【導(dǎo)讀】這是ip網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)系列講座的最后一部分，討論園區(qū)局域網(wǎng)設(shè)計(jì)中碰到的一些問題。以太網(wǎng)交換機(jī)優(yōu)越于傳統(tǒng)的集線器環(huán)境的好處將首先介紹一下。應(yīng)用虛擬局域網(wǎng)的動(dòng)機(jī)已經(jīng)同規(guī)劃和配置虛擬局域網(wǎng)碰到的問題一起進(jìn)行了研究。本文還將討論確保園區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)具有可伸縮性和彈性的一些技術(shù)。本文還將討論生成樹協(xié)議以及如何在大型交換的網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)化這個(gè)協(xié)議。最后，在本文的結(jié)論部分將涉及到與推出IP電話有關(guān)的設(shè)計(jì)問題。

以太網(wǎng)交換的好處

傳統(tǒng)的共享的以太網(wǎng)是一種基帶介質(zhì)。這就意味著在任何一個(gè)時(shí)間只能有一個(gè)站點(diǎn)能夠向這個(gè)介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)。多個(gè)信號(hào)不能像在寬帶網(wǎng)介質(zhì)中那樣成為多路復(fù)用的信號(hào)。在一個(gè)共享的以太網(wǎng)集線器，各個(gè)站點(diǎn)通過監(jiān)聽一對兒接收的線路來檢查是否有其它站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，用這種方法來解決訪問沖突問題。以太網(wǎng)交換的應(yīng)用取代了共享的以太網(wǎng)，從而產(chǎn)生了如下改善的運(yùn)行功能:

專用的沖突域

交換機(jī)的每一個(gè)端口都在自己的沖突域中，因此，一個(gè)站點(diǎn)通過一臺(tái)交換機(jī)的端口連接到這個(gè)局域網(wǎng)，而不是通過一個(gè)集線器的端口。這樣，這個(gè)站點(diǎn)就不需要在發(fā)送數(shù)據(jù)之前通過監(jiān)聽是否有沖突來競爭接入到線路的權(quán)限。這將提高局域網(wǎng)的有效帶寬。

通信過濾和轉(zhuǎn)發(fā)

一臺(tái)交換機(jī)像一個(gè)多口網(wǎng)橋一樣工作，并且通過監(jiān)聽實(shí)況通信來了解每一個(gè)站點(diǎn)的MAC地址的位置。對于交換機(jī)交換的每一幀，交換機(jī)僅把通信轉(zhuǎn)發(fā)到目的地MAC地址所在的端口。這臺(tái)交換機(jī)據(jù)說要過濾所有其它端口的幀。這將顯著減少局域網(wǎng)中不必要的通信，提高帶寬的利用率。然而，廣播幀將涌向所有的端口，這樣，一個(gè)交換機(jī)據(jù)說要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)沖突域，但是，所有的端口仍在同一個(gè)廣播域中。這通常是一種理想工作方式，因?yàn)閺V播時(shí)必要的，通常是局域網(wǎng)中的一種有效的通信手段。這與廣域網(wǎng)有些不同。微軟的Windows就使用嚴(yán)重依靠廣播的NetBios。另一個(gè)例子是地址解析協(xié)議(ARP)。根據(jù)地址解析協(xié)議，一個(gè)地址解析協(xié)議廣播必須要達(dá)到IP子網(wǎng)的每一個(gè)站點(diǎn)以便把一個(gè)目的地的IP地址解析為MAC地址。

全雙工傳輸

傳統(tǒng)共享的以太網(wǎng)以半雙工的模式工作。換句話說，各個(gè)站點(diǎn)不能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于以太網(wǎng)基帶的性質(zhì)，只有一個(gè)站點(diǎn)能夠訪問這個(gè)介質(zhì)并且在任何一個(gè)時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)共享的以太網(wǎng)介質(zhì)上的各個(gè)站點(diǎn)通過監(jiān)聽沖突來解決通信沖突。全雙工傳輸意味著所有的站點(diǎn)都能夠同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在以太網(wǎng)中，這并不是通過監(jiān)視沖突來實(shí)現(xiàn)的。假如這個(gè)站點(diǎn)附加到自己專用的交換機(jī)端口，它只是合法地關(guān)閉了沖突檢測功能。這就意味著在沖突域只有兩個(gè)站點(diǎn):這個(gè)站點(diǎn)本身和這臺(tái)交換機(jī)的端口。然后，每個(gè)站點(diǎn)都可以相互收發(fā)數(shù)據(jù)，而不必監(jiān)聽沖突。這種方式稱作點(diǎn)對點(diǎn)的以太網(wǎng)。同許多網(wǎng)絡(luò)詞匯一樣，全雙工一直被濫用而且有些說法是不真實(shí)的。交換機(jī)廠商之間的市場營銷大戰(zhàn)促使這些廠商聲稱全雙工作業(yè)能夠使數(shù)據(jù)吞吐量提高一倍。全雙工作業(yè)確實(shí)能夠顯著改善數(shù)據(jù)吞吐量，但是，還不能說把數(shù)據(jù)吞吐量提高了一倍，因?yàn)橥粋€(gè)站點(diǎn)不可能以線速的速度同時(shí)發(fā)送和接收應(yīng)用程序的通信。

