Internet骨干路由器技術及應用綜述

2019-11-05 00:24:34

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供稿：網友

　　從任何一個角度衡量，Internet都在以驚人的速度發展，如主機數量、用戶數、業務量、鏈路數、單條鏈路的帶寬，以及運營商網絡的增長率。由此，一個專門為解決Internet骨干網運營商所面臨的非凡問題的網絡設備市場隨之出現。

這類新的產品設備不僅被要求能夠集合帶寬及業務的吞吐量，而且還要具備豐富的軟件功能及控制特性。 Internet骨干路由器要同時實現增加的帶寬及豐富的軟件功能，路由系統在設計時必須采用以前只有在交換機中才具有的轉發功能。但是，相對于為使用固定長度查詢的固定長度數據包提供線速性能的直接交換，為應用最長匹配查詢的不定長度數據包提供線速性能，其實現要復雜得多。非凡需要說明的是，這種數據包的處理已不能通過基于微處理器或微處理器輔助的方式來實現，而應使用一種基于隨Internet環境變化而改變其路由軟件的ASIC方式來完成。
　　這種新型的Internet骨干路由器所面臨的系統上的挑戰也是非常復雜的。它們不僅要能適應現有的OC－3、OC－12及OC－48速率骨干網和相關的Intra－POP結構，而且還要能夠支持具有OC－48速率和吉位以太網Intra－POP結構的OC－192速率骨干網絡。另外，新的路由系統必須要加速Internet從“盡量遞交”的服務向最基礎的可靠性服務的方向轉變。Internet用戶希望能夠象使用電話網絡那樣，在任何需要通信的時候，聽到“撥號音”，便可得到高質量的服務。
　　Internet骨干路由器是目前世界上最完備的路由系統。它是第一個將Internet可伸縮性、Internet控制及無可比擬的轉發性能集于一身的系統。它不僅集成了只有交換機才具有的轉發功能，而且還兼顧路由器軟件的靈活性、可控制性、以及在意外條件下系統的穩定性和可靠性?？杀粦糜谝怨饩W為基礎的Internet系統，它幫助運營商實現將Internet從“盡量遞交”系統過渡到基礎的可靠通信系統。
　　運營商的需求與收益
　　Internet的高速增長對運營商如何為其客戶的服務進行配置與治理都產生了深刻的影響。運營商努力擴展其網絡的同時，會不斷碰到以下一些急需解決的問題：在迅速提高業務量并滿足客戶需求的同時，增強網絡可靠性的挑戰（7×24服務）；在優化有效帶寬的使用率及維護網絡的可靠性方面，對流量工程工具的需求；如何與不斷發展的Internet技術保持一致的挑戰，包括新的協議、新的路由硬件、新的交換硬件及光纖設備；如何按照用戶的需求及線路的可行性尋找足夠的空間及適當的供電系統來安裝設備；如何在滿足穩定性需求的前提下提供不同的業務以區別于其他競爭對手。
　　任何希望進入運營商市場的解決方案都需要面對所有這些挑戰。假如一個新的系統不能夠增強網絡的性能并提供基本的可靠性，這個方案將注定失敗。
　　運營商需要那些既能提供豐富的路由軟件功能又能提供高速包轉發性能的解決方案。但對于運營商來說，很難找到一個能夠同時滿足兩方面需求的單一系統，因為傳統路由器的設計初衷面向豐富的協議支持軟件功能，所以在產品實現上體現出以通用CPU為基礎的集中式軟件處理結構。而且為了保持產品的兼容性，保護現有用戶的設備投資，設備提供商未能開發出一個能同時滿足兩方面需求的令人滿足的系統。
　　過去，假如一個運營商希望能夠在一個復雜的網絡設計中使用豐富的軟件功能以增強對網絡的控制，他必須忍受路由器較慢的轉發性能。
