所谓忠诚、是因为背叛的筹码不够。
在信息化技术不断发展下虚拟化网络逐渐呈现出具有巨大的发展潜力相较于传统交换机来说虚拟交换机在各方面都存在巨大优势未来通信行业中虚拟交换机技术的应用势在必行那么您了解虚拟交换机技术吗知道虚拟交换机原理吗IP城域网又该如何引进虚拟交换机技术呢
随着用户接入带宽从10M提速至100M各类互联网物联网等海量终端及应用从网络边缘接入承载作为互联网应用电信自营及关键业务综合承载网络IP城域网面临着流量倍增IPv4地址枯竭承载需求差异化网络弹性和安全性不足等问题亟待引入IPv6/SDN/NFV/虚拟化等系列技术对网元部署网络架构及网络可控等方面进行优化和调整
近年来随着信息化的飞速发展越来越多的学者开始研究虚拟化网络虚拟交换机成为了通信发展的趋势目前网络服务器已经具备支持虚拟机的功能 服务器的虚拟化促进了机房网络的虚拟化当实体服务器被精简化合并到虚拟平台利用虚拟化技术复用到真实物理设备形成虚拟交换机等组件提供网络服务相对于传统交换机来说虚拟交换机在数据链路层上拥有更简洁的网络功能未来虚拟交换机将成为构建虚拟网络平台的核心
根据拓扑结构可知虚拟交换机技术的原理相对简单就本质而言该项技术就是在逻辑上集成多台物理连接的交换机该项技术的特点在于通信的可靠性更强工作效率也得到提升系统的带宽容量也得以增加与传统交换机相比虚拟交换机不仅可以使STPVRRP协议运行要求的负载均衡与冗余得以实现同时也能够对网络设备数量进行缩减简化网络架构以此缓解系统管理维护的压力虚拟交换机技术的工作原理图如下所示
在虚拟交换机技术的应用模式下通过对SW1与SW2SW3与SW4SW5和SW6进行虚拟化使其向一台逻辑交换机转换即SWASWBSWC就SWB而言其中的SW3与SW4可以视为与同一台交换机WSA连接这一过程对EtherChannel技术加以运用在负载均衡与冗余的实现上消除了对STP与VRRP协议的需求如此一来网络中交换环路就得以避免有效简化了网络
在拓扑收集中虚拟交换机的每个成员对拓扑关系的收集都以相互转发报文与相邻成员为依托每个成员的的相关拓扑信息共同组成了报文例如设备编号优先级成员桥MAC地址相邻连接关系与系统运行时间等等
每台设备自己已经学习到的拓扑信息会在本地主用主控板的帮助下进行记录如此一来就可以有效管理每个成员起初只对本地的拓扑信息进行记录而在虚拟交换机端口起来后就可以根据以下流程对整个系统的拓扑进行有效收集
1 对于已经收集的拓扑信息已经起来的虚拟交换机端口会对其进行周期性的发送
2 在接收到的拓扑信息的参考下相邻交换机会对自身记录的拓扑信息进行更新
3 两块主控板对拓扑信息记录的相同性非常关键为了实现这一点本地手机的拓扑信息与系统中其他成员设备中的备用主控板会在主用主控板的操作下实现同步
通过拓扑收集流程之后每台成员设备拥有的拓扑信息就具有完整性这一过程又被称为拓扑收敛而拓扑收敛完毕后就需要进行角色选举当拓扑发生变化时例如建立虚拟交换机系统成员的加减虚拟交换机合并或分裂等等虚拟交换机系统中的各成员设备会在选举报文的相互转发之下将一个Master或Slave的确定的角色分配给每个成员设备关于角色选举的规则遵循以下六点
1 当前Master比非Master占优
2 如果成员都属于框式分布的情况那么与本地备用主控板相比本地主用主控板占优
3 在框式分布的情况下原Master的备用主控板比原Slave成员设备的主控板占优
4 成员以优先级大的占优
5 系统运行时间长的占优
6 成员桥MAC地址小的占优
在Master设备的选举过程中以上述规则按照顺序为依据对唯一成员设备进行选举对Master进行确定剩下的成员则为Slave
在完成角色选举之后全部设备成员对一个配置同步并对整个虚拟交换系统成员编号进行管理对所有成员资源进行管理与维护的Master设备
1 配置同步
在建立好虚拟交换机系统后主要涉及到的内容包括两个过程即初始化批量同步与运行实时同步
1 批量同步
一旦多台设备组合在角色选举下对Master设备进行选定后虚拟交换机系统由此得以形成Master设备先对本地的启动配置程序进行运行然后同步配置多台Slave设备当虚拟交换机系统建立起来之后就意味着完全了全部设备的配置
当虚拟交换机系统中加入了新的成员设备那么首先会将Slave的角色分配给它Master将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会启动
2 实时同步
