第20章 网络设备与拓扑设计
学习目标
- 理解网络设备的功能和分类
- 掌握数据中心网络拓扑设计原则
- 了解网络设备的选型和配置
- 能够设计高可用的网络架构
前置知识
20.1 网络设备分类
20.1.1 按功能分类
1. 接入层设备（Access Layer）
- 功能：连接终端设备
- 特点：端口密度高，成本低
- 设备：接入交换机
- 示例：Cisco Catalyst 2960, H3C S5120
2. 汇聚层设备（Distribution Layer）
- 功能：汇聚接入层流量，提供策略控制
- 特点：高性能，多协议支持
- 设备：汇聚交换机
- 示例：Cisco Catalyst 3750, H3C S7500
3. 核心层设备（Core Layer）
- 功能：高速转发，网络骨干
- 特点：超高带宽，低延迟
- 设备：核心交换机/路由器
- 示例：Cisco Nexus 9000, H3C S12500
20.1.2 按技术分类
1. 交换机（Switch）
- 功能：二层转发，VLAN隔离
- 特点：线速转发，低延迟
- 应用：局域网互联
2. 路由器（Router）
- 功能：三层转发，路由选择
- 特点：协议支持丰富
- 应用：广域网互联
3. 防火墙（Firewall）
- 功能：安全策略，访问控制
- 特点：深度包检测
- 应用：网络安全防护
20.2 数据中心网络拓扑
20.2.1 传统三层架构
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Traditional 3-Tier │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Core Layer (Core Switches) │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Core-1 │ │ Core-2 │ │ Core-3 │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Distribution Layer (Aggregation Switches) │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Agg-1 │ │ Agg-2 │ │ Agg-3 │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Access Layer (Access Switches) │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Acc-1 │ │ Acc-2 │ │ Acc-3 │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
特点：
- 层次清晰，易于管理
- 单点故障风险
- 扩展性有限
20.2.2 叶脊架构（Leaf-Spine）
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Leaf-Spine Architecture │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Spine Layer (Spine Switches) │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Spine-1 │ │ Spine-2 │ │ Spine-3 │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Leaf Layer (Leaf Switches) │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Leaf-1 │ │ Leaf-2 │ │ Leaf-3 │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Leaf-4 │ │ Leaf-5 │ │ Leaf-6 │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
特点：
- 低延迟，高带宽
- 无阻塞转发
- 易于扩展
- 成本较高
20.2.3 超融合架构
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Hyper-Converged Architecture │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Management Layer │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Mgmt-1 │ │ Mgmt-2 │ │ Mgmt-3 │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Compute + Storage + Network Layer │
│ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ ┌─────────────┐ │
│ │ Node-1 │ │ Node-2 │ │ Node-3 │ │
│ │ Compute │ │ Compute │ │ Compute │ │
│ │ Storage │ │ Storage │ │ Storage │ │
│ │ Network │ │ Network │ │ Network │ │
│ └─────────────┘ └─────────────┘ └─────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
20.3 网络设备选型
20.3.1 性能指标
1. 转发性能
- PPS：每秒包转发数
- BPS：每秒比特转发数
- 延迟：端到端传输延迟
2. 端口规格
- 端口数量：设备端口总数
- 端口类型：电口/光口
- 端口速率：1G/10G/25G/100G
3. 可靠性指标
- MTBF：平均故障间隔时间
- MTTR：平均修复时间
- 可用性：99.9%/99.99%/99.999%
20.3.2 选型原则
1. 性能匹配
# 计算所需性能
# 端口数 × 端口速率 × 利用率 = 总带宽需求
# 例如：48 × 10G × 0.8 = 384Gbps
2. 功能需求
- 协议支持：BGP, OSPF, VXLAN等
- 安全功能：ACL, QoS, 加密
- 管理功能：SNMP, CLI, Web
3. 扩展性
- 端口扩展：模块化设计
- 性能扩展：堆叠/集群
- 功能扩展：软件升级
20.4 网络拓扑设计
20.4.1 设计原则
1. 冗余设计
- 设备冗余：关键设备双机热备
- 链路冗余：多路径冗余
- 电源冗余：双路供电
2. 分层设计
- 功能分层：接入/汇聚/核心
- 逻辑分层：VLAN/VRF隔离
- 物理分层：机房/机柜/设备
3. 模块化设计
- 功能模块：独立功能单元
- 扩展模块：便于扩展升级
- 维护模块：便于维护管理
20.4.2 拓扑设计示例
小型数据中心（<100台服务器）
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Small Data Center │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Internet │
│ │ │
│ ┌──────┐ │
│ │ Firewall │ │
│ └───┬───┘ │
│ │ │
│ ┌──────┐ │
│ │ Router │ │
│ └───┬───┘ │
│ │ │
│ ┌──────┐ │
│ │ Core Switch │ │
│ └───┬───┘ │
│ │ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │ Acc-1 │ │ Acc-2 │ │ Acc-3 │ │
│ └───────┘ └───────┘ └───────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
中型数据中心（100-1000台服务器）
