虛擬交換機設計與實現(xiàn)

馬楠木

【摘 要】虛擬交換機與實體的交換機設備相比，虛擬交換機所具備的網(wǎng)絡功能較為簡單，但整體而言，業(yè)務多樣性、靈活性及專業(yè)化維護是虛擬交換機的最大特點。本文首先介紹了虛擬交換機技術，并探討了虛擬交換機的設計與實現(xiàn)，可供參考。

【關鍵詞】虛擬交換機技；設計；數(shù)據(jù)處理；實現(xiàn)

虛擬交換機技術是通過軟件技術來改變現(xiàn)實計算機網(wǎng)絡中的交換方式，它以增加交換的靈活性和提高交換效率為目的。通過虛擬化可以對包括基礎計算機設施、計算機系統(tǒng)和軟件等資源進行統(tǒng)一管理和抽象，以此來提供彈性可擴展的云服務。下面，就介紹虛擬交換機設計與實現(xiàn)過程。

1.虛擬交換機的特點

虛擬交換機是數(shù)字程控交換機所具備的一種功能，是當今信息通信中一種最新的應用技術。其特點主要如下：

1）業(yè)務多樣性：虛擬交換機除了具有交換機特定的功能外，普通電話網(wǎng)用戶所使用的性能和業(yè)務可以同時使用，它與小交換機不同，不需要增加一項功能就增加一定的投資。

2）組網(wǎng)靈活性：目前用戶對通信功能的要求會針對不同情況產(chǎn)生變化，如果采用虛擬交換機業(yè)務就能夠簡單地進行增加或者減少容量，從而滿足用戶不同時期的要求，減少用戶的投資。

3）專業(yè)化維護：目前很多使用小交換機的用戶需要自己投資和維護設備，遇到一些棘手問題難以解決，而虛擬交換機由于專業(yè)性強，并且電話局本身就是專業(yè)的通信企業(yè)，擁有專業(yè)團隊，從而能夠讓用戶享受到專業(yè)級的服務，及時、迅速地幫助用戶解決問題。

2.虛擬交換機的設計

圖1 虛擬交換機系統(tǒng)結構圖

在虛擬交換機設計過程中，總體思路是先通過在虛擬網(wǎng)絡系統(tǒng)中建立監(jiān)聽網(wǎng)絡端口，并觸發(fā)端口管理模塊的初始化虛擬端口的數(shù)據(jù)，然后在接收到全系統(tǒng)的模擬器網(wǎng)卡發(fā)來的數(shù)據(jù)后，將接收到的數(shù)據(jù)遞交到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中對其進行校驗和解析，接著根據(jù)解析的數(shù)據(jù)對Mac地址映射表進行維護，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端的模擬器中。其中時鐘同步模塊接收到同步控制幀，首先設置TIME表相應端口標志位，然后對全部端口的狀態(tài)位進行檢測。虛擬交換機系統(tǒng)的設計結構圖框架如圖1所示。

2.1 虛擬交換機地址表的設計

地址映射表是交換機數(shù)據(jù)轉換的主要根據(jù)，在對虛擬交換機地址表進行設計的過程中，需要對地址映射表及逆行的線程同步控制，如果是路由器則需要一個對應一個端口，不需要進行查找地址就能夠實現(xiàn)。而對于虛擬交換機來說，則需要在第一次轉發(fā)時查找地址，在第一次查找地址后，都需要采用硬件自動查找，但是其對虛擬接口地址表的查找的要求不高。其中虛擬接口與VLAN是相互對應的，發(fā)送的目標主要有各個交換機接口發(fā)送的每一幀來說，如果虛擬接口的轉發(fā)地址表沒有命中，則必須完成多次硬件地址表的查找。由此可見，在虛擬交換機系統(tǒng)設計中，虛擬接口的地址表設計對提高系統(tǒng)的性能具有重要的作用。地址映射表數(shù)據(jù)包含地址類對象和Mac對象，具體如表1和表2所示。

2.2 虛擬交換機數(shù)據(jù)處理

2.2.1 幀類型分析

在進行分析幀類型時，首先讀取幀頭的前3bit的同步控制字段，然后根據(jù)同步控制協(xié)議進行規(guī)定，在規(guī)定之后，直接轉入下一步數(shù)據(jù)幀進行解析，在進行解析的過程中，如果幀頭中的源Mac地址后面的2bit的值大于1500，則其幀就是Ethernet格式，然后對于后面的2bit進行分析；如果是0xFFFF則為Novell Ethers類型的幀；如果是0xAAAA則為Ethernet SNAP格式的幀。在虛擬環(huán)境中，模擬器之間主要是通過以太網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)，并且以太網(wǎng)幀的類型比現(xiàn)實中的局域網(wǎng)簡單，所以識別網(wǎng)絡類型的工作可以按照需求進行確定。

