下一代網絡和思科運營商路由系統

2019-11-05 00:46:35

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供稿：網友

　　本解決方案概述介紹了下一代服務供給商網絡，闡述了建設融合式分組基礎設施的步驟，指明了融合式分組基礎設施對下一代核心路由系統提出的要求，并介紹了Cisco CRS-1運營商路由系統——旨在滿足當前需要和未來幾十年的發展要求的先進的思科系統解決方案。

下一代網絡和融合式分組基礎設施的發展目標

全球各地的服務供給商正在設法部署可以滿足客戶和投資者的要求的新型解決方案：

來自企業的要求：

集成化的數據、語音和視頻
在任何地點使用任何服務，很高的速度和介質靈活性
按需供給電路、帶寬和服務
靈活的虛擬專用網（VPN）解決方案
更加創新的服務和網絡智能——安全、存儲、應用層路由和適應能力，以支持企業市場的向更加緊密地集成網絡和信息系統發展的趨勢

來自消費者和政府的需求：

為每個家庭提供寬帶接入
企業級遠程辦公——高性能，高度可用，具有很高的安全性，可以有效地支持日益增多的、在家中或者國外辦公的遠程辦公人員。
為基于有線和無線接入方式的數據、語音和視頻服務提供具有吸引力的價格
防火墻和入侵防范
視頻點播服務
高速對等網絡和應用

來自投資者的需求包括：

增加收入
提高盈利能力
擴大服務范圍
提高生產率

很多服務供給商現在都發現，現有的解決方案越來越難以滿足這些市場需求。這些解決方案包括：

在一組針對特定服務、維護成本很高的復雜網絡上提供數據、語音和視頻服務，而且這些網絡服務提供市場所需要的靈活、集成化服務
采用一組只能提供基本的連通性，而不能提供不同種類的、高利潤的服務的接入方式和協議
利用復雜、冗余的架構建設ip/MPLS網絡，無法提供市場所需要的可靠性、效率和靈活性

為了解決這些挑戰和市場需求，一種新的理念正在引起通信行業的廣泛關注，那就是建設一個面向所有服務的統一網絡。這種下一代網絡可以提供：

無線網絡的移動性…
公共交換電話網絡（PSTN）的可靠性
互聯網的廣泛性
專線的安全性和服務隔離
IP和多協議標簽交換（MPLS）網絡在支持集成化數據、語音和視頻服務方面的靈活性
光傳輸網絡的龐大容量
一個通用、統一的基礎設施的運營效率

很多服務供給商都認為，下一代網絡必須采用一個新的平臺——一個包括三個核心部分的融合式分組基礎設施：

基礎設施融合——利用可以提供第二層和第三層VPN服務的多服務邊緣（MSE）路由器，將多個針對特定服務的網絡整合到一個共同的MPLS核心上
服務融合——將數據、語音和視頻服務融合到靈活的、無所不在的IP/MPLS上
網絡簡化——通過消除復雜的層次和冗余，簡化網絡架構——尤其是接入點（POP）架構，創建更加便于擴展、更加可靠和更加便于治理的IP/MPLS網絡。

基礎設施融合

目前，很多服務供給商所使用的基礎設施都是由多個針對特定服務的網絡組成。這些網絡是隨著在過去幾十年中出現的多種技術逐步發展而成的（如圖1所示）。這些復雜、混合的基礎設施通常包括：

用于提供第二層數據服務的幀中繼網絡（為核心骨干網使用ATM）——這些網絡可以提供的帶寬相當有限，通常不到1Mbps，而且具有嚴格的介質和拓撲限制。這使得它們無法滿足今天的需要。
用于提供遠程專線服務的SONET/SDH網絡——SONET/SDH可以方便地傳輸數據、語音和視頻，但是需要固定、專用的帶寬。SONET/SDH的可用性很有限，而且它與其他第二層服務的互操作性也較低。
城域以太網可以克服幀中繼的帶寬和拓撲限制，但是它們所覆蓋的地理范圍有限，而且缺乏與幀中繼和SONET/SDH服務的互操作能力，這限制了它們的靈活性。
通過TDM提供的語音服務已經變得非常普及，這在一定程度上是由于過去的產品開發周期一直較慢和這種技術本身缺乏靈活性。
通過獨立的基礎設施提供的專用IP和互聯網接入網絡。

圖1 由多個針對特定服務的網絡組成的、復雜的服務供給商基礎設施

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治理這些網絡給服務供給商帶來了沉重的負擔，因為他們通常需要為每個網絡部署不同的運營、治理和供給基礎設施，這使得服務集成在技術上和運營上都具有較高的難度。

在未來三到五年中，核心IP/MPLS中的數據流量的年增長速度預計將會超過100%。為了適應這種增長，服務供給商需要及時地擴充容量，這使得他們必須拓展各個無法有效地滿足所有市場需求的網絡基礎設施的運營和資本資源。

基礎設施融合——將服務整合到一個基于MPLS的分組基礎設施上——為服務供給商提供了一個更好的方法。基礎設施融合讓他們可以在一個共同的、靈活的基礎設施上提供集成化的數據、語音和視頻服務，同時將他們的運營和資本資源戰略性地集中到一個統一的骨干基礎設施上（如圖2所示）。這樣，效率和可擴展性將得到提升，而生命周期成本將會下降。

