新一代的核心路由器的發展趨勢分析

2019-11-05 00:32:38

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供稿：網友

　　新一代的核心路由器除要具有強大的計算和處理能力外，還要具有高穩定、高可靠、高安全等特點，而ipv6技術的出現、光通信技術的迅速普及以及MPLS技術成為主流，要求新一代高端路由器不僅具有更大容量的交換網絡，同時要具備支持多協議、支持多種端口、支持多種安全認證的能力。
　　
　　在硬件體系結構上，新一代的路由器，在要害的IP業務流程處理上采用了可編程的、專為IP網絡設計的網絡處理器技術。它通過若干微處理器和一些硬件協處理器并行處理，通過軟件來控制處理流程。對于一些復雜的操作（如內存操作、路由表查找算法、QoS的擁塞控制算法、流量調度算法等）采用硬件協處理器來提高處理性能。
　　
　　分布式大容量矩陣式交換結構。交換結構的實現方式可以分為三種：共享內存、共享總線和矩陣式交換。其中共享內存方式實現簡單，但速率相對較低，而矩陣式交換則可以達到比較高的交換速率。目前最常用的結構形式是輸入口與輸出口的8×8或16×16矩陣，帶寬范圍涵蓋了OC－3至OC－192。矩陣式交換結構一般包括兩個部分：流量治理單元和交換矩陣（Crossbar）。其中流量治理單元位于各個線卡上，與不同的網絡處理器相連。Crossbar是交換結構的核心部分。Crossbar的容量是非常靈活的，理論上可以隨著端口數的增加無限增長。目前已經有許多IC公司公布可以提供從最常用的40G交換矩陣到T級規模的交換矩陣產品。為滿足業務的高速增長，增加網絡帶寬，建立性能更加優良的IP通信網，人們提出了開發比吉比特路由器交換容量更大、支持業務更多、性能更完備的太比特路由器。太比特路由器產品最大的優點在于分布式的網絡交換結構，具有可升級的體系和簡單的運行治理。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的容量，然后通過增加線卡和另外的底盤，增加路由器容量到多太比特級。
　　
　　采用網絡處理器技術實現IP報文處理和轉發。為了緩解互連瓶頸，在最近幾年涌現出許多新的系統和解決方案，其中采用專用ASIC來完成規定的數據包處理工作是十分理想的，但它的開發周期太長，復雜的ASIC要18個月到2年時間，每一個ASIC的開發都必須經歷一個設計和制造的周期，適應不了當今越來越短的產品開發周期。而網絡處理器位于每個線卡上，采用軟件完成IP報文處理和轉發，處理器的軟件可以更新，不僅滿足了業務發展的需要，而且可提供線速轉發的性能。網絡處理器從2000年初出現到現在被許多網絡設備制造商選作新一代高端路由器設備的核心處理器。而在這段時間里，能夠開發出成熟的NPU芯片的公司也從開始的兩三個迅速增加到了十幾個，而且NPU的處理能力也從2.5Gbit/s擴展到10Gbit/s。這些都說明網絡處理器技術在網絡產品市場中越來越占據重要的位置。尤其在高端路由器市場，網絡處理器以其杰出的包處理性能及可編程性已經成為構成路由轉發引擎不可替代的部分。
　　
　　硬件查找路由表。傳統的基于軟件的路由查找策略，如樹或哈希算法，其執行過程都是相當慢的，而且與路由表的大小相關聯。在路由表更新時，輸入的數據包必須被緩存或丟棄，降低了路由器的性能。另外，基于軟件查找和更新路由表的不確定性增加了包傳輸時的抖動，因此必須進行包的緩存，在高速率時還會造成丟包。所以，這些方法只能用于比較小的、性能較低的包轉發應用。為了適應網絡的發展，理想的包轉發方案必須能夠不但保證線速的數據轉發速率，并且要提供足夠大的路由表來滿足下一代的路由設備的需要（在邊界位置應達到512k）。同時它還要能夠以很小的更新時延來處理長時間的突發路由表更新。盡管通常路由表的更新為每秒幾百次，但瞬間突發更新則可能會高出很多。要解決這個問題，目前來看最為有效的辦法是采用專門的協處理器結合內容尋址寄存器CAM來完成快速路由查找或更新，即硬件實現路由表的查找。
　　
