光纤交换机

光纤交换机
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一种高速的网络传输中继设备
本词条由“科普中国”科学百科词条编写与应用工作项目
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设备简介
自从光纤通道协议标准被ANSI(美国工业标准协议)提出后，光纤通道技术受到各方面的了广泛关注。而随着光纤通道设备成本的逐渐降低以及光纤通道技术高传输速率，高可靠性，低误码率等性能的逐渐体现，人们越来越重视光纤通道技术。光纤通道技术已经成为实现存储区域网络的必不可少的一部分。而光纤通道交换机也成为了构成 SAN 网络的核心设备，具有重要的地位和作用。光纤通道交换机是存储区域网络的重要组成部分，它的性能直接影响到整个存储区域网络的性能。光纤通道技术有灵活的拓扑结构，具有点到点拓扑，交换结构拓扑和环状拓扑三种。而对于组建网络来说，其中交换拓扑结构最为常用。光纤通道交换机将接收到的串行高速传输数据进行串并转换和10B/8B 解码以及比特同步和字同步等操作后，与和它连接的服务器和存储设备之间建立链路，接收到数据后查转发表后从相应端口送往相应的设备处。同以太网数据帧一样，光纤通道设备的数据帧也具备其固定的帧格式并具备其专有的有序集等用于相应的处理。光纤通道交换机还提供了六类面向连接或无连接的服务。根据不同类型的服务，光纤通道交换机还具备其相应的端到端或者缓冲区到缓冲区的流量控制机制。另外光纤通道交换机还提供了名字服务，时间和别名服务，管理服务等服务和管理 
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光纤通道
光纤通道（FC，Fibre Channel）协议是美国国家标准所指定的一种串行高速、低延时、低误码的标准协议能够为存储设备、IP 数据网、音频流等应用提供高速数据传输的骨干网络技术。随着光纤通道在不同领域的应用，在光纤通道协议的基础上，形成了应用于不同领域的光纤通道协议簇，这些协议簇推动和发展了光纤通道协议。 在存储区域网络中，由于存在大量的数据信息需要传送，传统的TCP/IP 网络难以满足需要，光纤通道协议的低延时和低误码，支持点到点结构、环行拓扑结构和交换拓扑结构，极大的满足存储区域网络的应用。通过光纤通道交换机将各个目标设备进行连接，以及光纤通道交换机之间的级联，可以扩大存储区域网络的规模。 光纤通道传输速率高，延时低，以及扩展性强。
传输速率：光纤通道技术在介质上传输的常用速率为1.0625Gbit/s，此速率又称为全速(Full Speed)。除此之外还有该速率的1/2，1/4，1/8倍速率，当然也有该速率的2倍数据传输速率(2.125Gbit/s)以及4倍数据传输速率(4.25Gbit/s)。而考虑到8B/10B编码以及其他的开销的情况下，在全速的情况下净负荷的传输速率为100MB/s。
扩展能力强和灵活的拓扑：光纤通道技术具有很好的扩展性能，相对SCSI通道最多只能容纳15个设备的限制，光纤仲裁环路上最多可以容纳126个设备，而交换结构中则可以容纳 6万多个设备。而且因为光纤通道物理连接拓扑结构有点到点，仲裁环路和分组交换结构等拓扑结构，所以光纤通道设备可以通过光纤仲裁环路或者交换结构组成存储区域网络。而SCSI 技术则只有点到点的拓扑结构。由此可见光纤通道技术既具备良好的扩展能力，有具有灵活的拓扑结构 
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标准的协议映射：光纤通路可以作为多个高层协议的数据传送载体，具有多种映射方式。如 IP、SCSI-3、IPI 磁盘、HIPPI、ESCON、单字节通路命令集等。当然常见的是SCSI-3 的映射，被称为“FCP”。
底层控制：本地所进行的操作与全域信息的关系极小，这就代表着，一个端口几乎不受其他端口的影响。从而使上层的工作量极大的减少。 开销很少：由于采用 8B/10B 编码和稳定可靠的硬件使得误码率极低，从而使光纤通道协议的开销很小，净负荷传输速率较高。
特点