在组建好虚拟交换机系统后以Master设备作为系统管理者对用户使用所需的成员设备配置进行操作并反映出用户使用需求在Master设备的管理下用户配置会在其他Slave设备实现同步如此一来虚拟交换机内部的Master与Slave设备配置的实时同步就得以实现并以单一网络设备的形式存在于网络运行过程中
2 成员编号
为了提高虚拟交换机系统运行中的标记与管理水平需要对所有成员进行编号以接口编号在虚拟交换机成员编号信息中的添加为例针对一般的单台集中式交换机而言会采用一维格式来表示接口编号以1为初始值当多台交换机向一台进行虚拟转化之后初始值就会被成员编号值做替代
针对单台分布式设备一般会以三维的格式来表示接口编号例如GigabitEthernet1/1/1虚拟交换机的组建会使接口编号发生变化即GigabitEthernet2/1/1在接口编号中不仅会引入成员编号文件系统管理的应用也同样如此因此所有设备成员编号在虚拟交换机系统中都具有唯一性
当成员编号出现相同的情况时或者系统内成员编号冲突于新加入的设备那么就会影响到系统管理秩序虚拟交换机系统的建立则无法实现或者系统无法引入新成员设备为了解决这一问题应在系统组建之前统一规划并配置好成员编号同时建立好相关机制以处理设备间编号的冲突为成员编号的唯一性提供强有力的保障
3 拓扑维护
拓扑维护主要涉及到两方面内容即设备的不断增加与减少针对这些情况对拓扑的更新至关重要
1 成员设备的加入
在增加成员设备方面如果有新设备想加入到虚拟交换机系统那么需要根据设备状态选择相应的系统处理机制当虚拟交换机系统没有通过新加入的设备而形成那么就需将Slave的角色分配给该设备
当虚拟交换机系统通过加入设备而形成那么就属于合并了两个虚拟交换机此时两台设备就需要以角色选举规则为依据展开竞选竞选成功的话那么就等于部分端口与备用主控板增加而失败的话在重启系统后设备都会被分配Slave的角色并加入到系统中
2 成员设备的离开
在成员设备的离开方面如果相邻设备直接连接那么当有故障出现于一台或两台设备之间时另一台设备就会在第一时间内向系统中其他设备传播前一台设备离开的信息而两台相邻设备属于跨接或者其他无法直接连接的情况那么当有故障出现于一台设备或链路中时另一台设备对前一台设备的离开的判定只能够以系统设备间的实时报文超时为依据并向系统内其他设备进行信息的传播
一旦设备离开得以确定还需要以拓扑信息为依据对离开设备的角色进行判定如果离开的角色属于Master那么所有设备就需要在角色选举下对本地拓扑进行更新而离开的设备属于Slave那么可以对拓扑进行直接更新角色不需要进行重新选举
两台或两台以上的交换机通过光纤或者双绞线将RJ-45端口连接起来这种方式称为级联当拓扑是总线型时使用普通端口进行级联即可当拓扑为星形时则需要专门的级联端口Uplink端口总线型的优势在于传输距离而星形的优势在于网络带宽的保持级联最大的作用还是体现在延长传输距离上比如在10Base-T100Base-TX和1000Base-T以太网中通过级联的方式网络传输距离最大能够达到200米
通过上面可以看出级联的实现还是比较简单的但由于级联层数的增加会影响网络的效率特别是最后一层的信号延迟会越大因此级联技术在实现时不仅要消除网络内的环路提供有冗余链路还得将控制级联的层数一般不超过4层
同时当级联的交换机增加时除了要对各台在逻辑上独立的交换机进行管理配置还得考虑网络转发过程中产生的瓶颈问题所以总的来说级联技术一定程度上解决了传输距离和端口的需求但整体性能表现不算太好实际上级联技术只是增加了可用的端口数量没有在拓扑逻辑方面对网络设备进行简化对整体网络性能的提升来说没有太大作用
堆叠技术是将多台交换机上专用的堆叠模块通过专用的堆叠电缆组合在一起已提供更多的可用端口和容量不同于级联的是堆叠后组成的单元在逻辑上是可以被看做一台交换机来对其进行控制和管理的这大大减少了管理和维护过程中的工作量但堆叠技术的兼容性不高不同品牌之间互相不能实现堆叠
一般来说堆叠技术可分为菊花链堆叠和星型堆叠这两种模式
1 菊花链堆叠模式
菊花链堆叠方式和前一节提到的级联方式特别相近不过连接时还是需要专门的堆叠线缆设备间连接方式如下图但事实上这种方式必须要采用STP生成树协议不然很容易引起广播风暴当菊花链堆叠中任何一台设备或者链路出现状况会需要重新运行STP协议因此会造成网络中断同时若采用这种方式设备间数据互相传输的路径太长造成效率太低
综合来说菊花链堆叠方式同级联一样主要的贡献还是在可用端口数量的增加甚至在单端口效率上还远低于级联技术而且在传输距离上也只能是在一个几家内实现这方面远不如级联技术因此大多数情况下很少采用菊花链堆叠方式
