MPLS交換路由器的設(shè)計與實現(xiàn)

2019-11-03 10:20:34

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供稿：網(wǎng)友

周衛(wèi)華倪縣樂丁煒
（北京郵電大學(xué)培訓(xùn)中心，北京 100876）　　摘要：MPLS是目前Internet核心網(wǎng)上最看好的技術(shù)，基于Crossbar的高速交換技術(shù)的發(fā)展也很快，但是如何實現(xiàn)2種技術(shù)的有機結(jié)合以到達最優(yōu)的性能卻有一系列問題需要考慮。本文結(jié)合某MPLS路由器的設(shè)計項目，綜合考慮了當(dāng)前MPLS的標(biāo)準(zhǔn)以及有關(guān)交換結(jié)構(gòu)的最新技術(shù)，對實現(xiàn)MPLS交換路由器進行了深入研究，并詳細探討了高速接口、排隊和調(diào)度以及Crossbar等關(guān)鍵模塊的設(shè)計和實現(xiàn)方案。

　　關(guān)鍵詞：因特網(wǎng)；多協(xié)議標(biāo)簽交換；交換路由器；設(shè)計

　　Internet業(yè)務(wù)量的飛速增長以及寬帶技術(shù)的不斷出現(xiàn) ，對 Internet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及互連的核心設(shè)備路由器的性能提出更高的要求。而由IETF提出的MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換)技術(shù)以其在以下幾個方面的絕對優(yōu)勢而成為目前最為看好的核心網(wǎng)技術(shù)：能夠提供對QoS業(yè)務(wù)的靈活支持；能夠支持流量工程以提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率；能夠靈活支持將來Internet上第一大業(yè)務(wù)VPN；能夠有足夠快的轉(zhuǎn)發(fā)速率［1，2，3］。

　　高端路由器廠商Cisco、Juniper等都推出了自己的MPLS產(chǎn)品，但是并沒有公開其詳細的設(shè)計細節(jié)。我們的目的是設(shè)計一種支持多種接口和多種協(xié)議的高速交換路由器，該路由器既可以應(yīng)用于校園網(wǎng)/企業(yè)網(wǎng)的骨干，也可以應(yīng)用于大型ISP的邊緣接入。我們的設(shè)計吸取了近年來國際上對寬帶IP路由器技術(shù)前沿的研究成果，設(shè)計思想主要包括 4個方面：將路由引擎 (Routing Engine)和轉(zhuǎn)發(fā)引擎 (Forwarding Engine)分開；用快速的硬件實現(xiàn)IP分組的頭處理、路由和轉(zhuǎn)發(fā)；用多個分布式的接口單元加中央控制器的模式取代中央處理器加接口卡的模式；用交換結(jié)構(gòu) (Switch Fabric)提高各接口單元之間的數(shù)據(jù)通信速度［4，5］。

　　基于以上的設(shè)計思想，本文描述的MPLS交換路由器包括以下組件： LDP/CR-LDP、MPLS分類器、業(yè)務(wù)分類器、地址分類器、接納控制、資源管理、分組排隊和調(diào)度以及交換結(jié)構(gòu)Fabric。該MPLS路由器的模塊化設(shè)計不僅能夠提高分組轉(zhuǎn)發(fā)率，提供靈活的QoS支持、流量規(guī)劃以及故障恢復(fù)能力，還具有很好的可擴展性。

一、 MPLS基本概念及標(biāo)簽交換路由器

　　　　MPLS即多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)，是一種在開放的通信網(wǎng)上利用標(biāo)簽引導(dǎo)數(shù)據(jù)高速、高效傳輸?shù)男录夹g(shù)，它的價值在于能夠在無連接的網(wǎng)絡(luò)中引入連接模式。MPLS采用傳統(tǒng)的IP路由，但將路由與分組轉(zhuǎn)發(fā)分離開來，這使得在MPLS網(wǎng)中可以通過修正轉(zhuǎn)發(fā)方法來推動路由技術(shù)的演進。而且，網(wǎng)絡(luò)中分組的轉(zhuǎn)發(fā)基于定長標(biāo)簽，簡化了轉(zhuǎn)發(fā)機制，使得路由器容量很容易擴展到太比特級。實際上當(dāng)前推出的幾乎所有高速路由器都支持MPLS。

