交换机．路由器．防火墙-技术提升【1.8】

3.2.1    三层交换机的主要参数

三层交换机主要被用于核心层交换机，以及大中型网络中的汇聚层交换机，承担着网络传输中的大部分数据流量的转发任务，决定着整个网络的传输效率。因此，三层交换机应当拥有较高的处理性能和可扩展性。 Cisco 的 Catalyst 3850、 Catalyst 3750、 Catalyst 3650、 Catalyst 3560 和 Catalyst 3550 系列都是三层交换机， Catalyst 6500、 Catalyst 4900 和 Catalyst 4500 等四层交换机也都支持三层交换。

1. 转发速率

网络中的数据是由一个个数据包组成的，对每个数据包的处理要耗费资源。转发速率（也称吞吐量）是指在不丢包的情况下，单位时间内通过的数据包数量。吞吐量就像是立交桥的车流量，是三层交换机最重要的一个参数，标志着交换机的具体性能。如果吞吐量太小，就会成为网络瓶颈，给整个网络的传输效率带来负面影响。交换机应当能够实现线速交换，即交换速度达到传输线上的数据传输速度，从而最大限度地消除交换瓶颈。对于万兆位交换机而言，若欲实现网络的无阻塞传输，要求：

吞吐量（Mpps） =万兆位端口数量× 14.88 Mpps＋千兆位端口数量× 1.488 Mpps＋百兆位端口数量× 0.1488 Mpps

如果交换机标称的吞吐量大于或等于上述计算值，那么在三层交换时应当可以达到线速。其中， 1 个万兆位端口在包长为 64 B 时的理论吞吐量为 14.88 Mpps， 1 个千兆位端口在包长为 64 B 时的理论吞吐量为 1.488 Mpps， 1 个百兆位端口在包长为 64 B 时的理论吞吐量为0.1488 Mpps。那么，这些数值是如何得到的呢？

事实上，包转发线速的衡量标准是以单位时间内发送 64 B 的数据包（最小包）的个数作为计算基准的。以千兆位以太网端口为例，其计算方法如下：

1 000 000 000 bps/ 8bit /（ 64＋8＋12） Byte = 1 488 095 pps

当以太网帧为 64 B 时，需考虑 8 B 的帧头和 12 B 的帧间隙的固定开销。由此可见，线速的千兆位以太网端口的包转发率为 1.488 Mpps。万兆位以太网的线速端口包转发率，正好为千兆位以太网的 10 倍，即 14.88 Mpps；而快速以太网的线速端口包转发率，则为千兆位以太网的十分之一，即 0.1488 Mpps。

例如，对于一台拥有 24 个千兆位端口的交换机而言，其满配置吞吐量应达到 24× 1.488 Mpps = 35.712 Mpps，才能够确保在所有端口均线速工作时，实现无阻塞的包交换。同样，如果一台交换机最多能够提供 176 个千兆位端口，那么其吞吐量应当至少为 261.8 Mpps（ 176 × 1.488 Mpps=261.8 Mpps），这样才是真正的无阻塞结构设计。

图 3-15 所示为充当中小型网络核心层的 Cisco Catalyst 4500E 系列交换机，依据所采用管理引擎的不同，其转发速率有着较大的区别。例如， Supervisor Engine 8-E 转发速率为 250 Mpps、Supervisor Engine 7L-E 转发速率为 225 Mpps， Supervisor Engine V-10GE 转发速率为 102 Mpps、Supervisor Engine IV 转发速率为和 72 Mpps。对于 Cisco Catalyst 4507R+E 而言，尽管最多可以支持 240 个 1000 Mbps 端口或 68 个 10 Gbps 端口，但若欲实现线速转发，当采用 SupervisorEngine 8-E 管理引擎时，其端口组合应当为 8 个 10 Gbps 端口＋ 88 个 1000 Mbps 端口；或者168 个 1000 Mbps 端口。

用于充当大中型网络核心层的 Cisco Catalyst 6500-E 系列交换机，依据所采用的管理引擎不同，其最大转发速率分别为 15 Mpps、 210 Mpps 和 400 Mpps。以 Cisco Catalyst 6509 为例，尽管最多可以支持 32 个 10 Gbps 端口或 386 个 1000 Mbps 端口，但是，即使采用性能最好的管理引擎 Supervisor Engine 720， 400 Mbps 的转发速率也只能支持 26 个 10 Gbps 端口，或者268 个 1000 Mbps 端口的线速转发。