　　為解決這些約束，一些運營商決定使用“覆蓋”的解決方法，即在網絡的邊緣使用ip路由器以提供軟件的豐富性，而在網絡的核心部分使用ATM交換機，以提供較高的速度，但這種覆蓋型的網絡會帶來自身一些治理上的問題。假如能有一種專為簡化高帶寬網絡設計、并且比覆蓋型網絡解決方案更便宜簡單的系統，則無疑會成為運營商們共同的選擇。新一代的Internet骨干路由器將提供這一性能，它將使網絡設計人員不再為僅僅為了滿足基本的速率控制的需求，而在不同層配置備份設備而煩惱。
　　Internet骨干路由器的要害屬性
　　下一代的Internet骨干路由器必須被設計成為在光纖網絡結構上提供Internet可伸縮性、Internet控制及無法比擬的性能的系統。Internet骨干路由器所必備的主要特征包括如下。
　　由Internet專家編寫，并在大型運營商網絡上進行成功的互操作測試的可靠、完整的路由軟件；支持大型運營商網絡高效的帶寬利用率，提供嶄新的具有復雜控制功能的流量工程特性；數據包處理需在與數據包長度及系統設置無關的情況下，以線速完成輸入拆封裝、路由尋找、排隊及輸出封裝的處理過程；交換結構的設計留有較大裕量，以支持OC－192速率的骨干網傳輸；提供多種支持線速性能的接口類型；機箱的端口密度最低應為每機框英寸一個插槽；機械性能、適用性及治理等方面的特性，使系統在大型運營商網絡的核心部分易于配置；維護整個網絡穩定性的能力，并且可以在不影響網絡其他部分的情況下適應變化的環境。
　　Internet骨干路由器系統結構
　　Internet骨干路由器系統的基本結構，即完全獨立的路由功能和包轉發功能，是通過將系統設計成為兩個獨立的組成部分：路由引擎和包轉發引擎而完成的。這種分離設計的優勢在于，即使路由功能極不穩定，也不會影響包轉發引擎的性能。同樣，即便通過非常大的業務量也不會影響路由引擎維持對等關系及計算路由表的能力。這兩種功能的分離設計，使得一個系統可以同時提供高效的轉發性能和高可靠性的操作系統。
　　

　　下面集中討論Internet骨干路由器是如何為路由器結構中的要害要素，如路由軟件；基于ASIC的包處理及查詢；交換結構和線路卡等提供領先的解決方案的。

　　路由軟件
　　為滿足運營商苛刻的要求，軟件系統具有如下特點：運行在保護內存下的模塊化結構的軟件，為系統提供了高可靠性及可伸縮性；行業級的路由協議工具，以滿足運營商對控制及治理網絡的需求；非常靈活的策略定義語言簡化了對上千條路由的路由策略治理；通過使用MPLS技術的流量工程，可最大限度地利用珍貴的網絡資源，并且為提供不同種類的業務，包括一些新的業務提供基礎；用戶界面提供多用戶訪問等級，并且具有恢復到以前設置版本的功能，還具有將多步設置合并成一步完成的功能；系統安全性通過對用戶接口上的安全命令解釋程序（SSH）訪問來實現。
　　Internet處理器ASIC
　　包處理技術是Internet骨干路由器技術上最根本的一個部分。所有的路由查詢都通過一個大小類似于計算機的微處理器ASIC來完成，但這塊ASIC的功能及復雜程度要明顯超過那些用于其他通信設備上的ASIC。Internet處理器ASIC是實現骨干路由器系統的先進性能的核心，其可編程性及路由與轉發的一致性是最基本的技術先進點。通過Internet處理器ASIC與路由軟件的組合，使骨干路由器在Internet骨干網中成功地架起了路由器與交換機性能之間的橋梁。
　　路由查詢
　　Internet處理器ASIC可以提供每秒四千萬條路由的最長匹配查詢，這個速度是目前應用在Internet上的、基于微處理器查詢速度的一百倍。另外，Internet處理器ASIC可被配置成為帶有每報頭報表最長匹配查詢。每報頭報表提供IP轉發表中被轉發至各報頭的字節及包的數量統計。運營商可通過這些統計了解在其網絡中流通的業務量的分布情況。
