浅析交换机堆叠技术在广播总控中的应用

摘要（Abstract）：随着音频IP化传输的发展，上海广播电台将交换机堆叠连接成一个逻辑系统，解决了端口数量、可靠性和管理便捷性的问题。本文着重阐述了交换机堆叠的优势，对堆叠技术和堆叠模式进行了区分和阐述，并对级联和堆叠进行了比较。

关键词：交换机；堆叠；广播电台；音频传输

一、交换机堆叠技术概述

交换机的堆叠（Switch Stack）是指将一台以上的交换机组合起来，以便在有限的空间内提供尽可能多的端口。使用堆叠技术将多台交换机通过堆叠线缆连接起来并进行必要的配置后，从逻辑上虚拟化成一台“分布式交换机”，作为一个整体参与数据转发。使用堆叠技术可以实现多台交换机的协同工作和统一管理，其对外表现就像一台交换机一样。堆叠是目前广泛应用的一种横向虚拟化技术，具有提高可靠性、扩展端口数量、增大带宽、简化组网等作用。

二、交换机堆叠的优势

1、增强系统可靠性

堆叠系统的多台交换机之间形成冗余备份，同时堆叠支持跨设备的链路聚合功能。主交换机负责堆叠系统的运行、管理和维护，其他交换机在处理业务的同时可作为主交换机的备份，从而增强系统的可靠性。

2、扩展端口数量

单台交换机的端口常见的有：24口和48口，端口数量有限且固定，通过增加成员交换机，可以成倍扩展堆叠系统的端口数、带宽和数据处理能力。同时，堆叠交换机支持成员交换机的热插拔，新加入的成员交换机自动同步主交换机的配置文件和系统软件版本以保持堆叠系统中各成员交换机的设备一致性。

3、提高网络带宽

单台交换机的上行带宽相对固定，当需要增大交换机的上行带宽时，可以将新交换机与原交换机组成堆叠系统，将成员交换机的多条物理链路配置成一个聚合组，以提高交换机的上行带宽。

4、简化网络配置和管理

网络中的多台设备虚拟成单一的逻辑设备。可以通过任何一台成员交换机登录堆叠系统，并对堆叠系统所有成员进行统一配置和管理，从而简化了网络配置。

三、网络堆叠技术区分

1、数据堆叠与电源堆叠

数据堆叠是指使用专门的堆叠数据线将两台或多台相同的交换机进行连接以达到堆叠的目的，数据堆叠最重要的是：交换机的品牌和型号需一致。

在实际工程应用中，为确保系统可靠性，除为每台交换机提供双电源外，还为堆叠交换机配置电源堆叠。电源堆叠使用专门的堆叠电源缆，以两台交换机为例，使用交叉连接的堆叠电源缆，整套堆叠交换机拥有四路电源输入，任意三路电源断电均不会影响系统正常运行。

2、虚拟堆叠与物理堆叠

虚拟堆叠又称逻辑堆叠，是利用虚拟化技术将多个独立的设备虚拟化一个逻辑单元。虚拟堆叠是通过交换机的普通业务端口完成堆叠，耦合性相对较弱，稳定性也相对较弱，但堆叠线缆可选择的空间更大，性价比更高，并且堆叠的距离不受限制，可以满足更多的堆叠场景。即采用虚拟堆叠方式不需要特殊硬件线缆的支持，也可以跨厂商、跨系列和跨型号使用。

物理堆叠是通过专门的堆叠线缆和堆叠口完成堆叠，形成一个逻辑单元。物理堆叠的耦合性比较强，相对稳定性较高。但是，此种堆叠方式的技术壁垒较高，且堆叠线缆必须原厂提供，相对昂贵，堆叠线缆一般都比较短，不能完成长距离设备的堆叠。即物理堆叠通常只能将同一厂商、同一系列和同一型号的网络设备进行堆叠。

上海广播电台总控使用的堆叠交换机采用物理堆叠方式连接。

3、堆叠式交换机与机箱式交换机

堆叠式交换机即两台或多台同品牌同型号的独立交换机使用堆叠线缆组成堆叠系统。采用这种方式堆叠的系统就前期投资成本而言相对较低。

机箱式交换机是一种可将不同类型的线（板）卡插入交换机上的固定插槽来使用的网络交换机，与通过堆叠线连接成为一个逻辑整体的堆叠交换机不同的是，由于机箱式交换机上有固定的模块插槽，且模块上带有网络端口，故此种堆叠方式并不需要连接多台交换机，但使用机箱式交换机的前期投资要比堆叠式交换机高得多。

四、交换机堆叠模式

1、菊花链堆叠

菊花链堆叠模式是利用专用的堆叠线缆，将多台交换机以环路方式串联起来，组建成一个交换机堆叠组。菊花链堆叠模式中的冗余电缆只是冗余备份的作用，也可不连。采用菊花链堆叠模式，从主交换机到最后一台从交换机之间，数据包要历经中间所有交换机，传输效率较低，因此堆叠层数不宜太多。菊花链堆叠模式虽然保证了每台交换机端口的带宽，但是并没有使更多交换机之间数据的转发效率得到提升，而且堆叠电缆通常距离较短，因此采用菊花链堆叠模式时，主要适用于有大量计算机的机房。