2 星型堆叠模式
相对于菊花链式堆叠星形堆叠的性能要优越得多所谓星型堆叠就是通过高速堆叠端口将所有设备上行连接到主设备的基于专门集成电路的硬件交换堆叠中心该单元交换容量一般在10~32G左右这就对堆叠层数进行了限制
在星型对堆叠示意图(上图)中由于所有Slave的堆叠模块都集中上联到Master设备的堆叠中心所以只需要三次交换就可以实现任何两个端节点之间的数据转发相当于Master设备跟所有Slave设备只相差一级这大大提高了系统各成员之间的转发速率和单端口数据转发效率
除此之外在拓扑逻辑当中所有堆叠在一起的设备共享一个IP地址即对外呈现为一台设备单元这有利于堆叠设备的管理和维护但是星型堆叠的距离一般不能超过2米用于提高带宽的Matrix接口又不具有通用性同时用作实现堆叠的专门的堆叠专用端口不能用来连接其他网络设备
通过上述分析可以得知传统的堆叠技术虽然可以提供更多的可用端口和较好的带宽管理维护方面也相对方便但基本只能在同一个机架内实现连接距离较短且兼容性较差
3.集群模式
集群技术实际上是级联技术和堆叠技术的结合版通过集群技术不仅可以拥有像级联技术一样的连接距离还拥有堆叠技术的带宽和较高的转发效率在逻辑上也可被作为单一单元进行管理和维护集群技术的运用不仅可以动态收集维护拓扑信息对成员交换机进行升级和管理还大大节省了IP资源
集群交换系统主要有负责集群建立管理和维护的命令交换机负责接受管理的成员交换机负责为命令交换机备份的备份交换机还有可以加入系统变为成员的候选交换机这四种角色
一般使用的协议主要有用来发现相邻设备的邻居发现协议用来管理合维护集群系统拓扑的拓扑手机协议以及用来实现系统建立增减成员更新配置等管理功能的集群管理协议集群系统建立后各成员交换机会定时通过握手报文的方式将自己当前的状态上报给命令交换机
再通过命令交换机的命令调整自己的状态除此之外集群管理还设置了命令从定向功能命令定向功能是指命令交换机发出的命令可定向发送到某一特定的成员交换机上而不需要对整个网络进行广播这也大大提高了系统的运行效率
虽然能大大减少管理维护的工作量但集群技术也不是完美的特别是在兼容性方面不同厂家在实现集群时一般都拥有自己的专用协议这就意味着不同的厂家设备之间不能实现集群但可以级联甚至是同一厂家生产的设备也不是所有型号之间都能随意实现集群也是要有固定的型号才可以
下面以某地市(该地市大约拥有30万宽带用户其中有14万左右IPTV用户峰值用户数量为20万左右并有3500户专线用户)为实例对虚拟交换机在IP城域网中的应用进行介绍具体涉及到的abc三个节点存在汇聚层交换机端口资源匮乏的问题维护难度较大现在该网络中对虚拟交换机的引入进行尝试并执行以下规则
1.本工程虚拟交换机节点的设置应与业务控制层相同
2.对于用户数大于6万且收敛比不低于40%的节点其对虚拟交换机的引入予以优先考虑
3.单节点对两台S12系列交换机进行设置在二虚一技术的支持下使两台交换机热备得以实现
4.原有接入业务可向新增的S12系列交换机进行逐步割接
现阶段城域网主要以网络设备N1虚拟化为依托初步构建出资源池在网络设备1N虚拟化操作下使网络资源的再分配得以完成同时在网络路径虚拟化技术的支持下使端到端的网络虚拟化部署得以实现
该节点城域网虚拟交换机运行时间已超过一年其稳定性相对较高相较于预期效果虚拟机网络运行性能状况比较理想通过引入虚拟交换机技术故障率得到有效控制运维工作量也得到缩减链路与端口得到充分利用在总体投资成本上体现出了较大的优势与此同时随着后期城域网的发展运行速度的大幅度提升也由此成为可能
不可否认的是目前虚拟交换机技术的应用依旧存在一些缺陷需要我们对此展开深度研究提出有效的改进对策推动虚拟交换机技术的发展
基于目前的现实问题未来运营商的城域网改造可以分为三个阶段
一是网络虚拟化减少网络层级将城域网更加的扁平和简单
二是构建资源池经过第一阶段虚拟化原本分散式的节点被聚拢为几个大的网络节点已经具备一定的成池能力二阶段可以引入 NFV 和云计算技术比如虚拟化防火墙虚拟化 BRAS(宽带接入服务器)以及虚拟化 SR 等等逐渐实现城域网的云化和软件化
三是基于城域网中大 POP 节点做进一步的性能增强比如解决原有节点收拢集中后的业务标签不足问题进一步引入网络虚拟化功能虚拟化以及动态虚拟通道技术等等以此完善城域网中大 POP 节点的业务能力
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