路由器的關(guān)鍵技術(shù)

2019-11-05 00:33:44

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供稿：網(wǎng)友

　　近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展異常迅猛，應(yīng)用日益商業(yè)化，網(wǎng)上用戶數(shù)的發(fā)展難以猜測(cè)。此外，越來(lái)越多的用戶需要高速接入。有關(guān)資料表明，在我國(guó)，上網(wǎng)速度慢是眾多網(wǎng)民抱怨的首要問題。因此，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、路由器上的網(wǎng)絡(luò)治理系統(tǒng)變得日益重要。在保證質(zhì)量的前提下，最大限度地利用帶寬，及早發(fā)現(xiàn)并診斷設(shè)備故障，迅速方便地根據(jù)需要改變配置等網(wǎng)絡(luò)治理功能，成為直接影響網(wǎng)絡(luò)用戶和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商利益的重要因素?？偟貋?lái)說(shuō)，路由器的結(jié)構(gòu)正朝著速度更快、服務(wù)質(zhì)量更好和更易于綜合化治理三個(gè)方向發(fā)展。
　　
　　路由器的兩大功能
　　數(shù)據(jù)通路功能：對(duì)于每個(gè)到達(dá)路由器的數(shù)據(jù)包，在不丟失的情況下，負(fù)責(zé)尋路。此功能主要包括：轉(zhuǎn)發(fā)決定，經(jīng)由背板輸出鏈路隊(duì)列調(diào)度。轉(zhuǎn)發(fā)功能是通過專門硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每一個(gè)通過路由器的分組包都要執(zhí)行這個(gè)操作。數(shù)據(jù)通路功能對(duì)改進(jìn)路由器的性能是很重要的。
　　
　　控制功能：主要包括路由表的治理和系統(tǒng)的配置與治理，以及與相鄰路由器交換路由表信息，通過軟件實(shí)現(xiàn)等。這些功能不是針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的，因此使用頻度相對(duì)低一些。
　　
　　路由器的要害技術(shù)問題
　　就目前路由器設(shè)計(jì)中的一些要害技術(shù)，有的問題已經(jīng)取得了階段性的成果，有的才剛剛開始研究。需要說(shuō)明的是，這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展非常快。為了便于系統(tǒng)地理解這些要害技術(shù)問題，我們根據(jù)路由器發(fā)展的三大趨勢(shì)，大致將這些問題分為三類。一是與高速有關(guān)的問題，如路由表快速查找、總線背板和交換結(jié)構(gòu)等。二是QoS問題，如數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)包的分類，流量工程和阻塞控制等。三是與軟件有關(guān)的問題，如軟件的穩(wěn)定性、配置和治理等。需要說(shuō)明的是，這種分類法并不嚴(yán)格，有些問題可以同時(shí)屬于兩類。
　　
　　1.與速度有關(guān)的技術(shù)
　　
　?。?路由表的快速查找技術(shù)
　　
　　為了解決地址資源緊缺，減少路由表的規(guī)模，降低治理難度，互聯(lián)網(wǎng)采用了CIDR（Classless Inter-Doma in Routing）。這樣，路由表中存放的不是一個(gè)個(gè)具體的ip地址，而是可變長(zhǎng)度的網(wǎng)絡(luò)前綴。路由器在對(duì)IP包尋址時(shí)，采用最長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)前綴匹配（LPM-Longest PRefix Matching）。例如，假設(shè)路由表中有兩個(gè)表項(xiàng)“202.168.X.X，輸出端口1”和“202.168.16.X，輸出端口2”（X表示任意），假如有一個(gè)IP包的目的地址為202.168.16.5，那么這個(gè)包應(yīng)該從端口2輸出。傳統(tǒng)的路由器執(zhí)行最長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)前綴匹配的時(shí)間很長(zhǎng)，使得路由表查找成為路由器速度的瓶頸。最近兩年出現(xiàn)了一些快速查表算法，能夠支持吉比特鏈路。這些算法包括改進(jìn)的精確匹配法、基于trie法、并行硬件法、協(xié)議改變簡(jiǎn)化路由表的查詢和緩沖法等。這些算法，有些易于硬件實(shí)現(xiàn)，有些適合軟件實(shí)現(xiàn)。對(duì)于組播地址尋址，要根據(jù)IP包的源地址和組播地址查表，對(duì)源地址采用最長(zhǎng)前綴匹配法，對(duì)目的地址采用精確匹配法。
