路由器發展趨勢

2019-11-05 00:35:46

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供稿：網友

　　芯片速度每18個月翻一翻，而因特網的流量是每六個月翻一翻。作為因特網的樞紐，路由器正在朝速度更快、服務質量更好和更易于綜合化治理的三個方向發展。路由器的功能在具體分析路由器的發展趨勢之前，我們先簡單介紹一下路由器的功能。傳統上路由器工作于所謂網絡7層協議的第三層，其主要任務是接收來自一個網絡接口的數據包，根據其中所含的目的地址，決定轉發到哪一個下一個目的地（可能是路由器也可能就是最終目的點），并決定從哪個網絡接口轉發出去。這是路由器的最基本功能——數據包轉發功能。為了維護和使用路由器，路由器還需要有配置或者說控制功能。
　　
　　根據TCP/ip協議，路由器的數據包轉發具體過程是：
　　
　　絡接口接收數據包；這一步負責網絡物理層處理，即把經編碼調制后的數據信號還原為數據。不同的物理網絡介質決定了不同的網絡接口，如對應于10Base-T以太網，路由器有10Base-T以太網接口，對應于SDH，路由器有SDH接口，對應于DDN，路由器有V.35接口
　　
　　根據網絡物理接口，路由器調用相應的鏈路層（網絡7層協議中的第二層）功能模塊以解釋處理此數據包的鏈路層協議報頭。這一步處理比較簡單，主要是對數據完整性的驗證，如CRC校驗、幀長度檢查。近年來，IP over something 的趨勢非常明顯，非凡是光纖網絡技術的迅速發展和IP作為事實標準的確立，使得在DWDM（密集波分復用）光纖上，IP（處于網絡層——網絡7層協議中的第三層）跳過鏈路層而被直接加載在物理層之上。
　　
　　在鏈路層完成對數據幀的完整性驗證后，路由器開始處理此數據幀的IP層。這一過程是路由器功能的核心。根據數據幀中IP包頭的目的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳的IP地址，IP數據包頭的TTL（Time to Live）域開始減數，并計算新的校驗和（checksum）。假如接收數據幀的網絡接口類型與轉發數據幀的網絡接口類型不同，則IP數據包還可能因為最大幀長度的規定而分段或重組。
　　
　　根據在路由表中所查到的下一跳IP地址，IP數據包送往相應的輸出鏈路層，被封裝上相應的鏈路層包頭，最后經輸出網絡物理接口發送出去。
　　
　　下面具體介紹路由器的發展趨勢。
　　
　　速度更快
　　
　　傳統意義上，路由器通常被認為是網絡速度的瓶頸。在局域網速度早已達到上百兆時，路由器的處理速度至多只到幾十兆比特率。這幾年伴隨著因特網的爆炸性增長，大家對路由器的研究也重點體現在提高路由器的處理速度上。96，97年間，美國出現了一批極具創新精神的小公司，如Nexabit、Juniper、Avici等，把路由器的處理速度提高到了登峰造極的地步，在很快的時間內相繼推出了吉位路由器。連Cisco公司在速度這一方面都只能望其項背。由于這些高速路由器無一例外地都引入了交換的結構，這些路由器也被稱千兆位交換路由器（GSR-Gigabit Switch Router）和太位交換路由器(TSR)。這些路由器的光接口速度也很快從OC-12 ( 622Mbps ) 跳到OC-48 ( 2.5Gbps ) 再到OC-192 ( 10Gbps )，這樣的速度早已把ATM交換機遠遠地甩在身后。從此，ATM在核心網絡中的不可代替的地位徹底發生了動搖。曠日持久的IP——ATM技術之爭終于以IP占據壓倒性的優勢結束。不過，從以下的分析，我們也可以看出，IP路由器速度的提高是直接得益于ATM的概念和技術的，在IP領域中提出的許多新概念和新技術也有相當一部分是直接或間接來源于ATM，兩種優秀的技術逐漸開始融合。事實上，許多公司從事高速IP路由器研發的技術人員正是過去研究ATM技術的研發人員。具體來說，IP路由器速度的急劇提高來源于以下四個方面的技術進展。