光纤交换机是通讯网络系统的最小实体单元，通常来讲，它是由一个或者多个通讯交换接口组成，它包含了交换机构、通讯地址管理器、信息传输路径选择器、路由器、通讯交换网络控制器和交换端口，其中交换机构可以实现通讯信号的多帧或者多电路交换;交换端口可能是E端口，也可能是F端口或者是FL端口，多功能交换机端口是实现一个以上功能端口的交换机。 
功能介绍
通道协议支持
SAN交换机所用的通道协议根据具体的应用也有好几种不同的类型，如FC、SCSI和FCIP协议等，不同的支持对应支持不同类型的设备接口。FC协议一般是所有SAN交换机都支持的，SCSI协议在中低档的光纤交换机中可能支持，基于以太网IP协议的FCIP协议也有许多厂商的SAN交换机开始提供支持，因为它实现的成本比较简单，很受企业用户欢迎。
接口类型
不同的SAN交换机可能支持的接口类型并不完全一样，而各种接口类型的性能也不一样，选购时一定要看清楚。如SCSI接口我们知道最新的Ultra 320可达到320MB/s，传输距离最长只有20米，通常是磁盘设备连接的专用接口；光纤通道（FC）可以提供1~4GB/s的传输速率（最高可达10GB/s），至少比SCSI快3倍，通常用于服务器主机与SAN交换机的连接，也有一些磁盘支持FC接口；由IBM设计的Escon接口，在光纤上全双工模式下它可支持200 MB/s的数据速率，这一般是服务器主机或SAN交换机间连接的接口。根据不同的配置，Escon接口所支持的传输距离也可达到3~10公里，取决于光纤的质量和产品特点。同样由IBM开发的FICON接口是一种接口类型，也是服务器或SAN交换机间的连接接口。它传输速度是ESCON的6倍。传输距离也在19公里以上。不过许多SAN交换机都同时提供对这以上接口支持。
端口数量
SAN交换机与平常所见的以太网交换机的明显区别就是端口数非常多，密集度非常高。一般的SAN交换机端口数都在48口以上，最高的已达256口，当然低档入门级的SAN交换机也有16口以下的。之所以SAN交换机需要这么多端口，那是因为它的连接方式与以太网交换机不同，当然主要体现在多SAN交换机的网络中。在SAN网络中，每个SAN交换机都必须与其它SAN交换机进行连接，这种单向连接，很明显的一点就是可以大大提高数据的交换速率。因为一台交换机中有些端口是用于SAN交换机之间的连接了，所以实际可用的SAN交换机端口就少了，对于端口数少的SAN交换机显然就不适合了，所以SAN交换机端口一般都比较多，至少在24口以上。如果在SAN网络中存在多个SAN交换机，则最好不要选择24口以下的。
是否支持堆叠
工作组以上的SAN光纤交换机也有支持堆叠的，通过堆叠来达来到扩展交换机端口和总体背板带宽的目的。SAN交换机是通过E_Ports(扩展端口)可以进行堆叠，这种方法可以使光纤网络扩展到数千个节点，技术下，最可多堆叠239个。
交换机功能
光纤通道交换机有着许多不同的功能，包括支持GBIC、冗余风扇和电源、分区、环操作和多管理接口等。每一项功能都可以增加整个交换网络的可操作性，理解这些特点可以帮助用户设计一个功能强大的大规模的SAN。总体来说，SAN光纤交换机的主要功能如下：自配置端口、环路设备支持、交换机级联、自适应速度检测、可配置的帧缓冲、分区(基于物理端口和基于WWN的分区)、IP over Fiber Channel(IPFC)广播、远程登录、Web管理、简单网络管理协议(SNMP)以及SCSI接口独立设备服务(SES)等，根据具体需求来选择。
可扩展性能
任何一个存储区域网络都不会是一成不变的，它时刻面临着扩展以及与新技术、新产品集成的问题。而存储区域网络正是通过灵活的可扩展性来满足未来的需求，从而保护用户的投资。它的扩展性又包括两个方面，一方面是随着存储网络规模的扩大，原有的系统不能满足用户的存储需求时怎样扩展为一个更大的光纤存储网络；另一方面是，随着技术的发展，能够顺利地升级到新的技术与应用。比如，IP存储的发展使得越来越多的用户考虑iSCSI和FCIP，FC交换机将来能否进行IP存储的扩展就显得很重要。
冗余性能
如果要保证关键业务的不间断运行，就需要按照冗余方式构建系统。冗余方案其实服务器类型，方案是各种各样的，可以是单交换机部件冗余，也可以考虑用双光纤交换网冗余配置方案，不过这种成本非常高。但由于这种双网络拓扑确保了冗余性，所以可以使用较为便宜的单电源交换设备即可，即使一个交换机发生故障，主机和存储阵列上的链路切换软件也会自动将通信切换到冗余设备上，直到故障设备被更换为止。如果定期停机维护不会影响企业的应用，那么采用一个只带热插拔冗余电源和风扇的交换机即可，可大大降低成本。同时还保证了电源或风扇的任何一个单点故障都不影响网络的运行。