　　
　?。?交換結(jié)構(gòu)和調(diào)度算法
　　
　　交換結(jié)構(gòu)有Crossbar、共享存儲(chǔ)器和總線三種方式。Crossbar結(jié)構(gòu)的速度由調(diào)度器決定，共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的速度由存儲(chǔ)器的讀寫速度決定，共享總線結(jié)構(gòu)的速度由總線的容量和仲裁的開銷決定。調(diào)度器是Crossbar交換結(jié)構(gòu)的核心，它在每個(gè)調(diào)度時(shí)隙內(nèi)收集各輸入端口有關(guān)數(shù)據(jù)包隊(duì)列的信息，經(jīng)過一定的調(diào)度算法得到輸入端口和輸出端口之間的一個(gè)匹配，提供輸入端口到輸出端口的通路。采用輸入緩沖無(wú)阻塞方式的Crossbar，用ESLIP算法實(shí)現(xiàn)調(diào)度已被一些廠家所采用。調(diào)度器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，既要滿足系統(tǒng)吞吐率達(dá)到100％的要求，又要支持CoS(Classes of Service)。調(diào)度算法中，加權(quán)公平排隊(duì)算法（WFQ-Weighted Fair Queuing）和經(jīng)過改進(jìn)后的加權(quán)公平流排隊(duì)算法（WF2Q-Weighted Fair Flow Queuing）比較輕易實(shí)現(xiàn)，而且性能也不錯(cuò)?？傊?，要讓互聯(lián)網(wǎng)真正能夠綜合多種業(yè)務(wù)，作為網(wǎng)絡(luò)連接核心設(shè)備的路由器，必須提高端口速率和交換容量，提供QoS保證和流量工程（TE-Traffic Engineering）功能。
　　
　?。?背板總線
　　
　　由于端口速率高，交換結(jié)構(gòu)需要加速，而且接口板與交換板之間、控制板與接口板之間、控制板與交換板之間的連線很多，目前的高速路由器以及交換機(jī)都采用高速背板總線以提高系統(tǒng)的吞吐率。為了提高效率，數(shù)據(jù)線采用串行差分線路，速率可達(dá)每秒鐘1～2吉比特。要保證如此高的傳輸速率和那么多的連線，對(duì)背板總線的設(shè)計(jì)要求非常高。如何降低數(shù)據(jù)的傳輸誤碼率以及保證時(shí)鐘同步是總線設(shè)計(jì)中的要害技術(shù)。斯坦福大學(xué)的Tiny Tera路由器項(xiàng)目中，大量采用串行總線的實(shí)現(xiàn)方法值得研究和借鑒。
　　
　　2.與服務(wù)質(zhì)量有關(guān)的技術(shù)
　　
　?。?數(shù)據(jù)包分類技術(shù)
　　
　　路由器要對(duì)到達(dá)的分組包進(jìn)行識(shí)別、分類以決定其所應(yīng)接受的服務(wù)類型。當(dāng)初IETF所考慮的方案是在網(wǎng)絡(luò)的核心，根據(jù)IP報(bào)頭的TOS（Type of Service）域來(lái)識(shí)別分組，但是在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中，由于一直采用“盡力”傳輸，同時(shí)由于終端在發(fā)送IP包時(shí)不考慮TOS，因此，TOS一直沒有發(fā)揮作用。目前在邊緣設(shè)備，根據(jù)IP分組的源IP地址、目的IP地址、源端口號(hào)、目的端口號(hào)、傳輸層協(xié)議類型來(lái)對(duì)分組進(jìn)行識(shí)別。此外，為了實(shí)現(xiàn)防火墻的功能也需要對(duì)IP分組進(jìn)行識(shí)別。
　　
　　在識(shí)別時(shí)，每條識(shí)別規(guī)則采用的是源IP地址、目的IP地址、源端口號(hào)、目的端口號(hào)、傳輸層協(xié)議類型。在上述識(shí)別規(guī)則中，每個(gè)域都可能是一個(gè)區(qū)間。例如有這樣一條識(shí)別規(guī)則“202.66.83.X，202.66.72.X，X，23，TCP”（X表示任意），這條規(guī)則識(shí)別從網(wǎng)絡(luò)202.66.83.X到網(wǎng)絡(luò)202.66.72.X的telnet數(shù)據(jù)。從幾何的角度來(lái)看，假如判別時(shí)利用了IP報(bào)頭的K個(gè)域，這個(gè)問題實(shí)際上是在一個(gè)K維空間中有許多互相交疊的實(shí)體（每條判別規(guī)則對(duì)應(yīng)于一個(gè)實(shí)體），每當(dāng)有一個(gè)分組到達(dá)時(shí)，該分組相當(dāng)于K維空間上的一個(gè)點(diǎn)，進(jìn)行判別實(shí)際上是要找出包含該點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)最高的實(shí)體。