理解客戶機(jī)-服務(wù)器通信流

當(dāng)實(shí)施一個(gè)交換的局域網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，獲得對客戶機(jī)-服務(wù)器通信流的具體了解大概是一項(xiàng)最大的挑戰(zhàn)。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，要把一個(gè)共享的局域網(wǎng)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)交換的局域網(wǎng)，以滿足日益增長的帶寬需求。在這種情況下，有可能收集到具體的大量有關(guān)通信狀況的信息。在一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)推出之前收集這些信息是不輕易的。然而，沒有嚴(yán)格數(shù)量的通信狀況分析，對通信狀況進(jìn)行合理的質(zhì)量分析也是應(yīng)該達(dá)到的。獲得下列信息的合理的猜測是非常重要的:什么用戶在與什么服務(wù)器進(jìn)行通話，通話的時(shí)間有多長，現(xiàn)在消耗的帶寬是多少，將來消耗的帶寬是多少?所有的客戶機(jī)和服務(wù)器的物理位置和邏輯位置是什么。換句話說，要清楚地了解每個(gè)應(yīng)用程序的客戶機(jī)與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)通道。服務(wù)器之間的通信水平是什么?再次說明一下，這與了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全部主要通信流的需求是一致的。假如不充分理解這些通信流，介紹局域網(wǎng)交換機(jī)的作用也是很有限的。舉一個(gè)極端的例子，假設(shè)一臺(tái)服務(wù)器在遠(yuǎn)方并且必須通過一個(gè)56K的廣域網(wǎng)線路訪問這臺(tái)服務(wù)器。在這種情況下，一臺(tái)局域網(wǎng)交換機(jī)將不能顯著提高性能，因?yàn)槠款i是在廣域網(wǎng)而不是在局域網(wǎng)。

高速內(nèi)核

一些專有的方法與802.3ad標(biāo)準(zhǔn)的存在答應(yīng)把多個(gè)連接集成為一個(gè)邏輯的高速連接。兩臺(tái)交換機(jī)之間的多個(gè)物理連接必須被當(dāng)作一個(gè)邏輯連接對待，否則，生成樹將封鎖多余的連接。這種功能可以用來提供核心交換機(jī)之間的高速連接并且向高帶寬服務(wù)器提供高速連接。即使在應(yīng)用萬兆以太網(wǎng)之前，就存在最多把8個(gè)以太網(wǎng)端口集成在一起提供高速園區(qū)干線的功能。

廣播封閉

一臺(tái)交換機(jī)中的每一個(gè)端口代表一個(gè)單獨(dú)的沖突域。然而，一臺(tái)交換機(jī)的全部端口都在同一個(gè)廣播域。園區(qū)局域網(wǎng)中的任何一個(gè)站點(diǎn)發(fā)出的任何廣播都必須經(jīng)過完全是交換網(wǎng)絡(luò)的那個(gè)局域網(wǎng)中的每一個(gè)站點(diǎn)的處理。在局域網(wǎng)環(huán)境中，每一臺(tái)設(shè)備中的CPU的中斷所引起的問題比這個(gè)廣播消耗的帶寬還要嚴(yán)重。虛擬局域網(wǎng)為在交換的網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建多個(gè)廣播域提供了一種機(jī)制。一個(gè)特定站點(diǎn)發(fā)出的一個(gè)廣播將只發(fā)送給同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)中站點(diǎn)。需要一臺(tái)路由器實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)中的通信，就像用一臺(tái)路由器實(shí)現(xiàn)物理局域網(wǎng)之間的通信一樣。這個(gè)問題是很輕易理解的，因?yàn)橐粋€(gè)虛擬局域網(wǎng)與一個(gè)IP子網(wǎng)是同義詞。在一個(gè)交換的環(huán)境中，假如兩個(gè)站點(diǎn)在同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)中，它們一定是在同一個(gè)IP子網(wǎng)中。

