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扫描核心路由器技术发展

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正文:
  如今,越来越多的人开始使用IP网,而又有多少人知道什么才是连接IP网络的核心设备呢?
  当IP与ATM之争已见分晓之后,路由器这一网络层数据包转发设备的作用和发展方向也被更加明确地定义出来。可以预见,在不久的将来,IP网络中的路由器就会像传统电信网中的核心元素——电话交换机一样,成为未来电信网络中的核心部件。
  高速化和智能化,无疑已经成为下一代路由器的目标,未来的核心路由器也将会拥有更多的先进技术:混合式输入输出的体系结构、分布式队列调度机制、并行式输入调度技术、高速的分组转发……
  核心路由器位于网络的中心,由高端路由器担当。核心路由器要求具备快速的包交换能力与高速的网络接口,一般都是模块化结构。对于核心路由器应该具有多大的背板交换能力,各厂商的界定并不完全统一,但通常认为应当大于40Gbps。
  对于交换机和路由器这两种设备的主要区别,以往是根据其所侧重的功能来划分的,前者主要是实现良好的转发功能,而后者则通过丰富的软件功能来体现对网络的控制特性。
  随着技术的发展,各厂商纷纷在交换机产品中加进路由功能,同时还强调路由器要能够集合带宽并加大业务吞吐量。
  今天,对于核心路由器产品,除了其原有的功能外,还要强调高速交换能力,目的何在?这样做对于全网性能的提升又具有什么意义?
  ASIC取代通用CPU
  随着全球Internet用户数量和Web站点数量的急剧增长,市场对带宽的需求也迅速增加。而随着xDSL、HFC和无线接入等多样化的宽带接入技术的出现,以及视频点播、电子商务等多样化网络应用的出现,市场对Internet提出了更高的要求,其中最重要的就是服务质量保证。
  服务质量的保证通常有两种途径:在有限的网络带宽基础上采用先进的QoS保证机制,或是提供足够的网络带宽。但无论采用哪种途径,都会涉及到网络终端、网络链路和网络连接点。
  目前,由于DWDM技术的出现,使网络链路的带宽得到了成倍的增加。同时,网络终端设备的处理能力也基本能够满足各种新应用的需求。这时,网络的连接点,尤其是核心路由器的速度却跟不上链路带宽的飞速增长,成为了网络发展的瓶颈;同时,路由器是IP网的核心组件,因此需要有更高的智能性以提高全网的性能。
  一直以来,路由器的发展沿着两条主线并行前进: 一方面,随着软、硬件技术的不断发展,路由器从原来通过软件存储转发的单纯数据通信设备发展到分布式硬件线速转发无阻塞交换的电信级设备;另一方面,随着传输技术的日新月异,其采用的传输方式也从传统的串口、以太网接口,发展到IP Over ATM、IP Over SDH直到目前最新的IP Over DWDM,通信能力不断迈向新的量级。
  未来电信网络中的路由器已不再是简单地完成包转发功能,它有能力解决网络拥塞、时延和服务质量问题以及与传统电信网络之间的无缝连接和业务综合。
  实际上,路由器的路由引擎已由过去的单纯软件实现转向由硬件ASIC(Application-Specific Integrated Circuits)实现,进而成为有交换功能的高速交换路由器。
  ASIC是专用的集成电路,是由通信厂商根据实际需要,采用相应集成电路设计工具进行设计,设计完成并验证后,交由专业芯片生产厂家批量生产的。这样做,可以根据特定应用进行专门优化,批量生产后还可以降低成本。但ASIC生产使用后不能有任何修改,不够灵活,难以适应不断出现的各种需求。
  目前,网络处理器逐渐被越来越多地采用。网络处理器由专业芯片厂商设计生产,属于通用芯片,它内部有多个处理器,可以实现多处理器多线程的并行处理,同时还有功能强大的协处理器,可完成如查表等标准化且耗时的功能。它提供一个精简指令集,设备制造者可以通过微码编程实现各种协议和业务。这样,可以通过修改微码升级软件快速满足各种变化和发展都很快的业务的需要,而不用更改替换任何硬件。
  ASIC处理器是实现核心路由器系统先进性能的核心,其可编程性及路由与转发的一致性是最突出的技术亮点。通过ASIC与路由软件的组合,使核心路由器在IP骨干网中将路由器与交换机的性能进行了很好的对接和结合。
  高速交换背后的几项突破
  核心路由器作为IP网的核心设备,在性能及稳定性上有很高的要求。这些要求通过几项要害技术的突破得以实现。
  目前,千兆位交换路由器(GSR,Gigabit Switch Router)和太位交换路由器(TSR,Terabit Switch Router)已经出现,这些路由器的光接口速度已达到10Gbps。GSR采用分布交换式体系结构,通过分布式处理结构保证单板处理性能,并通过无阻塞交换成倍提高整机吞吐量。在GSR系统中一般包括:路由处理板、线路板、交换网板。GSR抛弃了传统的共享总线方式,采用交换方式,每个线路板都连在交换网板的一个端口上,各板间进行点到点通信,不相互干扰,实现了无阻塞交换,充分保证了整机的吞吐量。
  硬件技术的突破,为高速转发创造了条件。过去认为,IP地址查找路由表采用的最大匹配方式,不如ATM的vpi/vci那样定长查找速度快,再加上对IP报文的封装、解封装、校验和计算、报文分段重组等工作,使转发难以达到很高线速。但随着硬件技术的发展,依靠芯片性能的提高和并行处理技术,高性能芯片对IP报文的转发处理能力已完全能够满足目前最高速端口的线速要求。