2. 背板带宽

带宽是交换机接口处理器或接口卡和数据总线间所能吞吐的最大数据量，就像是立交桥所拥有的车道的总和。由于所有端口间的通信都需要通过背板完成，所以背板所能提供的带宽，就成为端口间并发通信时的瓶颈。带宽越大，提供给各端口的可用带宽越大，数据交换速度越快；带宽越小，给各端口提供的可用带宽越小，数据交换速度也就越慢。也就是说，背板带宽决定着交换机的数据处理能力，背板带宽越大，所能处理数据的能力就越强。因此背板带宽越大越好，特别是对那些汇聚层交换机和中心交换机而言。若欲实现网络的双全工无阻塞传输，必须满足最小背板带宽的要求。其计算公式如下：

背板带宽=端口数量×端口速率× 2

Cisco Catalyst 4500-E 系列交换机依据插槽数量的不同，其背板带宽分别为 96 Gbps、 240 Gbps 和 384 Gbps。根据上述公式计算， Catslyt 4510R-E 的 384 Gbps 的背板只能满足 192 个1000 Mbps 端口的无阻塞并发传输，而 Catslyt 4503-E 的 96 Gbps 背板带宽，也就只能满足 48个 1000 Mbps 端口的无阻塞并发传输。

对于三层交换机而言，只有转发速率和背板带宽都达到最低要求，才是合格的交换机，二者缺一不可。
3. 可扩展性
由于三层交换机往往充当核心层或汇聚层交换机，需要适应各种复杂的网络环境，因此其可扩展性就显得尤其重要。可扩展性应当包括两个方面。
 插槽数量。插槽用于安装各种功能模块和接口模块。由于每个接口模块所提供的端口数量是一定的，因此插槽数量也就从根本上决定着交换机所能容纳的端口数量。另外，所有功能模块（如管理引擎模块、 IP 语音模块、扩展服务模块、网络监控模块、安全服务模块等）都需要占用一个插槽，因此插槽数量也就从根本上决定着交换机的可扩展性。
 模块类型。毫无疑问，支持的模块类型（如 LAN 接口模块、 WAN 接口模块、 ATM接口模块、扩展功能模块等）越多，交换机的可扩展性越强。仅以局域网接口模块为例，就应当包括 RJ-45 线卡、 GBIC（ Giga Bitrate Interface Converter）插槽线卡、 SFP
（ Small Form Pluggable）插槽线卡、 X2 插槽线卡等，以适应大中型网络中复杂环境和网络应用的需求。如图 3-16 所示， Cisco Catalyst 6509-E 交换机拥有 9 个插槽，并且支持的模块类型有几十款，具有非常大的可扩展性，可适用于各种复杂的网络环境，并可满足各种网络应用需求，因此非常适宜充当大中型网络中的核心层交换机。

如图 3-17 所示， Cisco Catalyst 3850 系列交换机可以根据需要安装 4 x Gigabit、 4 x Gigabit Ethernet/2 x 10 Gigabit 或 4 x Gigabit Ethernet/4 x 10 Gigabit 的网络模块。 Cisco Catalyst 3750-X系列、 Catalyst 3560-X 系列交换机也提供了 4 x Gigabit、 2x 10 Gigabit SFP+插槽、 2x 10GB-T、2x 10 Gigabit SFP+插槽和服务模块等网络模块。

4. 系统冗余

第三层交换机作为网络核心或骨干，其工作状态的稳定性直接决定着网络的稳定性，而部件的物理损坏又是无法绝对避免的，因此交换机系统的部件冗余就显得尤其重要。通常情况下，电源模块、管理引擎等重要部件都必须提供冗余支持，从而保证所提供应用和服务的连续性，减少关键业务数据和服务的中断。如图 3-18 所示的 Cisco Catalyst 4507R-E 交换机就提供了电源模块和管理引擎的冗余。

Catalyst 4507R/4510R 和 Catalyst 4507R-E/4510R-E 都支持管理引擎冗余。Catalyst 4507R/4510R 的管理引擎均安装在插槽 1 和插槽 2，Catalyst 4507R-E 的管理引擎安装在插槽 3 和插槽 4， Catalyst 4510R-E 则安装在插槽 5 和插槽 6。Catalyst 6500/6500E 系列交换机均支持管理引擎冗余，只是不同型号的机箱中管理引擎所使用的槽位有所不同。其中， 3 和 4 插槽机箱使用插槽 1 和插槽 2， 6和 9 插槽机箱使用插槽 5 和插槽 6， 13 插槽机箱使用插槽 7 和插槽 8。

图 3-19 所示的 Cisco Catalyst 3750-X 交换机也拥有冗余的电源和风扇，以最大限度地提高系统的稳定性。 Cisco Catalyst 3850、 Catalyst 3560-X 也拥有类似的冗余电源和风扇。

5. 管理功能

交换机的管理功能（ Management）是指交换机如何控制用户访问交换机，以及用户对交换机的可视程度如何。三层交换机必须支持 SNMP 协议，并且提供友好的设备管理界面。除了可以由厂商提供的网管软件管理外，还必须能够被第三方管理软件进行远程管理，实现与其他网络设备的统一管理，降低管理成本、简化管理操作。图 3-20 所示为 Catalyst 4506 交换机远程管理界面。

