在信息化技術不斷發展下，虛擬化網絡逐漸呈現出具有巨大的發展潛力。相較于傳統交換機來說，虛擬交換機在各方面都存在巨大優勢，未來通信行業中虛擬交換機技術的應用勢在必行。那么您了解虛擬交換機技術嗎？知道虛擬交換機原理嗎？IP城域網又該如何引進虛擬交換機技術呢？和海翎光電的小編一起看看吧！ 隨著用戶接入帶寬從10M提速至100M，各類互聯網、物聯網等海量終端及應用從網絡邊緣接入承載，作為互聯網應用、電信自營及關鍵業務綜合承載網絡，IP城域網面臨著流量倍增、IPv4地址枯竭、承載需求差異化、網絡彈性和安全性不足等問題，亟待引入IPv6/SDN/NFV/虛擬化等系列技術對網元部署、網絡架構及網絡可控等方面進行優化和調整。 近年來隨著信息化的飛速發展，越來越多的學者開始研究虛擬化網絡，虛擬交換機成為了通信發展的趨勢，目前網絡服務器已經具備支持虛擬機的功能， 服務器的虛擬化促進了機房網絡的虛擬化，當實體服務器被精簡化、合并到虛擬平臺，利用虛擬化技術復用到真實物理設備，形成虛擬交換機等組件提供網絡服務。相對于傳統交換機來說，虛擬交換機在數據鏈路層上擁有更簡潔的網絡功能，未來虛擬交換機將成為構建虛擬網絡平臺的核心。 根據拓撲結構可知，虛擬交換機技術的原理相對簡單，就本質而言，該項技術就是在邏輯上集成多臺物理連接的交換機。該項技術的特點在于通信的可靠性更強，工作效率也得到提升，系統的帶寬容量也得以增加。與傳統交換機相比，虛擬交換機不僅可以使STP、VRRP協議運行要求的負載均衡與冗余得以實現，同時也能夠對網絡設備數量進行縮減，簡化網絡架構，以此緩解系統管理維護的壓力。虛擬交換機技術的工作原理圖如下所示：
在虛擬交換機技術的應用模式下，通過對SW1與SW2、SW3與SW4、SW5和SW6進行虛擬化，使其向一臺邏輯交換機轉換，即SWA、SWB、SWC。就SWB而言，其中的SW3與SW4可以視為與同一臺交換機WSA連接，這一過程對EtherChannel技術加以運用，在負載均衡與冗余的實現上，消除了對STP與VRRP協議的需求，如此一來，網絡中交換環路就得以避免，有效簡化了網絡。 在拓撲收集中，虛擬交換機的每個成員對拓撲關系的收集都以相互轉發報文與相鄰成員為依托。每個成員的的相關拓撲信息共同組成了報文，例如設備編號、優先級、成員橋MAC地址、相鄰連接關系與系統運行時間等等。 每臺設備自己已經學習到的拓撲信息會在本地主用主控板的幫助下進行記錄，如此一來，就可以有效管理每個成員。起初只對本地的拓撲信息進行記錄，而在虛擬交換機端口起來后，就可以根據以下流程，對整個系統的拓撲進行有效收集： (1) 對于已經收集的拓撲信息，已經起來的虛擬交換機端口會對其進行周期性的發送； (2) 在接收到的拓撲信息的參考下，相鄰交換機會對自身記錄的拓撲信息進行更新； (3) 兩塊主控板對拓撲信息記錄的相同性非常關鍵，為了實現這一點，本地手機的拓撲信息與系統中其他成員設備中的備用主控板會在主用主控板的操作下實現同步。 通過拓撲收集流程之后，每臺成員設備擁有的拓撲信息就具有完整性，這一過程又被稱為拓撲收斂，而拓撲收斂完畢后，就需要進行角色選舉。當拓撲發生變化時，例如建立虛擬交換機系統、成員的加減、虛擬交換機合并或分裂等等，虛擬交換機系統中的各成員設備會在選舉報文的相互轉發之下，將一個Master或Slave的確定的角色分配給每個成員設備。