在拓?fù)涫占?，虛擬交換機的每個成員對拓?fù)潢P(guān)系的收集都以相互轉(zhuǎn)發(fā)報文與相鄰成員為依托。每個成員的的相關(guān)拓?fù)湫畔⒐餐M成了報文，例如設(shè)備編號、優(yōu)先級、成員橋MAC地址、相鄰連接關(guān)系與系統(tǒng)運行時間等等。

每臺設(shè)備自己已經(jīng)學(xué)習(xí)到的拓?fù)湫畔诒镜刂饔弥骺匕宓膸椭逻M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?fù)湫畔⑦M行記錄，而在虛擬交換機端口起來后，就可以根據(jù)以下流程，對整個系統(tǒng)的拓?fù)溥M行有效收集：

• 對于已經(jīng)收集的拓?fù)湫畔?，已?jīng)起來的虛擬交換機端口會對其進行周期性的發(fā)送;
• 在接收到的拓?fù)湫畔⒌膮⒖枷拢噜徑粨Q機會對自身記錄的拓?fù)湫畔⑦M行更新;
• 兩塊主控板對拓?fù)湫畔⒂涗浀南嗤苑浅ｊP(guān)鍵，為了實現(xiàn)這一點，本地手機的拓?fù)湫畔⑴c系統(tǒng)中其他成員設(shè)備中的備用主控板會在主用主控板的操作下實現(xiàn)同步。

3. 角色選舉

通過拓?fù)涫占鞒讨?，每臺成員設(shè)備擁有的拓?fù)湫畔⒕途哂型暾裕@一過程又被稱為拓?fù)涫諗?，而拓?fù)涫諗客戤吅?，就需要進行角色選舉。當(dāng)拓?fù)浒l(fā)生變化時，例如建立虛擬交換機系統(tǒng)、成員的加減、虛擬交換機合并或分裂等等，虛擬交換機系統(tǒng)中的各成員設(shè)備會在選舉報文的相互轉(zhuǎn)發(fā)之下，將一個Master或Slave的確定的角色分配給每個成員設(shè)備。關(guān)于角色選舉的規(guī)則遵循以下六點：

• 當(dāng)前Master比非Master占優(yōu);
• 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(yōu);
• 在框式分布的情況下，原Master的備用主控板比原Slave成員設(shè)備的主控板占優(yōu);
• 成員以優(yōu)先級大的占優(yōu);
• 系統(tǒng)運行時間長的占優(yōu);
• 成員橋MAC地址小的占優(yōu)。

在Master設(shè)備的選舉過程中，以上述規(guī)則按照順序為依據(jù)，對唯一成員設(shè)備進行選舉，對Master進行確定，剩下的成員則為Slave。

4. 管理與維護

在完成角色選舉之后，全部設(shè)備成員對一個配置同步并對整個虛擬交換系統(tǒng)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(shè)備。

(1) 配置同步

在建立好虛擬交換機系統(tǒng)后，主要涉及到的內(nèi)容包括兩個過程，即初始化批量同步與運行實時同步。

• 批量同步

一旦多臺設(shè)備組合在角色選舉下對Master設(shè)備進行選定后，虛擬交換機系統(tǒng)由此得以形成，Master設(shè)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(shè)備，當(dāng)虛擬交換機系統(tǒng)建立起來之后，就意味著完全了全部設(shè)備的配置。

當(dāng)虛擬交換機系統(tǒng)中加入了新的成員設(shè)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。

• 實時同步

在組建好虛擬交換機系統(tǒng)后，以Master設(shè)備作為系統(tǒng)管理者，對用戶使用所需的成員設(shè)備配置進行操作，并反映出用戶使用需求。在Master設(shè)備的管理下，用戶配置會在其他Slave設(shè)備實現(xiàn)同步，如此一來，虛擬交換機內(nèi)部的Master與Slave設(shè)備配置的實時同步就得以實現(xiàn)，并以單一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的形式存在于網(wǎng)絡(luò)運行過程中。