2.2.2 同步控制成幀

同步控制幀的組裝主要是根據(jù)時間仲裁協(xié)議對交互數(shù)據(jù)進行打包，幀格式是固定的CONT和DONE信號廣播幀。

2.2.3 數(shù)據(jù)校驗

數(shù)據(jù)校驗主要是對模擬器發(fā)送的數(shù)據(jù)進行檢驗，在工作過程中，首先讀取FCS中字段的內(nèi)容，然后依照CRC算法對字段的內(nèi)容以及數(shù)據(jù)進行分析計算和校驗，其中對TCP/IP的CRC校驗主要采用CRC-32，對于不滿足系統(tǒng)協(xié)議要求的數(shù)據(jù)幀不需要進行處理。

如果數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不與外界相互通信，這樣數(shù)據(jù)報文就不需采用物理網(wǎng)卡便能夠直接在內(nèi)存中實現(xiàn)交換，這不僅能夠提高虛擬交換機交換的性能，而且對數(shù)據(jù)報文的轉發(fā)速度也有很大的提高。在以往的數(shù)據(jù)鏈路層中需要通過運用生成樹協(xié)議去除回環(huán)通路，并且Mac地址學習也占用了大量的網(wǎng)絡流量，可以采用控制器對所有的虛擬設備進行維護全局的轉發(fā)路徑，不僅能夠省去協(xié)議導致的數(shù)據(jù)幀轉發(fā)的延遲，而且對增加網(wǎng)絡流量也具有重要的作用和價值。

交換控制器的控制在虛擬交換機設計過程中可以通過分組交換實現(xiàn)流分組交換，并且分組交換控制器的責任是建立和移除虛擬連接表，以及物理虛擬設備、虛擬連接表的參數(shù)設置、QoS的設置、數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息獲取、虛擬防火墻的配置等。流分組交換控制器主要負責監(jiān)控虛擬連接表，對虛擬交換機內(nèi)的網(wǎng)絡流量狀況進行全方位監(jiān)測。

3.虛擬交換機的應用

采用虛擬網(wǎng)絡設備技術，依據(jù)其特點設計出虛擬交換機，不僅可以實現(xiàn)擴展數(shù)據(jù)鏈路層，而且還能夠實現(xiàn)安全、具有彈性、自適應的云計算基礎網(wǎng)絡。

3.1 虛擬交換機的安裝

為了能夠使虛擬交換機實現(xiàn)外網(wǎng)的遠程接入，在使用虛擬交換機時，應該全面綜合考慮虛擬交換機的安裝位置。在安裝虛擬交換機時，不僅應該配置IP地址，同時還應該對端口提供外部訪問，這樣才能對虛擬交換機進行安裝。

3.2 虛擬交換機的配置

在系統(tǒng)中安裝虛擬交換機后，配置虛擬交換機時，應重新啟動系統(tǒng)，然后到“開始/程序”中進行選擇“虛擬交換機管理”并使其運行，根據(jù)系統(tǒng)要求輸入虛擬交換機所在的位置，并選擇Localhost，最后點擊鏈接，系統(tǒng)就會進入命令行下的配置界面，根據(jù)提示可以完成對虛擬交換機的配置。

3.3 虛擬網(wǎng)卡IP地址的配置

在使用虛擬交換機實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡的接入時，對每一個需要接入的機器設備都要安裝虛擬網(wǎng)卡軟件，安裝完成后重新啟動系統(tǒng)就能夠進入網(wǎng)絡配置的窗口進行網(wǎng)絡配置。

3.4 建立連接

在系統(tǒng)中如果對通信配置完成后，系統(tǒng)的“連接管理”中會彈出“EDOAS”圖標，雙擊該圖標，目前的系統(tǒng)與虛擬交換機之間就會建立連接，并在右側窗口內(nèi)顯示當前系統(tǒng)與虛擬交換機之間的連接狀態(tài)。

3.5 實現(xiàn)遠程機器對內(nèi)部網(wǎng)絡資源的訪問

如果遠程機器要訪問內(nèi)部資源，首先應該與交換機建立連接，還應完成提供服務的機器與虛擬交換機之間的連接，然后在遠程機器的IE地址中輸入需要訪問的地址，就可以實現(xiàn)外網(wǎng)機器對內(nèi)部網(wǎng)絡的訪問。

計算機網(wǎng)絡主要是通過專用設備和通信介質連接起來的，可以是專用設備與多臺計算機連接形成，也可以是通過單個網(wǎng)絡與專用設備進行相互之間的連接形成。

4.結語

虛擬交換機是構成虛擬網(wǎng)絡平臺的重要部分，虛擬交換機與實體交換機設備相比，網(wǎng)絡功能雖然簡單。但整體而言虛擬交換機內(nèi)置大量的虛擬網(wǎng)絡端口，以及提供更加快速的聯(lián)機接口。盡管虛擬交換機也有它的不足，但隨著虛擬技術的快速發(fā)展，虛擬交換機將不斷被完善，也將得到更加廣闊的應用。

參考文獻：

[1] 王東洋.基于虛擬設備的虛擬交換機設計[J].軟件，2012年第01期

[2] 劉笑芳.虛擬以太網(wǎng)交換機的設計與實現(xiàn)[D].北京郵電大學，2008年