高速路由器的原理

2019-11-03 10:12:35

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供稿：網(wǎng)友

姜天露隨著社會(huì)信息化進(jìn)程的深入發(fā)展，因特網(wǎng)作為信息化的基礎(chǔ)設(shè)施正以前所未有的速度發(fā)展。作為因特網(wǎng)重要設(shè)備的路由器的開(kāi)發(fā)與研制能力已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家信息化能力的重要標(biāo)志。本文以支持ＩＰ協(xié)議路由器為例，介紹高速路由器的原理與組成。

路由器技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段已經(jīng)歷了3代的發(fā)展，并在繼續(xù)演進(jìn)。

第一代路由器是由軟件集中進(jìn)行ＩＰ包轉(zhuǎn)發(fā)的，所有的ＩＰ包都要經(jīng)過(guò)中央ＣＰＵ進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，吞吐率比較低，轉(zhuǎn)發(fā)能力約幾萬(wàn)包每秒。

第二代路由器是基于軟件的分布式轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)接口板上都有ＣＰＵ，主控板生成的路由表被下發(fā)到各接口板形成轉(zhuǎn)發(fā)表，每塊接口板根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表獨(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)工作，轉(zhuǎn)發(fā)能力超過(guò)100萬(wàn)包每秒。第二代路由器的技術(shù)要點(diǎn)是各接口板轉(zhuǎn)發(fā)表的刷新和同步技術(shù)。

由于ＣＰＵ的處理能力增長(zhǎng)是每18個(gè)月翻一番，而因特網(wǎng)的流量卻每6個(gè)月就翻一番，因此基于軟件轉(zhuǎn)發(fā)的路由器一度成為網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸。90年代后期，ＩＰ業(yè)務(wù)呈爆炸式發(fā)展，路由器技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了向第三代的飛躍，并在接口速率上超過(guò)了一度有望成為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)的ＡＴＭ。目前，ＡＴＭ交換機(jī)的高速接口只達(dá)到了2.5Ｇｂｉｔ／ｓ，而高速路由器的最高端口速率已達(dá)到10Ｇｂｉｔ／ｓ。同時(shí)，由于ＩＰ技術(shù)自身的ＱｏＳ技術(shù)不斷發(fā)展，特別是ＭＰＬＳ技術(shù)的引入，ＱｏＳ問(wèn)題正在ＩＰ領(lǐng)域逐步得到解決，高速路由器重新占據(jù)了ＩＰ網(wǎng)絡(luò)的核心位置。

第三代路由器基于硬件進(jìn)行ＩＰ包的轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)引擎可以是ＡＳＩＣ（專(zhuān)用集成電路），也可以是專(zhuān)門(mén)為ＩＰ轉(zhuǎn)發(fā)而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)處理器。代表性的產(chǎn)品有華為公司的ＮｅｔＥｎｇｉｎｅ 50高速路由器和Ｃｉｓｃｏ的12000系列路由器等。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速率達(dá)到了數(shù)千萬(wàn)包每秒，能夠充分利用傳輸技術(shù)進(jìn)步提供的大量帶寬。

盡管包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生了變化，但路由器需要完成的任務(wù)卻是相同的：檢查進(jìn)入的數(shù)據(jù)包，將其目標(biāo)地址與路由表中的項(xiàng)目相比較，然后從正確的端口發(fā)送出去。在這一過(guò)程中，數(shù)據(jù)包還接受一些額外處理任務(wù)，如ＱｏＳ判斷、流量工程、流量統(tǒng)計(jì)等。

不同的設(shè)備廠家生產(chǎn)的高速路由器結(jié)構(gòu)是不同的，例如Ｊｕｎｉｐｅｒ的Ｍ40和Ｍ160是共享內(nèi)存的交換網(wǎng)，而華為、Ｃｉｓｃｏ等廠家使用Ｃｒｏｓｓｂａｒ縱橫制交換網(wǎng)。由于Ｃｒｏｓｓｂａｒ交換網(wǎng)可擴(kuò)展性好、模塊結(jié)構(gòu)清晰、便于升級(jí)到更高速的產(chǎn)品，從而保護(hù)用戶的投資，是高速路由器的主流技術(shù)。下面以主流技術(shù)為例，介紹高速路由器的原理，不涉及各廠家的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

高速路由器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

高速路由器通常由主控板、交換板、線路接口板組成，它們通過(guò)高速背板連接，插在一個(gè)具有電源、風(fēng)扇的機(jī)框中組成一臺(tái)完整的路由器。

