簡述交換機的級聯堆疊集群的特點

交換機的連接主要有三種方式，級聯方式、堆疊方式和集群方式。級聯方式實現簡單，只需一根普通的雙絞線即可，節約成本而且基本不受距離的限制。而堆疊方式投資相對較大，且只能在很短的距離內連接，實現起來比較困難。集群連接方式，就是將多臺互相連接（級聯或堆疊）的交換機作為一臺邏輯設備進行管理。

1、級聯

這是最常用的一種多臺交換機連接方式，它通過交換機上的級聯口（UpLink）進行連接。需要注意的是交換機不能無限制級聯，超過一定數量的交換機進行級聯，最終會引起廣播風暴，導致網絡性能嚴重下降。級聯設備之間是相互獨立工作的，邏輯上是獨立的。且不同廠商的設備之間理論上是可以互相級聯的。級聯又分為使用普通端口級聯和使用Uplink端口級聯。
級聯一般是用來擴展擴大接口數量，增加下聯用戶的數量，同時級聯還可以用來擴大網絡的長度。

使用普通口來級聯

所謂普通端口就是通過交換機的某一個常用端口（如RJ-45端口）進行連接。這時所用的連接雙絞線要用反線（交叉線），即是說雙絞線的兩端要跳線（第1-3與2-6線腳對調）。

Uplink口級聯

在所有交換機端口中，都會在旁邊包含一個Uplink端口。此端口是專門為上行連接提供的，只需通過直通雙絞線將該端口連接至其他交換機上除“Uplink端口”外的任意端口即可（注意，并不是Uplink端口的相互連接）。
通常，uplink口會與某個端口（第一個或最后一個）共用鏈路，比如帶uplink的8口集線器實際上有9口，uplink口和1口共用，即用了uplink口，1口就不能再被使用。

* 級聯中需要注意的問題

（1）級聯時，各個設備必須啟用生成樹協議，防止生成環路，也要保證冗余鏈路
（2）理論上級聯可以無限制的連接下去，但是實際上當級聯設備增多時，會產生廣播風暴的問題
（3）原則上任何廠家、任何型號的以太網交換機均可進行級聯，但也不排除一些特殊情況下兩臺交換機無法進行級聯。
（4）級聯會產生級聯瓶頸。

對于級聯瓶頸，應該盡力保證交換機間中繼鏈路具有足夠的帶寬，為此可采用全雙工技術和鏈路匯聚技術。

2、 堆疊

為什么有堆疊技術？

對于盒式交換機，經常用在網絡的匯聚層和接入層。但是由于網絡的規模不斷提高，信息點密度越來越高，而盒式交換機的端口數量的相對固定，普通的級聯不能很好的滿足需求，其缺陷不斷的暴露出來。比如管理困難，存在轉發瓶頸等。為了更好的解決端口密度的增長問題，堆疊技術應運而生。

堆疊的好處：

堆疊可以大大提高交換機端口密度和性能。 堆疊單元具有足以匹敵大型機架式交換機的端口密度和性能， 而投資卻比機架式交換機便宜得多 ，實現起來也靈活得多。 這就是堆疊的優勢所在。
機架式交換機可以說是堆疊發展到更高階段的產物。 機架式交換機一般屬于部門以上級別得交換機，它有多個插槽，端口密度大，支持多種網絡類型，擴展性較好，處理能力強，但價格昂貴。

堆疊方式比級聯方式具有更好的性能，信號不易衰竭，且通過堆疊方式，可以集中管理多臺交換機，大大減化了管理工作量；如果實在需要采用級聯，也最好選用Uplink端口的連接方式。因為這可以在最大程度上保證信號強度，如果是普通端口之間的連接，必定會使網絡信號嚴重受損。

什么是堆疊？

堆疊是指將一臺以上的交換機組合起來共同工作，以便在有限的空間內提供盡可能多的端口。多臺交換機經過堆疊形成一個堆疊單元?？啥询B的交換機性能指標中有一個"最大可堆疊數"的參數，它是指一個堆疊單元中所能堆疊的最大交換機數，代表一個堆疊單元中所能提供的最大端口密度。

目前，市場上的主流交換機可以細分為可堆疊型和非堆疊型兩大類。而號稱可以堆疊的交換機中，又有虛擬堆疊和真正堆疊之分。所謂的虛擬堆疊，實際就是交換機之間的級聯。交換機并不是通過專用堆疊模塊和堆疊電纜，而是通過Fast Ethernet端口或Giga Ethernet端口進行堆疊，實際上這是一種變相的級聯。即便如此，虛擬堆疊的多臺交換機在網絡中已經可以作為一個邏輯設備進行管理，從而使網絡管理變的簡單起來。

真正的堆疊需要采用專用堆疊模塊和堆疊總線進行堆疊，不占用網絡端口；多臺交換機堆疊后，具有足夠的系統帶寬，從而保證堆疊后每個端口仍能達到線速交換；多臺交換機堆疊后，VLAN等功能不受影響。

