隨著寬帶網絡的迅猛提速、網絡業務的綜合承載需求和大數據時代的到來，目前城域網的網絡架構面臨著巨大的挑戰，其中二層匯聚層中的傳統匯聚交換機因為端口密度低且無法提供大量高速接口，造成匯聚交換機性能弱;設備鏈路和端口利用率低且配置復雜低效，造成網絡建設成本大且可靠性差;由于匯聚層設備眾多、分散且維護困難，造成運維繁瑣、復雜，并且運維成本高。
為了解決二層網絡出現的上述問題，研究城域網引入虛擬交換機的可能性及部署方案，本文首先重點介紹了虛擬交換機及部署方式，多虛一技術和一虛多技術兩種虛擬技術在網絡中的應用，然后論述了虛擬交換機在現網中的實驗和數據統計分析，最后給出了虛擬交換機在城域網中的部署方案建議。虛擬交換技術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的大規模提速打下堅實的網絡基礎。
1、 城域網現網匯聚層存在問題
IP城域網目前的網絡架構包括完成高速轉發城域網的各類進出流量核心路由層、用于各類業務的終結的業務控制層(包括MSE、BRAS、SR等設備)、用于各類接入業務的匯聚及透傳的二層匯聚層(包括一二級匯聚交換機)，具體網絡架構如下圖所示。
在目前電信運營商城域網的網絡架構中，寬帶提速、業務綜合承載給城域網造成了一定壓力，特別是二層網絡普遍存在設備槽位緊張、二層匯聚設備暫無設備級的保護能力，運維壓力大等問題，主要存在以下三個方面：
(1) 匯聚交換機性能弱
隨著大數據的到來和接入帶寬規模提速，OLT上行鏈路逐步采用2條或N條10GE鏈路，而傳統的匯聚交換機在絕大部分節點為單點匯聚，因10GE端口密度低且現有部分設備已無擴展槽位，已無法提供大量的線速10GE接口，無法滿足網絡的發展要求。
(2) 可靠性差，鏈路和端口利用率低
控制層SR/BRAS以下的大二層網絡中存在的二層網絡環路問題，一直以來都未能有很好解決方案。鏈路和設備之間無法相互熱備份，只能通過復雜、低效的手工方式切換，設備和鏈路利用率低，單點故障較多，因此存在網絡可靠性和業務保護能力差、網絡建設成本大等一系列問題。
(3) 運維繁瑣復雜
匯聚層設備數量較多(單POP十幾臺)，設備容量較小，布放位置分散，設備利用率低，維護比較困難，投資大;因此組網結構復雜，運維繁瑣、復雜，并且運維成本高，此種架構已不能適應網絡新業務的發展，需要基于本地光纖資源的情況考慮二層進一步扁平化和優化。
2、 虛擬交換機引入技術
2.1 虛擬交換機介紹
為了解決城域網中二層網絡出現的問題，需要在匯聚層引入虛擬交換機技術，更好的內置大量的虛擬網絡端口，以及提供速度更快的聯機接口，通過虛擬化技術，在城域內減少網元數量、簡化L2組網、實現二層匯聚設備的設備級的保護。虛擬化技術在城域二層網絡中引入可以較好解決目前二層網絡設備的局限性，也能提升二層網絡業務的安全性。
虛擬化技術首次在電信運營商城域二層范圍內進行了應用，用數據中心的思維對城域網進行優化，適應電信業務的云化、網絡資源的池化的趨勢，在城域網中部署虛擬交換機有以下特點。
n 高性能
隨著網絡技術的快速發展，交換機的性能也將會得到極大的提高，基于100G平臺和400G平臺架構的新一代核心交換機，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。
n 簡化運維
在網絡中部署虛擬交換機后，網絡架構更簡單清晰，虛擬化技術實現網絡設備橫向整合，極大減少設備的配置管理工作。多臺設備虛擬為1臺交換機，大大簡化了網絡設備的配置，減少了網絡管理設備數量。
n 節省成本