　　交換結構
　　Internet骨干路由器交換矩陣有多種方式可以實現，如共享內存、交叉連接等。無論哪種實現方式，其目的都是要以一定容量進行數據轉發。由于骨干路由器的技術難點主要體現在專有ASIC上，通常不會自己開發專用的交換矩陣，此部分功能多采用通用產品，設備廠商根據容量需求可以在市場上任意選擇。
　　線路接口卡
　　線路卡通過基于媒體特性的ASIC來實現。例如，在一塊高度集成的ASIC上集成了全部的SONET/SDH處理進程。線路卡ASIC可提供更高的端口密度、更好的性能、更低的功耗及增強的可靠性。線路卡的不同種類和插槽數量，增強了骨干路由器系統在超級POP環境中的配置靈活性。線路接口卡的類型包括OC-192 IP over SONET/SDH、OC-48 IP over SONET/SDH、OC-12 IP over SONET/SDH、OC-3 IP over SONET/SDH、OC-12 IP over ATM、OC-3 IP over ATM以及千兆以太網。
　　運營商網絡中的應用
　　運營商最關心的事情是整個網絡的可靠性，而不是單個系統的可靠性。運營商們不希望他們的路由器運行在這樣一種狀態：當一個局部故障發生時，在網絡中引發級聯效應，產生附加的故障。
　　網絡的這種能夠調節一些故障并同時能繼續對所有業務進行交換的能力，在傳統設計中是很難實現的。而Internet骨干路由器相對于其他系統，在極限壓力下提供牢固的可靠性能方面是獨一無二的。Internet骨干路由器對于路由處理和包轉發都提供了足夠的空間。在意外條件下，路由引擎繼續接收和發送路由更新，提供路由計算，維護對等關系，對接口失效進行處理等。同樣，包轉發引擎繼續以40Mpps的速率對包進行交換，而與包的大小及系統負荷無關。
　　由Internet軟件提供的流量工程特性答應運營商對網絡故障進行治理。并可提供一些工具，使運營商能夠在有效資源上對現有的業務量進行最佳的分配，而不會在網絡中引起阻塞及其他一些不穩定的情況。
　　結論
　　Internet骨干路由器為電信運營商提供了一個全新的路由系統，它是為運營商實現從OC－12和OC－48骨干網到OC－192骨干網的轉換而專門設計的。Internet網絡的核心部分仍沿著兩個方向被堅持不懈地發展著：軟件的豐富性和帶寬。骨干路由器系統提供了所有下一代路由系統所必須具備的特性：
　　包轉發引擎的包處理進程和富裕設計的交換結構，使系統可以輕松地同時支持多個滿負荷工作的OC－192速率接口。系統能夠在不影響網絡控制單元的情況下，提供以前只能在交換機中才有的轉發性能；
　　路由引擎運行著由經驗豐富的、行業中的專家們設計和編寫的行業級全功能路由協議和流量工程軟件；
　　其基本結構的路由功能與包轉發功能完全分離特性，是以提供“性能保障”為目的進行設計的，可為大型運營商網絡在意外條件下提供增強的可靠性。系統在提供網絡可靠性及不影響網絡其他部分而適應高波動環境方面的能力是獨一無二的；
　　可編程的、與類似于計算機微處理器的ASIC答應軟件可在將來使包轉發引擎在不更換硬件的情況下支持新的功能；
　　多種高密度的接口模塊、機械性能和適用性，使得Internet骨干路由器可在大型運營商網絡的核心部分有杰出的表現;
　　通過提供強有力的四個基本單元，即路由軟件、包處理、交換結構和線路卡的路由系統，為Internet骨干網提供了一個完全的解決方案，是Internet骨干網完善運營的保障。
　　產品篇
　　Cisco
　　Cisco 12400系列路由器采用分布式體系結構，可以提供IP+光纖的網絡基礎和服務構建模塊，是構建10Gbps IP基礎設施的優良平臺。
