虚拟交换机设计与实现

马楠木

【摘 要】虚拟交换机与实体的交换机设备相比，虚拟交换机所具备的网络功能较为简单，但整体而言，业务多样性、灵活性及专业化维护是虚拟交换机的最大特点。本文首先介绍了虚拟交换机技术，并探讨了虚拟交换机的设计与实现，可供参考。

【关键词】虚拟交换机技；设计；数据处理；实现

虚拟交换机技术是通过软件技术来改变现实计算机网络中的交换方式，它以增加交换的灵活性和提高交换效率为目的。通过虚拟化可以对包括基础计算机设施、计算机系统和软件等资源进行统一管理和抽象，以此来提供弹性可扩展的云服务。下面，就介绍虚拟交换机设计与实现过程。

1.虚拟交换机的特点

虚拟交换机是数字程控交换机所具备的一种功能，是当今信息通信中一种最新的应用技术。其特点主要如下：

1）业务多样性：虚拟交换机除了具有交换机特定的功能外，普通电话网用户所使用的性能和业务可以同时使用，它与小交换机不同，不需要增加一项功能就增加一定的投资。

2）组网灵活性：目前用户对通信功能的要求会针对不同情况产生变化，如果采用虚拟交换机业务就能够简单地进行增加或者减少容量，从而满足用户不同时期的要求，减少用户的投资。

3）专业化维护：目前很多使用小交换机的用户需要自己投资和维护设备，遇到一些棘手问题难以解决，而虚拟交换机由于专业性强，并且电话局本身就是专业的通信企业，拥有专业团队，从而能够让用户享受到专业级的服务，及时、迅速地帮助用户解决问题。

2.虚拟交换机的设计

图1 虚拟交换机系统结构图

在虚拟交换机设计过程中，总体思路是先通过在虚拟网络系统中建立监听网络端口，并触发端口管理模块的初始化虚拟端口的数据，然后在接收到全系统的模拟器网卡发来的数据后，将接收到的数据递交到数据处理系统中对其进行校验和解析，接着根据解析的数据对Mac地址映射表进行维护，最后将数据发送到接收端的模拟器中。其中时钟同步模块接收到同步控制帧，首先设置TIME表相应端口标志位，然后对全部端口的状态位进行检测。虚拟交换机系统的设计结构图框架如图1所示。

2.1 虚拟交换机地址表的设计

地址映射表是交换机数据转换的主要根据，在对虚拟交换机地址表进行设计的过程中，需要对地址映射表及逆行的线程同步控制，如果是路由器则需要一个对应一个端口，不需要进行查找地址就能够实现。而对于虚拟交换机来说，则需要在第一次转发时查找地址，在第一次查找地址后，都需要采用硬件自动查找，但是其对虚拟接口地址表的查找的要求不高。其中虚拟接口与VLAN是相互对应的，发送的目标主要有各个交换机接口发送的每一帧来说，如果虚拟接口的转发地址表没有命中，则必须完成多次硬件地址表的查找。由此可见，在虚拟交换机系统设计中，虚拟接口的地址表设计对提高系统的性能具有重要的作用。地址映射表数据包含地址类对象和Mac对象，具体如表1和表2所示。

2.2 虚拟交换机数据处理

2.2.1 帧类型分析

在进行分析帧类型时，首先读取帧头的前3bit的同步控制字段，然后根据同步控制协议进行规定，在规定之后，直接转入下一步数据帧进行解析，在进行解析的过程中，如果帧头中的源Mac地址后面的2bit的值大于1500，则其帧就是Ethernet格式，然后对于后面的2bit进行分析；如果是0xFFFF则为Novell Ethers类型的帧；如果是0xAAAA则为Ethernet SNAP格式的帧。在虚拟环境中，模拟器之间主要是通过以太网进行联网，并且以太网帧的类型比现实中的局域网简单，所以识别网络类型的工作可以按照需求进行确定。

