簡談接入層、匯聚層、核心層在網絡結構的選擇

接入交換機、匯聚交換機、核心交換機是交換機型號嗎?


首先要明確一個概念就是:接入層交換機、匯聚層交換機、核心層交換機並非是交換機的種類或者屬性,只是由其所執行的任務來劃分的。

從網絡拓撲結構來講,一個計算機網絡系統結構需採用三層網絡架構:接入層、匯聚層、核心層。

三層網絡架構是現在網絡構成方式的一個結構分層,採用層次化架構,也就是將複雜的網絡設計分成三個層次——接入層、匯聚層和核心層,這三個層次分別側重於某些特定的功能:核心層主要用於網絡的高速交換主幹,匯聚層著重於提供基於策略的連接,而接入層則負責將包括電腦,AP,IPC等在內的工作站接入到網絡。這樣的設計能夠將一個複雜的大而全的網絡分成三個層次進行有序的管理。

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影響交換機性能的重要參數——背板帶寬

交換機的背板帶寬,是交換機接口處理器或接口卡和數據總線間所能吞吐的最大數據量。背板帶寬標誌了交換機總的數據交換能力,單位為Gbps,也叫交換帶寬,一般的交換機的背板帶寬從幾Gbps到上百Gbps不等。一臺交換機的背板帶寬越高,所能處理數據的能力就越強,但同時設計成本也會越高。


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一般來講,計算方法如下:

1)線速的背板帶寬

考察交換機上所有端口能提供的總帶寬。計算公式為端口數*相應端口速率*2(全雙工模式),如果總帶寬≤標稱背板帶寬,那麼在背板帶寬上是線速的。

2)第二層包轉發線速

第二層包轉發率=千兆端口數量×1.488Mpps+百兆端口數量*0.1488Mpps+其餘類型端口數*相應計算方法,如果這個速率能≤標稱二層包轉發速率,那麼交換機在做第二層交換的時候可以做到線速。

3)第三層包轉發線速

第三層包轉發率=千兆端口數量×1.488Mpps+百兆端口數量*0.1488Mpps+其餘類型端口數*相應計算方法,如果這個速率能≤標稱三層包轉發速率,那麼交換機在做第三層交換的時候可以做到線速。


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那麼,1.488Mpps是怎麼得到的呢?

包轉發線速的衡量標準是以單位時間內發送64byte的數據包(最小包)的個數作為計算基準的。對於千兆以太網來說,計算方法如下:1,000,000,000bps/8bit/(64+8+12)byte=1,488,095pps 說明:當以太網幀為64byte時,需考慮8byte的幀頭和12byte的幀間隙的固定開銷。故一個線速的千兆以太網端口在轉發64byte包時的包轉發率為1.488Mpps。快速以太網的線速端口包轉發率正好為千兆以太網的十分之一,為148.8kpps。

*對於萬兆以太網,一個線速端口的包轉發率為14.88Mpps。

*對於千兆以太網,一個線速端口的包轉發率為1.488Mpps。

*對於快速以太網,一個線速端口的包轉發率為0.1488Mpps。

*對於OC-12的POS端口,一個線速端口的包轉發率為1.17Mpps。

*對於OC-48的POS端口,一個線速端口的包轉發率為468MppS。

所以說,如果能滿足上面三個條件,那麼我們就說這款交換機真正做到了線性無阻塞 。


IPC常見分辨率、碼率關係對照參考表


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接入交換機、匯聚交換機、核心交換機的選型


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接入層交換機

接入層的主要目的是允許終端用戶連接到網絡,因此接入層交換機往往具有低成本和高端口密度特性,通常建議使用性價比高的設備。管理型交換機和非管理型交換機都可以用在接入層,視具體預算和網絡需求而定。

在高清視頻監控系統中,接入交換機主要下聯前端網絡高清攝像機,上聯匯聚交換機。以720P網絡攝像機3M碼流計算,一個百兆口接入交換機最大可以接入幾路720P網絡攝像機呢?

我們常用的交換機的實際帶寬是理論值的50%-70%,所以一個百兆口的實際帶寬在50M-70M。3M*16=48M,因此建議一臺百兆接入交換機最大接入16臺720P網絡攝像機。同時考慮目前網絡監控採用動態編碼方式,攝像機碼流峰值可能會超過4M帶寬,同時考慮帶寬冗餘設計,因此一臺百兆接入交換機控制在 8臺以內是最好的,超過 8臺建議採用千兆口。


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匯聚層交換機

匯聚交換機主要下聯接入交換機,上聯監控中心核心交換機。

還是以720P網絡攝像機4M碼流計算,前端每臺接入層交換機上有12臺720P網絡攝像機,該匯聚交換機下聯5臺接入層交換機。該匯聚層交換機下總帶寬為4M*12*5=240M,因此匯聚交換機與核心交換機級聯口應選千兆口。

如果所帶的接入層交換機超出一定數量,也可選用千兆下聯口、萬兆上傳口的匯聚交換機。

在實際應用中,很多時候匯聚層被省略了。在傳輸距離較短、且核心層有足夠多的接入能直接連接接入層的情況下,匯聚層是可以被省略的,這樣的做法比較常見,一來可以節省總體成本,二來能減輕維護負擔,網絡狀況也更易監控。


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核心層交換機

核心交換機主要下聯匯聚交換機,上聯監控中心視頻監控平臺,存儲服務器,數字矩陣等設備,是整個高清網絡監控系統的核心。

核心層是網絡主幹部分,是整個網絡性能的保障,其設備包括路由器、防火牆、核心層交換機等等。

核心層交換機的主要目的在於通過高速轉發通信,提供快速、可靠的骨幹傳輸結構,因此核心層交換機應該具有如下特性:可靠性、高效性、冗餘性、容錯性、可管理性、適應性、低延時性等。

因為核心層是網絡的樞紐中心,重要性突出,因此核心層交換機應該採用擁有更高帶寬、更高可靠性、更高性能和吞吐量的千兆甚至萬兆以上可管理交換機。基於IP地址和協議進行交換的第三層交換機普遍應用於網絡的核心層,也少量應用於匯聚層。部分第三層交換機也同時具有第四層交換功能,可以根據數據幀的協議端口信息進行目標端口判斷。

要點總結

  • 接入層、匯聚層和核心層並非交換機本身的屬性分類,而是在網絡結構中所處位置的劃分;
  • 核心層對交換機性能要求最高,匯聚層次之,接入層對性能要求最低;
  • 核心層普遍採用具有第三層功能的高性能管理型交換機,三層千兆交換機和三層萬兆交換機都適合用作核心層交換機;
  • 匯聚層普遍採用第二層高性能管理型交換機,部分情況下也會使用第三層交換機。
  • 接入層交換機則普遍採用即插即用、端口密度大、性價比高的非管理型交換機,網絡視頻監控和無線覆蓋項目中接入層交換機往往是PoE交換機。當然對網絡要求比較高的項目有時也會採用第二層交換機用作接入交換機,以提供更好的接入性能和更高的安全性;
  • 為了更好的管理以及和網絡規模相匹配的性能,大中型網絡應按照標準的接入層、匯聚層、核心層三層結構設計;
  • 較小規模的網絡,聯網距離較短的環境,可以採用“收縮核心”的設計,也即忽略匯聚層,用核心層交換機直接連接接入層交換機。


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