掃描核心路由器技術發展

2019-11-05 00:21:11

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供稿：網友

　　如今，越來越多的人開始使用ip網，而又有多少人知道什么才是連接IP網絡的核心設備呢？

　　當IP與ATM之爭已見分曉之后，路由器這一網絡層數據包轉發設備的作用和發展方向也被更加明確地定義出來。可以預見，在不久的將來，IP網絡中的路由器就會像傳統電信網中的核心元素——電話交換機一樣，成為未來電信網絡中的核心部件。
　　高速化和智能化，無疑已經成為下一代路由器的目標，未來的核心路由器也將會擁有更多的先進技術：混合式輸入輸出的體系結構、分布式隊列調度機制、并行式輸入調度技術、高速的分組轉發……
　　核心路由器位于網絡的中心，由高端路由器擔當。核心路由器要求具備快速的包交換能力與高速的網絡接口，一般都是模塊化結構。對于核心路由器應該具有多大的背板交換能力，各廠商的界定并不完全統一，但通常認為應當大于40Gbps。
　　對于交換機和路由器這兩種設備的主要區別，以往是根據其所側重的功能來劃分的，前者主要是實現良好的轉發功能，而后者則通過豐富的軟件功能來體現對網絡的控制特性。
　　隨著技術的發展，各廠商紛紛在交換機產品中加進路由功能，同時還強調路由器要能夠集合帶寬并加大業務吞吐量。
　　今天，對于核心路由器產品，除了其原有的功能外，還要強調高速交換能力，目的何在？這樣做對于全網性能的提升又具有什么意義？
　　ASIC取代通用CPU
　　隨著全球Internet用戶數量和Web站點數量的急劇增長，市場對帶寬的需求也迅速增加。而隨著xDSL、HFC和無線接入等多樣化的寬帶接入技術的出現，以及視頻點播、電子商務等多樣化網絡應用的出現，市場對Internet提出了更高的要求，其中最重要的就是服務質量保證。
　　服務質量的保證通常有兩種途徑:在有限的網絡帶寬基礎上采用先進的QoS保證機制，或是提供足夠的網絡帶寬。但無論采用哪種途徑，都會涉及到網絡終端、網絡鏈路和網絡連接點。
　　目前，由于DWDM技術的出現，使網絡鏈路的帶寬得到了成倍的增加。同時，網絡終端設備的處理能力也基本能夠滿足各種新應用的需求。這時，網絡的連接點，尤其是核心路由器的速度卻跟不上鏈路帶寬的飛速增長，成為了網絡發展的瓶頸；同時，路由器是IP網的核心組件，因此需要有更高的智能性以提高全網的性能。
　　一直以來，路由器的發展沿著兩條主線并行前進: 一方面，隨著軟、硬件技術的不斷發展，路由器從原來通過軟件存儲轉發的單純數據通信設備發展到分布式硬件線速轉發無阻塞交換的電信級設備；另一方面，隨著傳輸技術的日新月異，其采用的傳輸方式也從傳統的串口、以太網接口，發展到IP Over ATM、IP Over SDH直到目前最新的IP Over DWDM，通信能力不斷邁向新的量級。
　　未來電信網絡中的路由器已不再是簡單地完成包轉發功能，它有能力解決網絡擁塞、時延和服務質量問題以及與傳統電信網絡之間的無縫連接和業務綜合。
　　實際上，路由器的路由引擎已由過去的單純軟件實現轉向由硬件ASIC（application-Specific Integrated Circuits）實現，進而成為有交換功能的高速交換路由器。
　　ASIC是專用的集成電路，是由通信廠商根據實際需要，采用相應集成電路設計工具進行設計，設計完成并驗證后，交由專業芯片生產廠家批量生產的。這樣做，可以根據特定應用進行專門優化，批量生產后還可以降低成本。但ASIC生產使用后不能有任何修改，不夠靈活，難以適應不斷出現的各種需求。
　　目前，網絡處理器逐漸被越來越多地采用。網絡處理器由專業芯片廠商設計生產，屬于通用芯片，它內部有多個處理器，可以實現多處理器多線程的并行處理，同時還有功能強大的協處理器，可完成如查表等標準化且耗時的功能。它提供一個精簡指令集，設備制造者可以通過微碼編程實現各種協議和業務。這樣，可以通過修改微碼升級軟件快速滿足各種變化和發展都很快的業務的需要，而不用更改替換任何硬件。
　　ASIC處理器是實現核心路由器系統先進性能的核心，其可編程性及路由與轉發的一致性是最突出的技術亮點。通過ASIC與路由軟件的組合，使核心路由器在IP骨干網中將路由器與交換機的性能進行了很好的對接和結合。
　　高速交換背后的幾項突破
　　核心路由器作為IP網的核心設備，在性能及穩定性上有很高的要求。這些要求通過幾項要害技術的突破得以實現。
　　目前，千兆位交換路由器（GSR，Gigabit Switch Router）和太位交換路由器（TSR，Terabit Switch Router）已經出現，這些路由器的光接口速度已達到10Gbps。GSR采用分布交換式體系結構，通過分布式處理結構保證單板處理性能，并通過無阻塞交換成倍提高整機吞吐量。在GSR系統中一般包括：路由處理板、線路板、交換網板。GSR拋棄了傳統的共享總線方式，采用交換方式，每個線路板都連在交換網板的一個端口上，各板間進行點到點通信，不相互干擾，實現了無阻塞交換，充分保證了整機的吞吐量。