　　　　MPLS還是一種與鏈路層無關(guān)的技術(shù)，它同時支持FR、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保證了多種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，可以將各種不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)統(tǒng)一在同一個MPLS平臺上，最大限度地兼顧原有的各種技術(shù)，保護現(xiàn)有投資和網(wǎng)絡(luò)資源。而MPLS能夠靈活地支持流量工程、CoS、QoS和VPN的能力則是MPLS實用中最據(jù)吸引力的亮點。

1. MPLS標(biāo)簽交換過程

　　圖1所示為分組在MPLS網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)過程，主要經(jīng)過以下3個步驟：

　　　　(1)入口LSR在FIB（Forwarding Information Base）表中按照傳統(tǒng)的最長匹配算法對FEC進行查找，找到要壓入的標(biāo)簽5和相應(yīng)的出接口，然后壓入標(biāo)簽發(fā)送分組到相應(yīng)的端口；

　　　　(2)核心LSR根據(jù)標(biāo)簽棧頂層的標(biāo)簽5查找ILM（Incoming Label Map）表，找到要進行的操作為標(biāo)簽的交換，交換使用的標(biāo)簽為9，執(zhí)行標(biāo)簽交換，然后發(fā)送分組到相應(yīng)的接口；

　　　　(3)出口LSR根據(jù)ILM查找的結(jié)果進行標(biāo)簽的彈棧（POP），然后再按照第三層IP地址進行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　在拓撲驅(qū)動的模式中，F(xiàn)IB和ILM是在路由協(xié)議（BPG、OSPF或RIP）建立路由表的同時建立起來的。

　

2. MPLS路由器的結(jié)構(gòu)

　　　　MPLS路由器采用高速交換、分布式轉(zhuǎn)發(fā)和集中式管理相結(jié)合。當(dāng)前路由器設(shè)計采用的主流結(jié)構(gòu)由接口卡、交換結(jié)構(gòu)和CPU卡組成。CPU卡的主要功能是運行路由協(xié)議（BGP、OSPF或RIP）和MPLS信令（LDP/CR-LDP），負責(zé)各接口卡上的路由表、FIB表以及ILM表的更新以及同步，同時它還完成接納控制、資源管理以及某些設(shè)備管理功能。接口卡完成物理層處理、MAC層處理、IP層處理，主要包括MPLS分類、業(yè)務(wù)分類以及排隊和調(diào)度功能。

　　圖2給出的是MPLS交換路由器的概念模型，由以下主要組件組成：CR-LDP/LDP、MPLS分類器、業(yè)務(wù)分類器、地址分類器、接納控制、資源管理和隊列管理器等。各模塊主要功能如下：

　　　　LDP/CR-LD：產(chǎn)生和處理LDP/CR-LDP消息；

　　 MPLS分類器：為進入的分組分類，并為相應(yīng)的分組執(zhí)行標(biāo)簽的操作，如壓棧、彈棧和標(biāo)簽交換；

　　業(yè)務(wù)分類器：根據(jù)標(biāo)簽、入接口以及MPLS頭中的CoS對分組進行業(yè)務(wù)分類，并把分組與相應(yīng)的隊列關(guān)聯(lián)起來；

　　接納控制：檢查CR-LDP中攜帶的流量參數(shù)，并判斷該路由器是否有足夠的資源來滿足所需的QoS要求；

　　資源管理：管理資源信息以及隊列的參數(shù)，主要包括帶寬和緩存等；

　　隊列管理器：管理隊列中的分組，完成分組的調(diào)度，使其獲得相應(yīng)的服務(wù)。

　