　　
　　件體系結構。路由器的硬件體系結構大致經歷了6次變化（《路由器的體系結構》中將具體討論），從最早期的單總線、單CPU結構發展到單總線、多CPU再到多總線多CPU。到現在，高速IP路由器中多借鑒ATM的方法，采用交叉開關方式實現各端口之間的線速無阻塞互連。高速交叉開關的技術已經十分成熟，在ATM和高速并行計算機中早已得到廣泛應用，市場上可直接購買到的高速交叉開關的速率就高達50Gbps。伴隨著高速交叉開關的引入，也同時引入了一些相應的技術問題，非凡是針對IP多播，廣播以及服務質量(QoS)，采用成熟的調度策略和算法，這些問題都得到了很好的解決。
　　
　　ASIC技術。這些年，出于成本和性能的考慮，ASIC應用得越來越廣泛，幾乎是言必稱ASIC。在路由器中要極大地提高速度，首先想到的也是ASIC。有的用ASIC做包轉發，有的用ASIC查路由，并且查找IPV4路由的ASIC芯片已經開始上市銷售。在ASIC蓬勃發展、大量應用的潮流中，有一動向值得注重，這就是所謂可編程ASIC的出現，這恐怕也是網絡本身日新月異所導致的一種結果。由于ASIC的設計生產的投入相當大，一般來說，AISC只用于已完全標準化的過程，而網絡的結構和協議又變化相當快，因此相應地在網絡設備這一領域，出現了奇異的“可編程ASIC”。目前，有兩種類型的所謂“可編程ASIC”，一種以3COM公司FIRE ( Flexible Intelligent Routing Engine ) 芯片為代表，這顆ASIC芯片中內嵌了一顆CPU，因此具有一定程度的靈活性；另一種以Vertex Networks的HISC專用芯片為代表，這顆芯片是一顆專門為通信協議處理的CPU，CPU體系結構設計專門化的適應協議處理，通過改寫微碼，可使這顆專用芯片具有處理不同協議的能力以適應類似從IPV4到IPV6的變化。
　　
　　三層交換。這是協議處理過程的一次革命性突破，也是現在GSR和TSR名稱的來源。自從名不見經傳的Ipsilon公司在1994年推出“一次路由，然后交換”的IPSwitch技術之后，各大公司紛紛推出自己專有的三層交換技術。如Cisco的Tag Switch、3Com 的Label Switch等。綜合這些專有技術的優點，IETF終于在1998年推出了性能優越的多協議標記交換(MPLS)。與“一次路由，然后交換”的最初思想相比，MPLS從網絡結構這一更高的層次來考慮三層交換技術，力圖一舉解決三層交換網絡流量治理的問題。與最初的Ipswitch技術不同，MPLS協議要對IP協議包做改動，在網絡邊緣，MPLS路由器對每個進來的IP數據包加上標簽(Label)，在其后的傳輸中，核心路由交換設備將只依據這個標簽決定轉發路徑，這種做法已經十分類似ATM世界中的虛電路概念。目前這一方面的研究仍在進行中，主要技術難點在于如何在網絡自治系統中確定網絡邊緣路由器上的標簽分配方案，以及如何根據網絡負載和故障情況動態自適應調整這個方案。
　　