　　
　　＊數(shù)據(jù)流的分類
　　
　　一系列通過給定的源和目的地的數(shù)據(jù)包被作為數(shù)據(jù)流，流可以是長(zhǎng)時(shí)間維持的TCP連接的一系列數(shù)據(jù)包，也可以是聲音或圖像的一系列UDP數(shù)據(jù)包。通常，流有長(zhǎng)短之分，劃分有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：端口對(duì)和主機(jī)對(duì)。按端口對(duì)劃分是指同一流的數(shù)據(jù)包必須具有相同的源、目的地址和TCP/UDP端口號(hào)等；按主機(jī)對(duì)劃分只要求各數(shù)據(jù)包具有相同的源和目的地址。目前常用的流分類器有三種，一種是X/Y分類器，Y為規(guī)定的時(shí)間間隔，X為數(shù)據(jù)包數(shù)。若在時(shí)間Y內(nèi)某一數(shù)據(jù)流到達(dá)的數(shù)據(jù)包數(shù)大于X，則該流就被認(rèn)定為長(zhǎng)數(shù)據(jù)流，否則是短數(shù)據(jù)流；另一種是協(xié)議分類器（Protocol Classifier），它規(guī)定了所有的TCP包均被定義為數(shù)據(jù)流；還有一種是端口分類器（Port Classifier），它規(guī)定了幾個(gè)非凡的TCP端口作為長(zhǎng)數(shù)據(jù)流。因?yàn)榉诸愐獙?duì)每個(gè)進(jìn)入路由器的包進(jìn)行包頭檢查，我們需要快速的分類算法。
　　
　?。?QoS問題
　　
　　假如能實(shí)現(xiàn)真正的QoS，對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)變?yōu)橐粋€(gè)商業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，當(dāng)然是最理想的。在目前網(wǎng)絡(luò)阻塞無(wú)法避免的情況下，IETF提出了一些模型和機(jī)制來(lái)支持QoS，主要有兩種實(shí)現(xiàn)框架，即IS（Integrated Service）和DS（Differentiated Service）。其中，IS應(yīng)用資源預(yù)留協(xié)議（RSVP），在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)發(fā)送前建立發(fā)送通道并預(yù)留資源；而DS通過給數(shù)據(jù)包做標(biāo)記將數(shù)據(jù)包分類，使不同的數(shù)據(jù)包享受不同的服務(wù)。實(shí)現(xiàn)真正的QoS有一定的難度，無(wú)論是采用輸出緩沖,還是共享緩沖的交換結(jié)構(gòu)，內(nèi)部都需要N倍的加速。
　　
　?。?MPLS和流量工程
　　
　　在互聯(lián)網(wǎng)上，可以通過MPLS支持顯式路由。顯式路由可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中OSPF（Open Shortest Path First）協(xié)議在源和目的之間只建立一條最短路徑的不足。它的好處是，ISP可以在兩點(diǎn)之間的不同路徑上分配業(yè)務(wù)量，從而減少業(yè)務(wù)繁忙的路徑的阻塞率，提高線路的利用率，提供一定程度的QoS保證。還可以通過顯式路由建立冗余線路，在某些路由器發(fā)生故障的情況下，保證通信線路的暢通。IETF的相關(guān)工作組和許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商正在進(jìn)行這方面的工作，并且已經(jīng)提出了一些實(shí)現(xiàn)方案。
　　
　?。?阻塞控制
　　
　　TCP協(xié)議采用滑動(dòng)窗口機(jī)制進(jìn)行流量和阻塞控制，實(shí)際上是發(fā)送端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的阻塞情況調(diào)整自己的發(fā)送速率。
　　
