工业交换机的组网方式

工业交换机和收发器（光电转化器）结合使用，特别适合终端节点分散，距离远的应用场合，比如说高清视频监控领域，收发器一端通过双绞线和终端设备相连，另一端通过光纤，远距离接入到工业交换机光口，至于和光端机，特别是视频光端机配合使用，多应用于视频+数据+语音等多业务场合。

交换机是一种最为基础的网络连接设备。它一般都不需要任何软件配置即可使用的一种纯硬件式设备；单个交换机与网络的连接，相信读者朋友们已经能够掌握。本文结合图例，主要介绍多台交换机在网络中同时使用时的连接问题。
多台交换机的连接方式无外乎两种：级联跟堆叠。下面针对这两种连接方式，分别介绍实现原理及详细的连接过程。

1、交换机级联

这是最常用的一种多台交换机连接方式，它通过交换机上的级联口（UpLink）进行连接。需要注意的是交换机不能无限制级联，超过一定数量的交换机进行级联，最终会引起广播风暴，导致网络性能严重下降。级联又分为以下两种：

使用普通端口级联

所谓普通端口就是通过交换机的某一个常用端口（如RJ-45端口）进行连接。需要注意的是，这时所用的连接双绞线要用反线，即是说双绞线的两端要跳线（第1-3与2-6线脚对调）。其连接示意如图1所示。


使用Uplink端口级联

在所有交换机端口中，都会在旁边包含一个Uplink端口，如图2所示。此端口是专门为上行连接提供
的，只需通过直通双绞线将该端口连接至其他交换机上除“Uplink端口”外的任意端口即可（注意，并不是Uplink端口的相互连接）。


2、交换机堆叠
此种连接方式主要应用在大型网络中对端口需求比较大的情况下使用。交换机的堆叠是扩展端口最快捷、最便利的方式，同时堆叠后的带宽是单一交换机端口速率的几十倍。但是，并不是所有的交换机都支持堆叠的，这取决于交换机的品牌、型号是否支持堆叠；并且还需要使用专门的堆叠电缆和堆叠模块；最后还要注意同一堆叠中的交换机必须是同一品牌。

它主要通过厂家提供的一条专用连接电缆，从一台交换机的“UP”堆叠端口直接连接到另一台交换机的“DOWN”堆叠端口。堆叠中的所有交换机可视为一个整体的交换机来进行管理。其连接示意图4所示。

提示：采用堆叠方式的交换机要受到种类和相互距离的限制。首先实现堆叠的交换机必须是支持堆叠的；另外由于厂家提供的堆叠连接电缆一般都在1M左右，故只能在很近的距离内使用堆叠功能。

总结：

综合以上两种方式来看，交换机的级联方式实现简单，只需一根普通的双绞线即可，节约成本而且基本不受距离的限制；而堆叠方式投资相对较大，且只能在很短的距离内连接，实现起来比较困难。

但也要认识到，堆叠方式比级联方式具有更好的性能，信号不易衰竭，且通过堆叠方式，可以集中管理多台交换机，大大减化了管理工作量；如果实在需要采用级联，也最好选用Uplink端口的连接方式。因为这可以在最大程度上保证信号强度，如果是普通端口之间的连接，必定会使网络信号严重受损。

交换机两种连接方式堆叠与级联基础介绍

当单一交换机所能够提供的端口数量不足以满足网络计算机的需求时，必须要有两个以上的交换机提供相应数量的端口，这也就要涉及到交换机之间连接的问题。从根本上来讲，交换机之间的连接不外乎两种方式，一是堆叠，一是级联。 P1． GBIC和SF （1）GBIC Cisco GBIC（GigaStack Gigabit Interface Converter）是一个通用的、低成本的千兆位以太网堆叠模块，可提供Cisco交换机间的高速连接，既可建立高密度端口的堆叠，又可实现与服务器或千兆位主干的连接，为快速以太网向千兆以太网的过渡，提供了廉价的、高性能的选择方案。此外，借助于光纤，还可实现与远程高速主干网络的连接。GBIC模块分为两大类，一是普通级联使用的GBIC模块，二是堆叠专用的GBIC模块。 ● 级联GBIC模块 级联使用的GBIC模块分为4种，一是1000Base-T GBIC模块（如图1所示），适用于超五类或六类双绞线，最长传输距离为100米；二是1000Base-SX GBIC模块（如图2所示），适用于多模多纤（MMF），最长传输距离为500米；三是1000Base-LX/LH GBIC模块，适用于单模光纤（SMF），最长传输距离为10千米；四是1000Base-ZX GBIC，适用于长波单模光纤，最长传输距离为70千米~100千米。



