根據需要,還可以選用第3層交換的模塊使交換機具有第3層交換的功能。這種結構的最大優(yōu)點(diǎn)是擴展能力強,實(shí)現成本低,而且有效地避免了系統擴展時(shí)造成的總線(xiàn)瓶頸。

----局域網(wǎng)交換機的未來(lái)發(fā)展趨勢

----自從第1臺以太網(wǎng)交換機問(wèn)世以來(lái),在交換機領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生了很多變化,交換機技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展取得了驚人的進(jìn)步。

----多層交換機的出現是網(wǎng)絡(luò )應用發(fā)展的必然結果。類(lèi)似點(diǎn)擊式Web瀏覽這種瞬息萬(wàn)變和無(wú)法預測信息流的新型共享型應用不斷涌現,已經(jīng)徹底改變了傳統的80/20法則(即80%的信息流保持在一個(gè)局部子網(wǎng)內)。非本地子網(wǎng)間大量數據的傳輸使傳統的路由器嚴重超載。我們知道,路由器是工作在OSI模型第3層的網(wǎng)絡(luò )設備,任務(wù)是完成基于第3層地址的路由計算,提供多協(xié)議支持、WAN連接以及完善的安全特性,但需要更多的反應時(shí)間和復雜的管理。第3層工作在包含客戶(hù)機/服務(wù)器邏輯地址的通信協(xié)議一層,即IP/IPX地址層,也稱(chēng)網(wǎng)絡(luò )層。第3層交換機將傳統的第2層交換機和第3層路由技術(shù)在單一產(chǎn)品中進(jìn)行了功能合并。這主要得益于最新的高集成度ASIC (ApplicationSpecific Integrated Circuit),使第3層交換機能夠實(shí)時(shí)進(jìn)行線(xiàn)速交換和轉發(fā)數據。其優(yōu)勢在于:克服普通路由器的性能瓶頸, 解決了Intranet和Internet應用的IP阻塞呈爆炸性增長(cháng)的難題; 由于A(yíng)SIC技術(shù)的發(fā)展允許以很經(jīng)濟的價(jià)格直接在高速硬件上實(shí)現復雜的路由功能,而不是像傳統的路由器通過(guò)低速的軟件實(shí)現,所以也避免了擴展性能時(shí)采用高性能路由器所付出的高昂價(jià)格。

----伴隨著(zhù)第3層交換機的出現,所謂的第4層、第7層交換機也粉墨登場(chǎng)。第4層(傳輸層)交換機通過(guò)閱讀、處理第4層報頭信息而提供應用級的控制,即支持安全過(guò)濾、提供對應用流施加特定的QoS策略以及應用層記賬功能,從而優(yōu)化數據傳輸和實(shí)現多臺服務(wù)器間的負載均衡,廣泛地應用于Web交換機中。第7層交換則更進(jìn)一步,提供了基于內容的智能交換, 能夠根據實(shí)際的應用類(lèi)型做出決策,進(jìn)一步提高了應用性能。

----以太網(wǎng)交換機的連接速度也突飛猛進(jìn)。1999年6月,IEEE討論通過(guò)了基于雙絞線(xiàn)的1000BaseT標準802.3ab,配合支持光纖的802.3z 千兆標準, 千兆以太網(wǎng)標準已經(jīng)能支持目前所有主流的傳輸介質(zhì)。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有成熟的千兆產(chǎn)品推出。甚至支持10G速率的IEEE 802.3ae標準也已出臺,真讓人感嘆世界變化的迅捷。從傳輸介質(zhì)上看,交換機之間越來(lái)越多地使用光纖來(lái)連接。與雙絞線(xiàn)相比,雖然光纖的成本較高,架設稍復雜,但其連接距離遠,工作穩定,可擴展性強,已經(jīng)成為高速網(wǎng)絡(luò )連接無(wú)可替代的主要介質(zhì)。同時(shí),適應網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的急速增長(cháng),交換機的端口密度也在不斷膨脹,48口、96口,甚至幾百個(gè)端口,這種高端口密度主要通過(guò)擴展模塊來(lái)實(shí)現。另外,交換機也更注重安全、服務(wù)保證和管理功能,VLAN、QoS(流量控制、優(yōu)先級控制)、SNMP、RMON、安全控制等功能的實(shí)現,極大地提高了網(wǎng)絡(luò )的性能、安全性和穩定性。

 

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