3.2.2    二层交换机的主要参数

第二层交换机根据第二层数据链路层的 MAC 地址和 MAC 地址表来完成端到端的数据交换。第二层交换机只需识别数据帧中的 MAC 地址，直接根据 MAC 地址转发。第二层交换的解决方案，是一个“处处交换”的方案，虽然该方案也能划分子网、限制广播、建立 VLAN，但它的控制能力较小、灵活性不够，也无法控制流量，缺乏路由功能。因此只能被用于充当接入层交换机。 Cisco 的 Catalyst 2960 系列、 Catalyst 2950 系列，都是二层交换机。

1. 端口类型

交换机常见的端口有 3 种类型，即光纤端口、双绞线端口和插槽（如 GBIC 插槽、 SFP 插槽、 SFP+插槽和 XFP 插槽）。为了增加连接的灵活性，适应更加复杂的网络环境，光纤端口已经逐渐被 SFP、 SFP+或 XFP 插槽所取代。由于二层交换机主要用于接入层，上连同一建筑内的汇聚层交换机，下连普通用户的计算机，传输距离都非常有限，因此通常只需拥有 RJ-45接口（ 100Base-TX 或 1000Base-T）即可。当然，若欲实现与上层交换机（如核心层交换机或汇聚层交换机）的远程连接，或与其他交换机之间的千兆位或万兆位连接，也应当拥有 SFP、SFP+或 XFP 插槽。
有关端口类型的详细内容，请参见本书“第 4 章 交换机的端口与连接”相关部分。

2. 端口速率

从端口速率看，主要有 100 Mbps 和 1000 Mbps 两种，个别接入交换机也提供 10 Gbps 端口。常见的搭配形式有 n× 10/100 Mbps、 n× 1000 Mbps+m× 100 Mbps、 n× 1000 Mbps、 n× 10 Gbps+ m× 1000 Mbps 等四种。

n× 100 Mbps 交换机所有端口全部为 100 Mbps 端口。桌面式交换机通常为 8 个端口，机架式交换机通常为 12、 16、 24 或 48 个端口。该类交换机是价格低廉的主流产品之一，大多为傻瓜交换机产品，被广泛地作为低端网络中的工作组交换机，为网络内的普通计算机提供接入服务。图 3-21 所示为拥有 12 个 100 Mbps 端口的 Cisco Catalyst 2950-12T 接入层交换机。

n× 1000 Mbps+m× 100 Mbps 交换机拥有 2 或 4 个 1000 Mbps 端口或插槽，以及 24 或 48个 100 Mbps 端口。由于可实现与其他交换机的千兆位连接，从而有效地解决了交换机之间的互连瓶颈。随着千兆位端口价格的不断下降，该类交换机的性价比越来越高，被广泛应用于对安全性和可管理性要求较高的接入层交换机。图 3-22 所示为 Cisco Catalyst 2960-Plus 系列接入层交换机，均拥有 2 个 1000 Mbps 端口和 SFP 插槽。

图 3-20 中两款交换机貌似拥有 4 个 1000 Mbs 端口，不过，SFP 插槽与 RJ-45端口为复用端口，即只能使用其中的任意一个，两者不能同时使用。所以， 1000 Mbps 端口实际上仍然为 2 个。
n× 1000 Mbps 交换机全部采用 1000 Mbps 端口或插槽， 一般为 24 或 48 个 1000Base-T端口，以及 2 或 4 个 1000 Mbps 插槽。毫无疑问，千兆位的带宽能够完美实现任何网络功能，完全满足各种形式的网络需求。同时， SFP 插槽又可以提供足够的网络连接的灵活性，因此，是搭建高性能网络的当然之选。图 3-23 所示为 Cisco Catalyst 2960-S 系列接入层交换机，所有端口全部为 1000 Mbps。

n× 10 Gbps+ m× 1000 Mbps 交换机拥有 2 或 4 个 10G bps 端口或插槽，以及 24 或 48 个1000 Mbps 端口。向上实现与汇聚交换机的万兆连接，向下为计算机提供高速的千兆位连接，被广泛应用于对传输速率要求较高的接入层交换机。图 3-24 所示为 Cisco Catalyst 2960-X 系列接入层交换机，拥有 2 个 10 Gbps Uplink 端口。

交换机的端口属性主要包括两个方面，一个是端口数量，一个是端口类型。在选择端口数量时，应当掌握以下两个基本原则：

 适当冗余。端口数量越多，交换机的价格越高。所以，应当根据接入计算机的数量确定端口，并为未来接入的用户预留适当数量的端口。

 高密度。由于交换机之间的互连会导致端口的浪费，因此应当尽量选择24 或 48 端口交换机。