路由器隨NGI建設的進展與趨勢

2019-11-05 00:33:55

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供稿：網友

　　眾所周知，當前互聯網已得到廣泛和成功的應用。隨著互聯網的日益普及，互聯網中的節點設備――路由器也因此應用廣泛。在信件交換網絡中，郵政局是核心處理點；在電話交換網中，交換機和信令處理節點是網絡的核心設備；在以ip網絡為基礎的互聯網中，路由器是最重要的核心節點，負責維護網絡中的路由，并將IP分組傳遞到各自的目的地。路由器作為基石，支撐著互聯網這座大廈。
　　
　　雖然一直以來，互聯網在路由器技術以及Web應用支撐下以爆炸性的速度增長；但是隨著業務和終端的IP化，越來越多的業務和應用承載到了互聯網上，當前的互聯網似乎已難以滿足越來越多、非凡是傳統電信業務與應用開展的要求。為使互聯網繼續健康有序發展，滿足當前以及未來可能的業務需求，各國都在進行下一代互聯網（NextGenerationInternetNGI）的研究和建設。為支撐下一代互聯網，路由器技術也有了新的進展與趨勢。
　　
　　一﹑路由器技術現狀
　　與工作在鏈路層的局域網交換機不同，路由器是工作在OSI參考模型第三層-網絡層的數據包轉發設備。通常路由器通過獨立轉發每個數據分組來實現網絡互連。雖然路由器可以支持多種協議簇（例如TCP/IP、IPX/SPX、AppleTalk等），但是作為事實標準，TCP/IP協議是當前路由器上運行的占絕對優勢的協議。
　　
　　路由器通過連接兩個或多個由IP子網或點到點協議標識的邏輯端口，因此一般至少擁有多個物理端口。路由器根據收到數據包中的網絡層地址以及路由器內部維護的路由表決定輸出端口以及下一跳地址，并且重寫鏈路層數據包頭，轉發數據包。
　　
　　路由器通過動態維護路由表來反映當前的網絡拓撲。為動態維護路由表，路由器通常與網絡上其他路由器交換路由和鏈路信息。
　　
　　當前路由器分類方法各異。各種分類方法有一定的關聯，但是并不完全一致。通常可以從能力上、結構上、網絡位置上、功能上、性能上等方式分類。處于描述方便，下文中路由器分類按照背板交換能力來區分，可分成高端路由器和中低端路由器。通常將背板交換能力大于40Gbit/s的路由器稱為高端路由器，背板交換能力40Gbit/s以下的路由器稱為中低端路由器。以市場占有率最大的Cisco公司為例，12000系列為高端路由器，7500以下系列路由器為中低端路由器。
　　
　　當前路由器通常實現下列基本功能：
　　
　　1）連接在IP網絡上，實現IP、TCP、UDP、ICMP等互聯網協議。
　　
　　2）連接到兩個或多個數據包交換的網絡。對每個連接到的網絡，實現該網絡所要求的功能，例如封裝、解封裝、地址翻譯、流量控制和差錯指示等。
　　
　　3）接收及轉發數據包，在收發過程中實現緩沖區治理，擁塞控制以及公平性處理。例如辨認差錯并產生ICMP、處理TTL、數據包分段等。
　　
　　4）按照路由表信息，為每個IP數據包選擇下一跳目的地。
　　
　　5）支持內部網關協議（IGP）與其他同一自治域中路由器交換路由信息及可達性信息。支持外部網關協議（EGP）與其他自治域交換拓撲信息。
　　
　　6）提供網絡治理和系統支持機制，包括存儲/上載配置、診斷、升級、狀態報告、異常情況報告及控制等。
　　
　　當前路由器性能功能概要描述如下：
　　