安全

通過過濾廣播，虛擬局域網(wǎng)提供了一般與路由子網(wǎng)的安全水平相同的安全功能。考慮一下插入到一個(gè)交換機(jī)端口的網(wǎng)絡(luò)分析器的情況。假如這個(gè)端口分配給一個(gè)特定的虛擬局域網(wǎng)，那么，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析器僅檢測與那個(gè)虛擬局域網(wǎng)有關(guān)的廣播，而不檢查整個(gè)局域網(wǎng)。可以在路由器上設(shè)置安全政策，就像在傳統(tǒng)的局域網(wǎng)網(wǎng)段上一樣治理虛擬局域網(wǎng)之間的通信。

IP地址計(jì)劃

IP地址計(jì)劃也許還部分規(guī)定了虛擬局域網(wǎng)策略。例如，假如一個(gè)26位子網(wǎng)掩碼用于局域網(wǎng)子網(wǎng)，那么，每個(gè)子網(wǎng)的最多主機(jī)數(shù)量是60個(gè)。這就意味著整個(gè)局域網(wǎng)不能與超過60個(gè)的主機(jī)保持“持平”。假如在一個(gè)交換的局域網(wǎng)中有大量的主機(jī)，虛擬局域網(wǎng)的創(chuàng)建必須是每個(gè)虛擬局域網(wǎng)最多有60臺(tái)主機(jī)。

靈活型

虛擬局域網(wǎng)正在向把一個(gè)路由網(wǎng)絡(luò)的智能與交換網(wǎng)絡(luò)的靈活性結(jié)合在一起的方向發(fā)展。例如，在一個(gè)特定的虛擬局域網(wǎng)中的用戶在移動(dòng)到園區(qū)內(nèi)不同物理位置之后仍能夠保留在那里虛擬局域網(wǎng)中。所有這一切需要在相關(guān)的交換機(jī)設(shè)置中做一些修改。這不需要改變硬件或者重新鋪設(shè)電纜。虛擬局域網(wǎng)能夠擴(kuò)展到使用虛擬局域網(wǎng)集群協(xié)議的多臺(tái)交換機(jī)。這將進(jìn)一步提高靈活性。一般來說，虛擬局域網(wǎng)在使用3層處理的局域網(wǎng)環(huán)境中幫助簡化了移動(dòng)、增加和改變等治理功能。

虛擬局域網(wǎng)規(guī)劃

當(dāng)規(guī)劃在一個(gè)大型園區(qū)局域網(wǎng)中部署虛擬局域網(wǎng)的時(shí)候，有許多問題需要考慮。部署虛擬局域網(wǎng)的數(shù)量必須與每個(gè)虛擬局域網(wǎng)應(yīng)該支持的主機(jī)數(shù)量一起確定。虛擬局域網(wǎng)的架構(gòu)和這個(gè)虛擬局域網(wǎng)數(shù)據(jù)吞吐量覆蓋園區(qū)的范圍是另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)問題。

虛擬局域網(wǎng)的范圍

虛擬局域網(wǎng)對于配線柜來說應(yīng)該是本地的。例如，一棟大樓的每一層代表一個(gè)不同的虛擬局域網(wǎng)，而不管用戶的工作職能是什么。這就意味著廣播是在本的封閉的。這個(gè)缺點(diǎn)是發(fā)到另一個(gè)配線柜(里面可能配置服務(wù)器)的通信必須使用路由器。企業(yè)在服務(wù)器群等集中的地方共享資源的趨勢在日益增長。日益突出的基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算和共享的辦公室應(yīng)用程序進(jìn)一步推動(dòng)了這種趨勢的發(fā)展。隨著大多數(shù)資源集中起來，客戶機(jī)與服務(wù)器之間的通信可能在任何情況下都能得到路由，除非這個(gè)局域網(wǎng)是一個(gè)不適合廣播的大型IP子網(wǎng)。這個(gè)基本原理已經(jīng)使所謂的“本地”虛擬局域網(wǎng)成為了一種流行的設(shè)計(jì)理念。這種替代的方法將答應(yīng)虛擬局域網(wǎng)擴(kuò)展整個(gè)局域網(wǎng)或者園區(qū)，以確保客戶機(jī)至服務(wù)器的通信產(chǎn)生最少的路由延遲。在工程、市場營銷和法律等各個(gè)工作組都實(shí)現(xiàn)相對自動(dòng)化的情況下，這也許是可行的。現(xiàn)代的服務(wù)器平臺(tái)將支持多個(gè)共享的應(yīng)用程序，這些共享的應(yīng)用程序可能會(huì)影響所謂的“端對端”的虛擬局域網(wǎng)。3層交換技術(shù)的改進(jìn)也減少了與路由和3層處理有關(guān)的延遲。部署本地虛擬局域網(wǎng)的一個(gè)更誘人的理由是它能阻止廣播在整個(gè)園區(qū)干線上傳播。