（1）主控板：主控板是路由器的控制中心，ＣＰＵ和存儲(chǔ)器就在主控板中。主控板負(fù)責(zé)整個(gè)路由器的管理和控制，ＩＰ路由協(xié)議在主控板上運(yùn)行。主控板直接接收來(lái)自網(wǎng)管中心的指令，并下發(fā)到各接口板執(zhí)行指令，同時(shí)各接口板把運(yùn)行狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)傳送到主控板，由主控板進(jìn)行必要的處理，需要時(shí)發(fā)給網(wǎng)管中心。網(wǎng)絡(luò)管理員配置的靜態(tài)路由以及通過(guò)運(yùn)行路由協(xié)議生成的動(dòng)態(tài)路由由主控板進(jìn)行管理，并下發(fā)到各接口板，使各接口板可以獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作。

主控板的作用舉足輕重，一旦它發(fā)生故障，整個(gè)路由器將不能正常工作。對(duì)于電信網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)說(shuō)，要求可用率達(dá)到99.999％，即1年的停機(jī)時(shí)間不能超過(guò)5ｍｉｎ。所以主控板通常配有兩塊，一般以主備的方式工作。主備板周期性地交換握手信號(hào)，一旦備用板收不到主用板的握手信號(hào)，則會(huì)啟動(dòng)倒換流程，接替主用板工作。

（2）交換板：高速路由器的整機(jī)吞吐量很大，早期路由器的基于背板共享總線傳遞數(shù)據(jù)的方式已不能滿足高速數(shù)據(jù)傳遞的需要。首先，共享總線不能避免內(nèi)部沖突；第二，共享總線的負(fù)載效應(yīng)使得高速總線的設(shè)計(jì)難度很大。交換結(jié)構(gòu)的引入逐步克服了共享總線的以上缺點(diǎn)。

Ｃｒｏｓｓｂａｒ交換網(wǎng)可以形象地比喻為縱橫制電話交換機(jī)的交換網(wǎng)，通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)的連接把需要通信的輸入端口和輸出端口連接起來(lái)。Ｃｒｏｓｓｂａｒ結(jié)構(gòu)可以支持高帶寬的原因主要有兩個(gè)：第一，線路卡到交換結(jié)構(gòu)的物理連接簡(jiǎn)化為點(diǎn)到點(diǎn)連接，這使得該連接可以運(yùn)行在非常高的速率上。半導(dǎo)體廠商目前已經(jīng)可以用傳統(tǒng)ＣＭＯＳ技術(shù)制造出4～10Ｇｂｉｔ／ｓ速率的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行收發(fā)芯片。第二個(gè)原因是它的結(jié)構(gòu)可以支持多個(gè)連接同時(shí)以最大速率傳輸數(shù)據(jù)，即多個(gè)輸入／輸出端口對(duì)可以同時(shí)通過(guò)這個(gè)交換網(wǎng)進(jìn)行通信。這一點(diǎn)極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。只要同時(shí)閉合多個(gè)交叉節(jié)點(diǎn)，多個(gè)不同的端口就可以同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。從這個(gè)意義上看，我們稱(chēng)所有的Ｃｒｏｓｓｂａｒ在內(nèi)部是無(wú)阻塞的，因?yàn)樗梢灾С炙卸丝谕瑫r(shí)以最大速率傳輸（或稱(chēng)為交換）數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)包通過(guò)Ｃｒｏｓｓｂａｒ的時(shí)候，可以是以定長(zhǎng)單元的形式（通過(guò)數(shù)據(jù)包的定長(zhǎng)分割），也可以不進(jìn)行分割直接進(jìn)行變長(zhǎng)交換。一般高性能的Ｃｒｏｓｓｂａｒ交換結(jié)構(gòu)都采用了定長(zhǎng)交換的方式，在數(shù)據(jù)包進(jìn)入Ｃｒｏｓｓｂａｒ以前把它分割為固定長(zhǎng)度的ｃｅｌｌ，這些ｃｅｌｌ通過(guò)交換結(jié)構(gòu)以后被按照原樣組織成原來(lái)的變長(zhǎng)包（ｐａｃｋｅｔ）。定長(zhǎng)交換方式更利于交換網(wǎng)的控制，分組長(zhǎng)度一樣，判斷其傳輸和離開(kāi)的時(shí)刻就很容易。在時(shí)隙結(jié)束時(shí)，調(diào)度表檢查等待傳送的分組，決定下一個(gè)時(shí)隙哪個(gè)輸入與哪個(gè)輸出相連，避免輸出或輸入端的空閑，保持交換機(jī)的高效率。而且從硬件設(shè)計(jì)的角度講，處理固定長(zhǎng)度分組比處理不同長(zhǎng)度的分組更簡(jiǎn)單、快速。同時(shí)定長(zhǎng)交換可以避免某些業(yè)務(wù)流的大長(zhǎng)度包長(zhǎng)時(shí)間占用交換網(wǎng)，影響高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)和實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的交換。

