高速路由器技術

2019-11-03 10:13:45

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高速路由器技術<1>胡軍武摘要:社會的需求和技術的進步使Internet進入快速發展階段,并逐步成為新一代的公眾信息網。高速路由器作為數據通信網絡,尤其是ip網絡中必不可少的網絡組件,越來越受到人們的普遍重視,其性能好壞直接影響到數據通信網絡的性能。本文介紹高速路由器技術。關鍵詞:高速路由器 crossbar 路由表隊列調度傳統的路由器通常是基于總線和集中處理器結構的,其處理能力一般為幾十萬個包/秒,最大的吞吐能力約1Gbit/s左右,而未來網絡的接口速率一般為622Mbit/s、1Gbit/s、2.5Gbit/s,甚至更高的速率,傳統的路由器顯然不能適應于未來網絡發展的需要。隨著Internet骨干網上業務量的激增,對路由器的處理能力、容量提出了更高的要求,這樣必然就出現了許多新的路由器設計,這些新型路由器拋棄了傳統的總線/背板加集中處理器的結構,代之以高性能的專用或通用的交換矩陣,有些甚至直接采用了ATM交換矩陣;同時將原來集中在中央處理器的智能盡量分散至各個接口處理模塊,希望通過高速緩存和其它的路由預處理手段來加速數據包的轉發,經過一系列結構上的改進,路由器的吞吐量有了很大的提高,形成了高速路由器。1、高速路由器的概念所謂的高速路由器是指系統吞吐量在每秒數千兆比特(multi gigabits)或更高速率的高性能路由器,從外部看,它的功能實際上和傳統路由器是一致的,最主要的特征是速度快,雖然高速路由器和傳統的低速路由器并沒有一個精確的界線,但一般說來它具備以下的基本特征:1)系統需要有足夠寬的內部數據帶寬來支持各端口之間數千兆的數據流量; 2)系統應具有足夠高的數據包處理能力以達到每秒數百萬包(Mpps)的轉發能力,按Internet上數據包的平均長度1000bits計算,每一千兆的帶寬需要1Mpps的包處理和轉發能力; 3)應具有有效的QoS手段來滿足客戶在不同場合對不同服務質量的要求; 4)具有能支持多種現行協議標準和支持未來協議發展的能力如IPv6,MPLS等。高速路由器是一種新的交換機。它提供了網絡的可擴展性、簡單性和速度。它將IP路由的功能集成到硬件中去。采用分布式處理的方法,達到高速路由的目的。它能以十分之一的路由器代價取得十倍IP的性能。由于高速路由器沒有引入新的協議,因此它能方便地加入到現有的網絡中,實現與現有網絡的無縫連接。引入高速路由器的最大的好處是大大簡化了網絡的設計,顯著地降低網絡成本,使路由和交換有相同的性能,使應用系統有較好的響應速度。2、路由器的結構路由器一般由4部分組成:輸入端口、輸出端口、交換背板和路由處理器。輸入端口是物理鏈路的連接點,負責分組信號進入路由器,端口安裝在線路卡上,線路卡一般支持4、8或16個端口;交換背板連接輸入端口和輸出端口;輸出端口存儲分組信號,并將其進行排列,安排進入到輸出鏈路中;路由處理器主要執行路由協議,創建轉發表,用于包信號的轉發。為了清楚描述高速路由器的工作原理和流程,我們把路由器的功能區分為以下兩類:數據通路功能和控制功能。●數據通路功能:指路由器對每個經過路由器的數據包都進行的一系列處理和操作動作,使數據包得以正確轉發的功能。這一系列處理和操作包括:轉發判決、背板交換、隊列管理等。●控制功能:指路由器對一些非頻繁發生的事件的處理和對系統的配置和維護管理的功能,用路由協議(如RIP、OSPF等)了解網絡拓撲結構,構造和維護路由表,并將路由表信息分發給各個包轉發處理功能,一般通過軟件實現。數據通路功能可進一步描述為三個步驟:1)轉發判決:當一個IP數據包到達路由器時,路由器首先把這個數據包的頭中的目的地址提取出來,在本地的轉發表中查找這個地址所對應的出口,如果地址找到,數據包的存活時間減一,校驗包頭和重新計算。2)背板交換:數據包然后被送到交換結構,由交換結構再送到相應的輸出端口。在數據包要求交換結構服務的時候,有可能需要等待,為了避免阻塞和滿足不同數據包的QoS要求,需要等待的數據包有可能要進入不同隊列。