1000Base-T GBIC模块



1000Base-SX GBIC模块

GBIC模块安装于千兆以太网模块的GBIC插槽中，用于提供与其他交换机和服务器的千兆位连接。如图3所示为安装在Cisco Catalyst 4006千兆以太网模块中的GBIC。


安装在GBIC插槽中的GBIC模块

● 堆叠GBIC模块 堆叠GBIC模块用于实现交换机之间的廉价千兆连接。如图4所示为适用于Cisco Catalyst 2950/3550的GigaStack GBIC堆叠模块。需要注意的是，GigaStack GBIC专门用于交换机之间的千兆位堆叠，GigaStack GBIC之间的连接采用专门的堆叠电缆。


Cisco GigaStack GBIC堆叠模块和电缆

（2）SFP SFP（Small Form-factor Pluggables）可以简单的理解为GBIC的升级版本。SFP模块（如图5所示）体积比GBIC模块减少一半，可以在相同面板上配置多出一倍以上的端口数量。由于SFP模块在功能上与GBIC基本一致，因此，也被有些交换机厂商称为小型化GBIC（Mini-GBIC）。

SFP模块

2． 交换机的堆叠 提供堆叠接口的交换机之间可以通过专用的堆叠线连接起来。通常，堆叠的带宽是交换机端口速率的几十倍，例如，一台100Mbps交换机，堆叠后两台交换机之间的带宽可以达到几百兆甚至上千兆。多台交换机的堆叠是靠一个提供背板总线带宽的多口堆叠母模块与单口的堆叠子模块相联实现的，并插入不同的交换机实现交换机的堆叠。 但是，并不是所有的交换机都支持堆叠的，这取决于交换机的品牌、甚至是型号是否支持堆叠。 堆叠不仅通常需要使用专门的堆叠电缆，而且甚至需要专门的堆叠模块，如Cisco GigaStack GBIC。另外，同一叠堆中的交换机必须是同一品牌，否则，根本没有办法堆叠。因此，如果准备使用堆叠的方式扩充端口，就必须事先做好购置计划。 交换机的堆叠是扩展端口最快捷、最便利的方式。堆叠的优点实在多多，主要包括以下几个方面： ● 高密度端口 不同品牌的交换机支持堆叠的层数有所不同，一般情况下，最少可堆叠2层，而最多可堆叠至8层，因此，可在一个狭小的空间内为密集的计算机网络提供上百个端口。 ● 便于管理 一个叠堆的若干台交换机可视为一台交换机进行管理，只需赋予其1个IP地址，即可通过该IP地址对所有的交换机进行管理，从而大大减少了管理的强度和难度，极大地节约了管理成本。
堆叠(Stack)和级联(Uplink)是多台交换机或集线器连接在一起的两种方式。它们的主要目的是增加端口密度。但它们的实现方法是不同的。简单地说，级联可通过一根双绞线在任何网络设备厂家的交换机之间，集线器之间，或交换机与集线器之间完成。而堆叠只有在自己厂家的设备之间，且此设备必须具有堆叠功能才可实现。级联只需单做一根双绞线(或其他媒介)，堆叠需要专用的堆叠模块和堆叠线缆，而这些设备可能需要单独购买。交换机的级联在理论上是没有级联个数限制的(注意：集线器级联有个数限制，且10M和100M的要求不同)，而堆叠各个厂家的设备会标明最大堆叠个数。 从上面可看出级联相对容易，但堆叠这种技术有级联不可达到的优势。首先，多台交换机堆叠在一起，从逻辑上来说，它们属于同一个设备。这样，如果你想对这几台交换机进行设置，只要连接到任何一台设备上，就可看到堆叠中的其他交换机。而级联的设备逻辑上是独立的，如果想要网管这些设备，必须依次连接到每个设备。 其次，多个设备级联会产生级联瓶颈。例如，两个百兆交换机通过一根双绞线级联，则它们的级联带宽是百兆。这样不同交换机之间的计算机要通讯，都只能通过这百兆带宽。而两个交换机通过堆叠连接在一起，堆叠线缆将能提供高于1G的背板带宽，极大地减低了瓶颈。现在交换机有一种 新的技术——Port Trunking，通过这种技术，可使用多根双绞线在两个交换机之间进行级联，这样可成倍地增加级联带宽。 级联还有一个堆叠达不到的目的，是增加连接距离。比如，一台计算机离交换机较远，超过了单根双绞线的最长距离100米，则可在中间再放置一台交换机，使计算机与此交换机相连。堆叠线缆最长也只有几米，所以堆叠时应予考虑。 堆叠和级联各有优点，在实际的方案设计中经常同时出现，可灵活应用。

级联是通过集线器的某个端口与其它集线器相连的，而堆叠是通过集线器的背板连接起来的。虽然级联和堆叠都可以实现端口数量的扩充，但是级联后每台集线器或交换机在逻辑上仍是多个被网管的设备，而堆叠后的数台集线器或交换机在逻辑上是一个被网管的设备。