2.2.2 同步控制成帧

同步控制帧的组装主要是根据时间仲裁协议对交互数据进行打包，帧格式是固定的CONT和DONE信号广播帧。

2.2.3 数据校验

数据校验主要是对模拟器发送的数据进行检验，在工作过程中，首先读取FCS中字段的内容，然后依照CRC算法对字段的内容以及数据进行分析计算和校验，其中对TCP/IP的CRC校验主要采用CRC-32，对于不满足系统协议要求的数据帧不需要进行处理。

如果数据处理系统不与外界相互通信，这样数据报文就不需采用物理网卡便能够直接在内存中实现交换，这不仅能够提高虚拟交换机交换的性能，而且对数据报文的转发速度也有很大的提高。在以往的数据链路层中需要通过运用生成树协议去除回环通路，并且Mac地址学习也占用了大量的网络流量，可以采用控制器对所有的虚拟设备进行维护全局的转发路径，不仅能够省去协议导致的数据帧转发的延迟，而且对增加网络流量也具有重要的作用和价值。

交换控制器的控制在虚拟交换机设计过程中可以通过分组交换实现流分组交换，并且分组交换控制器的责任是建立和移除虚拟连接表，以及物理虚拟设备、虚拟连接表的参数设置、QoS的设置、数据统计信息获取、虚拟防火墙的配置等。流分组交换控制器主要负责监控虚拟连接表，对虚拟交换机内的网络流量状况进行全方位监测。

3.虚拟交换机的应用

采用虚拟网络设备技术，依据其特点设计出虚拟交换机，不仅可以实现扩展数据链路层，而且还能够实现安全、具有弹性、自适应的云计算基础网络。

3.1 虚拟交换机的安装

为了能够使虚拟交换机实现外网的远程接入，在使用虚拟交换机时，应该全面综合考虑虚拟交换机的安装位置。在安装虚拟交换机时，不仅应该配置IP地址，同时还应该对端口提供外部访问，这样才能对虚拟交换机进行安装。

3.2 虚拟交换机的配置

在系统中安装虚拟交换机后，配置虚拟交换机时，应重新启动系统，然后到“开始/程序”中进行选择“虚拟交换机管理”并使其运行，根据系统要求输入虚拟交换机所在的位置，并选择Localhost，最后点击链接，系统就会进入命令行下的配置界面，根据提示可以完成对虚拟交换机的配置。

3.3 虚拟网卡IP地址的配置

在使用虚拟交换机实现远程网络的接入时，对每一个需要接入的机器设备都要安装虚拟网卡软件，安装完成后重新启动系统就能够进入网络配置的窗口进行网络配置。

3.4 建立连接

在系统中如果对通信配置完成后，系统的“连接管理”中会弹出“EDOAS”图标，双击该图标，目前的系统与虚拟交换机之间就会建立连接，并在右侧窗口内显示当前系统与虚拟交换机之间的连接状态。

3.5 实现远程机器对内部网络资源的访问

如果远程机器要访问内部资源，首先应该与交换机建立连接，还应完成提供服务的机器与虚拟交换机之间的连接，然后在远程机器的IE地址中输入需要访问的地址，就可以实现外网机器对内部网络的访问。

计算机网络主要是通过专用设备和通信介质连接起来的，可以是专用设备与多台计算机连接形成，也可以是通过单个网络与专用设备进行相互之间的连接形成。

4.结语

虚拟交换机是构成虚拟网络平台的重要部分，虚拟交换机与实体交换机设备相比，网络功能虽然简单。但整体而言虚拟交换机内置大量的虚拟网络端口，以及提供更加快速的联机接口。尽管虚拟交换机也有它的不足，但随着虚拟技术的快速发展，虚拟交换机将不断被完善，也将得到更加广阔的应用。

参考文献：

[1] 王东洋.基于虚拟设备的虚拟交换机设计[J].软件，2012年第01期

[2] 刘笑芳.虚拟以太网交换机的设计与实现[D].北京邮电大学，2008年