路由器沿著提速道路跑

2019-11-03 10:17:14

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供稿：網友

陳艷　　路由器技術是融合現代通信技術、計算機技術、網絡技術、微電子芯片技術、大規模集成電路技術，光電子技術及光通信技術的核心技術，目前已出現了千兆位交換路由器(GSR─Gigabit Switch Router)和太位交換路由器(TSR)，這些路由器的光接口速度已達到10Gbps。

　　硬件革命推動著高速路由器向更高的性能發展。在Internet上，ip是網絡的語言，路由器是網絡的發動引擎，負責把網上業務分段傳送到目的地。路由器的核心是背板設備。隨著Internet的不斷發展，原有路由器所用的共享式背板20Gbps的帶寬已經無法滿足網絡的需求，新的高容量的背板結構不斷涌現，像采用縱橫制交換器的交換式背板、三維交換矩陣結構的交換式背板和基于光纖的分布交換矩陣等，其中最大的分布交換矩陣能提供上百太比特的容量。

　　新一代路由器普遍采用交換方法來充分利用公共通信鏈路設備，不但有效地提高了整個鏈路的利用率，其交換還為各結點間通信的并行傳輸提供了可能性，這類路由器也就是具有交換功能的路由器。一個性能和功能優秀的路由器，不但要有科學的路由計算法則，有足夠的傳輸帶寬和高速率，還要有較強的信息流量控制能力。

　　目前，路由器主要有三種發展趨勢：一是越來越多的功能以硬件方式來實現，具體表現為ASIC芯片使用得越來越廣泛；二是放棄使用共享總線，而使用交換背板，即開始普遍采用交換式路由技術；三是并行處理技術在路由器中運行，極大地提高了路由器的路由處理能力和速度。

　　六代路由器

　　1.單總線單CPU結構路由器

　　最初路由器采用了傳統計算機體系結構，包括共享中央總線、中央CPU、內存及掛在共享總線上的多個網絡物理接口。如Cisco2501路由器就是第一代路由器的典型代表，其中CPU是Motorola的68302 處理器，具有一個AUI以太網接口和兩個廣域網接口。中央CPU完成除所有物理接口之外的其他所有功能，數據包從一個物理接口接收進來，經總線送到中央CPU 中做轉發決定處理，然后經總線送到另一個物理接口發送出去。優點是系統價格低，目前使用的邊緣路由器基本上都采用這種結構。缺點一是處理速度慢，一個CPU完成所有的任務，從而限制了系統的吞吐量；二是系統容錯性差，CPU若出現故障易導致系統完全癱瘓。

　　2.單總線主從CPU結構路由器

　　采用主從兩個CPU 代替了原來僅一個CPU結構，因而較大地降低了CPU的負荷，提高了處理速度。第二代路由器的兩個CPU為非對稱主從式關系結構，其中一個CPU負責通信鏈路層的協議處理，另一個CPU則作為主CPU負責網絡層以上的處理，主要包括轉發決定、路由算法和配置控制等計算工作。第二代體系結構的典型產品是3Com 公司的NetBuilder2路由器等。

　　3.單總線對稱式多CPU結構路由器

　　改善了在第二代體系結構中主要限制，因為它采用簡單的并行處理技術，即做到在每個接口處都有一個獨立CPU，專門單獨負責接收和發送本接口數據包，管理接收發送隊列、查詢路由表做到出轉發決定等。而主控CPU僅完成路由器配置控制管理等非實時功能。優點是本地轉發/過濾數據包的決定由每個接口的專用CPU來完成，對數據包的處理被分散到每塊接口卡上。其典型產品是北電的Bay BCN系列，其中大部分接口CPU采用的是性能并不算高的Motorola 60MHz的MC68060或33MHz的MC68040。

　　4.多總線多CPU結構路由器

　　至少包括三類以上的總線和三類以上的CPU。顯然，這種路由器的結構非常復雜，性能和功能也非常強大。這完全可以從該類路由器的典型之作Cisco7000系列中看出。在Cisco7000中共有3類CPU和3條總線，分別是接口CPU、交換CPU、路由CPU和CxBUS、dBUS、SxBUS。

　　5.共享內存式結構路由器

　　在共享存儲器結構路由器中，使用了大量高速RAM來存儲輸入數據，并可實現向輸出端的轉發。在這種體系結構中，由于數據首先從輸入端口存入共享存儲器，共享存儲器結構路由器的交換帶寬主要由存儲器的帶寬決定。為了提高帶寬，必須增大存儲器的帶寬，并采用較多存儲模塊。顯然，當規模較小時，這類結構還較易實現，但當系統升級擴展時，設備所需的連線將會大量增加，控制也會變得越來越復雜。這種結構不適應向更高水平的發展。

