IP城域網(wǎng)引入虛擬交換機(jī)技術(shù)的研究

隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的迅猛提速、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的綜合承載需求和大數(shù)據(jù)時代的到來，目前城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)面臨著巨大的挑戰(zhàn)，其中二層匯聚層中的傳統(tǒng)匯聚交換機(jī)因為端口密度低且無法提供大量高速接口，造成匯聚交換機(jī)性能弱;設(shè)備鏈路和端口利用率低且配置復(fù)雜低效，造成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本大且可靠性差;由于匯聚層設(shè)備眾多、分散且維護(hù)困難，造成運維繁瑣、復(fù)雜，并且運維成本高。

為了解決二層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的上述問題，研究城域網(wǎng)引入虛擬交換機(jī)的可能性及部署方案，本文首先重點介紹了虛擬交換機(jī)及部署方式，多虛一技術(shù)和一虛多技術(shù)兩種虛擬技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，然后論述了虛擬交換機(jī)在現(xiàn)網(wǎng)中的實驗和數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，最后給出了虛擬交換機(jī)在城域網(wǎng)中的部署方案建議。虛擬交換技術(shù)的引入不僅能夠大幅降低故障率，減輕運維的壓力，提高鏈路和端口的利用率，降低總體投資成本，而且還能夠為后期城域網(wǎng)的大規(guī)模提速打下堅實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

1、城域網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)匯聚層存在問題

IP城域網(wǎng)目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)包括完成高速轉(zhuǎn)發(fā)城域網(wǎng)的各類進(jìn)出流量核心路由層、用于各類業(yè)務(wù)的終結(jié)的業(yè)務(wù)控制層(包括MSE、BRAS、SR等設(shè)備)、用于各類接入業(yè)務(wù)的匯聚及透傳的二層匯聚層(包括一二級匯聚交換機(jī))，具體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示。

圖1：城域網(wǎng)架構(gòu)示意圖

在目前電信運營商城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，寬帶提速、業(yè)務(wù)綜合承載給城域網(wǎng)造成了一定壓力，特別是二層網(wǎng)絡(luò)普遍存在設(shè)備槽位緊張、二層匯聚設(shè)備暫無設(shè)備級的保護(hù)能力，運維壓力大等問題，主要存在以下三個方面：

(1)匯聚交換機(jī)性能弱

隨著大數(shù)據(jù)的到來和接入帶寬規(guī)模提速，OLT上行鏈路逐步采用2條或N條10GE鏈路，而傳統(tǒng)的匯聚交換機(jī)在絕大部分節(jié)點為單點匯聚，因10GE端口密度低且現(xiàn)有部分設(shè)備已無擴(kuò)展槽位，已無法提供大量的線速10GE接口，無法滿足網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要求。

(2)可靠性差，鏈路和端口利用率低

控制層SR/BRAS以下的大二層網(wǎng)絡(luò)中存在的二層網(wǎng)絡(luò)環(huán)路問題，一直以來都未能有很好解決方案。鏈路和設(shè)備之間無法相互熱備份，只能通過復(fù)雜、低效的手工方式切換，設(shè)備和鏈路利用率低，單點故障較多，因此存在網(wǎng)絡(luò)可靠性和業(yè)務(wù)保護(hù)能力差、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本大等一系列問題。

(3)運維繁瑣復(fù)雜

匯聚層設(shè)備數(shù)量較多(單POP十幾臺)，設(shè)備容量較小，布放位置分散，設(shè)備利用率低，維護(hù)比較困難，投資大;因此組網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運維繁瑣、復(fù)雜，并且運維成本高，此種架構(gòu)已不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)的發(fā)展，需要基于本地光纖資源的情況考慮二層進(jìn)一步扁平化和優(yōu)化。

2、虛擬交換機(jī)引入技術(shù)