虛擬交換機部署后，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;大幅節省了BRAS和SR 10GE接口的成本。
n 穩定性高
網絡穩定性和可靠性高，HJSW或OLT的任何一根光纖故障，業務將不受影響;虛擬交換機與BRAS之間任何一根光纖故障業務也不受影響。無論鏈路還是設備發生故障，都會自動切換，且切換時間為毫秒級。
2.2 虛擬交換機部署方式
在二層網絡引入虛擬化技術解決了以上現網存在的問題，目前有2種實現方式：
將現網傳統匯聚交換機進行升級，實現堆疊功能;
部署虛擬交換機。
兩種實現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從功能上和性能上均優于傳統匯聚交換機。所以在解決城域網現網二層設備的端口擴展以及業務保護問題時，優先考慮引入虛擬交換機。
2.3虛擬技術應用場景投資分析
2.3.1 多虛一技術應用場景投資分析
現階段一級匯聚交換機仍匯聚了大量的GE端口，考慮到虛擬交換機單槽位的容量有限，現階段引入虛擬交換機的網絡架構如下圖所示，在一定時期內一級匯聚交換機仍會保留。
n 節省成本
虛擬交換機部署后，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;大幅節省了BRAS和SR 10GE接口的成本。
n 穩定性高
網絡穩定性和可靠性高，HJSW或OLT的任何一根光纖故障，業務將不受影響;虛擬交換機與BRAS之間任何一根光纖故障業務也不受影響。無論鏈路還是設備發生故障，都會自動切換，且切換時間為毫秒級。
2.2 虛擬交換機部署方式
在二層網絡引入虛擬化技術解決了以上現網存在的問題，目前有2種實現方式：
將現網傳統匯聚交換機進行升級，實現堆疊功能;
部署虛擬交換機。
兩種實現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從功能上和性能上均優于傳統匯聚交換機。所以在解決城域網現網二層設備的端口擴展以及業務保護問題時，優先考慮引入虛擬交換機。
2.3虛擬技術應用場景投資分析
2.3.1 多虛一技術應用場景投資分析
現階段一級匯聚交換機仍匯聚了大量的GE端口，考慮到虛擬交換機單槽位的容量有限，現階段引入虛擬交換機的網絡架構如下圖所示，在一定時期內一級匯聚交換機仍會保留。
該網絡架構下的成本分析如下：
考慮到一級匯聚交換機的端口在虛擬交換機引入前后不發生變化，因此成本分析僅對虛擬交換機的端口以及MSE設備上的端口進行比較。成本分析采用單端口造價成本比較以及設備實際配置成本比較2種方式。通常，設備實際配置的成本高于單端口造價成本，因為設備實際配置會有一定的冗余，且設備配置初期板卡的端口利用率較低。
說明：以下設備價格參考設備集采價，虛擬交換機以某廠商的設備價格作為參考，業務控制層設備(MSE)以某廠商作為價格參考。
n 中小型POP點
場景一：當該節點流量達到64G，虛擬交換機上聯配置帶寬80G，一級匯聚交換機上聯帶寬配置140G，這種場景下引入虛擬交換機的收斂比為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成本細項單端口造價(萬元)傳統交換機接入方式虛擬交換機引入方式
板卡配置成本估算比較如下表所示：
可見引入虛擬交換機的單端口造價成本與傳統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二層接入方式的成本。
n 大型POP點
場景二：當該節點流量達到96G，虛擬交換機上聯配置帶寬120G，一級匯聚交換機上聯帶寬配置200G，這種場景下引入虛擬交換機的收斂比為40%。