　　6.交叉開關體系結構路由器

　　與共享內存式結構路由器相比，基于交叉開關設計則有更好的可擴展性能，且省去了控制大量存儲模塊的復雜性和高成本。在交叉開關體系結構路由器中，數據直接從輸入端經過交叉開關流向輸出端。它采用交叉開關結構替代共享總線，這樣就允許多個數據包同時通過不同的線路進行傳送，從而極大地提高了系統的吞吐量，使得系統性能得到了顯著提高。系統的最終交換帶寬僅取決于中央交叉陣列和各模塊的能力，而不是取決于互連線自身。目前，這種方案是高速核心路由器的最佳方案。

　　3種新技術

　　實際上，IP路由器速度的快速提高，還歸功于采用了以下3種新技術：

　　1.硬件體系結構

　　到現在，高速IP路由器多借鑒ATM方法，采用交叉開關方式實現各端口之間的線速無阻塞互連。高速交叉開關技術已十分成熟，在 ATM交換機和高速并行計算機中廣泛應用，市場上可直接買到高速交叉開關速率就高達50Gbps的設備。

　　HyperChip公司Petabit路由器

　　2. ASIC技術

　　由于生產廠商需要降低成本，ASIC技術在路由器中得到了越來越廣泛的應用。在路由器中，要極大地提高速度，首先想到的是ASIC，有的用ASIC做包轉發，有的用ASIC查路由，且已有專門用來查找IPv4路由的ASIC芯片商用。一般來說，ASIC只用于已完全標準化的處理，而網絡的結構和協議變化頻繁，因此相應地在網絡設備這一領域，出現了“可編程ASIC”。目前，有兩種類型的“可編程ASIC”，一種是以3Com公司為主的FIRE( Flexible Intelligent Routing Engine)芯片為代表；另一種是以Vertex Networks的HISC 專用芯片為代表，這顆芯片是一顆專門為通信協議處理而設計的CPU，通過改寫微碼，可使這顆專用芯片具有同協議的能力。

　　3.三層交換

　　這是協議處理過程的一次革命性突破，也是現在GSR和 TSR名稱的來源。自從Ipsilon在1994年推出一次路由再交換IP Switching技術之后，各大公司紛紛推出了各自專有的三層交換技術，在綜合所有三層交換技術優勢之后，IETF終于在1998年推出了性能優越的多協議標記交換(MPLS)。與“一次路由再交換”技術相比，MPLS是從多網絡結構這一更高層次來考慮三層交換技術，力圖一舉解決三層交換網絡流量管理問題。

　　新型路由器

　　1.太比特路由器

　　太比特路由器產品最大的優點在于具有可升級的結構和簡單的運行管理。用戶可先使用部分配置的底盤，提供與吉比特路由器相當的容量，然后通過增加線卡和另外的底盤，增加路由器容量到多太比特級別。其優勢在于：一是運營者可在不影響現有業務、更換現有設備的情況下增加網絡容量；二是當增加設備時，仍可作為一個單獨的路由器予以管理。

　　雖然目前太比特路由器發展很快，但最近幾年，吉比特路由器仍是高速路由器市場的主流。據美國IDC咨詢公司預測，到2003年，全球市場將有吉比特路由器6500臺，價值超過9億美元。相比之下，太比特路由器只有600臺。實際上，目前市場對太比特級路由器的需求還很小。

　　2.光路由器

　　眾所周知，IP Over Optical是簡化IP骨干網絡的良好解決方案，可以消除昂貴的SONET和ATM設備，而且極大地降低網絡管理的復雜性。但是高速路由器直接連接到DWDM系統時，網絡只有靜態的點到點通路，不允許業務在不同光通路間進行交換，這導致該路由器較差的靈活性。為解決該問題，國外很多大的運營商和設備供應商提出了將光交換機作為高速路由器和DWDM系統的中間層的概念，進一步將選路和光交換平臺綜合成光路由器。使用IP協議，通過在不同波長間交換業務，光路由器允許動態控制帶寬，為開展新業務提供更多的靈活性。

　　3. Petabit路由器

　　雖然大多數業內專家分析認為，目前的網絡資源沒有緊張到大規模使用太比特路由器的階段，但不可否認，一些廠商已經在致力于更高容量、更高性能的Petabit路由器的研發工作。加拿大HyperChip公司曾展示了一款具有Pbps(10的15次方) 級處理能力的超高速路由器“PetabitRouter”。該處理器能夠線速處理 65336 個10Gbps的OC-192接口，共可實現1.3Pbps的處理能力。

　　明天更輝煌

　　目前，業界科研人員正致力于開發高速、高性能、高吞吐量、低成本的新一代路由器，以滿足人們對網絡不斷發展的需要。新一代路由器內部結構所展現出的主要發展趨勢為：第一，越來越多地使用基于硬件的交換和分組轉發引擎，CMOS集成技術的提高使很多功能可以在專用集成電路(ASIC)芯片上實現，原來由軟件實現的功能現在可由硬件更快、成本更低地完成，大大提高了系統性能；第二，向并行處理的方向發展，逐漸拋棄易造成擁塞的共享式總線，采用交換背板結構；第三，進一步發展在光纖連接上進行的線速選路技術，實現吉、太比特速率，為Internet過渡到全光基礎設施奠定基礎。

摘自《中國計算機報》

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