3)輸出調度:當數據包經過交換結構到達它所需要到達的輸出端口后,等待進入輸出線路。以往的路由器基本上是按照先進先出的原則,對于高檔的路由器,也可能需要組織不同優先級的隊列,滿足不同QoS的需求。3、高速路由器的關鍵技術3.1 路由表查詢Internet上計算機的數量正處于急劇增長的階段,同時用戶對帶寬的需求又在不斷的增加,這兩個趨勢對路由器的地址查找產生了巨大的壓力。一方面,骨干網上路由器的路由表和轉發表越來越大;另一方面,為了高速度,路由器需要在越來越短的時間里完成一次轉發表的查詢。高速路由器中的地址快速查詢算法和解決方案是一個關鍵技術,從目前來講主要有以下幾種解決方案:經典的快速算法;CAM解決方案;cache方案和基于協議的解決方案。1)經典的快速查找算法:這些經典快速算法包括二分法查找算法,哈序算法,二進制搜索樹等算法。2)CAM解決方法:CAM是Content addressable memory的縮寫,即內容可尋址存儲器。3)cache解決方法:cache的方法對于企業級的路由器來說得到了很廣泛使用,但是由于核心路由器需要的轉發表非常大,一臺核心路由器可能同時有240000個不同目的地址的數據流在傳輸。因此對于核心路由器,cache只是一種輔助的方法,我們最好需要有足夠大的cache能把整個轉發表放進去,而且即使這樣,我們仍然需要快速算法。4)基于協議的解決方法:Internet主機的數量每天都在增加,帶寬的需求每天都在加大,Ipv6的地址長度增加到了128位,這只能增加地址查找的壓力。以上介紹的快速方法即便能對付現在,也不一定能應付未來。所以人們已經開始從協議本身的角度去尋求解決方案。其中之一就是MPLS規范。3.2 包過濾和分類傳統的包過濾處理一般是出于安全性和防火墻等方面的考慮,在路由器入口處設置一些過濾規則,把不安全和未通過認證的數據包丟棄。對于合法的數據包,路由器只是根據數據包的目的地址,采用盡力而為的簡單策略進行轉發。到現在,為了滿足用戶的不同服務質量要求,數據包的轉發不但要根據目的地址,還要根據不同的源地址,甚至不同的應用而實施不同的轉發策略。數據包分類的依據已經不僅僅是第三層的目的地址和源地址,而且需要用到第四、第五和以上的信息。由于這種分類常常用到第四層TCP和UDP的端口號,所以我們經常把這種具有第四層或以上分類能力的路由器和交換機稱為具有第四層交換能力的路由器和交換機。3.3 交換結構雖然計算機工業在近幾年引入了越來越高速的共享式總線:從ISA到EISA,現在的PCI。但是這仍然跟不上網絡發展的步子。首先,共享總線不可避免內部沖突;第二,共享總線的負載效應使得高速總線的設計難度太大。交換結構的引入逐步克服了共享總線的以上缺點。從技術上,目前使用較多的交換結構有共享內存和crossbar兩種。而crossbar的結構得到了更多的青睞和更廣泛的采用,其主要原因是它的簡單性。Crossbar結構可以支持高帶寬的原因主要有兩個:第一,線路卡到交換結構的物理連接現在簡化為點到點連接,這使得該連接可以運行在非常高的速率。半導體廠商目前已經可以用傳統CMOS技術制造出1Gb/s速度的點對點串行收發芯片,并且可以在今后幾年里把速度進一步提高到4～10Gb/s的水平。Crossbar可以提供高性能的第二個原因是它的結構可以支持多個連接同時以最大速度傳輸數據,這一點極大的提高了整個系統的吞吐量。只要同時閉合多個交叉節點,多個不同的端口就可以同時傳輸數據。從這個意義上,我們稱所有的crossbar在內部是無阻塞的,因為它可以支持所有端口同時以最大速率傳輸(或稱為交換)數據。數據包通過crossbar的時候,可以是以定長單元的形式(通過數據包的定長分割),也可以不進行分割直接進行變長交換。一般高性能的crossbar交換結構都采用了定長交換的方式,在數據包進入crossbar以前把它分割為固定長度的cells,等這些cells通過交換結構以后再按照原樣把它組織成原來的變長包(packet)。

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