二、標(biāo)簽交換路由器的設(shè)計

1. MPLS標(biāo)簽交換以及流量處理

　　　　MPLS標(biāo)簽交換以及流量處理主要在接口卡上完成，本節(jié)介紹接口卡詳細功能,我們在此不討論物理層和MAC層的處理。如圖3所示，當(dāng)MPLS路由器接收到一個分組后，它執(zhí)行如下的操作：

　　　　(1)MPLS分類器首先判斷接收到的分組是帶標(biāo)簽的還是不帶標(biāo)簽的。如果攜帶了標(biāo)簽，MPLS分類器就通過查詢ILM表得到相應(yīng)的標(biāo)簽，然后對分組執(zhí)行標(biāo)簽交換。如果未攜帶標(biāo)簽，則查詢FIB表，若其對應(yīng)的LSP存在，就與攜帶標(biāo)簽一樣處理。否則，分組被發(fā)送到地址分類器。

　　　　(2)地址分類器根據(jù)路由表對分組執(zhí)行第三層轉(zhuǎn)發(fā)。

　　　　(3)如果分組的下一跳就是自己，分組就被送到端口分類器中，然后根據(jù)端口號送往相應(yīng)的上層應(yīng)用處理程序，如LDP/CR-LDP、OSPF、BGP等。否則，就根據(jù)查詢的結(jié)果進入隊列管理器進行排隊，等候服務(wù)。

　　　　(4)當(dāng)業(yè)務(wù)分類器接收到來自MPLS分類器的分組后，查找ERB表得到相應(yīng)的ServiceID，ServiceID指示了分組應(yīng)該被怎么排隊。然后根據(jù)ServiceID以及輸出接口信息，分組被發(fā)送到相應(yīng)的隊列中，并得到相應(yīng)QoS的服務(wù)。來自地址分類器的分組就直接發(fā)送到相應(yīng)輸出接口的最低優(yōu)先級隊列進行排隊。

　

　　從以上分組轉(zhuǎn)發(fā)的過程我們看到，分組處理時需要以下4個表：

　　　　FIB表只有在入口LSR上保存該表，它記錄了FEC到標(biāo)簽的映射信息；

　　　　ILM表每個LSR上都保存該表，它記錄了已建立的LSP的信息，為攜帶標(biāo)簽的分組進行標(biāo)簽交換提供信息，它主要包括入/出標(biāo)簽和入/出接口；

　　　　ERB表主要維護分組的排隊信息，為不同等級的業(yè)務(wù)提供不同QoS的保證；

　　路由表與傳統(tǒng)的路由表相同，由路由協(xié)議維護，主要完成第三層轉(zhuǎn)發(fā)信息的存儲。

2. 資源預(yù)留

　　接納控制和資源管理器組件是為了實現(xiàn)資源管理而設(shè)計的。資源管理器負責(zé)為隊列管理器創(chuàng)建和維護隊列提供參數(shù)信息并且負責(zé)資源信息的管理（如資源表）。

　　圖4所示為MPLS路由器對資源預(yù)留消息的處理過程。當(dāng)LDP/CR-LDP組件接收到CR-LDP的Request消息時，它調(diào)用接納控制來檢查路由器是否有足夠的資源。如果有，接納控制模塊通過更新資源表來預(yù)留資源，然后LDP的Request消息被發(fā)送到下一個節(jié)點。

　　當(dāng)LDP/CR-LDP組件接收到CR-LDP的Mapping消息后，在ILM表中記錄標(biāo)簽和接口信息，并且在ERB中記錄CR-LSP的信息（如LSPID），產(chǎn)生ServiceID。然后，調(diào)用資源管理器修改此CR-LSP對應(yīng)隊列的參數(shù)，并且在ERB表中記錄ServiceID。最后，CR-LDP的Mapping消息被發(fā)送到上游節(jié)點。

3. 隊列管理和Crossbar調(diào)度算法

　　當(dāng)前的高速交換機和路由器采用的主流排隊方法和Crossbar調(diào)度方式有3種：輸入排隊、輸出排隊和輸入/輸出排隊（CIOQ：Combined Input-output Queued）。