2.1虛擬交換機(jī)介紹

為了解決城域網(wǎng)中二層網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的問題，需要在匯聚層引入虛擬交換機(jī)技術(shù)，更好的內(nèi)置大量的虛擬網(wǎng)絡(luò)端口，以及提供速度更快的聯(lián)機(jī)接口，通過虛擬化技術(shù)，在城域內(nèi)減少網(wǎng)元數(shù)量、簡化L2組網(wǎng)、實現(xiàn)二層匯聚設(shè)備的設(shè)備級的保護(hù)。虛擬化技術(shù)在城域二層網(wǎng)絡(luò)中引入可以較好解決目前二層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的局限性，也能提升二層網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的安全性。

圖2：城域網(wǎng)虛擬交換機(jī)架構(gòu)示意圖

虛擬化技術(shù)首次在電信運營商城域二層范圍內(nèi)進(jìn)行了應(yīng)用，用數(shù)據(jù)中心的思維對城域網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化，適應(yīng)電信業(yè)務(wù)的云化、網(wǎng)絡(luò)資源的池化的趨勢，在城域網(wǎng)中部署虛擬交換機(jī)有以下特點。

高性能

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，交換機(jī)的性能也將會得到極大的提高，基于100G平臺和400G平臺架構(gòu)的新一代核心交換機(jī)，支持高密10GE和100GE接口;單槽位支持16-48口10GE線速，4口100GE接口。

簡化運維

在網(wǎng)絡(luò)中部署虛擬交換機(jī)后，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更簡單清晰，虛擬化技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備橫向整合，極大減少設(shè)備的配置管理工作。多臺設(shè)備虛擬為1臺交換機(jī)，大大簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置，減少了網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備數(shù)量。

節(jié)省成本

虛擬交換機(jī)部署后，控制層中BRAS和SR 10GE接口均以捆綁方式運行，鏈路利用率也大大提高;大幅節(jié)省了BRAS和SR 10GE接口的成本。

穩(wěn)定性高

網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性高，HJSW或OLT的任何一根光纖故障，業(yè)務(wù)將不受影響;虛擬交換機(jī)與BRAS之間任何一根光纖故障業(yè)務(wù)也不受影響。無論鏈路還是設(shè)備發(fā)生故障，都會自動切換，且切換時間為毫秒級。

2.2虛擬交換機(jī)部署方式

在二層網(wǎng)絡(luò)引入虛擬化技術(shù)解決了以上現(xiàn)網(wǎng)存在的問題，目前有2種實現(xiàn)方式：

將現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)匯聚交換機(jī)進(jìn)行升級，實現(xiàn)堆疊功能;

部署虛擬交換機(jī)。

兩種實現(xiàn)方式從功能及性能上對比如下表所示：

從上表可見虛擬交換機(jī)從功能上和性能上均優(yōu)于傳統(tǒng)匯聚交換機(jī)。所以在解決城域網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)二層設(shè)備的端口擴(kuò)展以及業(yè)務(wù)保護(hù)問題時，優(yōu)先考慮引入虛擬交換機(jī)。

2.3虛擬技術(shù)應(yīng)用場景投資分析

2.3.1多虛一技術(shù)應(yīng)用場景投資分析

現(xiàn)階段一級匯聚交換機(jī)仍匯聚了大量的GE端口，考慮到虛擬交換機(jī)單槽位的容量有限，現(xiàn)階段引入虛擬交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示，在一定時期內(nèi)一級匯聚交換機(jī)仍會保留。

圖3：現(xiàn)階段虛擬交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的架構(gòu)

該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的成本分析如下：

考慮到一級匯聚交換機(jī)的端口在虛擬交換機(jī)引入前后不發(fā)生變化，因此成本分析僅對虛擬交換機(jī)的端口以及MSE設(shè)備上的端口進(jìn)行比較。成本分析采用單端口造價成本比較以及設(shè)備實際配置成本比較2種方式。通常，設(shè)備實際配置的成本高于單端口造價成本，因為設(shè)備實際配置會有一定的冗余，且設(shè)備配置初期板卡的端口利用率較低。

說明：以下設(shè)備價格參考設(shè)備集采價，虛擬交換機(jī)以某廠商的設(shè)備價格作為參考，業(yè)務(wù)控制層設(shè)備(MSE)以某廠商作為價格參考。

n中小型POP點

場景一：當(dāng)該節(jié)點流量達(dá)到64G，虛擬交換機(jī)上聯(lián)配置帶寬80G，一級匯聚交換機(jī)上聯(lián)帶寬配置140G，這種場景下引入虛擬交換機(jī)的收斂比為43%.