对ASIC技术的普遍采用,既充分利用了硬件的高性能,又保证了灵活性。
  GSR位于骨干网,流量汇集于此,对带宽需求巨大。虽然目前带宽资源相对丰富,但骨干网长途线路资源仍然十分宝贵和有限,因此必须优化配置以充分有效地利用现有资源。其要害是通过路由器合理选择转发路径,使流量在网内均匀分布,这就是流量工程。目前普遍使用的动态路由协议,只能根据线路的静态的优先级选择路由,难以适应网络上不断变化的流量分布情况,很可能造成某处拥塞、某处闲置的情况。为避免以上现象就需要有相应的技术手段,根据网络状况通过人工或自动的方式引导流量,目前普遍采用的就是MPLS技术。
  
  
  MPLS技术的目的是建立从源到目的IP地址的连接——LSP,报文进入LSP后通过标签交换到达目的地。它原本是为了支持IP Over ATM,实现二者的无缝融合而提出的,现在已被认为是IP组网的重要手段。对于路由器来说,本想利用MPLS标签交换定长查找的特点,提高转发性能,但如前面所说,IP地址查表能力已经能够充分满足需要,现在更看重的是MPLS提供的面向连接的方式和多层标签栈所带来的灵活性。
  IP网络是采用“非实时的存储转发”机制和“尽力传送”机制的分组交换系统。早期的路由器以“尽力传送”机制选择最短路径来转发数据分组,使得两个节点间最短路径上的路由器和链路可能发生拥塞,而在较长路径上的路由器和链路则空闲着。这种运行机制在传送实时媒体信息时,难以保证相应的业务质量(QoS)。为了承载语音、图像等实时业务,并提供不同等级服务实现增值,需要针对不同的服务等级保证不同的质量。
  QoS被分为Interserv和Diffserv两种模型,Interserv保证端到端的服务质量,即在业务流途经的每一节点为业务单独保证所需服务质量。通过GSR的业务流数量极其庞大,不可能每个都单独保证,所以一般采用Diffserv模型,将业务分为有限几类,对属于同一级别的所有业务都给以同等待遇。典型的业务类型有:EF业务,保证带宽、时延和抖动,用于实时的业务;AF业务,保证带宽,用于需要保证带宽的数据业务;BE业务,尽力转发,用于一般业务。
  网络核心需要超高性能
  Internet正在向太比特时代发展,核心路由器由此也向着超高性能迈进。随着IP网与光网更紧密地结合,开发研制大容量、高速率的电信级、可治理、可运营的交换路由器,已经成为电信设备制造商竞争的新一轮焦点。
  计算机、微电子、光电子和光传输技术的不断进步,使太比特高性能网络具备了发展的良好基础。当Internet日益成为国家信息基础设施的重要组成部分时,高性能计算机网络技术的研究、建设,为Internet的发展和应用提出了下一步的目标。
  由于光通信技术的发展和用户带宽需求量的增加,多种业务在多个层次进行复用。由此,网络开销增加、治理复杂、难以满足用户要求等现象不断出现。例如,要实现IP/ATM/Optical的组网方式或IP/SONET/Optical的组网方式,就需要设置IP网络设备、ATM网络设备、SDH网络设备和光网络设备等。
  人们希望,新一代Internet技术只需部署IP设备和必要的光设备、高速路由器就可直接进入国家骨干网,成为国家核心网。这意味着,IP网的协议能够与光网络很好地结合,由原来的SDH/SONET到主要支持IP。为了达到这一点,核心路由器需要具备新的光接口、新的网络控制协议等。
  另外,IP技术本身的发展也推动着网络核心连接设备向超高性能发展。
  目前,建设高速网络主要采用IP/SDH(SONET)/DWDM的技术结构。由于省去了ATM层,网络效率得到了显著提升。
  IP/DWDM的结构是迄今为止协议层最少、效率最高的,它有两种主要的实现方式:一种是大容量IP路由器直接作为骨干网核心节点,其输入输出接口采用DWDM技术;另一种是IP路由器和波长路由器有机地融合为一个路由交换系统,两者通过OC-192接口相连。
  超高性能的核心路由器一般采用分布方式实现数据通路的功能。处理器只负责控制通路处理,将中低端路由器中用CPU实现的数据通路功能转移到各网络接口卡上或功能部件上。高端路由器接口逻辑上由网络处理器和网络接口组成。网络处理器则可以采用商用网络处理器或专门设计的网络处理器。
  交换网络是超高性能核心路由器的要害所在,主要包括两种结构:一是采用来源于计算机体系结构或ATM交换网络用的多级交换网络;另一种是基于光技术或DWDM技术的交换网络。
  超高性能的核心路由器具有很多重要技术指标,如吞吐量与转发率、延迟、报文重排序、BGP表容量、路由抖动和QoS服务质量,以及最长匹配、路由收敛性和过滤等。
  从核心技术和内部结构来看,新一代核心路由器的主要发展趋势为:第一,越来越多地使用基于硬件的交换和分组转发引擎,CMOS集成技术的提高使很多功能可以在专用集成电路(ASIC)芯片上实现,原来由软件实现的功能现在可由硬件更快、成本更低地完成;第二,向并行处理的方向发展,逐渐抛弃易造成拥塞的共享式总线,采用交换背板结构;第三,进一步发展在光纤连接上进行的线速选路技术,实现吉、太比特速率,为Internet过渡到全光基础设施奠定基础。
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