　　支持MPLS。MPLS起源于IP路由和標記交換技術。MPLS在網絡入口的邊緣路由器（LER）為每個包加上一個固定長度的標簽，核心路由器根據進入包頭的標記值進行標記交換，作出本地轉發決定，在出口的邊緣路由器再恢復原來的IP包。從入口到出口的一連串這樣的標記交換和轉發決定操作，形成了一條標記交換路徑。MPLS是處于第二層和第三層之間的一種技術，它緊密地將第二層和第三層結合在一起，充分發揮了第二層的交換、流量治理上的優勢，同時，它還兼顧了第三層路由、尋徑靈活的優勢。MPLS之所以吸引了學術界、產品制造商和運營商的注重力，除去MPLS的快速轉發將為運營商和大型企業帶來眾多的利益外，最重要的原因恐怕是因為它承諾為IP網絡提供類似于ATM網絡的控制和安全性，能夠開展虛擬專用網（VPN）業務，做IP網上的流量工程（TE）以及提供服務質量（QoS）保證等。也就是說，MPLS既可以克服IP的一些致命缺點，又可以利用IP的很多優點全冗余設計，提高可靠性。電信級的可靠性是運營商永恒的要求。新型的核心路由器引入了先進的冗余備份方案，例如交換矩陣“1＋1”備份、接口板“1∶N”備份，從而確保了網絡無中斷運行。在電信級IP網絡實際運行中，設備的調整是不可避免的。核心路由器的所有接口板都具有熱插拔功能，由于有冗余備份方案，又采用交換式背板，因此熱插拔不會造成數據包丟失。但是假如采用高速緩存的方式，就無法保證數據安全轉發，給維護工作帶來麻煩。例如，A接口板的包可能因為網絡擁塞放在B接口板上備份，一旦對B板進行熱插拔，數據包就會出現丟失。操作系統是高端路由器的軟件核心，主要實現路由引擎功能，所以操作系統的穩健性直接關系到系統的性能。這要求軟件不僅支持的路由協議最為全面，更為重要的是，當網絡出現故障時，軟件系統應有很強的路由“學習”能力，可以在很短的時間內建立最優的路由表，便于最大限度地縮短故障時間，恢復運營服務。
　　
　　高密度、多端口和可擴展性。路由器的高速接口是建設大容量IP光網的基礎，具有高速OC－192光接口的高速路由器是網絡向IPoverDWDM結構發展的要害。在新的階段，作為互聯網的核心動力引擎，電信運營商不僅對高端路由器的處理速度不斷提出新的要求，尤為重要的是，他們開始越來越關注其業務功能。運營商不僅需要構建速度快的網絡，更需要可盈利、利于開展業務的核心網。業務實現技術是高端路由器能否符合電信企業實際運營要求的要害，這既包括豐富的連接端口技術，又包括對增值服務的支持功能。由于運營商的網絡基礎不同，應用場合也千差萬別，因此要求高端路由器有強大的適應性和靈活性，有對各種速率線路卡的支持能力，從DS3直到10Gbit/s，并且支持快速以太網/吉比以太網、動態分組傳輸、ATM等技術。它采用的高密度方案能夠集合大量業務，包括基于ATM的話音業務、DSL高速接入、專線集合和互聯網服務供給商集合，可以應用在廣域網骨干、城域網骨干、城域網邊緣、園區網骨干等多種網絡環境。對用戶來說，高的端口密度具有重要的意義，中心局和入網點的空間資源不但有限而且成本很高。在巨大的壓力下，業務提供者已經開始考慮如何節約空間，而具有高密度端口的高速路由器是解決空間壓力的一個重要方面。較低的高速端口密度對于今后的競爭是一個不利的因素，目前各路由器廠商希望通過引入新的輸入輸出模塊，解決端口密度問題。
　　
　　光路由器為IPoverOptical賦予了新的概念。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，核心路由器應具備新的光接口、新的網絡控制協議等。IPoverOptical是簡化IP骨干網的良好解決方案，可以去除昂貴的SONET和ATM設備，而且極大地降低了網絡治理的復雜性。但是高速路由器直接連接到DWDM系統時，網絡只有靜態的點到點通路，不答應業務在不同光通路間進行交換，這導致了較差的靈活性。為解決此問題，國外很多大的運營商和設備商提出了將光交換機作為高速路由器和DWDM系統的中間層的概念，進一步將選路和光交換平臺綜合成光路由器。使用IP協議、通過在不同波長間交換業務、答應動態控制帶寬等，為開展新業務提供了更多的靈活性。
　　
　　拍（10的15次方）比特路由器。雖然大多數的業內專家和分析家認為，目前的網絡資源沒有緊張到大規模使用太比特路由器的階段，但是不可否認，新一輪的競爭開始了，一些廠商已經在致力于開發更高容量、更高性能的拍比特路由器。但是從兩個方面可以看出拍比特路由器的實現還為時尚遠：首先市場還不具有拍比特級速率的需求；其次，半導體技術的限制使現在制造拍比特路由器只能停留在概念階段

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