基礎設施融合是利用功能強大的邊緣路由平臺實現的。這種平臺可以提供多服務邊緣功能，并可以通過創建第二層VPN來為語音、幀中繼、ATM或者以太網提供傳輸服務，以及通過創建第三層VPN提供專用IP和互聯網服務。

下列基于分組的服務——部署在IP/MPLS基礎設施上——將讓服務供給商能夠以更快的速度，在更加廣闊的市場上提供更加創新、靈活的服務，同時逐步停止使用他們的針對特定服務的網絡：

專線服務——這些服務與通常通過SONET/SDH TDM基礎設施提供的專用租賃線路相同，包括DS-1、DS-3和OC-3租賃線路。基于MPLS的替代方案包括以太網專線——具有專用帶寬的點對點以太網LAN擴展，或者邊緣到邊緣的偽線仿真（PWE3）——利用共享帶寬在MPLS上傳輸無干擾信道。
第二層幀中繼服務——這些服務利用第二層MPLS VPN封裝和傳輸幀中繼幀，而不是使用現有的幀中繼和ATM基礎設施。它們讓供給商能夠以較少的拓撲限制提供比普通的幀中繼交換機更高的接入速度。
第三層幀中繼服務——這些服務利用第三層MPLS VPN封裝和傳輸幀中繼幀。這些服務也被稱為IP幀中繼，它們可以實現更高的接入速度；消除幀中繼的很多拓撲限制，包括對集中星型拓撲的需要；并且答應使用其他接入介質，例如以太網。
以太網服務——這組服務可以在MPLS上提供以太網LAN擴展，包括基于共享和專用（受保護）資源的點對點、點對多點、任意對任意拓撲。
MPLS VPN——第二層MPLS VPN可以利用邊界網關協議（BGP）的多協議功能和MPLS的專線功能，創建虛擬專用路由網絡。
專用網絡服務——這些完全獨立的網絡服務實際上是利用專用路由資源提供的專用IP基礎設施。

隨著基礎設施整合的不斷發展，數據、語音和視頻將成為服務，而不是獨立的網絡。服務供給商可以繼續用他們現有的、針對特定服務的網絡提供接入服務，同時在方便或者條件成熟的時候將客戶轉向基于IP/MPLS的新型服務。

當服務供給商和客戶移植到這些基于IP/MPLS的新型服務時，在任何地點通過一個統一的基礎設施提供服務的目標就將成為現實。

請注重下一代網絡對服務供給商和客戶的業務環境的影響。

服務供給商使用一個簡化的、融合式分組基礎設施，而不是一組復雜的、混合的針對特定服務的基礎設施。
核心網絡使用同一種協議——MPLS，而不是混合使用TDM、以太網、SONET、幀中繼、ATM、IP和MPLS。
服務供給商可以銷售帶寬和基于IP/MPLS的創新服務，而不是僅僅銷售連接和帶寬。
服務供給商可以在IP/MPLS網絡所覆蓋的任何地方提供服務，而不會受到針對特定服務的網絡和協議的功能和范圍限制。
由于消除了獨立的網絡治理和供給基礎設施，服務供給商可以將緩慢的、復雜的供給方式發展為按需供給的方式。
增長率不再受到基礎設施的限制，而是可以得到IP/MPLS的靈活性，以及它的通過任何介質向任何客戶提供靈活的、集成化服務的能力的有力支持。
由于針對特定服務的網絡和運營基礎設施將被整合或者逐步停止使用，運營成本和資本開支將會大幅度降低。

圖2 基礎設施融合，即通過一個共同的、基于IP/MPLS的分組基礎設施提供數據、語音和視頻服務

服務融合

目前，大部分大型服務供給商都采用了一種綜合性的服務模式，這使得他們必須利用多個針對不同服務的基礎設施和協議連接他們的客戶（如圖3所示）：

基于TDM基礎設施的語音服務
基于幀中繼、ATM、TDM、以太網或者SONET/SDH基礎設施的第二層數據服務
基于IP的第三層數據服務，但是被部署在不同的互聯網和專用IP基礎設施上

圖3 服務供給商為了滿足企業客戶的不同通信需求而提供的一個典型的、復雜的服務和協議組合

盡管服務供給商已經為客戶提供了他們在治理企業時所需要的所有基本服務，但是客戶和服務供給商都不得不治理和維護多個服務接口和基礎設施，更加重要的是，由于基礎設施——除了部分基于IP/MPLS的基礎設施以外——存在能力上的不足，因而他們無法在任何地點通過任何介質提供新型服務。例如：

傳統的語音服務和基礎設施為增值服務或者服務區分提供的空間非常有限；這些限制會導致服務在一個競爭非常激烈的環境中失去特色，進而導致潛在利潤下降。
盡管幀中繼服務得到了廣泛的部署，但是這些服務具有嚴格的帶寬、介質和拓撲限制。
對于客戶和服務供給商來說，固定帶寬的、基于TDM和SONET/SDH的服務都過于昂貴，因為它們需要為某個特定的服務和客戶提供嚴格的專用帶寬和資源。
盡管城域（Metro）以太網服務可以提供較高的速度，但是它們與幀中繼、ATM或者其他第二層服務的交互性很低。