　　基于Cisco 12410和Cisco 12416路由器，服務供給商可以將其網絡擴展到骨干光纖網的速度，為下一代IP服務提供足夠的帶寬。Cisco 12400系列路由器是Cisco公司IP+光纖策略的一個重要組成部分，在提高核心網與邊緣網的帶寬、降低運營成本方面，Cisco 12410和Cisco 12416路由器又邁進了一大步。不僅如此，它們還提供了利用光纖網來訪問基于IP的內容和多服務。Cisco 12400路由器的要害特性包括如下。
　　高可擴展性： Cisco 12400提供了10Gbps平臺的擴展能力。
　　高性能：在一個全負載的環境中，對于有不同前綴長度的包，12400系列都能穩定地以線速來進行IP與MPLS轉發。
　　有保證的包優先級轉發技術：提供基于優先級的擁塞控制、專有的低延遲隊列技術和包順序完整性的系統。
因此該系列產品在任何條件下均可滿足要害業務服務（如VoIP）的要求。
　　除此之外，12400路由器還能夠支持工業標準的VSR (Very Short Reach)接口，這將降低多達50％的內部POP互聯費用，同時也能加速全球對于OC-192c/STM-64c技術的采納。Cisco 12410與12416都可以使用任何一種12000系列線路接口卡，保證了服務供給商在12000系列上的現有投資。
　　 Cisco 12000系列基于先進的分布式結構。這項技術可以使得服務供給商通過擴展其Internet接入點（POP）來提高他們的服務效率，并提供諸如VoIP以及視頻點播等高附加值的業務。
　　大唐
　　由大唐電信和國防科大聯合開發的DTYH-ISR9108“銀河玉衡”核心路由器于2001年通過了專家的技術鑒定和信息產業部組織的電信設備入網鑒定。由兩院院士及專家組成的鑒定委員會認為，“銀河玉衡”核心路由器在實時網絡操作系統、高速交換網絡、網絡處理機、高速數據傳輸、安全機制、復雜協議軟件等要害技術方面實現了一系列突破?！般y河玉衡”核心路由器采用了分布式高可靠性設計，具有分布體系結構、硬件快速轉發、服務質量保證機制、安全控制、完善的網絡協議等特點。該設備支持當前多種以太網絡和光通信接口，以及各種Internet路由協議。能動態適應網絡變化，可以與現行網絡設備互連、互通、互操作；能滿足國家、省級寬帶骨干網和局域網建設要求，可廣泛應用于通信、電視、電力、國防、金融等領域。
　　烽火網絡
　　MAISP－R8001是烽火網絡定位于城域網匯聚和核心層的城域匯聚智能業務平臺，是結合目前城域網建網的最新技術和自身特有專利技術研制而成的。和其他高速路由器不同，MAISP－R8001除了提供傳統的路由器接口外，還融合了傳輸產品的特點，能夠提供Ethernet over SDH和CWDM等接口。因此，MASIP能夠用單一設備實現多種設備的功能，最大化節省運營商的建網成本和維護費用。此外，MASIP－R8001具有完全可編程的能力，能夠實現靈活的業務生成和定制功能。
　　MASIP－R8001體系結構中還支持MPLS、IPv6、MSR和RPR等前沿組網技術，以適應未來網絡的各種需要。
　　該產品采用了基于網絡處理器的分布式轉發體系結構，由于采用了高速的Crossbar交換技術作為交換核心和先進的網絡處理器技術，它具有高速的交換能力和靈活的業務生成能力，MASIP－R8001的交換能力為64Gbps，最大可擴至128G。
　　 MASIP－R8001采用標準的19英寸機架和前插卡體系結構，機架共16個槽位，其中14個接口線卡。豐富的線卡和接口種類可以滿足絕大部分的組網應用。 MASIP－R8001是電信級高可用性設備，它的路由交換處理器和交換卡均采用1+1冗余方式，而風扇單元和電源模塊采用了1：N的保護方式，所有模塊均可熱插拔，并且路由交換處理器和交換卡可以支持熱倒換，以保證出現故障和更換、升級時業務不間斷。
