路由技術(shù)發(fā)展展望

2019-11-05 00:20:28

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供稿：網(wǎng)友

　　隨著通信信息量的不斷增長(zhǎng)，人們對(duì)Internet的通信能力提出了較高的要求。

而路由器作為Internet通信網(wǎng)絡(luò)的樞紐和"交通警察"，其地位的作用十分重要，它的“工作能力”直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體性能，因此在整個(gè)因特網(wǎng)領(lǐng)域中，路由器技術(shù)始終處于核心地位，其發(fā)展歷程和方向，成為整個(gè)因特網(wǎng)研究的縮影，是一個(gè)國(guó)家信息領(lǐng)域的技術(shù)水平高低的重要標(biāo)志。本文將對(duì)目前的因特網(wǎng)路由技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)相應(yīng)路由器技術(shù)的研究發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)單的猜測(cè)。
　　一、路由技術(shù)的現(xiàn)狀
　　目前的路由器通常是基于總線和集中處理器結(jié)構(gòu)的，其處理能力一般為幾十萬(wàn)個(gè)包/秒，最大的吞吐能力約1Gbit/s左右。目前交換網(wǎng)絡(luò)中的路由技術(shù)有三種，其中第一種是最為保守的方法，即第三層的路由器與第二層交換機(jī)相結(jié)合的方法。第二層交換機(jī)嚴(yán)格限制于橋結(jié)構(gòu)，用于同一虛擬網(wǎng)內(nèi)的不同節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，在OSI參考模型的第二層，即數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)虛擬LAN的功能，將第三層的功能留給路由器實(shí)現(xiàn)，由路由器完成虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸與建立LAN與企業(yè)主干網(wǎng)連接的工作。
　　第二種方法采用分布式路由技術(shù)。其特點(diǎn)是它使用多層交換機(jī)，將第二層的橋與第三層的路由結(jié)合在一起，有的文獻(xiàn)也將多層交換機(jī)稱之為第三層交換機(jī)。它本身所具有的路由功能支持虛擬LAN，并支持大多數(shù)同一虛擬網(wǎng)內(nèi)或不同虛擬網(wǎng)之間節(jié)點(diǎn)的通信，減少了工作組與部門之間所使用的路由器的數(shù)目。但它仍然不能完全擺脫使用傳統(tǒng)路由器，這是因?yàn)槎鄬咏粨Q機(jī)只能提供高檔路由器所能提供的協(xié)議、安全、交通治理及與WAN連接功能的子集。如CISCO公司7000系列路由器能夠處理12種協(xié)議并支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、電路交換與信元交換的廣域網(wǎng)通信，而Alantec公司生產(chǎn)的Powerhub多層交換機(jī)卻只能處理三種協(xié)議:DECnet、ip與IPX，并且沒(méi)有WAN接口。因此，多層交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)中需要使用路由器作為廣域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，并完成較為復(fù)雜的路由功能。
　　交換網(wǎng)中的第三種路由技術(shù)則采用了一種全新的結(jié)構(gòu):路由服務(wù)器與邊界交換機(jī)相結(jié)合。我們知道，傳統(tǒng)的路由器完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)與路由選擇兩項(xiàng)工作。而基于路由服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)則由兩個(gè)獨(dú)立的設(shè)備分別完成上述兩項(xiàng)功能:邊界交換機(jī)完成信息包的轉(zhuǎn)發(fā)，而路由信息的確定由價(jià)格較為昂貴的路由服務(wù)器完成。邊界交換機(jī)只有在自己的地址表中找不到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的地址時(shí)才訪問(wèn)路由服務(wù)器，此時(shí)路由器對(duì)之響應(yīng)一個(gè)正確的地址，交換機(jī)再將該信息緩存?zhèn)溆谩Ｐ枰赋龅氖牵壳奥酚煞?wù)器與交換機(jī)之間的通信協(xié)議還不統(tǒng)一，不同廠家的產(chǎn)品還不兼容。二、路由技術(shù)的展望
　　隨著Internet骨干網(wǎng)上業(yè)務(wù)量的激增，對(duì)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(xiàn)了許多新的路由器設(shè)計(jì)，這些新型路由器拋棄了傳統(tǒng)的總線/背板加集中處理器的結(jié)構(gòu)，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(shí)將原來(lái)集中在中心處理器的智能盡量分散至各個(gè)接口處理模塊，希望通過(guò)高速緩存和其它的路由預(yù)處理手段來(lái)加速數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過(guò)一系列結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，路由器的吞吐量有了很大的提高，形成了高速路由器，高速路由器將成為下一代高速網(wǎng)絡(luò)的核心。新一代路由器發(fā)展的趨勢(shì)為：