單端口造價成本比較如下表所示：
成本細項單端口造價(萬元)傳統交換機接入方式虛擬交換機引入方式
端口數量成本(萬元)端口數量成本(萬元)
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2種成本比較方式下基本與傳統二層接入方式的成本一致。
n 引入虛擬交換機場景建議
通過以上分析可知，虛擬交換機適用于萬兆鏈路比較多，且收斂比較大的節點，即：覆蓋公眾用戶數8萬(單用戶平均流量1M)、專線用戶數1500(單用戶平均流量2M)、IPTV滲透率20%，即該節點總流量64G以上，且引入虛擬交換機后收斂比大于45%的節點，新增虛擬交換機成本低于傳統一級匯聚交換機萬兆鏈路直掛BRAS。
未來隨著接入流量的快速增長，大量的OLT設備將以萬兆鏈路上聯，傳統交換機將無法滿足大量的OLT設備萬兆鏈路上聯需求，從而逐漸下線，未來的網絡結構將如下圖所示。
該場景下如果虛擬交換機對接入鏈路不再有收斂作用，則虛擬交換機不再有存在意義，但是如果未來虛擬交換機上聯MSE采用40G或是100G更高帶寬進行收斂，則虛擬交換機將在一定時期內存在于城域網內。
n 城域網引入虛擬交換機優勢及風險分析結論
1. 虛擬交換機的引入在一定程度上能提升現有二層匯聚設備性能及提升現有二層網絡的可靠性，簡化二層網絡配置及管理。
2. 小規模POP建設初期無成本優勢
綜合上述模型成本分析可知，現階段并不是所有節點均適合引入虛擬交換機，萬兆接入端口過少或收斂比偏低節點的引入成本均高于傳統交換機上聯方式。
3. OTN是未來城域二層另一種流量匯聚功能的技術選擇
本地城域接入層OTN引入之后，本地傳輸網可以承擔部分流量匯聚和交叉的功能。隨著OTN匯聚技術的逐步成熟，一旦具備流量匯聚功能后，匯聚交換機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的背靠背投資
當用戶帶寬流量增長后，虛擬交換機的流量收斂作用削弱，會造成背靠背投資，僅起到提高節點可靠性、減少運維復雜度的作用。
總結：結合以上虛擬交換機的引入優勢及風險分析，建議現階段僅在確實有新增交換機需求階段，且覆蓋用戶數8萬、單用戶平均流量1M、節點總流量64G、引入虛擬交換機后收斂比大于45%的節點引入，后期需根據用戶及流量增長、以及城域網設備發展的實際情況進行分析。
2.3.2 一虛多技術場景分析
n 應用需求
隨著應用的整合需求越來越強烈，越來越多的用戶希望可以通過整合或者共享物理資產的方式來提高資源利用率，數據中心物理資源的池化不僅可以提高 50%～60%的利用率，而且可是實現對資源的快速部署和重部署，同時還可以減少物理設備、電纜，空間、電力、制冷等方面的需求，能夠滿足飛速變化的業務發展需求。
企業也隨之面對大量系統利用率不足的問題，不同的系統運行在獨占的硬件資源中，效率低下而數據中心的能耗、空間問題逐步突顯出來。需要讓網絡資源實現“共享”，讓網絡資源在集中后實現再分配，解決系統利用率不足的問題。
n 一虛多技術介紹
1:N虛擬化可以實現將一臺物理網絡設備通過軟件虛擬化成多臺邏輯網絡設備，在軟件上將網絡設備操作系統的數據平面、控制平面、管理平面進行了完全的虛擬化，各用戶進程在每個邏輯虛擬交換機上獨立啟動運行，各個虛擬交換機共用一個操作系統內核。在硬件上，將網絡設備的硬件資源進行了虛擬化，不僅可以將板卡、端口等硬件資源劃分到獨立的邏輯設備，而且可配置每個邏輯設備的CPU權重、內存、存儲空間等資源。
以H3C的MDC技術為例：
n 引入場景建議
現階段，以下場景可以考慮引入虛擬交換機1:N虛擬化技術：