關于角色選舉的規則遵循以下六點： (2) 如果成員都屬于框式分布的情況，那么與本地備用主控板相比，本地主用主控板占優； (3) 在框式分布的情況下，原Master的備用主控板比原Slave成員設備的主控板占優； 在Master設備的選舉過程中，以上述規則按照順序為依據，對唯一成員設備進行選舉，對Master進行確定，剩下的成員則為Slave。 在完成角色選舉之后，全部設備成員對一個配置同步并對整個虛擬交換系統成員編號進行管理、對所有成員資源進行管理與維護的Master設備。 在建立好虛擬交換機系統后，主要涉及到的內容包括兩個過程，即初始化批量同步與運行實時同步。 一旦多臺設備組合在角色選舉下對Master設備進行選定后，虛擬交換機系統由此得以形成，Master設備先對本地的啟動配置程序進行運行，然后同步配置多臺Slave設備，當虛擬交換機系統建立起來之后，就意味著完全了全部設備的配置。 當虛擬交換機系統中加入了新的成員設備，那么首先會將Slave的角色分配給它，Master將配置在批量同步的形式下完成批量同步，本地配置文件并不會啟動。 在組建好虛擬交換機系統后，以Master設備作為系統管理者，對用戶使用所需的成員設備配置進行操作，并反映出用戶使用需求。在Master設備的管理下，用戶配置會在其他Slave設備實現同步，如此一來，虛擬交換機內部的Master與Slave設備配置的實時同步就得以實現，并以單一網絡設備的形式存在于網絡運行過程中。 為了提高虛擬交換機系統運行中的標記與管理水平，需要對所有成員進行編號。以接口編號在虛擬交換機成員編號信息中的添加為例，針對一般的單臺集中式交換機而言，會采用一維格式來表示接口編號，以1為初始值。當多臺交換機向一臺進行虛擬轉化之后，初始值就會被成員編號值做替代。 針對單臺分布式設備，一般會以三維的格式來表示接口編號，例如GigabitEthernet1/1/1。虛擬交換機的組建會使接口編號發生變化，即GigabitEthernet2/1/1。在接口編號中不僅會引入成員編號，文件系統管理的應用也同樣如此。因此，所有設備成員編號在虛擬交換機系統中都具有唯一性。 當成員編號出現相同的情況時，或者系統內成員編號沖突于新加入的設備，那么就會影響到系統管理秩序，虛擬交換機系統的建立則無法實現，或者系統無法引入新成員設備。為了解決這一問題，應在系統組建之前，統一規劃并配置好成員編號，同時建立好相關機制以處理設備間編號的沖突，為成員編號的唯一性提供強有力的保障。 拓撲維護主要涉及到兩方面內容，即設備的不斷增加與減少，針對這些情況，對拓撲的更新至關重要。在增加成員設備方面，如果有新設備想加入到虛擬交換機系統，那么需要根據設備狀態，選擇相應的系統處理機制。當虛擬交換機系統沒有通過新加入的設備而形成，那么就需將Slave的角色分配給該設備。當虛擬交換機系統通過加入設備而形成，那么就屬于合并了兩個虛擬交換機，此時兩臺設備就需要以角色選舉規則為依據展開競選，競選成功的話，那么就等于部分端口與備用主控板增加，而失敗的話在重啟系統后，設備都會被分配Slave的角色并加入到系統中。在成員設備的離開方面，如果相鄰設備直接連接，那么當有故障出現于一臺或兩臺設備之間時，另一臺設備就會在第一時間內向系統中其他設備傳播前一臺設備離開的信息。而兩臺相鄰設備屬于跨接或者其他無法直接連接的情況，那么當有故障出現于一臺設備或鏈路中時，另一臺設備對前一臺設備的離開的判定只能夠以系統設備間的實時報文超時為依據，并向系統內其他設備進行信息的傳播。 一旦設備離開得以確定，還需要以拓撲信息為依據，對離開設備的角色進行判定。