此種連接方式主要應用在大型網絡中對端口需求比較大的情況下。交換機的堆疊是擴展端口最快捷、最便利的方式，同時堆疊后的帶寬是單一交換機端口速率的幾十倍。但并不是所有的交換機都支持堆疊的，這取決于交換機的品牌、型號是否支持堆疊。它主要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。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。

采用堆疊方式的交換機要受到種類和相互距離的限制。首先實現堆疊的交換機必須是支持堆疊的；另外由于廠家提供的堆疊連接電纜一般都在1米左右，故只能在很近的距離內使用堆疊功能。

*堆疊是在背板上進行的，實際上是將多臺交換機的背板進行了連接，所以性能會增

虛擬堆疊

虛擬堆疊，實際上是通過軟件層面虛擬成一臺設備。一種虛擬化堆疊的實現方式：利用DDP協議（設備發現協議），指定一臺交換機為命令主機，該交換機在開啟協議后會自動搜索屬于同一個域的成員交換機。如果把命令交換機必做文件目錄的根目錄，那么成員交換機就相當于根目錄下的子目錄子文件。交換機之間通過Ulink協議通信。共用命令設備的IP。

目前市場上有相當一部分可堆疊的交換機屬于虛擬堆疊類型而非真正堆疊類型。 很顯然，真正意義上的堆疊比虛擬堆疊在性能上要高出許多，但采用虛擬堆疊至少有兩個好處 ：虛擬堆疊往往采用標準 Fast Ethernet 或 Giga Ethernet 作為堆疊總線， 易于實現，成本較低 ；堆疊端口可以作為普通端口使用， 有利于保護用戶投資 。采用標準 Fast Ethernet 或 Giga Ethernet端口實現虛擬堆疊，可以 大大延伸堆疊的范圍 ，使得堆疊不再局限于一個機柜之內。

堆疊主要有以下幾種組建方式：

2.1菊花鏈式堆疊

菊花鏈堆疊模式是利用專用的堆疊電纜，將多臺交換機以環路方式串接起來，組建成一個交換機堆疊組。菊花鏈堆疊模式中的冗余電纜只是冗余備份作用，也可以不連接。采用菊花鏈堆疊模式，從主交換機到最后一臺從交換機之間，數據包要歷經中間所有交換機，傳輸效率較低，因此堆疊層數不宜太多。菊花鏈堆疊模式雖然保證了每個交換機端口的帶寬，但是并沒有使多交換機之間數據的轉發效率得到提升，而且堆疊電纜往往距離較短，因此采用菊花鏈堆疊模式時，主要適用于有大量計算機的機房。

在菊花鏈式堆疊中，由于堆疊口的端口類型不同，又可以分為兩種，單工堆疊和雙工堆疊。

單工堆疊就是指一個堆疊口只能收數據或者發數據，那么形成堆疊的話就需要兩個口連接，一個口用來收(RX)，一個口用來發(TX)；

而支持雙工堆疊的堆疊口即可收數據，又可發數據，所以在形成堆疊的時候只需要一個口連接即可。
在這兒值得注意的是，單工堆疊的時候，因為每個口只能收或者發，所以當兩臺設備相連的時候，一臺設備發數據的接口必須接另外一臺設備收數據的接口。

形如這樣的堆疊方式就是線形堆疊（如上圖右邊部分），一般單工堆疊都是線性堆疊。而雙工堆疊一般又叫環形堆疊。環形堆疊也有兩種連接模式：

這邊大家需要著重理解示意圖1和示意圖2中最右半邊的圖的區別。雖然二者在連接示意圖上形態相同，但是由于端口性質不同，所以二者之間實際上是完全不一樣的。

環形堆疊相對與線形堆疊的好處在于，環形堆疊的冗余鏈路將會在其他正常鏈路的某一條出故障時，承擔故障鏈路的工作，從而能保證系統的高穩定性。

2.2 星形堆疊

星型堆疊技術是一種高級堆疊技術，對交換機而言，需要提供一個獨立的或者集成的高速交換中心（堆疊中心），所有的堆疊主機通過專用的（也可以是通用的高速端口）高速堆疊端口上行到統一的堆疊中心，堆疊中心一般是一個基于專用ASIC的硬件交換單元，根據其交換容量，帶寬一般在10－32G之間，其ASIC交換容量限制了堆疊的層數。星形堆疊要求主交換機有足夠的背板帶寬，并且有多個堆疊模塊，然后使用高速堆疊電纜將交換機的內部總線連接成為一條高速鏈路。

星形堆疊的優點是傳輸速度要遠遠超過交換機的級聯模式，而且可以顯著地提高堆疊交換機之間數據的轉發速率。一個堆疊的若干臺交換機可以視為一臺交換機進行管理，只需賦予1個IP地址，即可通過該IP地址對所有的交換機進行管理，從而大大減少了管理的難度。

星形堆疊的優勢：
在于一臺交換機到另一臺交換機之間的轉發路徑要比菊花鏈式堆疊短，不會出現跨多臺交換機的情況。（堆疊中心到其他交換機之間只有一層，每兩個交換機之間通信只需要轉發兩次）