虛擬局域網(wǎng)的數(shù)量

不要僅僅為了建立虛擬局域網(wǎng)而建立虛擬局域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)師應(yīng)該清楚建立虛擬局域網(wǎng)將帶來的好處。記住這些好處，使用的虛擬局域網(wǎng)的數(shù)量就可以確定了。這個(gè)決定不能離開IP地址計(jì)劃單獨(dú)做出。在IP地址計(jì)劃中，局域網(wǎng)子網(wǎng)的數(shù)量通常與使用的虛擬局域網(wǎng)的數(shù)量相關(guān)聯(lián)的。根據(jù)這個(gè)機(jī)構(gòu)的人員編制結(jié)構(gòu)，把一群人用同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)中的通用工作職能組合在一起也許是可能的，也許是不可能的。

每個(gè)虛擬局域網(wǎng)的用戶數(shù)量

有一個(gè)每個(gè)虛擬局域網(wǎng)最多用戶數(shù)量的猜測是一種很好的做法。這種猜測沒有必要與整個(gè)企業(yè)保持一致。例如，虛擬局域網(wǎng)封閉使用高帶寬的用戶，或者廣播密集型應(yīng)用程序應(yīng)該有較少的用戶。這個(gè)IP地址計(jì)劃也將對每個(gè)子網(wǎng)的主機(jī)數(shù)量提出限制，從而限制每個(gè)虛擬局域網(wǎng)的主機(jī)數(shù)量。

優(yōu)化生成樹域

802.1d生成樹協(xié)議在橋接或者交換的網(wǎng)絡(luò)中是必要的，以便答應(yīng)冗余的交換機(jī)之間的連接，同時(shí)防止廣播環(huán)路(loops)。生成樹協(xié)議可能減緩融合這種情況將提出協(xié)議挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)應(yīng)該在設(shè)計(jì)階段加以解決。

大多數(shù)交換機(jī)廠商都提供一些專有的方法加快生成樹的融合。例如，思科的“PortFast”功能把沒有連接到另一臺(tái)交換機(jī)的一個(gè)端口的發(fā)送延遲定時(shí)器設(shè)置為零。這就防止了PC在啟動(dòng)之后出現(xiàn)連接問題，因?yàn)镻C端口進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)比較緩慢。這是一項(xiàng)很有用的功能，因?yàn)橹辉谶B接到另一臺(tái)交換機(jī)的端口需要生成樹協(xié)議。

然而，還有一種新的標(biāo)注化的增強(qiáng)功能的協(xié)議RSTP(快速生成樹協(xié)議)。正如這個(gè)協(xié)議的名稱所說的那樣，這個(gè)協(xié)議將解決與802.1d協(xié)議有關(guān)的融合問題。RSTP是一個(gè)以802.1w的形式制定的標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)協(xié)議增加了計(jì)算并且獲得了有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的更多的結(jié)構(gòu)信息。這個(gè)協(xié)議與作為維持生計(jì)機(jī)制的BPDU(橋接協(xié)議數(shù)據(jù)單元)一起使用使其本地融合時(shí)間達(dá)到了6秒，而在802.1d協(xié)議中，這個(gè)時(shí)間需要50秒。802.1w協(xié)議向下兼容802.1d協(xié)議并且推薦在現(xiàn)代局域網(wǎng)中應(yīng)用。