　　 Foundry
　　 Foundry機架式NetIron Internet骨干路由器系列是專為各種服務接入點(POP)和IDC應用而設計，產品主要包括4槽NetIron 400、8槽NetIron 800和15槽NetIron 1500。這些路由器可為用戶提供大帶寬、更高的端口密度、優良的路由性能、電信級的可靠性和冗余度、Internet級別的擴展能力、全面的治理控制以及穩定可靠的功能。Foundry NetIron支持各種要害業務應用和功能，包括對MPLS、BGP4、OSPF和組播的全面支持、自適應和固定速率限制、千兆位以太網、ATM和Packet over SONET等。這些特性使NetIron Internet骨干路由器完全能夠滿足當今ISP所面臨的日益增長的帶寬和控制需要。Foundry產品的主要獨特之處包括：可靠性、交換能力、豐富的局域網和廣域網接口類型、結構緊湊、長距離千兆位以太網MAN鏈路(最長可達150公里)等等。
　　NetIron模塊化機架式產品能夠提供高達480Gbps的非阻塞總交換能力，支持線速IP路由，消除了性能瓶頸。NetIron以Foundry獨特的IronCore體系結構和IronWare軟件為基礎，即使是在網絡傳輸負載最繁重的情況下，仍然能夠實現可靠的數據包轉發，能力高達每秒1720萬的數據包。
　　NetIron 擁有全面的城域網、地區網、Internet邊緣和骨干連接，并且擁有非常高的端口密度，以緊湊的外形提供了非常高的匯聚路由和IP交換能力。NetIron上的每一個路由器局域網端口都支持8個QoS優先級別和4個基于硬件的可選優先級隊列。在交換矩陣中采用的ASIC芯片可以實現高達240Gbps的包交換吞吐量和高達172Mpps的數據包轉發能力，延遲時間非常小。每個交換模塊都使用了一套高帶寬的共享內存交換矩陣，安裝在機架上的每一個接口模塊都提供32Gbps的交換帶寬。NetIron上設有保留的插槽，這為網絡設計提供了很大的靈活性。所有模塊，包括冗余路由處理和治理模塊，都可以毫無限制地安裝在任何一個空閑的插槽中。
　　華為
　　 Quidway NetEngine 80（以下簡稱NE80）是華為公司一款核心路由器產品。它采用先進的基于網絡處理器的分布式硬件體系結構，其電信級可靠性、線速轉發性能、完善的QoS機制以及豐富的業務處理能力，可以滿足不斷增長的Internet業務對網絡骨干設備的需求。NetEngine 80核心路由器具有如下特點。
　　大容量高密度：NE80為一款具有16個線路卡槽位的千兆位路由器，系統總交換容量達128Gbps，可提供以太網、POS、ATM等多種業務接口。
　　線速轉發性能：NE80采用了目前業界主流的網絡處理器技術，實現了2.5G接口的IP/MPLS線速轉發，整機轉發性能達到96Mpps。
　　完善的DiffServ/QoS：NE80提供完善的DiffServ/QoS支持，支持流分類、流量監管（CAR）、擁塞控制、隊列調度和輸出流整形等功能，并提供一種用戶可選的新型擁塞控制方法，使網絡運營商可以為不同用戶提供區別化的服務質量保證。
　　運營級可靠性設計：NE80的交換網絡、路由處理系統以及電源系統等要害部件均采用冗余熱備份設計，能滿足骨干網絡對設備高可靠性的要求。同時NE80支持MPLS的快速重路由（FastReroute）功能和SONET/SDH接口上的APS/MSP自動保護倒換功能，進一步提升了網絡的可靠性。