　　路由器普遍實現IPv4協議。少量路由器實現IPv4/IPv6雙協議棧。很少有商用的純IPv6路由器。實現IPv6協議棧的路由器大多采用軟件實現形式，極少數路由器對IPv6報文實現硬件轉發。
　　
　　當前路由器IPv4交換容量最大在640Gbit/s左右。雖然存在T比特路由器，但是由于需求量較少以及性價比等原因，沒有大量商用。
　　
　　路由器接口從低速串口到高速POS接口都有實現。當前10Gbit/s接口已有一定商用，主要是10GE接口與10Gbit/s POS接口。在少量高端路由器上最低速接口為1000Mbit/s，用于和局域網交換機等作短距離互連；對專線接入路由器來說，2M接口還有大量應用；10Gbit/s接口用于連接骨干/核心網；對運營商使用的路由器來說低于2Mbit/s的接口已很少用到，主要用于企業網專線；10/100Mbit/s接口還在廣泛使用，大量用在接入業務源和寬帶用戶。
　　
　　路由器，非凡是運營商使用的高端路由器的路由協議實現比較齊全，包括OSPFv2、BGP4、ISIS等。BGP協議路由表容量基本能達到256kbit/s，少數能到1Mbit/s。OSPF協議路由表能力在幾k左右。高端路由器基本實現MPLS協議。
　　
　　網絡基本依靠專用設備――防火墻實現安全。用戶安全由用戶自身端到端實現。路由器盡力確保自身安全，路由協議基本實現認證，路由器對針對自身攻擊有一定的防護。當前路由器很少作源地址檢查。由于對分組逐包路由，可能出現會話竊取等現象。對于濫用網絡資源的攻擊，當前路由器基本無能為力。由于控制與業務沒有物理隔離，并且協議軟件龐大且復雜，當前路由器可靠性尚且無法與傳統電話交換機比較。
　　
　　當前路由器基本實現8個硬件隊列，能夠配置TOS，實現WFQ、RAD等算法，大多路由器實現RSVP協議。但是由于網絡規模和運營經驗等原因，大多數QoS特性都沒有使用。網絡不能對不同的業務類別或者業務流預留資源。因此當前互聯網基本采用的是盡力而為的模式。少量運營商通過超大帶寬以及接入控制等手段保證一定的服務質量，但是對缺少流量模型的互聯網業務還是辦法不多。
　　
　　在治理上路由器基本實現簡單網管協議。大多只能統計流量，極少能對具體業務流作統計，對計費有一定限制。并且對流量或業務流作統計時還可能影響性能。雖然設備實現簡單網管協議，但是全網網絡治理能力較弱。基本只能作網元級治理，網絡級治理比較困難，業務級治理基本沒有。
　　
　　二﹑我國互聯網現狀與NGI建設
　　信息產業的發展，為我國發展互聯網創造了良好的條件。目前，中國的互聯網上網用戶數已超過7800萬，居世界第二位；接入互聯網的計算機超過3000多萬臺，擁有WWW網站超過50萬個、CN域名28.6萬個；互聯網國際出入口帶寬達到20Ｇbit/s。
　　
　　由于互聯網的基礎協議--IPv4協議簇的一些固有缺陷以及業務對網絡提出更高的新要求，預計現有互聯網已無法滿足未來網絡需求。為使互聯網繼續快速健康增長，我國啟動了CNGI項目。
　　
　　CNGI項目最初是由57位院士寫信建議建設我國下一代互聯網試驗平臺而發起。國家計委組織專家委研究并起草“下一代互聯網發展戰略報告”以及“中國下一代互聯網示范工程CNGI項目實施方案建議”。并建議將CNGI項目列為國家重大高科技工程項目，聯合各部門的力量，充分發揮企業以及院校的積極性。
　　