由于交換網(wǎng)板的故障也會(huì)導(dǎo)致整機(jī)的癱瘓，所以通常也設(shè)有主備板。另外，大容量交換網(wǎng)通常是多平面的，由多塊交換網(wǎng)板組成，所以主備方式通常為Ｎ：1。

（3）線路接口板：線路接口板提供多種線路接口，目前常見(jiàn)的有10Ｍ、100Ｍ、1 000Ｍ、10Ｇｂｉｔ／ｓ以太網(wǎng)口，155Ｍ、622Ｍ、2.5Ｇ、10Ｇｂｉｔ／ｓ的ＰＯＳ接口，155Ｍ、622Ｍ、2.5Ｇｂｉｔ／ｓ的ＡＴＭ接口等。線路接口板從不同的物理層和數(shù)據(jù)層信息中提取出ＩＰ數(shù)據(jù)包提交給專(zhuān)用ＡＳＩＣ或網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行處理。這種處理已不再局限于簡(jiǎn)單地把ＩＰ包轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口。

目前ＩＰ網(wǎng)不僅承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還要承載語(yǔ)音和視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，另外隨著企業(yè)向國(guó)際擴(kuò)展，各分支機(jī)構(gòu)和總部之間需要在公用網(wǎng)上組建企業(yè)虛擬專(zhuān)網(wǎng)（ＶＰＮ），同時(shí)傳統(tǒng)的因特網(wǎng)沒(méi)有ＱｏＳ保證，運(yùn)營(yíng)商也無(wú)法從重要客戶手里收取附加費(fèi)用，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)無(wú)法增值，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的效益就會(huì)很低。在路由器中，對(duì)不同ＱｏＳ優(yōu)先級(jí)的用戶數(shù)據(jù)流要實(shí)施不同的轉(zhuǎn)發(fā)策略。所有這些業(yè)務(wù)的支持要求對(duì)用戶的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類(lèi)、排隊(duì)、基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度、整形、流量統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)封裝等操作。

對(duì)于10Ｇｂｉｔ／ｓ這樣的高速端口，要求高速路由器做到線速處理，這確實(shí)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。例如支持10Ｇｂｉｔ／ｓ端口時(shí)僅排隊(duì)就有很多困難。傳統(tǒng)的內(nèi)存芯片（ＳＲＡＭ或ＳＤＲＡＭ）通常工作在100ＭＨｚ，對(duì)于64位總線來(lái)說(shuō)，芯片的帶寬不超過(guò)6.4Ｇｂｉｔ／ｓ，排隊(duì)時(shí)需要讀寫(xiě)兩次操作，則一塊內(nèi)存只可以支持3.2Ｇｂｉｔ／ｓ接口的數(shù)據(jù)排隊(duì)。對(duì)于10Ｇｂｉｔ／ｓ端口，需要更寬的總線或更先進(jìn)的內(nèi)存技術(shù)（如ＲＡＭＢＵＳ），即使掌握了這些技術(shù)，還需要高效的內(nèi)存管理。

早期高速路由器的ＩＰ轉(zhuǎn)發(fā)和業(yè)務(wù)處理由專(zhuān)門(mén)定制的ＡＳＩＣ實(shí)現(xiàn)，由硬件邏輯完成以前由軟件完成的工作，以加快ＩＰ包的處理速度。ＡＳＩＣ一旦設(shè)計(jì)完成，復(fù)制成本比較低，但增加新的業(yè)務(wù)則比較困難。近兩年一些芯片廠商推出專(zhuān)門(mén)適用于ＩＰ包處理的網(wǎng)絡(luò)處理器，內(nèi)部包含多個(gè)微處理器和專(zhuān)用任務(wù)處理線程，有的廠商還把大量的內(nèi)存做在芯片內(nèi)部，以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)ＩＰ包的7層處理。使用時(shí)將微代碼下載到網(wǎng)絡(luò)處理器中，網(wǎng)絡(luò)處理器根據(jù)微代碼的指令執(zhí)行ＩＰ處理工作。有了網(wǎng)絡(luò)處理器，可在路由器運(yùn)行過(guò)程中，下載新的微代碼，以增加新的業(yè)務(wù)或改變業(yè)務(wù)處理流程，增加了路由器的靈活性，但網(wǎng)絡(luò)處理器比ＡＳＩＣ要昂貴。