單端口造價成本比較如下表所示：

總成本估算(萬元) 53.2 53.45成本細(xì)項單端口造價(萬元)傳統(tǒng)交換機(jī)接入方式虛擬交換機(jī)引入方式

板卡配置成本估算比較如下表所示：

可見引入虛擬交換機(jī)的單端口造價成本與傳統(tǒng)二層接入成本基本一致，只是引入初期總的配置成本略高于傳統(tǒng)二層接入方式的成本。

大型POP點

場景二：當(dāng)該節(jié)點流量達(dá)到96G，虛擬交換機(jī)上聯(lián)配置帶寬120G，一級匯聚交換機(jī)上聯(lián)帶寬配置200G，這種場景下引入虛擬交換機(jī)的收斂比為40%.單端口造價成本比較如下表所示：

板卡配置成本估算比較如下表所示：

可見這種場景下引入虛擬交換機(jī)2種成本比較方式下基本與傳統(tǒng)二層接入方式的成本一致。

引入虛擬交換機(jī)場景建議

通過以上分析可知，虛擬交換機(jī)適用于萬兆鏈路比較多，且收斂比較大的節(jié)點，即：覆蓋公眾用戶數(shù)8萬(單用戶平均流量1M)、專線用戶數(shù)1500(單用戶平均流量2M)、IPTV滲透率20%，即該節(jié)點總流量64G以上，且引入虛擬交換機(jī)后收斂比大于45%的節(jié)點，新增虛擬交換機(jī)成本低于傳統(tǒng)一級匯聚交換機(jī)萬兆鏈路直掛BRAS.

未來隨著接入流量的快速增長，大量的OLT設(shè)備將以萬兆鏈路上聯(lián)，傳統(tǒng)交換機(jī)將無法滿足大量的OLT設(shè)備萬兆鏈路上聯(lián)需求，從而逐漸下線，未來的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將如下圖所示。

圖4：未來虛擬交換機(jī)在網(wǎng)絡(luò)中的架構(gòu)

該場景下如果虛擬交換機(jī)對接入鏈路不再有收斂作用，則虛擬交換機(jī)不再有存在意義，但是如果未來虛擬交換機(jī)上聯(lián)MSE采用40G或是100G更高帶寬進(jìn)行收斂，則虛擬交換機(jī)將在一定時期內(nèi)存在于城域網(wǎng)內(nèi)。

城域網(wǎng)引入虛擬交換機(jī)優(yōu)勢及風(fēng)險分析結(jié)論

1.虛擬交換機(jī)的引入在一定程度上能提升現(xiàn)有二層匯聚設(shè)備性能及提升現(xiàn)有二層網(wǎng)絡(luò)的可靠性，簡化二層網(wǎng)絡(luò)配置及管理。

2.小規(guī)模POP建設(shè)初期無成本優(yōu)勢

綜合上述模型成本分析可知，現(xiàn)階段并不是所有節(jié)點均適合引入虛擬交換機(jī)，萬兆接入端口過少或收斂比偏低節(jié)點的引入成本均高于傳統(tǒng)交換機(jī)上聯(lián)方式。

3. OTN是未來城域二層另一種流量匯聚功能的技術(shù)選擇

本地城域接入層OTN引入之后，本地傳輸網(wǎng)可以承擔(dān)部分流量匯聚和交叉的功能。隨著OTN匯聚技術(shù)的逐步成熟，一旦具備流量匯聚功能后，匯聚交換機(jī)存在意義也將更加不明顯。