　　CNGI的總體目標是：在國家統一部署下，抓住時機，在改進和提高現有網絡和大力推廣應用的同時，實施中國下一代互聯網示范工程，攻克下一代互聯網及其重大應用的要害技術，實現下一代互聯網的產業化。其中在技術上通過科學研究和技術開發，把握下一代互聯網及其應用的要害技術；在專利與標準方面申請一批專利，并爭取在關于下一代互聯網的重要國際標準中有中國的一席之地，力求在下一代互聯網的試驗方面與國際接軌；在產品方面形成有自主知識產權的軟、硬技術和產品；為科研建設一個科學試驗、技術驗證和業務示范的公用平臺；在產業上促進我國電信運營業的新業務和應用的開發，帶動我國民族信息產業的發展。
　　
　　下一代互聯網將有以下特征：
　　
　　更高的帶寬：為了讓人們創造更多更有價值的服務與應用，下一代互聯網需要提供比現在大得多的通信能力。交互式多媒體通信、流媒體視頻、視頻點播等應用都是當前看得到的寬帶業務。因此下一代互聯網接入帶寬可能要比目前大10倍甚至100倍，骨干網的總帶寬要比目前大100甚至1000倍。
　　
　　更好的服務質量：今天的互聯網所提供的服務是“盡力而為”的，不提供質量保證。對那些實時性要求嚴格的服務而言，顯然是不能令人滿足的。此外“盡力而為”也使運營商或服務提供商難以推出能盈利的商業模式，妨礙互聯網的深化發展。因此下一代互聯網應將“盡力而為”的服務過渡到具有服務質量保證的強勢服務。
　　
　　更大的地址空間：90年代互聯網以驚人的速度發展著，到2002年初全球用戶數已超過5億。今后隨著政府上網、企業上網、個人上網、汽車上網、設備上網、家電上網等等，現有互聯網協議IPv4定義的有限地址空間很快就要不夠用，估計在2005～2010年間將分配完畢（而且70%的IP地址為美國占有）。這勢必妨礙互聯網的普及發展和深化發展。下一代互聯網必須擁有更大的地址空間，IPv6協議是當前一個較好的選擇。
　　
　　良好的商業模式：互聯網自90年代中期商用化以來很快形成了所謂的眼球經濟，即以沖浪、瀏覽為主的單一商業模式。雖然發展很快，但是沒有形成多贏的價值鏈以及相應的商業模式。互聯網要在完全開放與競爭的市場環境中得以持續發展，必須從眼球經濟走向能夠創收、盈利的模式。下一代互聯網應推出更多更有價值并能不斷衍生的服務與應用，形成新的價值鏈和找出能夠盈利的商業模式。
　　
　　更高的安全性：互聯網是一種全球性、開放性、透明性的網絡，是無邊界的。任何團體或個人都可以在網上方便地傳送或獲取各種各樣的信息。而目前網絡自身的安全保護能力有限，許多應用系統處于不設防或很少設防的狀態，存在著太多的弱點。而將來對網絡的攻擊不僅僅是我們曾經見識過的蠕蟲、病毒和黑客攻擊，還會有瞄準互聯網基本機理的攻擊，甚至會使要害的交換機、路由器和傳輸設備癱瘓。網絡安全問題必然給信息安全帶來極大的威脅和隱患。隨著上網單位和網上信息的日益增多、競爭的加劇以及政治斗爭（包括與恐怖份子的斗爭）的需要，下一代互聯網有較高的安全需求。
　　
　　更普遍的服務：1998年美國首次用數字鴻溝來比喻信息貧富差距。在過去的40 多年中，全球的電信網絡以每年4%到7%的速度穩步發展，網絡規模增長了8倍多。不同國家之間電話普及率的差距一直在不斷縮小。然而當我們正在彌補80年代的電話鴻溝時，90年代的信息革命浪潮又形成了新的更大的鴻溝。截至2001年1月，占世界人口15％的高收入者占有了全球固定電話線數的55％、移動用戶數的65％、互聯網用戶數的74％。其中互聯網鴻溝尤其大。不僅發展中國家與發達國家之間存在明顯的數字鴻溝，而且每個國家內部，發達地區和貧困地區之間、城市和農村之間、富人和窮人之間、不同種族之間也存在著較大的信息貧富差距。因此下一代互聯網應縮小數字鴻溝，實現互聯網普遍服務，向全人類普及。
