運營級路由器技術及產品綜述

2019-11-03 10:17:27

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中國網絡通信有限公司楊志偉林錚傳統電信網將向基于ip的提供綜合多業務的下一代網絡演進, 路由器作為IP網絡的基本組成部分，直接決定IP網絡提供業務的能力，是下一代網絡的核心部件。
　　以應用范圍分，路由器可分為企業級路由器和運營級路由器。企業級路由器主要完成企業內部網互聯功能，主要作用就是連接企業內多個局域網和企業網接入Internet，其任務比較簡單，主要就是轉發報文，對安全性、可靠性、轉發性能、業務生成能力等方面要求都不是很高。
　　運營級路由器，作為新一代電信網絡的基礎部件，需要滿足電信業務所提出的嚴格要求。這是路由器技術和產品不斷發展的重點和難點。本文主要對當前承擔電信網運營的路由器所應具有的能力、及主要產品特點做一描述。

一、運營級路由器發展歷程
　　路由器是完成網絡在IP層互連的設備。IP報文從源頭主機發出，進入相連路由器，路由器根據IP報文的目的地址查找路由表，得到至目的地所要經過的下一跳路由器，完成必要處理后通過相應接口將報文發往該路由器，沿途各路由器逐一進行這一過程，將報文送達最終目的地。路由可以通過管理人員手工配置，或由網內各路由器通過動態路由協議相互學習得到。
　　傳統路由器采用集中處理、軟件轉發的方式。一個CPU完成路由計算、查表轉發及用戶配置處理等所有功能，軟件集中處理能力明顯有限，連接多個板卡的數據總線也很可能成為瓶頸，這一切都造成傳統路由器的轉發性能很難有大的提高。同時，網絡規模進一步增大，需要路由器支持更多數量端口，然而一般路由器只支持10個端口，即使大型路由器也只能支持50個端口。這些不足將使路由器成為網絡的瓶頸，阻礙了Internet的進一步發展。
　　在集中處理難以滿足要求的情況下，路由器的體系結構逐步向分布式發展。Cisco推出的7500系列路由器首次采用分布式處理結構，成為數據通信發展過程中的經典產品。該系列路由器在接口板上配置了高速CPU，由每個接口板自行負責對輸入/輸出的報文的處理，而不必送到一個主板上統一處理，接口板之間通過高速PCI總線連接，顯然這使得報文轉發能力和系統總容量都以接口板的數目為倍數增加。這使路由器應用于電信網初步成為可能。
　　1997年以來Cisco又推出了12000系列為代表的千兆比特高速交換路由器（GSR）。其關鍵改進在于：采用專用ASIC芯片實現對報文硬件處理，實現線速轉發，板間通信采用交換結構，使系統吞吐量可隨鏈路板數量增加而線性增加。
　　傳統路由器以存儲轉發為特征，被認為具有低速、無保證、高時延、大抖動等缺點，只能用于要求不高的業務。高速交換路由器的出現使路由器的能力得到質的飛躍，組網能力和性能完全能夠滿足電信業務的需要。同時與其一同出現的ASIC技術，也逐漸被應用在相對低檔的路由器，使路由器乃至IP網絡的整體水平得到全面提高，再加IP本身開放、靈活、高效等特點，使IP成為三網合一的平臺的最佳選擇。

二、運營級路由器的主要特點
　　傳統路由器主要實現計算機的聯網，完成數據通信功能。Internet基本是無管理、非盈利的，對網絡質量也沒有任何承諾，對可用性、丟包率、誤碼率都沒有什么要求，用戶只能接受網絡時斷時續、速度時快時慢的現實。隨著網絡業務的發展，IP電信網絡除了數據通信以外，還將承載話音、多媒體等各種業務，正成為網絡運營商收入的重要來源，如果達不到質量要求或不能滿足用戶需求，就會缺乏起碼的競爭力，難以繼續存在下去。這相應地對路由器提出了高的要求。
　　IP網絡是分層次的，可大致分為核心（骨干）層和邊緣層，相應的路由器也可分為核心（骨干）路由器和邊緣路由器，二者地位不同，作用也不一樣，但在滿足電信運營要求上有一些共同特點：
　　●線速轉發。轉發性能是運營級路由器的最重要指標。電信網絡的業務量巨大，路由器一般通過光纖與其它設備連接，隨著光纖技術的發展，傳輸帶寬已經很寬，路由器如果不能同步發展，則會成為整個網絡帶寬的瓶頸。因此運營級路由器必須做到線速轉發，保證電信網絡業務可持續發展。
　　●完善的管理控制手段。與傳統Internet不同，電信網必須是一個可以嚴格管理控制的網絡，使網絡能充分實現運營商的各種意圖。運營級路由器最起碼要支持SNMP網管協議，并能通過SNMP接受和提供各種標準的管理信息庫(MIB)。同時，最好應能支持通用策略配置(COPS)，以方便QoS和安全策略等在全網統一協調配置。還應支持資源預留協議RSVP及MPLS的受限標簽分配協議（CR-LDP），以實現網絡面向連接的功能。
　　●高可靠性。電信網絡是面向運營商要收取用戶費用的，穩定可靠是基本要求。為做到這一點，首先要求廠家對所開發產品進行大量嚴格測試，或產品有較多網絡運行經驗經受足夠考驗。同時還要支持熱備份和熱插拔，盡量保證發生各種情況都不中斷系統運行或最快恢復。
　　●運營級的路由能力。設備需要支持各種流行的路由協議，如RIP、OSPF、ISIS、BGP等，以及各種組播協議。作為服務提供者，對其BGP功能要求很強，BGP Peer應在百數量級上，路由表應足夠大，至少支持10萬條，高的可達上百萬條，BGP路由處理能力應達到3000條/秒。這樣才能滿足電信運營的要求。
　　●良好的QoS支持，提供有區別的服務。IP電信網是三網合一的平臺，承載數據業務的同時還要支持語音和視頻的業務，這些都對時延、抖動等指標有很高的要求。這就需要網絡能提供有區別的服務，對服務質量要求高的業務優先提供服務，同時收取相應費用，這樣就滿足了業務要求，同時實現了網絡的增值。這就要路由器能提供高性能的線速的流分類，對業務流進行區分。同時，要有足夠多的隊列等資源，以對不同的流進行相應的處理。
　　●良好的安全保障。設備需要具備安全保護功能，應該保護服務器或自身不受黑客攻擊，如Dos（阻絕服務）攻擊、Ping of Death（死亡之Ping）攻擊，并對一些地址進行過濾。

