不同用途下交换机互联研究

第三次工业革命把人类带入了“信息时代”。互联网是此次工业革命的核心，集线器、网桥、交换机、路由器和防火墙这些网络互联设备则是核心的基石[1]。随着技术的发展，具有每个端口独占带宽，全双工模式工作优势的交换机，逐步取代了集线器和网桥。尽管交换机可以隔离冲突域，但所有端口仍处于同一广播域。出于对安全和管理方便的考虑，必须把大型局域网通过VLAN技术划分为小局域网[2]。然而许多时候，各个VLAN间又存在通信需求，单纯使用路由器来实现VLAN间访问，存在端口数量有限，转发速度相比交换机较慢的缺点。基于这种情况三层交换机应运而生，通过配置VLANIF接口实现三层网络转发。但正因为三层交换机出现使得交换机互联的情况变得复杂多变，本文以华为交换机为例，通过从底层具体帧格式切入，分析交换机不同互联方式带来的影响，得出不同用途下交换机最佳互联方式。

1 互联初衷

交换机最初仅工作在OSI七层模型的第二层，链路层[3]。此时交换机根据链路层帧头，如以太网帧头，进行数据交换。交换机具有较多的接口，每个接口独占带宽。百兆交换机，每个接口可同时支持百兆数据交换，因此很适合作为局域网的中枢。在局域网中，交换机主要因为两种原因需要互联。一是接入设备过多，需要提供超过一台交换机最大接口数量的接入。其次以太网信号通过常见的双绞线最远传输距离是100米，超过100米会出现数据延迟、丢包等现象而无法使用，使得楼间等网络铺设需要网络中继设备[4]。通过目前大部分交换机提供光模块接口，通过单模光纤可提供高达20km的传输。但是无论是接口过少、距离太远的原因，还是简单的双绞线电口、光模块使用光纤互联方式，都仅仅是物理上的连接，并不能深入了解交换机互联的工作原理。

2 交换机互联类型

以太网帧格式如下图1所示[5]，其中802.1p/q标签中VLAN ID一项用于标识不同VLAN的数据包。交换机识中所有数据帧都具有该标签。对于华为交换机，出厂配置时每个接口属于Hybrid模式，数据帧进入时打上VLAN 0的默认标签，出交换机时去掉VLAN 0的默认标签。因此默认情况下，交换机内部所有数据帧带有VLAN 0的默认标签。

图1 以太网帧格式

2.1 局域网互联

用于同一个子网局域网时，交换机使用出厂配置，通过光纤或双绞线，将交换机任意口串行互联即可。将接入设备IP地址配置在同一子网并接入交换机，可实现互联互通。两交换机间数据量较大时，可使用千兆上行接口作为互联口，或者使用链路聚合技术。此种互联方法虽然简单，但由于交换机所有口均属于同一个广播域，当接入过多设备时，容易引起广播风暴，整个网络的鲁棒性较小，同时广播的存在还会大大降低关键设备的信息安全。

2.2 跨交换机VLAN互联

为了解决大局域网中的广播问题，通过图1数据帧802.1p/q标签中VLAN ID号的不同将其划分为许多小的虚拟局域网，即VLAN。VLAN可以隔绝广播，解决了大局域网广播风暴和安全性问题。默认情况下电脑网卡并不能识别带VLAN标签的数据帧，因此需要对接入电脑等服务终端交换机接口进行配置，去掉相应VLAN标签后传出。对于交换机的互联接口，则必须保留VLAN标签，这样才能达到不同交换机上同VLAN间的互联互通。在许多情况下，VLAN之间也需要互相通信。比如，一般网络设计都会讲服务器划分进一个单独的VLAN，但服务器一般需要和多VLAN内的主机进行通信[6]。