4.流量增長后會造成虛擬交換機(jī)的背靠背投資

當(dāng)用戶帶寬流量增長后，虛擬交換機(jī)的流量收斂作用削弱，會造成背靠背投資，僅起到提高節(jié)點可靠性、減少運維復(fù)雜度的作用。

總結(jié)：結(jié)合以上虛擬交換機(jī)的引入優(yōu)勢及風(fēng)險分析，建議現(xiàn)階段僅在確實有新增交換機(jī)需求階段，且覆蓋用戶數(shù)8萬、單用戶平均流量1M、節(jié)點總流量64G、引入虛擬交換機(jī)后收斂比大于45%的節(jié)點引入，后期需根據(jù)用戶及流量增長、以及城域網(wǎng)設(shè)備發(fā)展的實際情況進(jìn)行分析。

2.3.2一虛多技術(shù)場景分析

應(yīng)用需求

隨著應(yīng)用的整合需求越來越強(qiáng)烈，越來越多的用戶希望可以通過整合或者共享物理資產(chǎn)的方式來提高資源利用率，數(shù)據(jù)中心物理資源的池化不僅可以提高50%～60%的利用率，而且可是實現(xiàn)對資源的快速部署和重部署，同時還可以減少物理設(shè)備、電纜，空間、電力、制冷等方面的需求，能夠滿足飛速變化的業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

企業(yè)也隨之面對大量系統(tǒng)利用率不足的問題，不同的系統(tǒng)運行在獨占的硬件資源中，效率低下而數(shù)據(jù)中心的能耗、空間問題逐步突顯出來。需要讓網(wǎng)絡(luò)資源實現(xiàn)“共享”，讓網(wǎng)絡(luò)資源在集中后實現(xiàn)再分配，解決系統(tǒng)利用率不足的問題。

一虛多技術(shù)介紹

1：N虛擬化可以實現(xiàn)將一臺物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過軟件虛擬化成多臺邏輯網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在軟件上將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平面、控制平面、管理平面進(jìn)行了完全的虛擬化，各用戶進(jìn)程在每個邏輯虛擬交換機(jī)上獨立啟動運行，各個虛擬交換機(jī)共用一個操作系統(tǒng)內(nèi)核。在硬件上，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的硬件資源進(jìn)行了虛擬化，不僅可以將板卡、端口等硬件資源劃分到獨立的邏輯設(shè)備，而且可配置每個邏輯設(shè)備的CPU權(quán)重、內(nèi)存、存儲空間等資源。

以H3C的MDC技術(shù)為例：

圖5：H3C的MDC技術(shù)

引入場景建議

現(xiàn)階段，以下場景可以考慮引入虛擬交換機(jī)1：N虛擬化技術(shù)：

1)現(xiàn)階段有新增交換機(jī)的需求;

2)機(jī)房空間電源條件不足;

3)大型POP點內(nèi)，存在多domain融合。

2.4虛擬技術(shù)小結(jié)

網(wǎng)絡(luò)需要虛擬交換機(jī)1：N虛擬化技術(shù)，是虛擬交換機(jī)N：1虛擬化技術(shù)，還是兩者的結(jié)合，是否大規(guī)模引入，需要根據(jù)流量增長、設(shè)備發(fā)展的實際情況、網(wǎng)絡(luò)實際情況和網(wǎng)絡(luò)具體需求進(jìn)行分析。

將虛擬化技術(shù)從DC應(yīng)用擴(kuò)展至城域網(wǎng)，其所具有的高速轉(zhuǎn)發(fā)能力、高可靠性、大容量端口和提高運維效率等優(yōu)勢，能為城域網(wǎng)解決寬帶提速、多業(yè)務(wù)綜合承載造成的設(shè)備性能及端口的不足等許多問題，對IP城域網(wǎng)建設(shè)起到了積極的推動作用。

3、虛擬交換機(jī)現(xiàn)網(wǎng)驗證測試

電信運營商城域網(wǎng)固網(wǎng)寬帶用戶發(fā)展迅速，現(xiàn)有匯聚層交換機(jī)負(fù)荷嚴(yán)重，已不能滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求。為了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的持續(xù)發(fā)展，有必要在城域網(wǎng)中引入性能及接入能力更強(qiáng)的虛擬交換機(jī)。虛擬交換機(jī)的另一個優(yōu)點是大幅度提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性、安全性，相對隔離的物理機(jī)框，能更好的保障設(shè)備及板卡間的冗余。本方案針對各廠商虛擬交換機(jī)進(jìn)行測試以選擇滿足業(yè)務(wù)要求的設(shè)備。