三、邊緣路由器的特點和產品
　　邊緣路由器，在運營商網絡邊緣，主要任務是為運營商接入用戶，向用戶提供業務。
　　傳統Internet是完全開放的，對接入網絡的用戶一律平等相待，基本沒有管理可言，也沒有區分服務，當然也就談不上業務的多樣性。
　　當前，IP網絡規模帶寬不斷擴大，但如果只提供Internet接入服務，完成數據傳輸功能，難以創造較高的價值。要想使建成的先進的網絡帶來相應可觀的利潤，必須提供多種多樣的業務，使網絡得到增值。
　　提供多層次、個性化的業務是下一代網絡的重要特點，也是運營商利益所在。邊緣路由器是運營商與用戶直接的連接點，是提供業務的關鍵。邊緣路由器所起到的核心作用是管理用戶，并對進入網絡的流量進行有效區分，在這基礎上根據靜態或動態配置的策略對流量進行相應處理，從而使用戶感受到其所希望得到的服務。面臨這些要求，運營級邊緣路由器正不斷向智能化方向發展，除了運營級路由器都應具有的線速轉發、高可靠性、可擴展性、強大的路由處理能力等共性外，還有一些自身的個性：
　　1．強大的用戶管理和匯聚功能
　　邊緣路由器負責對用戶流量匯聚，需要支持各種寬帶接入方式，包括快速以太網、千兆以太網、xDSL、Cable、固定和移動無線接入等。同時，它需要有盡可能高的端口密度，要能滿足同時大量用戶的接入。它還要能與相應的服務器配合，完成用戶的認證、鑒權、計費（AAA）等功能，保證網絡的安全性和能收取提供業務的相應費用。
　　2．多樣的業務提供能力
　　與網絡分層模型相同，業務的提供也是多層次的。路由器作為IP層設備，負責生成和提供IP層業務，其所提供業務也是各種應用層業務的基礎。IP層業務主要包括：多播、帶寬管理、流分類、防火墻、QoS、動態策略管理、虛擬路由、MPLS等。
　　這些功能應在一個設備中完成，以降低成本。要實現這些功能，路由器需要實現多播路由協議、MPLS協議等，同時必須有強大的ASIC芯片作為實現這些功能的基礎。網絡以這些功能為基礎可以在應用層面上提供VOD、話音、帶寬批發、VPN等各種高增值業務。
　　其中，QoS是實現的難點，邊緣路由器的QoS需要強大而高速的流分類的支持，需要提供CAR功能限制用戶輸入流量，通過使用COPS協議進行動態的策略配置，使路由器能針對業務在不同時間的不同需求，根據不同策略保證服務質量。
　　基于上述考慮，設備廠商對邊緣路由器的研發應重視提供豐富的功能。路由器領域以Cisco為主流，其推出的產品種類繁多，各有針對性，它推出了針對IDC、VPN應用及寬帶綜合接入等多款邊緣路由器。美國的Unisphere、Redback等公司比較專業化，以邊緣路由器為產品重點，致力于增強產品的可靠性和智能化，它們都已推出各自面向電信運營商的產品。
　　
四、核心路由器特點及產品
　　核心路由器位于骨干網和城域網核心，功能比較單一，主要就是完成IP報文的交換轉發。對它的要求，也就相對單純，除了前面提到的運營級路由器的共同要求外，最重要的就是要提供足夠的數據吞吐量和高速的端口，以滿足在核心大數據量交換需要。其整機交換容量一般應在40Gbit/s以上。端口類型不需要很豐富，一般需要有POS口、ATM口、10M/100M快速以太網口（FE）、千兆以太網口（GE）等。單個端口速率很大程度上標志了核心路由器的水平，至少應支持2.5Gbit/s，目前已有不少路由器能夠支持10Gbit/s端口。今后骨干網組網的發展方向是通過IP over DWDM等方式，高速端口直接通過光層互連，實現IP+Optical策略。同時，核心路由器要支持MPLS，通過MPLS實現對各種業務流的透明承載，并要能夠利用MPLS實現流量工程，通過合理調度流量實現網絡優化。
　　核心路由器，以Cisco的12000系列為代表，12000系列包括12008、12010、12016、12406、12410、12416等幾個系列，系統容量從40Gbit/s直到320Gbit/s，一般都支持POS、ATM、GE、FE等端口，接口速率從OC-3至OC-48，較近推出的124XX系列支持OC-192的10Gbit/s 接口。
　　Juniper是致力于高速核心路由器開發的廠商。1998年9月它推出商用的高速交換路由器M40，M40采用基于ASIC的包處理器，其整機容量為40Mpps，8個物理接口卡集線器板可支持OC-48、OC-12、OC-3、DS-3速率在內的混合接口。2000年3月Juniper又推出新的M160高速交換路由器，線速選路性能達到16個OC-192／STM-64或64個OC-48／STM-16。
　　面對高速交換路由器產品的快速發展勢頭，國內以“巨大中華”為代表的主要通信廠商也不甘落后，大力投入開發，紛紛推出自己的高速交換路由器產品。
　　巨龍、大唐的研制產品應用于國家高速信息示范網。中興通訊近期推出ZXR10系列電信級線速路由器。華為繼推出NetEngine系列高端路由器以來，去年最新推出了NetEngine80核心路由器，達到80Gbit/s交換容量。國內廠商在核心路由器的整體突破正在逐漸形成。
　　核心路由器的整機容量和端口速度還在不斷發展中。目前已有多個廠家研制推出了T級的高速交換路由器，其最高速端口目前一般都可達到OC-192，還將會達到OC-768，整機容量達到幾千Gbit/s。這些T級路由器，一般采用多級交換方式通過多個交換網板級聯可以使整機容量達到T級。
　　多家廠商還推出了光路由器。現在的光連接設備，基本是靜態的交叉連接，無法根據需要調整光的流向，不能動態適應網絡的變化。而電路由器的容量難以無限增大而可能成為瓶頸，希望能有更強大的交換設備形成網絡的核心。
　　光路由器正是為了能更動態更靈活地調整光的路由而設計的。它的控制是由電子器件完成的，而轉發交換是全光的。光路由器通過擴展的路由協議和MPLS標簽分配協議，將光波長作為控制和分配的資源單位，可以動態分配帶寬并建立光傳輸通路。這大大增強了光網的拓撲互聯能力，擴展了核心網的組網方式，促進了全光網絡的發展。