　　豐富的業務能力：NE80提供豐富的路由協議支持和策略路由治理功能，支持組播業務、基于MPLS的流量工程（TE）和VPN應用等。

　　Juniper
　　Juniper公司提供適合不同應用領域的路由器系列，其中骨干路由產品為被廣泛應用的M系列路由器和技術領先的T系列。M系列可提供從 T1和E1一直到OC-192c/STM-64的各種高性能接口，并具有一致的功能和優秀的性能，這一能力使M系列路由器能高度適應多種要害應用，例如核心路由、專用接入、公用及專用對等、內容主機托管和網絡主機托管。M160 Internet 骨干路由器支持每個機箱高達8 個 OC-192c/STM-64 PIC（每架 16 個），或者每個機箱高達32 個 OC-48c/STM-16 PIC（每架 64 個），因而對于大型核心骨干網上的路由和轉發十分理想。
　　隨著網絡流量的迅速增長，Juniper推出了全新的T系列骨干路由器。在T系列中，Juniper采用了新的體系結構和ASIC技術，使T系列的吞吐量達到了640Gbps，支持的OC192c端口數也達到了空前的32個（每架64 個）。
　　T系列和M系列均支持基于ASIC 的功能，例如速率限制、過濾和采樣等，使用戶能夠輕松地支持增值業務，以適應不同應用對網絡設備的要求。M系列路由器和T系列路由器運行的都是同一JUNOS 軟件，能夠為骨干網傳輸的信息流量帶來優異的控制及可見性，因而便于有效利用整個網絡的容量。這使得網絡在擴展時，其固有可靠性增強了。
　　M系列和T系列路由器是專為在正常和異常網絡環境下都能提供多種IP業務而設計的。其高性能結構的核心是一個定制的Internet Processor ASIC，它的查尋速度高達40Mpps。該 ASIC尺寸結構合理，可以很好地擴展，以處理大型復雜的轉發表，并為各種大小尺寸和前綴長度的數據包提供一致的性能。該 ASIC 不僅提供支持高速光接口的轉發性能，而且還在不妥協性能的情況下，支持控制和提供IP業務的多種數據包處理能力。
　　此外M系列和T系列路由器具有獨特的無阻塞結構保證最佳數據吞吐量和低延時，并擁有驗證過的可靠性和自適應網絡控制功能。
　　中興
　　中興通訊ZXR10系列路由器，可以滿足從骨干網絡、城域網、校園及企業網絡的應用需求。在設備的交換容量、端口速率及端口密度、轉發性能等方面，都已經達到國外同等設備的水平，可以滿足目前主流骨干網絡建設的需求。
　　ZXR10 T160是新一代的高性能線速Internet骨干路由器，它將單純的帶寬智能地應用于IP業務，該產品為實施高帶寬包優化的核心主干網提供了一個經濟的解決方案。ZXR10 T160使用最新的Rapid Path ASIC芯片在光纖和傳統服務供給商網絡上實現完整的功能特性，具有高性能、高可擴展性和高端口密度。
　　 ZXR10 T160采用模塊化設計，使服務供給商可以集合所有IP接入技術，包括10GbE、GbE、快速以太網、WDM、POS、ATM和Channelized T3。ZXR10 T160提供線速Internet級路由選擇和交換功能，背板交換速率高達170Gbps、包轉發率為90Mpps，其設備充分滿足核心層目前的路由性能、處理容量與接口密度的需要。
　　ZXR10交換式路由器采用Cross Bar的交換矩陣結構，數據轉發完全采用基于每接口卡的ASIC 芯片來實現。路由表的查找采用ASIC芯片實現。ZXR10 采用的是自行開放的ASIC芯片，具有高度擴展性和性能保證。接口模塊與接口模塊之間采用點到多點的交叉矩陣。接口模塊與交叉矩陣的連接速度均超過接口模塊的最大轉發速度，保證線速無阻塞的交換。

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