　　TCP協(xié)議有兩個(gè)特點(diǎn)，一是不公平性，RTT（Round Trip Time）短的進(jìn)程發(fā)送窗口增加得快，會(huì)占用更大的帶寬。路由器應(yīng)該抑制這種不公平性。另一個(gè)是同步現(xiàn)象，以前的路由器采用的尾丟棄策略在網(wǎng)絡(luò)阻塞時(shí)，有可能導(dǎo)致許多TCP連接的發(fā)送窗口同時(shí)急劇下降，然后又同時(shí)上升而導(dǎo)致阻塞；如此循環(huán)往復(fù)，線路的利用率很低。這種現(xiàn)象稱為同步，路由器應(yīng)該采取措施以避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。
　　
　　路由器處理阻塞的一個(gè)主要措施就是利用TCP協(xié)議的丟包性質(zhì)。當(dāng)分組丟失時(shí)，TCP會(huì)降低發(fā)送速率，從而減輕路由器的負(fù)擔(dān)。由于TCP協(xié)議對(duì)丟包很敏感，丟包會(huì)造成發(fā)送速率急劇下降，路由器應(yīng)該針對(duì)TCP的性能對(duì)緩沖治理進(jìn)行優(yōu)化，以避免網(wǎng)絡(luò)性能的急劇下降。
　　
　　目前，許多路由器采用隨機(jī)早期檢測(cè)（RED Random Early Detection）的方法來(lái)進(jìn)行阻塞控制。這種方法通過在阻塞發(fā)生前提早丟包，使得終端降低發(fā)送速率，以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，避免阻塞，抑制同步現(xiàn)象。RED算法的最大缺點(diǎn)是：只對(duì)類似TCP協(xié)議自動(dòng)進(jìn)行流控的傳輸層協(xié)議起作用；對(duì)于UDP協(xié)議路由器丟包并不會(huì)促使發(fā)送端降低發(fā)送速率。由于TCP數(shù)據(jù)流量在網(wǎng)絡(luò)中所占的比重很大，RED算法的性能還是比較好的。互聯(lián)網(wǎng)上許多路由器都采用了這種方法進(jìn)行阻塞控制，事實(shí)證實(shí)這種方法效果良好。
　　
　　3.與軟件有關(guān)的問題
　　
　?。?軟件的重要性
　　
　　過去，路由器被看作是最佳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的硬件設(shè)備，軟件僅提供監(jiān)視器的功能。但隨著路由器的發(fā)展，軟件在路由器中起的作用越來(lái)越大。實(shí)際上，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（如，通信領(lǐng)域常用PSOS和VxWorks）的選擇對(duì)一個(gè)通信產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。假如要開發(fā)效率很高的軟件，需要操作系統(tǒng)廠商的支持。像Cisco公司，就是自己開發(fā)專用的路由器操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件。假如這種趨勢(shì)繼續(xù)發(fā)展，終端用戶將來(lái)可以很方便地在路由器上裝載各種應(yīng)用軟件模塊，使路由器能夠提供防火墻、流量治理策略、非凡應(yīng)用信令、路由策略等功能。
　　
　　＊網(wǎng)管系統(tǒng)
　　
　　目前的網(wǎng)管協(xié)議是簡(jiǎn)單網(wǎng)管協(xié)議版本2.0(SNMPv2，Simple Network management Protocol v2.0)，在TCP/IP協(xié)議中用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。由于路由器在體系結(jié)構(gòu)上的變化，使得一些網(wǎng)管信息需要由底層的硬件來(lái)提供，這一點(diǎn)和以前的實(shí)現(xiàn)方法是不同的。這里的工作主要是通過網(wǎng)管功能和治理信息數(shù)據(jù)庫(kù)（MIB-Management Information Base）的實(shí)現(xiàn)來(lái)給網(wǎng)絡(luò)治理者提供充足的治理信息和強(qiáng)大、靈活的治理功能。
　　
　?。?計(jì)費(fèi)
　　
　　對(duì)用戶的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行計(jì)費(fèi)需要提取IP包的地址、端口、CoS等信息，由于端口速率很高，這部分信息的數(shù)據(jù)量也是比較大的，假如在接口板上進(jìn)行處理很不現(xiàn)實(shí)。而且，不同的ISP收費(fèi)的標(biāo)準(zhǔn)很可能是不一樣的。因此，應(yīng)該將計(jì)費(fèi)功能分離出去，路由器接口板只負(fù)責(zé)提供一個(gè)計(jì)費(fèi)信息的接口，把計(jì)費(fèi)信息送出來(lái)。之后，可以將這些數(shù)據(jù)寫到外部存儲(chǔ)設(shè)備，由專門的機(jī)器進(jìn)行計(jì)費(fèi)處理。這樣將減輕路由器的負(fù)擔(dān)，計(jì)費(fèi)功能的實(shí)現(xiàn)也更加靈活。