(2) 成員編號

為了提高虛擬交換機系統(tǒng)運行中的標(biāo)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(dāng)多臺交換機向一臺進行虛擬轉(zhuǎn)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(shè)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(fā)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(tǒng)管理的應(yīng)用也同樣如此。因此，所有設(shè)備成員編號在虛擬交換機系統(tǒng)中都具有唯一性。當(dāng)成員編號出現(xiàn)相同的情況時，或者系統(tǒng)內(nèi)成員編號沖突于新加入的設(shè)備，那么就會影響到系統(tǒng)管理秩序，虛擬交換機系統(tǒng)的建立則無法實現(xiàn)，或者系統(tǒng)無法引入新成員設(shè)備。為了解決這一問題，應(yīng)在系統(tǒng)組建之前，統(tǒng)一規(guī)劃并配置好成員編號，同時建立好相關(guān)機制以處理設(shè)備間編號的沖突，為成員編號的唯一性提供強有力的保障。

(3) 拓?fù)渚S護

拓?fù)渚S護主要涉及到兩方面內(nèi)容，即設(shè)備的不斷增加與減少，針對這些情況，對拓?fù)涞母轮陵P(guān)重要。

• 成員設(shè)備的加入

在增加成員設(shè)備方面，如果有新設(shè)備想加入到虛擬交換機系統(tǒng)，那么需要根據(jù)設(shè)備狀態(tài)，選擇相應(yīng)的系統(tǒng)處理機制。當(dāng)虛擬交換機系統(tǒng)沒有通過新加入的設(shè)備而形成，那么就需將Slave的角色分配給該設(shè)備。

當(dāng)虛擬交換機系統(tǒng)通過加入設(shè)備而形成，那么就屬于合并了兩個虛擬交換機，此時兩臺設(shè)備就需要以角色選舉規(guī)則為依據(jù)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(tǒng)后，設(shè)備都會被分配Slave的角色并加入到系統(tǒng)中。

• 成員設(shè)備的離開

在成員設(shè)備的離開方面，如果相鄰設(shè)備直接連接，那么當(dāng)有故障出現(xiàn)于一臺或兩臺設(shè)備之間時，另一臺設(shè)備就會在第一時間內(nèi)向系統(tǒng)中其他設(shè)備傳播前一臺設(shè)備離開的信息。而兩臺相鄰設(shè)備屬于跨接或者其他無法直接連接的情況，那么當(dāng)有故障出現(xiàn)于一臺設(shè)備或鏈路中時，另一臺設(shè)備對前一臺設(shè)備的離開的判定只能夠以系統(tǒng)設(shè)備間的實時報文超時為依據(jù)，并向系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備進行信息的傳播。

一旦設(shè)備離開得以確定，還需要以拓?fù)湫畔橐罁?jù)，對離開設(shè)備的角色進行判定。如果離開的角色屬于Master，那么所有設(shè)備就需要在角色選舉下對本地拓?fù)溥M行更新，而離開的設(shè)備屬于Slave，那么可以對拓?fù)溥M行直接更新，角色不需要進行重新選舉。

三、虛擬交換機技術(shù)實現(xiàn)方式

1. 級聯(lián)模式

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(lián)。當(dāng)拓?fù)涫强偩€型時，使用普通端口進行級聯(lián)即可。當(dāng)拓?fù)錇樾切螘r，則需要專門的級聯(lián)端口Uplink端口。總線型的優(yōu)勢在于傳輸距離，而星形的優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)帶寬的保持。級聯(lián)最大的作用還是體現(xiàn)在延長傳輸距離上，比如在10Base-T、100Base-TX和1000Base-T以太網(wǎng)中，通過級聯(lián)的方式，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離最大能夠達到200米。

通過上面可以看出，級聯(lián)的實現(xiàn)還是比較簡單的。但由于級聯(lián)層數(shù)的增加，會影響網(wǎng)絡(luò)的效率，特別是最后一層的信號延遲會越大。因此，級聯(lián)技術(shù)在實現(xiàn)時，不僅要消除網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的環(huán)路，提供有冗余鏈路，還得將控制級聯(lián)的層數(shù)，一般不超過4層。同時，當(dāng)級聯(lián)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(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)過程中產(chǎn)生的瓶頸問題。所以總的來說，級聯(lián)技術(shù)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(xiàn)不算太好。實際上級聯(lián)技術(shù)只是增加了可用的端口數(shù)量，沒有在拓?fù)溥壿嫹矫鎸W(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行簡化，對整體網(wǎng)絡(luò)性能的提升來說沒有太大作用。