总之，在选择使用哪种交换机来建立SAN光纤交换网络前需要考虑的地方很多，同其他设备采购计划一样，需要在比较交换机之前明确未来的关键需求，还要明确这些需求的优先级别。
以上只是在选购光纤交换机时特别要注意的一些事项，其实光纤交换机技术非常复杂，所支持的协议和接口类型也在日益增多，性能不断增强，要注意的方面还有很多，但限于篇幅原因在此文只能为大家起到抛砖引玉的作用，希望对各位在选购光纤交换机时有一定的参考意义。
光纤区别
光纤存储交换机是一种存储设备，用于连接存储设备，存储交换机的硬件用于高效处理iSCSI存储协议，而光纤网络交换机用于处理TCP/IP协议族中的以太网协议，在硬件及软件层面上两种交换机是完全不同的，不能通用。光纤存储交换机是一种存储设备，光纤网络交换机是一种网络设备。但两种网络并不是不可融合的，在支持FCoE的设备上可以有效的使SCSI协议透传以太网，达到存储网络、以太网的融合。
使用方法
1、在说明及6台接入交换机，可以适应120台到150台左右规模网络使用。
2、8个独立电口，可以接路由器，收费机以及其它服务器等。
3、接入层交换机选用RHS4226GS全千兆智能监控型交换机，它们提供24个10/100/1000Base-T端口，2个千兆SFP复用端口，具有48Gbps的背板带宽，能够充分满足整个网吧的网络性能需求。
4、RHS4226GS支持端口/IP/MAC一键绑定功能，在PC接入层端口即对各类ARP病毒实行防御，可有效的缓解中心网吧光纤交换机及网关路由器的ARP处理压力。
5、RHS4226GS还支持端口汇聚功能，在流量大的主干线路或服务器采用端口汇聚功能，可成倍的增加网络带宽，以保证各类数据的畅通。而且双线路相当于一道双保险，在很大程度上减少了单线路时将会出现的故障机率。
二、200台—300台左右规模网吧方案
1、网络中心使用RHS4624GMS全千兆管理型网吧光纤交换机，它提供16个千兆SFP光纤端口，8个独立的10/100/1000Base-T端口，具有48Gbps的背板带宽，能够充分满足整个网吧的网络性能需求。并且支持ARP安全功能、端口VLAN与802.1QVLAN，支持端口镜像、端口汇聚、QOS等功能，以适用不同的网络应用需求。
2、中心交换机的16个SFP光纤端口，可以支持4台无盘服务器以及12台网吧光纤交换机，可以适应200台到300台左右规模网络使用。8个独立电口，可以接路由器，收费机以及其它服务器。
3、网吧光纤交换机选用RHS4226GS全千兆智能监控型网吧光纤交换机，它们提供24个10/100/1000Base-T端口，2个千兆SFP复用端口，具有48Gbps的背板带宽，能够充分满足整个网吧的网络性能需求。
4、RHS4226GS支持端口/IP/MAC一键绑定功能，在PC接入层端口即对各类ARP病毒实行防御，可有效的缓解中心交换机及网关路由器的ARP处理压力。
5、RHS4226GS还支持端口汇聚功能，在流量大的主干线路或服务器采用端口汇聚功能，可成倍的增加网络带宽，以保证各类数据的畅通。而且双线路相当于一道双保险，在很大程度上减少了单线路时将会出现的故障机率。
交换机
交换机（Switch）意为“开关”是一种用于电（光）信号转发的网络设备。它可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路。最常见的交换机是以太网交换机。其他常见的还有电话语音交换机、光纤交换机等。交换（switching）是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。交换机根据工作位置的不同，可以分为广域网交换机和局域网交换机。广域的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备，它应用在数据链路层。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上，交换机有时被称为多端口网桥。