　　IP over SDH，IP over DWDM。這方面的技術進展完全源于光纖通信技術的進展。隨著IP的核心地位逐漸被認同，IP over ATM、然后ATM over SDH的方式被IP直接over SDH的方式取代。SDH采用時分復用的方式承載多路數據。因此在核心網中需大量采用復用器交叉連接器。DWDM(密集波分復用)使得一根光纖上可用不同的波長傳送多路信號。一般一根光纖上同時跑4個波長即可稱為DWDM。自從1996年16個波長的DWDM光纖通信產品問世以來，到現在40個波長的DWDM技術已經實用化，80乃至于96個波長的DWDM產品也將在2000年內推出，我國也已經具備開發8個波長的DWDM技術。由于采用波分復用技術，數據在光纖上時的傳送變得相當簡單，光通信技術的進步使得光信號可以在800公里長的范圍內直接傳輸而無需任何光電或光光再生放大器。IP數據包直接調制在某個波長上，無需再經過復用、解復用。甚至在核心網中，直接采用波長信息作為IP數據流的路徑信息。
　　
　　服務質量更好
　　
　　前面所述的路由器在速度上的提高仍只不過是為了適應數據流量的急劇增加。而路由器發展趨勢更本質、更深刻的變化是：以IP為基礎的包交換數據將在未來幾年內迅速取代已發展了近百年的電路交換通信方式，成為通信業務模式的主流。這意味著，IP路由器不僅要提供更快的速度以適應急劇增長的傳統的計算機數據流量，而且，IP路由器也將逐步提供原電信網絡所提供的種種業務。但是傳統的IP路由器并不關心也不知道IP包的業務類型，一般只是按先進、先出的原則轉發數據包，語音電話數據、實時視頻數據、因特網瀏覽數據等等各種業務類型的數據都被不加區分的對待。由此可見，IP路由器要想提供包括電信廣播在內的所有業務，提高服務質量(QOS)是其要害。這也正是目前各大網絡設備廠商(包括Cisco，3Com，Nortel等)所努力推進的方向。各大廠商新推出的高、中、低檔路由器中都不同程度地支持QoS，如Cisco的最高檔12000系列，從硬件和軟件協議兩方面都對QoS有很強的支持，而其新推出的低端產品2600系列也支持語音電話這樣的新業務應用。事實上，QoS不僅是路由器的一個發展趨勢，以路由器為核心的整個IP網絡都在朝這個方向發展。“三網合一”這樣一個概念便是這個方向的產物。然而以傳統IP路由器為核心的網絡已經不能適應”三網合一”的趨勢，以美國為首的各個國家都在推進能提供更好，更快的服務質量的網絡技術的研發。其中路由器的研發又是其中的要害，公司成為推動這項技術的主要動力。
　　
　　對QoS的支持來自軟件和硬件兩個方面。從硬件方面說，更快的轉發速度和更寬的帶寬是基本前提。從軟件協議方面來說，近年來的努力，表現在以下幾個結果：
　　
　　PV4包頭服務類型字段。IPV4包頭中有一個3位的區域用以標識此IP包的優先級。據此優先級，IP路由器可以決定不同IP包的轉發優先順序。可以說，自IP協議制定之日起，就已經為日后提供更好的QoS預留了機制的保證。但由于IP網絡在蓬勃發展的初期并不注重QoS。因此，一般這個人3位區域并沒有被使用。不過，如我們下面分析所能看到，僅僅在IP包中定義服務類型是絕對不夠的，通過信令在整個網絡的各個環節都必須保證支持所要求的服務質量。
　　
　　RSVP（資源預留協議）及相應的系列協議。這是IP路由器為提供更好的服務質量向前邁進的具有深刻意義的一步。傳統上IP路由器只負責包轉發，通過路由協議知道臨近路由器的地址。而RSVP則類似于電路交換系統的信令協議一樣，為一個數據流通知其所經過的每個節點（IP路由器），與端點協商為此數據流提供質量保證。RSVP協議一出現，馬上獲得廣泛的認同，基本上被任為較好地解決了資源預留的問題。但隨著時間的推移，網絡的爆炸性增長，RSVP所暴露出來的問題越來越多，主要體現在以下幾個方面：
　　