工业以太网交换机专门为满足灵活多变的工业应用需求而设计，提供一种高性价比工业以太网通讯解决方案。而其组网方式则更重点关注于环路设计。环路有单环和多环的区别，同时亦有在STP和RSTP基础上，各个厂家设计的私有环路协议，如RingOn、RingOpen开环、FRP环、turbo环等。
集线器的发展产生了一种叫非管理型交换机的设备。它能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，相对集线器更加智能化。非管理型交换机能自动探测每台网络设备的网络速度。另外，它具有一种称为“MAC地址表”的功能，能识别和记忆网络中的设备。换言之，如果端口2收到一条带有特定识别码的消息，此后交换机就会将所有具有那种特定识别码的消息发送到端口2。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。然而，非管理型交换机不能实现任何形式的通信检测和冗余配置功能。
以太网连接设备发展的下一代产品是管理型交换机。相对集线器和非管理型交换机，管理型交换机拥有更多更复杂的功能，价格也高出许多－通常是一台非管理型交换机的3～4倍。管理型交换机提供了更多的功能，通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。一些老设备可能无法使用自动交互功能，因此手动配置功能是必不可缺的。
绝大多数管理型交换机通常也提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP(简单网络管理协议)，用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN(虚拟局域网)，用于确保优先级消息通过的优先级排列功能等。利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断最优传输路径和备用路径，当优先路径中断时自动阻断(block)备用路径。
可网管交换机可以通过以下几种途径进行管理：通过RS-232 串行口（或并行口）管理、通过网络浏览器管理和通过网络管理软件管理。
1． 通过串口管理
可网管交换机附带了一条串口电缆，供交换机管理使用。先把串口电缆的一端插在交换机背面的串口里，另一端插在普通电脑的串口里。然后接通交换机和电脑电源。在Windows 98和Windows 2000里都提供了“超级终端”程序。打开“超级终端”，在设定好连接参数后，就可以通过串口电缆与交换机交互了，如图1所示。这种方式并不占用交换机的带宽，因此称为“带外管理”（Out of band）。
在这种管理方式下，交换机提供了一个菜单驱动的控制台界面或命令行界面。你可以使用“Tab”键或箭头键在菜单和子菜单里移动，按回车键执行相应的命令，或者使用专用的交换机管理命令集管理交换机。不同品牌的交换机命令集是不同的，甚至同一品牌的交换机，其命令也不同。使用菜单命令在操作上更加方便一些。
2． 通过Web管理
可网管交换机可以通过Web（网络浏览器）管理，但是必须给交换机指定一个IP地址。这个IP地址除了供管理交换机使用之外，并没有其他用途。在默认状态下，交换机没有IP地址，必须通过串口或其他方式指定一个IP地址之后，才能启用这种管理方式。
使用网络浏览器管理交换机时，交换机相当于一台Web服务器，只是网页并不储存在硬盘里面，而是在交换机的NVRAM里面，通过程序可以把NVRAM里面的Web程序升级。当管理员在浏览器中输入交换机的IP地址时，交换机就像一台服务器一样把网页传递给电脑，此时给你的感觉就像在访问一个网站一样，如图2所示。这种方式占用交换机的带宽，因此称为“带内管理”（In band）。
如果你想管理交换机，只要点击网页中相应的功能项，在文本框或下拉列表中改变交换机的参数就可以了。Web管理这种方式可以在局域网上进行，所以可以实现远程管理。
3． 通过网管软件管理
可网管交换机均遵循SNMP协议（简单网络管理协议），SNMP协议是一整套的符合国际标准的网络设备管理规范。凡是遵循SNMP协议的设备，均可以通过网管软件来管理。你只需要在一台网管工作站上安装一套SNMP网络管理软件，通过局域网就可以很方便地管理网络上的交换机、路由器、服务器等。通过SNMP网络管理软件的界面如图3所示，它也是一种带内管理方式。
可网管交换机的管理可以通过以上三种方式来管理。究竟采用哪一种方式呢？在交换机初始设置的时候，往往得通过带外管理；在设定好IP地址之后，就可以使用带内管理方式了。带内管理因为管理数据是通过公共使用的局域网传递的，可以实现远程管理，然而安全性不强。带外管理是通过串口通信的，数据只在交换机和管理用机之间传递，因此安全性很强；然而由于串口电缆长度的限制，不能实现远程管理。所以采用哪种方式得看你对安全性和可管理性的要求了。
工业交换机的应用十分广泛，在行业应用方面，主要应用于：煤矿安全、轨道交通、工厂自动化、水处理系统、城市安防等。