（4）高速背板：傳統(tǒng)路由器一般使用共享式總線傳遞數(shù)據(jù)，并在近幾年引入了越來(lái)越高速的共享式總線，從ＩＳＡ到ＥＩＳＡ和現(xiàn)在的ＰＣＩ，但依然存在上文所述的缺點(diǎn)。在高速路由器中引入了交換網(wǎng)后，在背板上用點(diǎn)到點(diǎn)的高速連線把用戶板連接到交換網(wǎng)，進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳遞。由于交換網(wǎng)是備份的，背板上的數(shù)據(jù)線也是雙套的。同時(shí)背板上仍存在控制總線，用于交換控制信息，當(dāng)然控制信息也可以在數(shù)據(jù)通道的帶內(nèi)傳送。由于高速連線眾多，背板的設(shè)計(jì)和加工也比較復(fù)雜。

（5）風(fēng)扇和電源：高速路由器內(nèi)部芯片密集，功耗很大，對(duì)風(fēng)扇和電源同樣有很高的要求。風(fēng)扇的設(shè)計(jì)要充分考慮機(jī)箱內(nèi)各器件的位置，使各器件產(chǎn)生的熱量能夠及時(shí)排放出去。同時(shí)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速要根據(jù)機(jī)箱內(nèi)溫度可以調(diào)節(jié)，風(fēng)扇損壞以后要進(jìn)行告警，并可以方便地進(jìn)行更換。電源模塊除了在功率上要留有余量外，要考慮備份。

高速路由器在網(wǎng)絡(luò)中通常處于核心位置，一種組網(wǎng)應(yīng)用如圖2所示，高速路由器間通過(guò)高速接口互聯(lián)。

由傳輸技術(shù)的不斷進(jìn)步所引發(fā)的帶寬革命正洶涌而來(lái)，國(guó)內(nèi)已大量部署32×10Ｇｂｉｔ／ｓ的ＤＷＤＭ傳輸系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室里單根光纖的傳輸速率已達(dá)到1000Ｇｂｉｔ／ｓ以上。寬帶接入正成為各運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的重點(diǎn)，是爭(zhēng)奪用戶的關(guān)鍵戰(zhàn)役。帶寬革命正在進(jìn)行著，它不可能停下來(lái)，甚至不可能慢下來(lái)。高速路由器也向著更高端口速率、更大吞吐量、更豐富的業(yè)務(wù)的方向演進(jìn)。目前第四代路由器已在國(guó)外初步商用，第四代路由器是多機(jī)架的，采用光背板進(jìn)行高速互聯(lián)，線路接口總?cè)萘窟_(dá)到1Ｔｂｉｔ／ｓ（1 000Ｇｂｉｔ／ｓ）以上。多個(gè)機(jī)架被當(dāng)做一臺(tái)路由器來(lái)管理，簡(jiǎn)化了管理負(fù)擔(dān)，同時(shí)節(jié)約了多個(gè)不同設(shè)備互聯(lián)時(shí)昂貴的端口開(kāi)銷(xiāo)。加拿大已有一家小公司著手研制線路接口總?cè)萘窟_(dá)1Ｐｂｉｔ／ｓ（1000Ｔｂｉｔ／ｓ）以上的路由器。可以想見(jiàn)，未來(lái)的高速路由器設(shè)備市場(chǎng)必定異彩紛呈，目前由少數(shù)幾家設(shè)備供應(yīng)商壟斷市場(chǎng)的局面將一去不復(fù)返了，這對(duì)運(yùn)營(yíng)商和用戶都是有利的。華為公司將銳意創(chuàng)新，不斷推出新的產(chǎn)品，以滿足日益增加的網(wǎng)絡(luò)帶寬和不斷涌現(xiàn)的新業(yè)務(wù)對(duì)設(shè)備的需求。

摘自《北極星電力電信網(wǎng)》

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