四、路由器在新一代開放電信基礎設施中的應用
　　目前，國際國內各主要電信運營商普遍采用路由器建設面向IP優化的寬帶網絡。
　　其中，中國網通公司在不到一年的時間內利用高速交換路由器加上DWDM的方式組建了全國骨干網CNCNet。CNCnet是基于IP技術的高速寬帶網，采用目前世界上先進的密集波分復用（DWDM）光纖通信技術與高速交換路由器千兆路由交換技術是我國第一個將這兩種先進技術相結合組建的大型高速寬帶網絡。網絡對外具有開放的、靈活的多種類型接口，便于各類高速接入網及寬帶專線用戶的連接，是新一代全光純IP優化高速寬帶骨干網絡，可提供高速、大信息量的信息疏通與轉接。
　　2000年10月CNCnet一期工程完工，建成了連接17個城市，總長8490公里寬帶IP骨干網CNCnet,速率達40Gbit/s (16×2.5Gbit/s)，投入商業運行。這是世界上采用第一個IP over DWDM技術的商業網。網絡充分利用了高速交換路由器的強大功能，體現了其在新一代網絡中的核心作用。
　　此后，網通又大力進行寬帶城域網建設，將路由器通過直連光纖或綜合傳輸設備互聯，作為主要組網方式，網絡結構簡單，使網絡建設成本大大降低，同時形成開放的綜合業務承載平臺。
當前，各大運營商都加強寬帶接入和城域網的建設，這使得網絡帶寬得到很大擴展，基本消除了寬帶網的瓶頸。但是，往往業務的發展不能完全跟上網絡建設，不少網絡主要業務還只是Internet接入，熱建冷用的現象比較突出。網通在網絡建設之前就充分考慮到運營創收的問題，運營中注重業務產品的開發，充分發揮運營級路由器的各項先進功能，并結合Softswitch等下一代網絡的關鍵設備，致力于在統一的IP平臺上實現多業務融合，已經開發并提供了MPLS VPN、寬帶IP電話、帶寬批發、IDC等一系列產品，較好地發揮了網絡效能，并且逐漸形成了下一代網絡的雛形。

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