1) 現階段有新增交換機的需求;
2) 機房空間電源條件不足;
3) 大型POP點內，存在多domain融合。
2.4 虛擬技術小結
網絡需要虛擬交換機1:N虛擬化技術，是虛擬交換機N:1虛擬化技術，還是兩者的結合，是否大規模引入，需要根據流量增長、設備發展的實際情況、網絡實際情況和網絡具體需求進行分析。
將虛擬化技術從DC應用擴展至城域網，其所具有的高速轉發能力、高可靠性、大容量端口和提高運維效率等優勢，能為城域網解決寬帶提速、多業務綜合承載造成的設備性能及端口的不足等許多問題，對IP城域網建設起到了積極的推動作用。
3、 虛擬交換機現網驗證測試
電信運營商城域網固網寬帶用戶發展迅速，現有匯聚層交換機負荷嚴重，已不能滿足日益增長的業務需求。為了網絡業務的持續發展，有必要在城域網中引入性能及接入能力更強的虛擬交換機。虛擬交換機的另一個優點是大幅度提高了網絡的健壯性、安全性，相對隔離的物理機框，能更好的保障設備及板卡間的冗余。本方案針對各廠商虛擬交換機進行測試以選擇滿足業務要求的設備。
本測試方案可以根據后期的測試條件以及工程進展情況而逐步完善、調整，以達到最佳的可操作性、全面性和準確性。驗證整個網絡關鍵的基本性能指標是否滿足建設要求;以及測試網絡實際的業務支撐能力。全網測試結論將作為項目初驗的重要準則之一。
3.1 全網測試環境搭建
本測試分為設備基本能力測試、虛擬化能力測試和現場業務測試三個部分，測試選取市區中心局節點作為測試端點，本次測試的實際拓撲圖如下：
3.2 虛擬交換機測試結果匯總表
測試項目測試結果測試結果簡述
4.1設備基本能力測試0K
4、 城域網虛擬交換機部署方案建議
4.1 引入虛擬交換機場景
1. 現階段有新增交換機的迫切需求，且機房條件滿足虛擬機部署的條件;
2. 覆蓋用戶數大于8萬或是總流量大于65G;
3. 引入虛擬交換機后收斂比大于45%。
4.2 引入“虛擬匯聚層”
1. 新增2個虛擬交換機虛擬成1臺邏輯主機，作為城域網的虛擬匯聚層;
2. 通過虛擬匯聚層統一匯接、調度、收斂接入的流量，簡化業務控制層接入的復雜性。
4.3 接入匯聚層規劃
1. 虛擬交換機所在局點建議不再設置接入匯聚交換機，OLT等接入設備通過多鏈路分別與虛擬交換機的不同機框對接，形成鏈路捆綁;
2. 中繼光路不足的匯聚節點保留原匯聚交換機，并與虛擬交換機之間完成跨機框鏈路捆綁。
4.4 虛擬化技術的應用
用戶對于網絡資源化的需求也在不斷增長，可以通過網絡設備N:1虛擬化技術，或者通過網絡設備1:N虛擬化技術，或者通過網絡設備先N:1虛擬化技術再 1:N虛擬化技術，配合網絡路徑虛擬化技術完成端到端的網絡虛擬化部署。此技術適合在大型POP點內存在多domain融合的場景下應用。
虛擬化技術可以提供一個更加靈活便捷的網絡管理環境，使得城域網更加易于管理，未來可以通過集中配置不同位置的物理設備來實現網絡的最優化。
5、 城域網引入虛擬交換機試點總結
目前的城域網主要通過網絡設備N:1虛擬化完成資源池的初步構建，再通過網絡設備1:N虛擬化完成網絡資源的再分配，并且配合網絡路徑虛擬化技術，完成端到端的網絡虛擬化部署。
電信運營商城域網虛擬交換機的試點已穩定運行一年，虛擬交換機的網絡運行性能也達到了預期的效果。虛擬交換機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，而且為后期城域網大規模提速，控制層進一步向SDN和NFV演進奠定了堅實的網絡基礎。
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