　　
　　三﹑路由器隨NGI建設的進展與趨勢
　　為適應下一代互聯網的要求，路由器作為互聯網的核心設備也有了新的進展與發展趨勢。具體內容如下所示：
　　
　　普遍支持IPv6協議：為滿足下一代互聯網大量用戶與終端的業務需求，IPv6的采用勢在必行。因此用于下一代互聯網的路由器必須支持IPv6協議。當前主流路由器都公布了IPv6協議的支持計劃。現有實現中大多數廠家采用IPv6數據包軟件轉發和處理的方式，但是對IPv6的硬件實現是必然趨勢。由于IPv4與Ipv6預計在很長時間內將共存，因此路由器還在實現中考慮了隧道和雙協議展的過渡技術。
　　
　　容量仍然呈增大趨勢：從Juniper公司曾經領先業界160Gbit/s交換能力到現在朗訊公司NX64000單機架6.4Tbit/s或者Pluris的128機箱聯機，184Tbit/s的交換能力。為適應下一代互聯網可能出現的流媒體業務、多媒體會話業務、視頻點播業務等寬帶業務，高端路由器的能力預期會持續呈上升趨勢。
　　
　　端口速度走向高速化：當前10Gbit/s POS（OC－192）接口10Gbit/s以太網接口已商用。40Gbit/s POS（OC－768）已在計劃中。為適用寬帶業務，100Mbit/s端口將大量用于用戶接入，1000端口將大量用于業務源接入。
　　
　　增強的路由協議支持：為支持IPv6協議，路由器相應支持RIPng、OSPFv3、BGP4+等。由于IPv6地址規劃較好，當前路由器進展中并沒有過于強調路由表容量的增加。通常對IPv4路由表、IPv6路由表以及MPLS表的共存作考慮。此外用于下一代互聯網的路由器還通常考慮協議性能，在大量路由抖動時不影響路由器的穩定。
　　
　　端口趨向高密度：由于運營商，非凡是新興運營商機房容量限制，對端口密度要求越來越重視。一些廠家正在研發高密端口接口卡，例如10Gbit/s×4接口卡。
　　
　　越來越強大的互聯能力：隨著信息爆炸性增長以及傳輸光網絡能力的飛速提升，交換節點能力要求越來越大。一方面路由器單機交換能力越來越強大，另一方面通過機箱互聯來提供更強大的交換能力。例如Pluris通過128機箱互聯提供184T的交換能力。
　　
　　出現與光網絡融合的趨勢：通用多協議標記交換(GMPLS)將MPLS體系向光網擴展，將IP域和光域作為一個統一的由MPLS協議控制的網絡；2001年Supercomm展示出NTT公司的光MPLS路由器——光交叉接插件（OXC）和IP高速路由器一體化設備。
　　
　　越來越注重IP網服務質量的提供：提供各種手段包括無阻塞交換、優先級隊列、排隊算法、RSVP等資源預留協議、大帶寬冗余等提供COS或者TOS。
　　
　　關注業務開展能力：對于運營商而言，業務開展比先進技術更重要。只有廣受歡迎的業務才能為運營商帶來收入。所以高端路由器生產廠商也越來越關注業務開展能力。
　　
　　可用性越來越高：高端路由器通常是網絡核心，即使位于邊緣也通常相關大量用戶。所以高端路由器可用性通常要求達到99.999%。
　　
　　重視網絡治理：可治理可維護的設備才是運營商需要的設備。現階段非凡是高端路由器越來越關注網管能力。
　　
　　考慮網絡安全：網絡安全已成為急需解決的問題。路由器一方面通過提高可用性以及實現路由協議的認證來保證網絡層安全，另一方面通過增強ACL以及源地址過濾等能力來緩解網絡資源濫用。

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