具有生成樹功能的一個(gè)端口在進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)之前必須要經(jīng)過封鎖、監(jiān)聽和學(xué)習(xí)階段。這是在生成樹的緩慢融合的中心，但是，對于確保不會(huì)產(chǎn)生環(huán)路的布局是很必要的。所有主要的交換機(jī)廠商都有以安全的方式加快生成樹融合的專有方法。例如，生成樹協(xié)議能夠根據(jù)每個(gè)端口的情況關(guān)閉，以便直接移動(dòng)這個(gè)端口到發(fā)送狀態(tài)。這將會(huì)防止在啟動(dòng)之后出現(xiàn)工作站DHCP請求超時(shí)等故障，因?yàn)槟菚r(shí)端口還沒有進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。每次關(guān)閉生成樹都應(yīng)該非凡注重，這個(gè)時(shí)候千萬不要關(guān)閉可能連接到其它交換機(jī)的端口。

在設(shè)計(jì)階段必須解決的最后一個(gè)問題是在一個(gè)虛擬局域網(wǎng)環(huán)境中如何處理生成樹。在整個(gè)園區(qū)可以使用建立一個(gè)生成樹域。替代的方法是在每一個(gè)虛擬局域網(wǎng)中建立一個(gè)單獨(dú)的生成樹實(shí)例。這意味著每一個(gè)虛擬局域網(wǎng)可能有一個(gè)不同的(或者完全相同的)根交換機(jī)。重要的是清楚隨后的安裝工作和相應(yīng)地做出計(jì)劃。例如，擁有多個(gè)生成樹域，阻止一臺(tái)交換機(jī)成為整個(gè)虛擬局域網(wǎng)的根也許是謹(jǐn)慎的措施。假如那臺(tái)交換機(jī)出現(xiàn)故障，這會(huì)減少通信的中斷。有多個(gè)生成樹域的好處是，它們很小，因此能夠更快地融合起來，答應(yīng)為每一個(gè)虛擬局域網(wǎng)優(yōu)化選擇根交換機(jī)。另一方面，一個(gè)單獨(dú)的生成樹可減少BPTU通信以及交換機(jī)必須處理的生成樹的數(shù)量。同以前一樣，在做出任何決策時(shí)前，了解你的環(huán)境是一個(gè)重要的問題。

IP電話

隨著IP電話的出現(xiàn)，有許多要解決的設(shè)計(jì)問題。由于性能和安全的原因，這種語音通信應(yīng)該在自己的虛擬局域網(wǎng)中實(shí)施。因此，一個(gè)新的IP子網(wǎng)必須增加IP電話的任務(wù)。理想的是這種IP地址應(yīng)該很輕易分辨，例如10.99.99.0/24，以便使排除故障和治理更方便。

IP電話服務(wù)器的數(shù)量和位置必須要確定下來。服務(wù)器的容量必須要根據(jù)其能夠支持的注冊電話用戶數(shù)量以及在繁忙時(shí)間能夠支持的電話數(shù)量來進(jìn)行評估。這種評估再加上預(yù)算分析有助于決定服務(wù)器的位置是采取集中的模式還是分布式模式。

電源可以通過多種方式提供，如通過每個(gè)電話機(jī)的單獨(dú)的電源部分、一個(gè)電源接插板、或者使用支持線內(nèi)供電的以太網(wǎng)交換機(jī)。最后一種方法一般被認(rèn)為是最可靠的和最省錢的。然而，在處理IP電話的問題時(shí)，你永遠(yuǎn)不要忘記標(biāo)準(zhǔn)化的問題。假如IP電話機(jī)來自不同的廠商，其廠商的數(shù)量比以太網(wǎng)交換機(jī)的廠商還多，線內(nèi)供電能起作用嗎?雖然有很多標(biāo)準(zhǔn)，但是，這些標(biāo)準(zhǔn)并不總是滴水不漏的。因此，惟一的方法是通過實(shí)際測試確切地了解這個(gè)情況。

服務(wù)質(zhì)量總是語音通信的問題。局域網(wǎng)的帶寬通常是很充足的，因此，阻塞治理通常不能保證非凡的配置。來自IP電話的通信一般標(biāo)記為“IP優(yōu)先等級5”和“802.1q COS 5”。這個(gè)分類和標(biāo)記能夠在本地交換機(jī)設(shè)置。許多IP電話預(yù)先標(biāo)記這種通信。假如是這種情況，交換機(jī)應(yīng)該設(shè)置為來自IP電話的“可信賴”數(shù)據(jù)包(也就是說，不是重新標(biāo)記的)。來自PC的數(shù)據(jù)包一般應(yīng)該標(biāo)記為“優(yōu)先等級0”，以防止數(shù)據(jù)幀在路由器廣域網(wǎng)接口上以高優(yōu)先等級隊(duì)列發(fā)送。