　　1、太比特路由器
　　為滿足業(yè)務(wù)的高速增長(zhǎng)，增加網(wǎng)絡(luò)帶寬，建立性能更加優(yōu)良的IP通信網(wǎng)，人們提出了開發(fā)比吉比特路由器交換容量更大、支持業(yè)務(wù)更多、性能更完備的太比特路由器。業(yè)界很多公司投入巨資對(duì)其進(jìn)行開發(fā)。太比特路由器產(chǎn)品最大的優(yōu)點(diǎn)在于具有可升級(jí)的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的運(yùn)行治理。用戶可以先使用部分配置的底盤，提供與吉比特路由器相當(dāng)?shù)娜萘浚缓笸ㄟ^(guò)增加線卡和另外的底盤，增加路由器容量到多太比特級(jí)別。這為業(yè)務(wù)提供者帶來(lái)了兩個(gè)好處: 首先，運(yùn)營(yíng)者可以在不影響現(xiàn)有的業(yè)務(wù)、更換現(xiàn)有設(shè)備的情況下增加網(wǎng)絡(luò)容量；另外，當(dāng)增加設(shè)備時(shí)，仍然可以作為一個(gè)單獨(dú)的路由器來(lái)治理。
　　2、與MPLS技術(shù)結(jié)合
　　與MPLS技術(shù)結(jié)合高速路由器用于骨干網(wǎng)，構(gòu)成以路由器為核心的網(wǎng)絡(luò)。它替代了ATM網(wǎng)，從而免除了ATM信元開銷過(guò)大和N平方問(wèn)題，但又出現(xiàn)了控制和監(jiān)視均衡流量的困難問(wèn)題。最好的辦法是將來(lái)能夠把以路由器為核心和以ATM為核心的網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)綜合起來(lái)，消除各自的缺點(diǎn)，從而有效地控制流量，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。這樣，在出現(xiàn)擁塞和故障時(shí)，就會(huì)有良好的穩(wěn)定性和恢復(fù)能力，并且能夠?yàn)镮SP提供增值服務(wù)能力。解決上述問(wèn)題的辦法是采用MPLS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)記交換路徑(LSP)。LSP類似于ATM和幀中繼的PVC。一條LSP可以經(jīng)過(guò)一個(gè)或多個(gè)LSP節(jié)點(diǎn)，ISP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)標(biāo)記路由器(LSR)可以通過(guò)LSP，向另外一個(gè)LSR轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。邊緣LSR收到IP數(shù)據(jù)包后，再加上一個(gè)MPLS字頭，沿著LSP向另外一個(gè)LSR轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。終點(diǎn)LSR收到數(shù)據(jù)包后，除去MPLS字頭，仍按IP終點(diǎn)地址L3信息向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。由于采用ASIC硬件，其轉(zhuǎn)發(fā)速度可以和ATM的PVC一樣快。這樣，采用LSP可以和ATM網(wǎng)一樣，方便地監(jiān)視每條LSP的流量。通過(guò)設(shè)置新的LSP還可以控制和均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的流量，并且可以方便地設(shè)置備份的ISP，以保證良好的故障恢復(fù)能力。
　　3、硬件技術(shù)的成熟
　　越來(lái)越多的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能以硬件方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高速路由器將路由計(jì)算、控制等非實(shí)時(shí)任務(wù)同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等實(shí)時(shí)任務(wù)分開，由不同部分完成。前者由CPU運(yùn)行軟件來(lái)完成，后者由專門的ASIC硬件來(lái)完成。自1997年下半年以來(lái)，一些公司開始陸續(xù)推出采用專用集成電路(ASIC)進(jìn)行路由識(shí)別、計(jì)算和轉(zhuǎn)發(fā)的新型路由器，轉(zhuǎn)發(fā)器負(fù)責(zé)全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，其數(shù)據(jù)流量占整個(gè)系統(tǒng)的99%以上。這種路由器用硬件按照時(shí)鐘的節(jié)拍實(shí)現(xiàn)逐個(gè)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。