　　硬件技術的突破，為高速轉發創造了條件。過去認為，IP地址查找路由表采用的最大匹配方式，不如ATM的vpi/vci那樣定長查找速度快，再加上對IP報文的封裝、解封裝、校驗和計算、報文分段重組等工作，使轉發難以達到很高線速。但隨著硬件技術的發展，依靠芯片性能的提高和并行處理技術，高性能芯片對IP報文的轉發處理能力已完全能夠滿足目前最高速端口的線速要求。
對ASIC技術的普遍采用，既充分利用了硬件的高性能，又保證了靈活性。
　　GSR位于骨干網，流量匯集于此，對帶寬需求巨大。雖然目前帶寬資源相對豐富，但骨干網長途線路資源仍然十分寶貴和有限，因此必須優化配置以充分有效地利用現有資源。其要害是通過路由器合理選擇轉發路徑，使流量在網內均勻分布，這就是流量工程。目前普遍使用的動態路由協議，只能根據線路的靜態的優先級選擇路由，難以適應網絡上不斷變化的流量分布情況，很可能造成某處擁塞、某處閑置的情況。為避免以上現象就需要有相應的技術手段，根據網絡狀況通過人工或自動的方式引導流量，目前普遍采用的就是MPLS技術。
　　
　　
　　MPLS技術的目的是建立從源到目的IP地址的連接——LSP，報文進入LSP后通過標簽交換到達目的地。它原本是為了支持IP Over ATM，實現二者的無縫融合而提出的，現在已被認為是IP組網的重要手段。對于路由器來說，本想利用MPLS標簽交換定長查找的特點，提高轉發性能，但如前面所說，IP地址查表能力已經能夠充分滿足需要，現在更看重的是MPLS提供的面向連接的方式和多層標簽棧所帶來的靈活性。
　　IP網絡是采用“非實時的存儲轉發”機制和“盡力傳送”機制的分組交換系統。早期的路由器以“盡力傳送”機制選擇最短路徑來轉發數據分組，使得兩個節點間最短路徑上的路由器和鏈路可能發生擁塞，而在較長路徑上的路由器和鏈路則空閑著。這種運行機制在傳送實時媒體信息時，難以保證相應的業務質量（QoS）。為了承載語音、圖像等實時業務，并提供不同等級服務實現增值，需要針對不同的服務等級保證不同的質量。
　　QoS被分為Interserv和Diffserv兩種模型，Interserv保證端到端的服務質量，即在業務流途經的每一節點為業務單獨保證所需服務質量。通過GSR的業務流數量極其龐大，不可能每個都單獨保證，所以一般采用Diffserv模型，將業務分為有限幾類，對屬于同一級別的所有業務都給以同等待遇。典型的業務類型有：EF業務，保證帶寬、時延和抖動，用于實時的業務；AF業務，保證帶寬，用于需要保證帶寬的數據業務；BE業務，盡力轉發，用于一般業務。
　　網絡核心需要超高性能
　　Internet正在向太比特時代發展，核心路由器由此也向著超高性能邁進。隨著IP網與光網更緊密地結合，開發研制大容量、高速率的電信級、可治理、可運營的交換路由器，已經成為電信設備制造商競爭的新一輪焦點。
　　計算機、微電子、光電子和光傳輸技術的不斷進步，使太比特高性能網絡具備了發展的良好基礎。當Internet日益成為國家信息基礎設施的重要組成部分時，高性能計算機網絡技術的研究、建設，為Internet的發展和應用提出了下一步的目標。
　　由于光通信技術的發展和用戶帶寬需求量的增加，多種業務在多個層次進行復用。由此，網絡開銷增加、治理復雜、難以滿足用戶要求等現象不斷出現。例如，要實現IP/ATM/Optical的組網方式或IP/SONET/Optical的組網方式，就需要設置IP網絡設備、ATM網絡設備、SDH網絡設備和光網絡設備等。
　　人們希望，新一代Internet技術只需部署IP設備和必要的光設備、高速路由器就可直接進入國家骨干網，成為國家核心網。這意味著，IP網的協議能夠與光網絡很好地結合，由原來的SDH/SONET到主要支持IP。為了達到這一點，核心路由器需要具備新的光接口、新的網絡控制協議等。
　　另外，IP技術本身的發展也推動著網絡核心連接設備向超高性能發展。
　　目前，建設高速網絡主要采用IP/SDH（SONET）/DWDM的技術結構。由于省去了ATM層，網絡效率得到了顯著提升。
　　IP/DWDM的結構是迄今為止協議層最少、效率最高的，它有兩種主要的實現方式：一種是大容量IP路由器直接作為骨干網核心節點，其輸入輸出接口采用DWDM技術；另一種是IP路由器和波長路由器有機地融合為一個路由交換系統，兩者通過OC-192接口相連。
　　超高性能的核心路由器一般采用分布方式實現數據通路的功能。處理器只負責控制通路處理，將中低端路由器中用CPU實現的數據通路功能轉移到各網絡接口卡上或功能部件上。高端路由器接口邏輯上由網絡處理器和網絡接口組成。網絡處理器則可以采用商用網絡處理器或專門設計的網絡處理器。
　　交換網絡是超高性能核心路由器的要害所在，主要包括兩種結構：一是采用來源于計算機體系結構或ATM交換網絡用的多級交換網絡；另一種是基于光技術或DWDM技術的交換網絡。
　　超高性能的核心路由器具有很多重要技術指標，如吞吐量與轉發率、延遲、報文重排序、BGP表容量、路由抖動和QoS服務質量，以及最長匹配、路由收斂性和過濾等。
　　從核心技術和內部結構來看，新一代核心路由器的主要發展趨勢為：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；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。

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