星型堆疊劣勢：
堆疊中心掛掉，導致所有設備不能上網；
但是，星形堆疊的成本較高，需要專用的堆疊中心支持，也與機箱式交換機的角色重復。

2.3 堆疊的原理

堆疊系統中的交換機，運行著一個堆疊的協議，隨著堆疊進程的不斷運行，堆疊狀態機從一
個狀態躍遷到另一個狀態，狀態躍遷如圖 4 所示：

Blocked：堆疊檢測狀態機掛起，此時設備可能剛剛上電、工作在單機模式下、完成堆疊檢測的過
程；
Ready：開始進行堆疊檢測；
Discovery：正在搜集堆疊成員信息；
Topo: 主機進行堆疊拓撲的配置。

從堆疊系統中的交換機上電，到整個系統堆疊完畢，需要經歷以下基本過程：

拓撲發現三個階段：
使用 probe 報文，用于決定堆疊口的連接，搜集對端的堆疊口信息；本設備發出的 probe 報文記錄著本機已知的堆疊口信息，當其他設備接收到probe 報文后，將本機的堆疊口信息增加到該報文中，并轉發到本地所有的堆疊口，最終這個probe 報文回到發送者時就已經搜集到其他設備上已知的堆疊口信息，這些信息被更新到堆疊數據庫中
使用 routing 報文，將本地搜集到的堆疊口信息傳播到所有鄰居；
使用 config 報文，用于各交換機間同步堆疊檢測的結束狀態。當本地堆疊口的接收/發送方向的信息都已搜集到后，本地交換機的堆疊狀態標記為本地完成，表示本地設備已經完成堆疊發現工作。當堆疊數據庫里的所有其他已知設備的堆疊狀態都標記為本地完成，則本地交換機的堆疊狀態就標記為全部完成，標識拓撲中的所有交換機設備都完成了堆疊發現工作。隨后在每個設備的堆疊數據庫基礎上開始進行主從選舉。

完整的過程描述如下：

1、堆疊的建立

兩臺交換機啟動時，通過相互競爭，其中一臺成為堆疊主機，另一臺成為堆疊備機。競爭的規則如下：

第一，系統的運行狀態：已啟動并正常運行的交換機優先級高于正在啟動的交換機，前者成為CSS主機。

第二，堆疊的優先級：如果運行狀態相同，則優先級高的交換機成為CSS主機。

第三，MAC地址大?。喝绻\行狀態和堆疊優先級均相同，則MAC地址小的交換機成為CSS主機。

當2臺交換機選出主、備機后，CSS主機的主用主控板就成為堆疊系統的主板，CSS備機的主用主控板則成為堆疊系統的備板。在系統主板和備板之間進行HA備份處理，CSS主機和備機的備用主控板將成為堆疊的候選系統備板。

2、堆疊的配置和轉發

堆疊建立后，可以通過接口板上的業務端口、系統主板上的串口或網管口登陸CSS系統，進行業務配置和系統管理。CSS提供四維的接口視圖（框/槽/卡/端口），支持對兩臺設備中的所有端口進行業務相關配置、操作。以框/槽為單位對兩臺設備中的所有單板進行管理，如查詢單板信息、對單板進行復位等操作。在CSS環境下，業務流量轉發同單框環境下的區別：跨設備的轉發需要經過交換網兩次。對于報文內容的處理沒有區別，都需要進行一次上、下行處理。對外呈現為一臺設備。

3、堆疊的分裂處理

堆疊建立后，堆疊主機和備機定時發送心跳報文以維持堆疊狀態。當2臺設備心跳超時后，為了避免CSS線纜、CSS卡和主控板等硬件故障導致2臺交換機間沒有可用的CSS鏈路，以至失去通信，CSS系統將再分裂成2臺獨立交換機。堆疊分裂后，下述情況將引發整個網絡出現故障：2臺設備均運行正常，且以完全相同的全局配置運行，即以同樣的IP和MAC地址與網絡中的其他設備通信。因此，CSS分裂后需檢測系統是否有2個以相同配置運行的設備（是否存在雙主機），并進行相應處理，使整個網絡得以正常運行，提升堆疊系統的可用性。

3、集群

交換機的級聯技術一般用來實現多臺交換機之間的互相連接；堆疊技術用來將多臺交換機組成一個單元，從而提高更大的端口密度和更高的性能；集群技術用來將相互連接的多臺交換機作為一個邏輯設備進行管理，從而降低網絡管理成本，簡化管理操作。

所謂集群，就是將多臺互相連接（級聯或堆疊）的交換機作為一臺邏輯設備進行管理。集群中，一般只有一臺起管理作用的交換機，稱為命令交換機，它可以管理若干臺其它交換機。在網絡中，這些交換機只需要占用一個IP地址（僅命令交換機需要）。在命令交換機統一管理下，集群中多臺交換機協同工作，大大降低管理強度。

交換機的級聯、堆疊、集群這3種技術既有區別又有聯系。級聯和堆疊是實現集群的前提，集群是級聯和堆疊的目的；級聯和堆疊是基于硬件實現的；集群是基于軟件實現的；

4、總結

編輯：黃飛

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