　　最根本的是，RSVP是以每一個數據流為協商服務對象，在網絡流量爆炸性增長的情況下，路由器轉發的數據流個數急劇增長，為提高轉發速度，路由器中做了大量專門設計，已經根本不可能再為每個數據流進行復雜的資源預留協議。
　　
　　其次，當由于線路繁忙或路由器故障等原因，路由修改時，需要重新進行一次相對耗時RSVP過程。
　　
　　出于以上兩個原因，IETF又新推出另一種QoS策略——DiffServ (Differentiated Service)。目前DiffServ的框架已基本確定，美國的internet2也選擇DiffServ作為其QoS策略。與DiffServ相比，RSVP是一種Integrated Service，集中控制策略，而DiffServ則是一種分散控制策略，其精髓是僅控制路徑中每一跳（per hop）的行為。終端應用設備通過SLA（Service Level Agreement）與邊緣路由器協商獲得其應用數據流可得到保證的服務級別。根據這個服務級別，邊緣路由器為每個接收到的數據包打上級別的標記，而核心路由器則只是根據每個包的服務級別的標記決定轉發時的調動行為。由于客戶只是與邊緣路由器協商并獲得服務級別保證，在一個相互關聯的大網中，由于網絡流量不均勻等原因，不同邊緣路由器所提供的相同級別的服務等級的實際服務質量并不一樣，這就需要不同的提供QoS服務等級的網絡區域之間也通過SLA相互交流流量信息，以避免或減少上述情況的發生。
　　
　　多協議標記交換（MPLS）也被用來解決QoS問題。但其覆蓋范圍是核心網絡路由器。為建立合理的核心路由間的交換路徑，核心路由器間需要定時交換流量等狀況信息。
　　
　　治理更加智能
　　
　　隨著網絡流量的爆炸性增長，網絡規模日益膨脹，以及對網絡服務質量的要求越來越高，路由器上的網絡治理系統變得日益重要，網絡連接已成為日常工作，生活中不可缺的部分。在保證質量的情況下最大限度地利用帶寬、及早發現并診斷設備故障，迅速方便地根據需要改變配置，這些網絡治理功能都日益成為直接影響網絡用戶和網絡運營商利益的重要因素。在網絡協議七層模型中，網絡治理屬于高層應用，目前各廠家網絡治理的一個重要發展趨勢是向智能化方向發展。所謂智能化又體現在兩個方面，一是網絡設備（路由器）之間信息交互的智能化；二是網絡設備與網絡治理者之間信息交互的智能化，
　　
　　在網絡治理智能化的大趨勢中，“基于策略的治理”和“流量工程”這兩個技術概念是目前最引人注目的。各路由器廠商在新推出的產品中無不標榜自己的網絡治理配套系統具有或部分具有這兩個方面的功能。
　　
　　“基于策略的治理”這一概念將同時影響路由器之間和路由器與網絡治理者之間的信息交互行為模式。使得網絡治理者更易于從用戶的角度去定義和約束網絡行為，而這些上層策略將直接影響網絡基本行為，使傳統的路由算法發展為基于策略的路由算法，使路由器之間的信息交互必須包涵策略性所涵蓋的信息內容。
　　
　　“流量工程”是核心網運營商最關心的問題，新的協議如MPLS在解決標記交換的同時，也提供了一個很好的解決“流量工程”的方法。即通過路由器三間交互各端的流量狀態等信息，用收斂算法計算一段時間內網絡內標記的顯式路徑，約束最短路程優先算法被采用以使整個網絡的流量在每一段時間內盡量保持均衡。
　　
　　作為本文的總結，可以說網絡技術的發展是日新月異。當我們沉沁在以IP為基礎的因特網給我們所帶來的巨大喜悅中時，路由器技術非凡是核心路由器技術正在經歷著巨大的變化，路由器早已非當年吳下阿蒙，借用比爾.蓋茨的話說，我們離不懂路由器只有18個月。

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