如果離開的角色屬于Master，那么所有設備就需要在角色選舉下對本地拓撲進行更新，而離開的設備屬于Slave，那么可以對拓撲進行直接更新，角色不需要進行重新選舉。 兩臺或兩臺以上的交換機通過光纖或者雙絞線將RJ-45端口連接起來，這種方式稱為級聯。當拓撲是總線型時，使用普通端口進行級聯即可。當拓撲為星形時，則需要專門的級聯端口Uplink端口。總線型的優勢在于傳輸距離，而星形的優勢在于網絡帶寬的保持。級聯最大的作用還是體現在延長傳輸距離上，比如在10Base-T、100Base-TX和1000Base-T以太網中，通過級聯的方式，網絡傳輸距離最大能夠達到200米。 通過上面可以看出，級聯的實現還是比較簡單的。但由于級聯層數的增加，會影響網絡的效率，特別是最后一層的信號延遲會越大。因此，級聯技術在實現時，不僅要消除網絡內的環路，提供有冗余鏈路，還得將控制級聯的層數，一般不超過4層。 同時，當級聯的交換機增加時，除了要對各臺在邏輯上獨立的交換機進行管理配置，還得考慮網絡轉發過程中產生的瓶頸問題。所以總的來說，級聯技術一定程度上解決了傳輸距離和端口的需求，但整體性能表現不算太好。實際上級聯技術只是增加了可用的端口數量，沒有在拓撲邏輯方面對網絡設備進行簡化，對整體網絡性能的提升來說沒有太大作用。 堆疊技術是將多臺交換機上專用的堆疊模塊通過專用的堆疊電纜，組合在一起，已提供更多的可用端口和容量。不同于級聯的是，堆疊后組成的單元在邏輯上是可以被看做一臺交換機來對其進行控制和管理的。這大大減少了管理和維護過程中的工作量。但堆疊技術的兼容性不高，不同品牌之間互相不能實現堆疊。 一般來說，堆疊技術可分為菊花鏈堆疊和星型堆疊這兩種模式。 菊花鏈堆疊方式和前一節提到的級聯方式特別相近，不過連接時還是需要專門的堆疊線纜，設備間連接方式如下圖。但事實上這種方式必須要采用STP生成樹協議，不然很容易引起廣播風暴。當菊花鏈堆疊中任何一臺設備或者鏈路出現狀況，會需要重新運行STP協議，因此會造成網絡中斷。同時，若采用這種方式，設備間數據互相傳輸的路徑太長，造成效率太低。
綜合來說，菊花鏈堆疊方式同級聯一樣，主要的貢獻還是在可用端口數量的增加，甚至在單端口效率上還遠低于級聯技術。而且在傳輸距離上也只能是在一個幾家內實現，這方面遠不如級聯技術。因此大多數情況下很少采用菊花鏈堆疊方式。 相對于菊花鏈式堆疊，星形堆疊的性能要優越得多。所謂星型堆疊就是通過高速堆疊端口將所有設備上行連接到主設備的基于專門集成電路的硬件交換堆疊中心。該單元交換容量一般在10~32G左右，這就對堆疊層數進行了限制。
在星型對堆疊示意圖（上圖）中，由于所有Slave的堆疊模塊都集中上聯到Master設備的堆疊中心，所以只需要三次交換就可以實現任何兩個端節點之間的數據轉發。相當于Master設備跟所有Slave設備只相差一級。這大大提高了系統各成員之間的轉發速率和單端口數據轉發效率。 除此之外，在拓撲邏輯當中，所有堆疊在一起的設備共享一個IP地址，即對外呈現為一臺設備單元。這有利于堆疊設備的管理和維護。但是星型堆疊的距離一般不能超過2米，用于提高帶寬的Matrix接口又不具有通用性。同時，用作實現堆疊的專門的堆疊專用端口不能用來連接其他網絡設備。 通過上述分析可以得知，傳統的堆疊技術雖然可以提供更多的可用端口和較好的帶寬，管理維護方面也相對方便。但基本只能在同一個機架內實現，連接距離較短，且兼容性較差。 集群技術實際上是級聯技術和堆疊技術的結合版。