　　
　?。?配置
　　
　　路由器的配置是一項(xiàng)非常重要而又較困難的工作，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤配置，不但難以發(fā)現(xiàn)，而且會(huì)出現(xiàn)一些難于琢磨的性能問題。隨著路由器技術(shù)的發(fā)展，其配置會(huì)越來(lái)越簡(jiǎn)單和有效，這個(gè)問題的完善解決將是一個(gè)長(zhǎng)期的工作。
　　
　　＊軟件的穩(wěn)定性
　　
　　大家知道，路由器的硬件可以用熱備份、雙電源供電、數(shù)據(jù)通路備份等方法來(lái)提高穩(wěn)定性，但對(duì)于軟件的穩(wěn)定性則是一個(gè)較難解決的問題。一個(gè)大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的前提條件是軟件的穩(wěn)定性。軟件穩(wěn)定性的難點(diǎn)在于軟件的狀態(tài)均受不同軟件相互作用的影響。
　　
　　結(jié)束語(yǔ)
　　從世界范圍看，依據(jù)目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展情況，吉比特路由器是高速路由器市場(chǎng)的主流，太比特路由器的市場(chǎng)并不大。但就互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢(shì)頭來(lái)看，太比特路由器將有用武之地，一些公司已經(jīng)在對(duì)它進(jìn)行一定的應(yīng)用和測(cè)試。如：美國(guó)GST公司已經(jīng)決定在其“SuperNet”網(wǎng)上使用Avici的太比特路由器。
　　
　　互聯(lián)網(wǎng)測(cè)量統(tǒng)計(jì)公司I Amasia2000年6月7日在香港公布的研究報(bào)告指出，我國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)已達(dá)到1230萬(wàn)人。在我國(guó)內(nèi)地，家中上網(wǎng)的用戶數(shù)目前為570萬(wàn)，辦公室上網(wǎng)的人數(shù)則為500萬(wàn)；而香港在家中和在辦公室上網(wǎng)人數(shù)分別為152萬(wàn)和61萬(wàn)?，F(xiàn)在我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模還不大，近期骨干網(wǎng)發(fā)展使用的是吉比特路由器，163網(wǎng)就使用了6個(gè)Cisco的吉比特路由器。但我們這樣的一個(gè)泱泱大國(guó)，在以后幾年，用戶的發(fā)展?jié)摿κ遣豢晒懒康模承┕歉晒?jié)點(diǎn)要考慮太比特路由器，吉比特路由器可能會(huì)用在次要節(jié)點(diǎn)或邊緣節(jié)點(diǎn)上。
　　
　　目前，迫切需要能提供分類業(yè)務(wù)功能的路由器，IP電話的開通就說(shuō)明了這一點(diǎn)，假如路由器能實(shí)現(xiàn)此功能，不僅IP電話的質(zhì)量會(huì)比現(xiàn)在好得多，而且互聯(lián)網(wǎng)也將真正成為多媒體網(wǎng)，從而帶來(lái)更多的商業(yè)價(jià)值。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)這一切將成為現(xiàn)實(shí)。
　　
　　我國(guó)進(jìn)行路由器產(chǎn)品研發(fā)較早的公司有華為和桑達(dá)。最近，國(guó)內(nèi)一些有實(shí)力的電信企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)剛剛進(jìn)入高速、高性能的下一代路由器研究領(lǐng)域。我國(guó)在ATM交換機(jī)領(lǐng)域已經(jīng)有過成功的經(jīng)驗(yàn)，科研人員在較短的時(shí)間內(nèi)研制出了與國(guó)際水平相近的產(chǎn)品，并且投入了商用。在下一代路由器的研發(fā)方面，我國(guó)有希望追趕世界先進(jìn)水平，相信我國(guó)的下一代路由器產(chǎn)品能盡快在市場(chǎng)上占領(lǐng)一席之地。

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