2. 堆疊模式

堆疊技術(shù)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(lián)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(shù)的兼容性不高，不同品牌之間互相不能實現(xiàn)堆疊。

一般來說，堆疊技術(shù)可分為菊花鏈堆疊和星型堆疊這兩種模式。

(1) 菊花鏈堆疊模式

菊花鏈堆疊方式和前一節(jié)提到的級聯(lián)方式特別相近，不過連接時還是需要專門的堆疊線纜，設(shè)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(xié)議，不然很容易引起廣播風(fēng)暴。當(dāng)菊花鏈堆疊中任何一臺設(shè)備或者鏈路出現(xiàn)狀況，會需要重新運行STP協(xié)議，因此會造成網(wǎng)絡(luò)中斷。同時，若采用這種方式，設(shè)備間數(shù)據(jù)互相傳輸?shù)穆窂教L，造成效率太低。

綜合來說，菊花鏈堆疊方式同級聯(lián)一樣，主要的貢獻還是在可用端口數(shù)量的增加，甚至在單端口效率上還遠(yuǎn)低于級聯(lián)技術(shù)。而且在傳輸距離上也只能是在一個幾家內(nèi)實現(xiàn)，這方面遠(yuǎn)不如級聯(lián)技術(shù)。因此大多數(shù)情況下很少采用菊花鏈堆疊方式。

(2) 星型堆疊模式

相對于菊花鏈?zhǔn)蕉询B，星形堆疊的性能要優(yōu)越得多。所謂星型堆疊就是通過高速堆疊端口將所有設(shè)備上行連接到主設(shè)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(shù)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(lián)到Master設(shè)備的堆疊中心，所以只需要三次交換就可以實現(xiàn)任何兩個端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。相當(dāng)于Master設(shè)備跟所有Slave設(shè)備只相差一級。這大大提高了系統(tǒng)各成員之間的轉(zhuǎn)發(fā)速率和單端口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率。除此之外，在拓?fù)溥壿嫯?dāng)中，所有堆疊在一起的設(shè)備共享一個IP地址，即對外呈現(xiàn)為一臺設(shè)備單元。這有利于堆疊設(shè)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(xiàn)堆疊的專門的堆疊專用端口不能用來連接其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

通過上述分析可以得知，傳統(tǒng)的堆疊技術(shù)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(nèi)實現(xiàn)，連接距離較短，且兼容性較差。

3. 集群模式

集群技術(shù)實際上是級聯(lián)技術(shù)和堆疊技術(shù)的結(jié)合版。通過集群技術(shù)，不僅可以擁有像級聯(lián)技術(shù)一樣的連接距離，還擁有堆疊技術(shù)的帶寬和較高的轉(zhuǎn)發(fā)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(shù)的運用，不僅可以動態(tài)收集維護拓?fù)湫畔?，對成員交換機進行升級和管理，還大大節(jié)省了IP資源。

集群交換系統(tǒng)主要有負(fù)責(zé)集群建立、管理和維護的命令交換機，負(fù)責(zé)接受管理的成員交換機，負(fù)責(zé)為命令交換機備份的備份交換機，還有可以加入系統(tǒng)變?yōu)槌蓡T的候選交換機這四種角色。一般使用的協(xié)議主要有用來發(fā)現(xiàn)相鄰設(shè)備的鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議，用來管理合維護集群系統(tǒng)拓?fù)涞耐負(fù)涫謾C協(xié)議，以及用來實現(xiàn)系統(tǒng)建立、增減成員、更新配置等管理功能的集群管理協(xié)議。集群系統(tǒng)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(dāng)前的狀態(tài)上報給命令交換機。再通過命令交換機的命令，調(diào)整自己的狀態(tài)。除此之外，集群管理還設(shè)置了命令從定向功能。命令定向功能是指命令交換機發(fā)出的命令可定向發(fā)送到某一特定的成員交換機上，而不需要對整個網(wǎng)絡(luò)進行廣播，這也大大提高了系統(tǒng)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(shù)也不是完美的。特別是在兼容性方面，不同廠家在實現(xiàn)集群時一般都擁有自己的專用協(xié)議。這就意味著不同的廠家設(shè)備之間不能實現(xiàn)集群，但可以級聯(lián)。甚至是同一廠家生產(chǎn)的設(shè)備，也不是所有型號之間都能隨意實現(xiàn)集群，也是要有固定的型號才可以。