通過集群技術，不僅可以擁有像級聯技術一樣的連接距離，還擁有堆疊技術的帶寬和較高的轉發效率，在邏輯上也可被作為單一單元進行管理和維護。集群技術的運用，不僅可以動態收集維護拓撲信息，對成員交換機進行升級和管理，還大大節省了IP資源。 集群交換系統主要有負責集群建立、管理和維護的命令交換機，負責接受管理的成員交換機，負責為命令交換機備份的備份交換機，還有可以加入系統變為成員的候選交換機這四種角色。 一般使用的協議主要有用來發現相鄰設備的鄰居發現協議，用來管理合維護集群系統拓撲的拓撲手機協議，以及用來實現系統建立、增減成員、更新配置等管理功能的集群管理協議。集群系統建立后，各成員交換機會定時通過握手報文的方式，將自己當前的狀態上報給命令交換機。 再通過命令交換機的命令，調整自己的狀態。除此之外，集群管理還設置了命令從定向功能。命令定向功能是指命令交換機發出的命令可定向發送到某一特定的成員交換機上，而不需要對整個網絡進行廣播，這也大大提高了系統的運行效率。 雖然能大大減少管理維護的工作量，但集群技術也不是完美的。特別是在兼容性方面，不同廠家在實現集群時一般都擁有自己的專用協議。這就意味著不同的廠家設備之間不能實現集群，但可以級聯。甚至是同一廠家生產的設備，也不是所有型號之間都能隨意實現集群，也是要有固定的型號才可以。 下面以某地市（該地市大約擁有30萬寬帶用戶，其中有14萬左右IPTV用戶，峰值用戶數量為20萬左右，并有3500戶專線用戶。）為實例，對虛擬交換機在IP城域網中的應用進行介紹。具體涉及到的a、b、c三個節點存在匯聚層交換機端口資源匱乏的問題，維護難度較大。現在該網絡中對虛擬交換機的引入進行嘗試，并執行以下規則： 1．本工程虛擬交換機節點的設置應與業務控制層相同； 2．對于用戶數大于6萬，且收斂比不低于40%的節點，其對虛擬交換機的引入予以優先考慮； 3．單節點對兩臺S12系列交換機進行設置，在二虛一技術的支持下，使兩臺交換機熱備得以實現； 4．原有接入業務可向新增的S12系列交換機進行逐步割接。 現階段，城域網主要以網絡設備N：1虛擬化為依托，初步構建出資源池，在網絡設備1：N虛擬化操作下，使網絡資源的再分配得以完成，同時在網絡路徑虛擬化技術的支持下，使端到端的網絡虛擬化部署得以實現。 該節點城域網虛擬交換機運行時間已超過一年，其穩定性相對較高，相較于預期效果，虛擬機網絡運行性能狀況比較理想。通過引入虛擬交換機技術，故障率得到有效控制，運維工作量也得到縮減，鏈路與端口得到充分利用，在總體投資成本上體現出了較大的優勢。與此同時，隨著后期城域網的發展，運行速度的大幅度提升也由此成為可能。 不可否認的是，目前虛擬交換機技術的應用依舊存在一些缺陷，需要我們對此展開深度研究，提出有效的改進對策，推動虛擬交換機技術的發展。 基于目前的現實問題，未來運營商的城域網改造可以分為三個階段： 一是網絡虛擬化，減少網絡層級，將城域網更加的扁平和簡單。 二是構建資源池，經過第一階段虛擬化，原本分散式的節點被聚攏為幾個大的網絡節點，已經具備一定的成池能力，二階段可以引入 NFV 和云計算技術，比如虛擬化防火墻、虛擬化 BRAS（寬帶接入服務器）以及虛擬化 SR 等等，逐漸實現城域網的云化和軟件化。 三是基于城域網中大 POP 節點做進一步的性能增強，比如解決原有節點收攏集中后的業務標簽不足問題，進一步引入網絡虛擬化、功能虛擬化以及動態虛擬通道技術等等，以此完善城域網中大 POP 節點的業務能力。