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ Medium Data Center │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ Internet │
│ │ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │ FW-1 │ │ FW-2 │ │
│ └───┬───┘ └───┬───┘ │
│ │ │ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │ RTR-1 │ │ RTR-2 │ │
│ └───┬───┘ └───┬───┘ │
│ │ │ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │Core-1 │ │Core-2 │ │
│ └───┬───┘ └───┬───┘ │
│ │ │ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │Agg-1 │ │Agg-2 │ │Agg-3 │ │Agg-4 │ │
│ └───┬───┘ └───┬───┘ └───┬───┘ └───┬───┘ │
│ │ │ │ │ │
│ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ ┌──────┐ │
│ │Acc-1 │ │Acc-2 │ │Acc-3 │ │Acc-4 │ │
│ └───────┘ └───────┘ └───────┘ └───────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘
20.5 网络设备配置
20.5.1 交换机配置
基本配置：
# 进入配置模式
configure terminal
# 配置主机名
hostname SW-01
# 配置管理IP
interface vlan 1
ip address 192.168.1.10 255.255.255.0
no shutdown
# 配置VLAN
vlan 10
name Server-VLAN
vlan 20
name Management-VLAN
# 配置端口
interface gigabitethernet 0/1
switchport mode access
switchport access vlan 10
no shutdown
VLAN配置：
# 创建VLAN
vlan 100
name Production
vlan 200
name Development
# 配置Trunk端口
interface gigabitethernet 0/24
switchport mode trunk
switchport trunk allowed vlan 100,200
no shutdown
20.5.2 路由器配置
基本配置：
# 进入配置模式
configure terminal
# 配置主机名
hostname RTR-01
# 配置接口
interface gigabitethernet 0/0
ip address 192.168.1.1 255.255.255.0
no shutdown
# 配置路由
ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.254
动态路由配置：
# 启用OSPF
router ospf 1
network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0
network 10.0.0.0 0.0.0.255 area 0
# 启用BGP
router bgp 65001
neighbor 192.168.1.2 remote-as 65002
network 192.168.1.0 mask 255.255.255.0
20.5.3 防火墙配置
基本配置：
# 配置接口
interface gigabitethernet 0/0
nameif outside
security-level 0
ip address 203.0.113.1 255.255.255.0
interface gigabitethernet 0/1
nameif inside
security-level 100
ip address 192.168.1.1 255.255.255.0
# 配置NAT
object network inside-net
subnet 192.168.1.0 255.255.255.0
nat (inside,outside) dynamic interface
# 配置ACL
access-list outside_in permit tcp any host 192.168.1.10 eq 80
access-list outside_in permit tcp any host 192.168.1.10 eq 443
access-group outside_in in interface outside
20.6 高可用设计
20.6.1 设备冗余
双机热备：
# 配置VRRP
interface vlan 100
ip address 192.168.1.10 255.255.255.0
vrrp 1 ip 192.168.1.1
vrrp 1 priority 120
vrrp 1 preempt
链路聚合：
# 配置LACP
interface port-channel 1
switchport mode trunk
switchport trunk allowed vlan 100,200
interface gigabitethernet 0/1
channel-group 1 mode active
interface gigabitethernet 0/2
channel-group 1 mode active
20.6.2 路径冗余
多路径路由：
# 配置等价多路径
ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.1
ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 192.168.1.2
# 配置负载均衡
ip load-sharing per-packet
20.7 故障排查
20.7.1 常见问题诊断
问题1：设备无法访问
# 检查设备状态
show version
show interfaces
show ip interface brief
# 检查网络连通性
ping 192.168.1.1
traceroute 192.168.1.1
# 检查路由表
show ip route
问题2：VLAN不通
# 检查VLAN配置
show vlan brief
show interfaces trunk
# 检查端口状态
show interfaces gigabitethernet 0/1
show interfaces gigabitethernet 0/1 switchport
问题3：路由问题
# 检查路由协议
show ip ospf neighbor
show ip bgp summary
# 检查路由表
show ip route
show ip route ospf
show ip route bgp
20.7.2 排错工具
# 使用ping测试连通性
ping 192.168.1.1
# 使用traceroute跟踪路径
traceroute 192.168.1.1
# 使用telnet测试端口
telnet 192.168.1.1 23
# 使用SNMP监控
snmpwalk -v2c -c public 192.168.1.1 1.3.6.1.2.1.1.1
20.8 排错清单
20.8.1 设备状态检查
- [ ] 设备是否正常启动
- [ ] 接口是否UP
- [ ] 配置是否正确
- [ ] 电源是否正常
- [ ] 温度是否正常
20.8.2 网络连通性检查
- [ ] 物理连接是否正常
- [ ] IP地址配置是否正确
- [ ] 路由表是否正确
- [ ] VLAN配置是否正确
- [ ] 防火墙规则是否正确
20.8.3 性能问题检查
- [ ] CPU使用率是否过高
- [ ] 内存使用是否正常
- [ ] 端口利用率是否过高
- [ ] 延迟是否正常
- [ ] 丢包率是否正常
20.9 延伸阅读
下一章：第21章 容量规划
返回目录：README