四、IP城域網(wǎng)虛擬交換機技術(shù)應(yīng)用實例

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(shù)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(wǎng)中的應(yīng)用進行介紹。具體涉及到的a、b、c三個節(jié)點存在匯聚層交換機端口資源匱乏的問題，維護難度較大?，F(xiàn)在該網(wǎng)絡(luò)中對虛擬交換機的引入進行嘗試，并執(zhí)行以下規(guī)則：

• 本工程虛擬交換機節(jié)點的設(shè)置應(yīng)與業(yè)務(wù)控制層相同;
• 對于用戶數(shù)大于6萬，且收斂比不低于40%的節(jié)點，其對虛擬交換機的引入予以優(yōu)先考慮;
• 單節(jié)點對兩臺S12系列交換機進行設(shè)置，在二虛一技術(shù)的支持下，使兩臺交換機熱備得以實現(xiàn);
• 原有接入業(yè)務(wù)可向新增的S12系列交換機進行逐步割接。

現(xiàn)階段，城域網(wǎng)主要以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備N：1虛擬化為依托，初步構(gòu)建出資源池，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1：N虛擬化操作下，使網(wǎng)絡(luò)資源的再分配得以完成，同時在網(wǎng)絡(luò)路徑虛擬化技術(shù)的支持下，使端到端的網(wǎng)絡(luò)虛擬化部署得以實現(xiàn)。

該節(jié)點城域網(wǎng)虛擬交換機運行時間已超過一年，其穩(wěn)定性相對較高，相較于預(yù)期效果，虛擬機網(wǎng)絡(luò)運行性能狀況比較理想。通過引入虛擬交換機技術(shù)，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(xiàn)出了較大的優(yōu)勢。與此同時，隨著后期城域網(wǎng)的發(fā)展，運行速度的大幅度提升也由此成為可能。

五、虛擬交換機技術(shù)應(yīng)用缺陷

不可否認(rèn)的是，目前虛擬交換機技術(shù)的應(yīng)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(shù)的發(fā)展。

基于目前的現(xiàn)實問題，未來運營商的城域網(wǎng)改造可以分為三個階段：一是網(wǎng)絡(luò)虛擬化，減少網(wǎng)絡(luò)層級，將城域網(wǎng)更加的扁平和簡單。二是構(gòu)建資源池，經(jīng)過第一階段虛擬化，原本分散式的節(jié)點被聚攏為幾個大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，已經(jīng)具備一定的成池能力，二階段可以引入 NFV 和云計算技術(shù)，比如虛擬化防火墻、虛擬化 BRAS(寬帶接入服務(wù)器)以及虛擬化 SR 等等，逐漸實現(xiàn)城域網(wǎng)的云化和軟件化。三是基于城域網(wǎng)中大 POP 節(jié)點做進一步的性能增強，比如解決原有節(jié)點收攏集中后的業(yè)務(wù)標(biāo)簽不足問題，進一步引入網(wǎng)絡(luò)虛擬化、功能虛擬化以及動態(tài)虛擬通道技術(shù)等等，以此完善城域網(wǎng)中大 POP 節(jié)點的業(yè)務(wù)能力。

六、總結(jié)

隨著科技日益的發(fā)展及虛擬交換機技術(shù)不斷成熟，相信在未來城市電信建設(shè)與發(fā)展過程中，虛擬交換機技術(shù)將擁有巨大的發(fā)展空間與應(yīng)用價值。