本測試方案可以根據(jù)后期的測試條件以及工程進(jìn)展情況而逐步完善、調(diào)整，以達(dá)到最佳的可操作性、全面性和準(zhǔn)確性。驗證整個網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵的基本性能指標(biāo)是否滿足建設(shè)要求;以及測試網(wǎng)絡(luò)實際的業(yè)務(wù)支撐能力。全網(wǎng)測試結(jié)論將作為項目初驗的重要準(zhǔn)則之一。

3.1全網(wǎng)測試環(huán)境搭建

本測試分為設(shè)備基本能力測試、虛擬化能力測試和現(xiàn)場業(yè)務(wù)測試三個部分，測試選取市區(qū)中心局節(jié)點作為測試端點，本次測試的實際拓?fù)?/strong>圖如下：

圖6：虛擬交換機(jī)現(xiàn)網(wǎng)驗證環(huán)境平臺

4、城域網(wǎng)虛擬交換機(jī)部署方案建議

4.1引入虛擬交換機(jī)場景

1.現(xiàn)階段有新增交換機(jī)的迫切需求，且機(jī)房條件滿足虛擬機(jī)部署的條件;

2.覆蓋用戶數(shù)大于8萬或是總流量大于65G;

3.引入虛擬交換機(jī)后收斂比大于45%.

4.2引入“虛擬匯聚層”

1.新增2個虛擬交換機(jī)虛擬成1臺邏輯主機(jī)，作為城域網(wǎng)的虛擬匯聚層;

2.通過虛擬匯聚層統(tǒng)一匯接、調(diào)度、收斂接入的流量，簡化業(yè)務(wù)控制層接入的復(fù)雜性。

4.3接入?yún)R聚層規(guī)劃

1.虛擬交換機(jī)所在局點建議不再設(shè)置接入?yún)R聚交換機(jī)，OLT等接入設(shè)備通過多鏈路分別與虛擬交換機(jī)的不同機(jī)框?qū)?，形成鏈路捆?

2.中繼光路不足的匯聚節(jié)點保留原匯聚交換機(jī)，并與虛擬交換機(jī)之間完成跨機(jī)框鏈路捆綁。

4.4虛擬化技術(shù)的應(yīng)用

用戶對于網(wǎng)絡(luò)資源化的需求也在不斷增長，可以通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備N：1虛擬化技術(shù)，或者通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1：N虛擬化技術(shù)，或者通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備先N：1虛擬化技術(shù)再1：N虛擬化技術(shù)，配合網(wǎng)絡(luò)路徑虛擬化技術(shù)完成端到端的網(wǎng)絡(luò)虛擬化部署。此技術(shù)適合在大型POP點內(nèi)存在多domain融合的場景下應(yīng)用。

虛擬化技術(shù)可以提供一個更加靈活便捷的網(wǎng)絡(luò)管理環(huán)境，使得城域網(wǎng)更加易于管理，未來可以通過集中配置不同位置的物理設(shè)備來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。

5、城域網(wǎng)引入虛擬交換機(jī)試點總結(jié)

目前的城域網(wǎng)主要通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備N：1虛擬化完成資源池的初步構(gòu)建，再通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備1：N虛擬化完成網(wǎng)絡(luò)資源的再分配，并且配合網(wǎng)絡(luò)路徑虛擬化技術(shù)，完成端到端的網(wǎng)絡(luò)虛擬化部署。

電信運營商城域網(wǎng)虛擬交換機(jī)的試點已穩(wěn)定運行一年，虛擬交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)運行性能也達(dá)到了預(yù)期的效果。虛擬交換機(jī)的引入不僅大幅降低了故障率，減輕了運維的壓力，提高了鏈路和端口利用率，降低了總體投資成本，而且為后期城域網(wǎng)大規(guī)模提速，控制層進(jìn)一步向SDN和NFV演進(jìn)奠定了堅實的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。