　　輸入排隊實現(xiàn)簡單，存儲器讀寫速率也只需和接口線速相等，F(xiàn)abric加速比只需為1。但是，單隊列的輸入排隊會造成隊頭阻塞（HOL），使吞吐率只有58.6%［6］。由于輸出排隊受限于存儲器的讀寫速率，并且要求Fabric的加速比為N（N為端口數(shù)），所以也不適于高速的交換。本文中的設(shè)計選擇了CIOQ排隊結(jié)構(gòu)，它是一種結(jié)合輸入/輸出排隊的實現(xiàn)方法，在輸入排隊上采用VOQ方式，避免了HOL，大大提高了吞吐率，在輸出排隊上采用FIFO。如圖5所示。研究證明CIOQ的平均分組時延、分組丟失率、分組阻塞率、最大吞吐率都優(yōu)于其它的方法，并且當(dāng)Fabric加速比為4時，可以達到99%的吞吐率［5，7］。

　　由于Internet上越來越多的業(yè)務(wù)具有不同的QoS要求，因此我們在輸入排隊處采用兩級調(diào)度。去往同一端口的分組進入VOQ之前首先進入CBQ進行排隊，然后按照不同的優(yōu)先級進行調(diào)度進入VOQ。CBQ是優(yōu)先級排隊的一個變種［8，9］，該算法可以通過為某些類型的流量設(shè)置優(yōu)先級來提供公平的排隊，并且不允許某個等級的流量獨占系統(tǒng)資源和帶寬。算法通過改變CBQ的參數(shù)可以分別達到不同等級業(yè)務(wù)需要的性能［10］，比如支持DiffServ。該算法實現(xiàn)簡單并能達到滿意的效果［11］。

4. 標(biāo)簽交換路由器的實現(xiàn)

　　在本項目中，MPLS交換路由器的實現(xiàn)分為2個部分：信令和協(xié)議軟件；硬件處理芯片。其中LDP/CR -LDP、路由協(xié)議、接納控制和資源管理用軟件完成，運行在CPU卡上。目前軟件的開發(fā)已基本完成，正在進行相應(yīng)的測試工作。

　　在硬件的設(shè)計中，物理層和MAC層芯片采用成熟的產(chǎn)品，接口處理、Frbric和Crossb調(diào)度算法分別用FPGA實現(xiàn)。接口處理的功能包括MPLS分類器、業(yè)務(wù)分類器、地址分類器和隊列管理。接口的處理線速為1 Gbit/s，交換使用64 byte的定長分組。據(jù)統(tǒng)計，Internet上平均分組的長度為250 byte，因此接口需要每2 000 ns做出一次轉(zhuǎn)發(fā)決定，這個速率是很容易用當(dāng)前的FPGA來實現(xiàn)的。我們在CBQ隊列中采用4種優(yōu)先級的隊列，這樣既滿足的當(dāng)前對不同QoS優(yōu)先級的需求又減少了實現(xiàn)的復(fù)雜度。系統(tǒng)設(shè)計的Fabric支持32個端口，加速比為4。Crossbar采用成熟的SLIP調(diào)度算法［5］。

　　系統(tǒng)的設(shè)計速率充分考慮了當(dāng)前FPGA的規(guī)模和算法的復(fù)雜度，我們對此設(shè)計建立了數(shù)學(xué)模型，分析了分組的時延、分組丟失率和吞吐量等特性，得到了滿意的結(jié)果。目前正在進行FPGA后仿真和硬件調(diào)試。

三、結(jié)論

　　該項目的主要目的是設(shè)計自主知識產(chǎn)權(quán)的MPLS專用ASIC芯片組和信令軟件包，并開發(fā)出MPLS交換路由器。項目結(jié)合了MPLS最新的標(biāo)準(zhǔn)以及當(dāng)前國際上對高速交換和路由的最新理論研究成果，系統(tǒng)建模分析結(jié)果也證明了該設(shè)計具有較優(yōu)的性能。目前項目已經(jīng)進入調(diào)試階段，一切進展順利。

摘自《北極星電力電信網(wǎng)》

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