二层交换机工作于OSI参考模型的第二层，即数据链路层。交换机内部的CPU会在每个端口成功连接时，通过将MAC地址和端口对应，形成一张MAC表。在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。交换技术是在OSI 七层网络模型中的第二层，即数据链路层进行操作的，因此交换机对数据包的转发是创建在MAC (Media Access Control) 地址--物理地址基础之上的，对于IP 网络协议来说，它是透明的，即交换机在转发数据包时，不知道也无须知道信源机和信宿机的IP 地址，只需知其物理地址即MAC 地址。交换机在操作过程当中会不断的收集资料去创建它本身的一个地址表，这个表相当简单，它说明了某个MAC 地址是在哪个端口上被发现的，所以当交换机收到一个TCP/IP 数据包时，它便会看一下该数据包的目的MAC 地址，核对一下自己的地址表以确认应该从哪个端口把数据包发出去。由于这个过程比较简单，加上这功能由一崭新硬件进行——ASIC (Application Specific Integrated Circuit) ，因此速度相当快，一般只需几十微秒，交换机便可决定一个IP 数据包该往那里送。值得一提的是：万一交换机收到一个不认识的数据包，就是说如果目的地MAC 地址不能在地址表中找到时，交换机会把IP 数据包"扩散"出去，即把它从每一个端口中提交去，就如交换机在处理一个收到的广播数据包时一样。二层交换机的弱点正是它处理广播数据包的手法不太有效，比方说，当一个交换机收到一个从TCP/IP 工作站上发出来的广播数据包时，他便会把该数据包传到所有其他端口去，哪怕有些端口上连的是IPX 或DECnet 工作站。这样一来，非TCP/IP 节点的带宽便会受到负面的影响，就算同样的TCP/IP 节点，如果他们的子网跟发送那个广播数据包的工作站的子网相同，那么他们也会无原无故地收到一些与他们毫不相干的网络广播，整个网络的效率因此会大打折扣。从90 年代开始，出现了局域网交换设备。从网络交换产品的形态来看，交换产品大致有三种：端口交换、帧交换和信元交换。
端口交换技术最早出现于插槽式集线器中。这类集线器的背板通常划分有多个以太网段（每个网段为一个广播域）、各网段通过网桥或路由器相连。以太网模块插入后通常被分配到某个背板网段上，端口交换适用于将以太模块的端口在背板的多个网段之间进行分配。这样网管人员可根据网络的负载情况，将用户在不同网段之间进行分配。这种交换技术是基于OSI第一层（物理层）上完成的，它并没有改变共享传输介质的特点，因此并不是真正意义上的交换。
帧交换是当前应用的最广的局域网交换技术，它通过对传统传输介质进行分段，提供并行传送的机制，减少了网络的碰撞冲突域，从而获得较高的带宽。不同厂商产品实现帧交换的技术均有差异，但对网络帧的处理方式一般有：存储转发式和直通式两种。存储转发式 (Store-and-Forward) ：当一个数据包以这种技术进入一个交换机时，交换机将读取足够的信息，以便不仅能决定哪个端口将被用来发送该数据包，而且还能决定是否发送该数据包。这样就能有效地排除了那些有缺陷的网络段。虽然这种方式不及使用直通式产品的交换速度，但是它们却能排除由破坏的数据包所引起的经常性的有害后果。直通式 (Cut-Through) ：当一个数据包使用这种技术进入一个交换机时，它的地址将被读取。然后不管该数据包是否为错误的格式，它都将被发送。由于数据包只有开头几个字节被读取，所以这种方法提供了较多的交换次数。然而所有的数据包即使是那些可能已被破坏的都将被发送。直到接收站才能测出这些被破坏的包，并要求发送方重发。但是如果网络接口卡失效，或电缆存在缺陷；或有一个能引起数据包遭破坏的外部信号源，则出错将十分频繁。随着技术的发展，直通式交换将逐步被淘汰。在“直通式”交换方式中，交换机只读出网络帧的前几个字节，便将网络帧传到相应的端口上，虽然交换速度很快，但缺乏对网络帧的高级控制，无智能性和安全性可言，同时也无法支持具有不同速率端口的交换；而“存储转发”交换方式则通过对网络帧的读取进行验错和控制。
信元交换的基本思想是采用固定长度的信元进行交换，这样就可以用硬件实现交换，从而大大提高交换速度，尤其适合语音、视频等多媒体信号的有效传输。当前，信元交换的实际应用标准是ATM （异步传输模式），但是ATM 设备的造价较为昂贵，在局域网中的应用已经逐步被以太网的帧交换技术所取代。