2.3 VLAN间互通

为了实现多VLAN间的互相通信，需要OSI七层模型中的第三层网络层的参与，通过路由实现互通。如果仅仅为了使局域网中VLAN互相通讯，使用路由器，会产生较大的额外硬件开销，同时单臂路由回传也会产生性能瓶颈。因此通常使用三层交换机实现VLAN互通。以华为三层交换机为例，每个VLAN对应一个逻辑VLANIF接口，可以对其配置IP地址，同一个交换机不同VLANIF接口间是默认互通的，不同交换机VLANIF接口之间可以通过路由协议实现互联互通。因此存在如下图2所示两种互联方式。图2左将VLANIF接口都配置在汇聚交换机上，接入交换机划分VLAN并将相应接口放入对应VLAN中。二层不同VLAN数据帧通过汇聚交换机三层逻辑互联VLANIF接口实现了通讯，完成了远距离的数据传输。图2右的连接方式则完全不同于图2左。对于图2左，尽管VLANIF接口仅在汇聚交换机上配置，但本质上可以将接入汇聚交换机看成一个大的逻辑交换机。交换机之间的线路上是通过Trunk模式或者Hybrid模式连接，即线路上的数据帧带有VLAN标签。对于图2右，交换机互连口工作在Access口模式，即线路上的数据帧是不带有VLAN标签的。此时，两交换机之间的连接更加类似于路由器之间的连接，相应连接口是否划分在一样的VLAN已不再重要。对于华为交换机来说，不支持直接将二层接口转换为三层接口并配置IP地址。一般采取的方法是在交换机上划分一个单独的数据传输VLAN，在该VLAN相应的VLANIF接口上配置IP地址，用于与其他路由交换设备之间的数据传输。同一个交换机上，其他VLAN需要外传的数据通过该数据传输VLAN向外中转。不同三层交换机VLANIF接口，则通过路由协议等方式实现互通。因此，使用此种互联方式时，互联接口遵循路由器之间连接的所有规则，唯一区别，是路由器直接在相应三层接口下配置，而三层交换机在VLANIF接口下配置。

图2 VLANIF接口配置于同一交换机（左），不同（右）

进一步，三层交换机与路由器互联时也应该采用右图中的连接方式。因为路由器除了子接口外并不能识别带有VLAN标签的数据帧。左图的连接方式，优点在于配置简单，IP地址浪费较少，但需要谨慎选择配置VLANIF接口的交换机，同时VLAN在所有交换机上有效，需要合理分配VLAN。右图的连接方式，优点在于不用考虑连接交换机的VLAN分配，但需要更多的IP地址段，同时还需要进行路由协议配置。

三层交换机的出现其实是相比于交换机，路由器性能不足的妥协。交换机主要是依靠硬件工作，而路由器更多依靠软件工作。随着技术的进步，路由器的性能最终将得到改进，得以匹配交换机的性能。因此VLANIF接口的连接方式将越来越少，图2右中连接方式将更加流行。

3 不同用途下交换机互联

在实际组网过程中，需要根据实际情况综合使用以上所有连接方式。如下图3所示，交换机1位于数据机房，上行链路接核心交换机或者路由器，下挂3个接入交换机。交换机5是交换机2的延伸。当接入设备距离网络中枢距离较远时，可以采用光模块加光纤的模式，作为网络的延伸。如果接入交换机之间需要二层互通时，不考虑使用XVLAN等大二层技术时，应该将跨交换机互通VLAN对应VLANIF接口放置于最顶层的交换机1上[7]。为方便设备的管理，一般对同一类设备跨地域使用时，比如IP电话，可能会使用此种连接方式。如图中交换机3和交换机5之间，由于使用到了IP电话，可以将VLANIF接口配置在交换机1上，这样不同的IP电话之间可以二层互通，减少语音延迟。但需要考虑设备数量，避免过小IP地址段，使得可用IP地址数量小于设备数量。其他情形下，在IP地址充足的情况下，可以使用路由方式互联，以减少跨区域VLAN的管理[8]。最大的好处在于底层交换机之间的VLAN划分互不影响，可以随意划分，同时，不必考虑VLANIF接口的汇聚点，所有数据包均通过每台交换机传输VLAN进行传送。网络拓扑显得简单可靠，不易产生错误，减轻网络管理人员的负担。当交换机数量较多时，更建议使用此种连接方式。如图中交换机4和交换机1之间的连接。

图3 交换机互联示例

4 结束语

该文首先提出了交换机互联的必要性，然后介绍了交换机间连接方式的分类，特别地从底层以太网帧头格式出发，最后以一个实际的示例，展示了不同连接方式的使用场合。得出以下结论：（1）交换机之间最常用的连接方式是路由互联；（2）当设备需要二层互联时则需要将VLANIF接口上移，便于VLAN间的数据交换；（3）空配的交换机使用光模块和光纤可以达到网络延伸的效果。