2、星型堆叠

星型堆叠要求主机房交换机有足够的背板带宽，并且有多个堆叠模块，然后使用高速堆叠线缆将交换机的内部总线连接成为一条高速链路。星型堆叠的优点是传输速度要远远超过交换机的级联模式，而且可以显著地提高堆叠交换机之间数据的转发速率。一个堆叠系统的若干台交换机可以视为一台交换机进行管理，只需赋予一个管理IP地址，即可通过该IP地址对所有的交换机进行统一管理，从而大大减小了管理的难度。

五、交换机堆叠和级联的区别

交换机的堆叠和级联口占都是最常见和最直接的两种扩展方式，这两种方式主要有以下几点不同。

1、连接交换机的介质不同

交换机之间的级联可以使用光纤，也可以使用普通网线；而堆叠交换机则需要厂家提供的特定的堆叠线缆并适配堆叠模块。

2、对设备的要求不同

交换机之间的级联可以连接不同厂商、不同品牌和不同型号的交换机；而堆叠交换机则需要同厂商、同品牌和同型号，且对堆叠模块也有严苛要求。

3、最大连接数不同

交换机的级联理论上没有设备级联数量的上限；但是堆叠交换机厂商都会有明确地限制，一般思科和华为交换机的堆叠建议数量为2～9台。

4、管理方式不同

交换机在级联后各台交换机在逻辑上是各自独立的设备，因此必须依次配置和管理每一台交换机；堆叠后的交换机在逻辑上是一个设备，可以视作一整台交换机，因此可以在任意一台交换机上对所有的交换机进行同意的配置与管理。

5、设备间连接带宽不同

交换机在级联后，多台交换机会产生级联瓶颈，并将导致较大的转发延迟，且伴随转发次数的增加，网络延迟也将变得更大；多台交换机堆叠在一起时，堆叠线缆将能提供高于1Gbps的背板带宽，从而可以实现所有堆叠系统内交换机之间的高速连接。

六、广播总控堆叠交换机介绍

在全媒变革的当下，为适应音频IP化制作和传输的需求，上海广播电台采用AoIP（Audio over IP）技术来替代传统的模拟音频传输方式，其具有较高的稳定性和可靠性，且AoIP技术可以提高广播系统的整体效率和管理能力，为广播运营提供更加高效的技术支持。但随着AoIP音频处理节点和服务器等终端的增多，就必须采用稳定性好、端口多且便于管理的交换机。现行的上海广播总控采用两台同品牌、同型号的48口交换机做堆叠连接，组建成一台逻辑上的交换机进行前期统一配置和后期运行管理。

1、堆叠成员角色与优先级

控制整个交换机堆叠的那台交换机称为堆叠主（Stack Master），堆叠中的其他交换机称之为从交换机，堆叠主和从交换机都称为堆叠成员（Stack Member），每个交换机的都有自己的堆叠成员编号。主交换机是相对的，前期配置时可以指定哪台交换机作为主机，在后期运行时，若堆叠中的其他交换机发生故障，则由堆叠系统中正常的交换机中自动选举产生的，主交换机是整个交换机的控制中心，但无论主交换机还是从交换机都可以用于数据转发，实现负载分担。

上海广播电台总控采用两台思科（CISCO）交换机做堆叠，并在前期配置时指定一台交换机做主交换机，另一台作从交换机，并将服务器、电脑、节点等设备的主路网线接在堆叠主交换机，备路网线接在从交换机。

2、堆叠线缆的选择与连接

上海广播电台的两台堆叠交换机采用思科原厂提供的数据堆叠线相互连接，由于只有两台交换机相互堆叠连接，连接时采用“十字交叉”法做连接。

此外，为确保系统稳定运行，上海广播电台总控的堆叠交换机除双电源外，每台均有电源堆叠模块，即一套堆叠交换机系统有四路电源，在失去三路电源后，该堆叠交换机系统仍能正常工作。

3、堆叠交换机的访问

一般交换机，如单台或级联，需要连接每台交换机的“Console接口”进行逐一调试和运维，而对于堆叠交换机，只需登录任意一台交换机，即可对所有的交换机进行查看和配置。

七、结语

交换机堆叠技术相较之于常见的交换机级联有显著的优势，上海广播电台在音频IP化传输的项目中率先使用了堆叠技术，把多台交换机虚拟成一台逻辑交换机。交换机堆叠功能可以起到三方面的作用：一是扩展单交换机的端口数，二是在成员交换机间提供了冗余备份功能，提高了单交换机的可靠性，三是增加了单端口数据转发性能。但是堆叠交换机也并非没有缺点，其一是堆叠对交换机的要求较高，从而工程项目的建设成本也较高；其二是电源堆叠线虽然提升了系统的可靠性，但对于需要定期断电重启的运维来说带来了不小的操作难度。

参考文献：

[1]王达.Cisco/H3C交换机配置与管理完全手册[M].北京：中国水利水电出版社，2017.

[2]王达.华为交换机学习指南[M].北京：人民邮电出版社，2019.

[3]谢希仁.计算机网络[M].北京：电子工业出版社，2021