其速度很快，就象導(dǎo)線傳輸一樣。目前，人們正致力于開發(fā)高速、高性能、高吞吐量、低成本的新一代路由器，以滿足網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展。新一代路由器內(nèi)部結(jié)構(gòu)所展現(xiàn)出的主要發(fā)展趨勢(shì)為：第一，越來(lái)越多的使用基于硬件的交換和分組轉(zhuǎn)發(fā)引擎。CMOS集成技術(shù)的提高使很多功能可以在專用集成電路（ASIC）芯片上實(shí)現(xiàn)，原來(lái)由軟件實(shí)現(xiàn)的功能現(xiàn)在可由硬件更快、成本更低地完成，大大提高系統(tǒng)性能。第二，向并行處理的方向發(fā)展，逐漸拋棄易造成擁塞的共享式總線，采用交換背板結(jié)構(gòu)。第三，進(jìn)一步發(fā)展在光纖連接上進(jìn)行的線速選路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)吉、太比特速率，為Internet過(guò)渡到全光基礎(chǔ)設(shè)施奠定基礎(chǔ)。
　　4、高密度接口
　　隨著業(yè)務(wù)提供者和大型ISP不斷升級(jí)骨干網(wǎng)，路由器的高速接口速率從最初的OC-12升級(jí)到OC-48，最近又掀起了向OC-192升級(jí)的浪潮。具有高速OC-192光接口的高速路由器是網(wǎng)絡(luò)向IP over DWDM結(jié)構(gòu)發(fā)展的要害。對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，高的端口密度具有重要意義。因?yàn)榇笮凸歉删W(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)一般在大城市，中心局和入網(wǎng)點(diǎn)的空間資源不但有限而且成本很高，業(yè)務(wù)提供者必須考慮節(jié)約空間，而具有高密度端口的高速路由器是解決空間壓力的一個(gè)重要舉措。
　　下一代路由器能夠提供現(xiàn)有路由器不能提供的可擴(kuò)展性和故障容錯(cuò)水平。第一代路由器使用單底盤結(jié)構(gòu)，總?cè)萘繛閹资綆装偌忍亍．?dāng)業(yè)務(wù)提供者需要增加系統(tǒng)容量時(shí)，必須建設(shè)一個(gè)路由器的網(wǎng)。這種方案增加了需治理的分離路由器的數(shù)量，不得不容忍設(shè)備間不適當(dāng)?shù)膸挘欠彩菫榈妆P互連而浪費(fèi)了端口。這是一種代價(jià)昂貴的過(guò)渡方案，端口相當(dāng)于路由器的手或腳，業(yè)務(wù)提供者需要用端口來(lái)實(shí)現(xiàn)收入。現(xiàn)在，太比特的交換矩陣正在緊鑼密鼓地開發(fā)中，相信不久的將來(lái)，擴(kuò)展性的問(wèn)題將得到改善。
　　5、光路由器的出現(xiàn)
　　光路由器為IP over Optical賦予了新的概念，IP over Optical是簡(jiǎn)化IP骨干網(wǎng)絡(luò)的良好解決方案，可以消除昂貴的SONET和ATM設(shè)備，而且極大地降低網(wǎng)絡(luò)治理的復(fù)雜性。但是高速路由器直接連接到DWDM系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)只有靜態(tài)的點(diǎn)到點(diǎn)通路，不答應(yīng)業(yè)務(wù)在不同光通路間進(jìn)行交換，這導(dǎo)致了較差的靈活性。為解決此問(wèn)題，國(guó)外很多大的運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商提出了將光交換機(jī)作為高速路由器和DWDM系統(tǒng)的中間層的概念，進(jìn)一步將選路和光交換平臺(tái)綜合成光路由器。使用IP協(xié)議，通過(guò)在不同波長(zhǎng)間交換業(yè)務(wù)，光路由器答應(yīng)動(dòng)態(tài)控制帶寬，為開展新業(yè)務(wù)提供更多的靈活性。
　　當(dāng)然，新開發(fā)的路由技術(shù)不再僅僅是為數(shù)據(jù)傳輸找到一條通道就行，還需要考慮所選路徑的傳輸容量和服務(wù)質(zhì)量，即具有QoS能力的路由算法，并且還得要分析全網(wǎng)負(fù)荷，以平衡網(wǎng)絡(luò)中各條通道的數(shù)據(jù)流量。我們可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)的路由器系統(tǒng)需要有足夠?qū)挼膬?nèi)部數(shù)據(jù)帶寬來(lái)支持各端口之間數(shù)千兆的數(shù)據(jù)流量；而且系統(tǒng)將具有足夠高的數(shù)據(jù)包處理能力以達(dá)到每秒數(shù)百萬(wàn)包(Mpps)的轉(zhuǎn)發(fā)能力,按Internet上數(shù)據(jù)包的平均長(zhǎng)度1000bits計(jì)算,每一千兆的帶寬需要1Mpps的包處理和轉(zhuǎn)發(fā)能力；同時(shí)還將具有有效的QoS手段來(lái)滿足客戶在不同場(chǎng)合對(duì)不同服務(wù)質(zhì)量的要求的能力。進(jìn)入討論組討論。

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