虛擬交換技術的組網應用

皇甫一江

(中國人民解放軍海軍裝備部北京100841)

1 引言

長久以來，網絡設計者為了使網絡基礎設施能夠在各種故障的情況下盡可能地保持網絡的運行，通常采用在網絡的各個層次部署多條冗余／負載均衡鏈路和設備的設計方法，同時為了使這些冗余的設備和鏈路在出現故障時能夠及時地發揮作用，設計了RSTP，HSRP和VRRP等保護性協議。

這種保護協議控制冗余鏈路和設備的方式雖然可行，但是卻有許多的不足，這主要是由于目前絕大多數冗余保護性協議采用主／備工作方式，這種方式使網絡的有效利用率只能達到50%，造成了較大的浪費。

目前網絡冗余設計的另一個不足之處是網絡中被管理網元數目的成倍增加，不論網絡管理者采用何種方式來管理網絡設備，同樣的配置和策略的下發都需要重復至少2次[1]，而虛擬交換技術可以將其簡化。

2 簡化運維管理

虛擬交換技術是一種網絡虛擬化技術，可以將多臺核心系列交換機組合為一臺虛擬交換機，多臺物理的交換機在統一的虛擬化管理下，同時轉發數據，并且控制平面相互備份。簡化起見，針對2臺核心交換機的虛擬化進行分析[2],如圖1所示。

圖1 虛擬交換技術概念示意圖

2臺核心交換機虛擬成一臺以后，下級交換機分別上聯到2臺核心交換機的鏈路可以簡單的使用以太網通道技術捆綁成一條邏輯鏈路，而如果沒有虛擬化則需要采用相對復雜的多種技術實現2條上聯鏈路的熱備和負載均衡，虛擬交換組網如圖2所示。

圖2 虛擬交換組網方式

可見采用虛擬交換技術VSS可以從以下幾個方面極大的簡化網絡運維，使整個網絡的運維工作量和復雜度遠遠小于傳統構架的網絡[3,4]：

①VSS技術屏蔽了2臺物理的交換機細節，無需再對2臺核心交換機配置、調試、維護，僅需對一臺虛擬的交換機進行即可；

②無需運行傳統雙核心必須的HSRP、VRRP、STP等協議；

③下級交換機或服務器通過以太網通道技術EtherChannel（802.3ad或PAgP）捆綁2條上聯鏈路，非常簡單。

3 提高網絡容錯和故障恢復能力

網絡將承載ERP、呼叫中心等重要信息系統，因此，網絡不僅要可用，而且要高可用，必須具有強大的網絡容錯和故障恢復能力。除了傳統的設備硬件冗余、鏈路冗余、動態路由協議外，通過虛擬交換技術VSS還能提供更高的網絡容錯和故障恢復能力。

傳統的網絡架構中，如果接入交換機上聯鏈路出現故障，在該鏈路傳輸的VLAN將切換到另外一條鏈路上傳輸，由于需要多個協議，如生成樹協議、動態路由協議等共同作用，切換時間一般為幾秒至幾十秒，終端用戶將會感知，甚至導致應用中斷，尤其是語音和視頻的應用[5]。

但是在VSS網絡構架下，由于2條上聯鏈路是通過以太網通道捆綁的，一條鏈路中斷后，以太網通道技術可以在200 ms甚至更短的時間內將所有數據切換到另外一條鏈路傳輸，幾乎不丟失數據包，而且無需任何其他協議參與，終端用戶不會感知，語音和視頻等應用也不會中斷。

在單臺核心交換機完全故障時，情況和單條鏈路中斷類似，VSS虛擬交換技術同樣可以把網絡恢復時間從幾秒至幾十秒縮短至最短200m s。總結來說，虛擬交換技術VSS可以在以下方面大大增強網絡容錯和故障恢復能力：①鏈路和核心設備故障時無需路由協議和生成樹協議等收斂即可進行網絡故障恢復；②通過以太網通道技術可以將跨核心交換機的冗余鏈路進行捆綁，在鏈路層即可實現網絡容錯和快速故障恢復；③鏈路和核心設備故障時可以快速故障恢復，幾乎不丟包；④VSS使得網絡簡化，更有利于管理員的故障排查。

4 性能的提高

網絡的性能不僅取決于各個節點設備的性能，更多的時候取決于鏈路、多條鏈路的負載均衡和服務器連接等設計。其中，服務器的接入和匯聚/接入交換機的上聯鏈路是最容易成為性能瓶頸的部分[6]。采用VSS虛擬交換技術，可以使得服務器的接入以及交換機的上聯鏈路的性能加倍，切實的獲得網絡的高性能。以服務器接入為例，說明如何通過VSS虛擬交換技術獲得高性能，如圖3所示。

圖3 提高性能的組網方式

如果沒有VSS虛擬交換技術，要采用傳統的服務器接入方案，即采用2臺服務器交換機分別連接2臺核心交換機，然后將服務器連接在服務器交換機上，如果服務器的軟件系統支持HA，則可以雙連接到2臺服務器交換機中，否則，連接到一臺服務器交換機上。這種傳統的接入方式有如下缺點：

①高可靠性需要服務器的軟件系統的HA特性支持；

②服務器的多個網卡難以同時使用，網絡訪問性能難以提高；

③需要服務器交換機，提高成本的同時也使得服務器交換機的連接鏈路進一步成為網絡瓶頸。

而采用VSS技術以后，服務器可以直接連接核心交換機，省去服務器交換機，并且都可以通過以太網通道技術將2條或者多條千兆鏈路捆綁，從而在降低成本的同時實現了2倍甚至更多倍的性能。優點總結如下：

①使用絕大多數服務器都支持的以太網通道捆綁技術，無需配置支持HA特性的軟件；

②無需服務器交換機，避免服務器交換機鏈路瓶頸，服務器直接連接核心交換機，充分發揮核心交換機的性能；

③服務器可以多個網卡進行以太網通道捆綁，進一步提高服務器的網絡訪問性能；

④接入交換機的上聯鏈路和服務器的接入類似，也可以將多條上聯到不同核心交換機的鏈路捆綁，同時使用，性能加倍。

5 結束語

獨特的虛擬交換技術將真正使網絡性能得到大幅度的提高，并且降低成本。虛擬交換技術通過加快故障倒換極大地提高了系統可靠性，同時也促進了交換容量的成倍提高，使得該技術在當今的組網應用中具備獨特的優勢，應用前景廣闊。

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[5]CZ A RNECK I L S.O n s o me m i s in ter p retat i on s o f the in sta n t ta n e o us react i ve p o wer p2 q the o ry[J].I EEE T ra n sact ion s on P o wer Electr oni cs,2004,19(3):828-836.

[6]柳寒冰.仿真網格中虛擬化技術的研究與應用[D].北京:北京理工大學,2010.