服務融合是指將要害的數據、語音和視頻服務移植到分組傳輸協議上——IP或者MPLS（如圖4所示）。由于這些協議具有很高的靈活性，應用非常廣泛，而且高級路由基礎設施可以提供類似于電路的服務質量和服務隔離，因而它們可以為這些服務提供出色的傳輸解決方案。

除了數據、語音和視頻服務以外，IP和MPLS的靈活性和適應性還讓服務供給商可以在任何介質上提供創新的服務，例如安全（可治理防火墻和入侵檢測系統）、存儲、視頻點播等，從而真正地實現在任何地點提供任何服務。

圖4 通過靈活的、無所不在的IP/MPLS上提供的集成化數據、語音和視頻服務

網絡簡化

大部分服務供給商都采用了互聯網和專用IP/MPLS核心基礎設施。它們的特征是將一組POP分散在一個服務供給商的覆蓋區域中，通常具有兩層或者更多的層次（如圖5所示）。

圖5 由多層互聯POP組成的典型服務供給商IP/MPLS基礎設施

很多這樣的核心基礎設施非常復雜，包含數百甚至上千的POP，多層POP結構，以及數千個互聯連接。要改進這個基礎設施以滿足市場需求，服務供給商需要添加更多的容量，但是為了提高增長率、盈利能力和效率，容量的添加必須以不增加復雜性為前提。

簡化各個POP的網絡架構可以帶來重要的好處，創造出更加便于擴展、可用性更高、更加靈活的基礎設施，并可以為未來的下一代網絡核心奠定基礎。這些更加便于擴展、可用性更高、更加靈活的POP甚至答應服務供給商將同一個地區的多個POP整合成數量更少、規模更大的POP，從而進一步降低整個網絡的復雜性。

圖6顯示了一個典型的POP，其中服務供給商部署了冗余的路由器和連接，防止路由器和連接故障和提供更高的總體可用性。

路由器本身按照不同的功能——核心、匯聚、邊緣和對等（在某些情況下）——劃分為不同的層次，讓服務供給商可以通過添加更多的路由器擴展每個層的容量，隔離每層的運營和治理，以及區分在專門用于特定用途的路由器之間共有的功能。

圖6 一個帶有多個路由層次和冗余路由器的典型POP架構

這種架構存在很多不足，從而讓服務供給商更加難以滿足市場的需求。例如：

可用性是以采用冗余路由器和互聯連接為代價提供的，而這導致運營成本和治理組件增加了一倍
隨著支持冗余和層次結構所需要的互聯連接的數量的增長，POP的可擴展性很快就會達到上限。擴展路由器之間的連接速度通常需要進行中斷性的設備升級，而可以被用于產生收入的插槽則被用于POP內部連接。
由于需要監控和維護的系統很多，所以網絡運營和治理變得非常復雜。
由于為了部署一項新服務需要設置大量的路由器，所以服務供給變得非常困難，尤其是在必須執行服務水平協議或者保護高價值或實時流量的情況下。
路由復雜性和每個路由器必須治理的大量對等主機使得融合時間大大延長，而且服務可能會由于路由器故障、連接故障或者操作和維護錯誤發生中斷。
部署在不同層次的路由器的服務感知能力和服務應用能力的差異可能導致無法支持實時服務、安全、組播和流量優先級。

只有部署一個能夠將前所未有的可擴展性、可用性和服務靈活性集成到一起的新型路由系統，服務供給商才可以最大限度地減少路由器、連接和層次的數量，從而建立更為簡便的下一代POP架構，如圖7所示。其中：

核心、匯聚和對等層集中到一個或者幾個大規模的統一系統中，從而創建更加便于擴展、可用性更高、更加便于治理的POP
基礎設施融合是由多服務邊緣平臺所提供的第二層和第三層服務實現，或者直接由核心路由系統實現
向IP/MPLS的服務融合是通過提高網絡可擴展性、可用性和服務感知能力實現的。這種提高源自于POP的總體結構的簡化和讓這種簡化得以實現的路由系統的強大功能。

對于融合式分組基礎設施的要求

基礎設施融合、服務融合和網絡簡化將對融合式分組基礎設施的核心——路由器和路由系統——提出非常嚴格的、甚至是互相沖突的要求。

大規模擴展能力和簡便性
融合式分組基礎設施最終將為一個服務供給商的大部分或者所有數據、語音和視頻服務提供要害的傳輸，這些服務包括消費者和企業語音服務、廣播和視頻點播、第二層和第三層VPN服務、專用IP和內部服務。在未來三到五年中，來自于這些和其他服務的流量預計將會導致核心IP/MPLS上的流量以每年超過100%的速度增長，這需要服務供給商擴大網絡和POP的規模，以適應這種增長速度。

擴展POP的傳統方法是向核心、匯聚、對等和邊緣層添加更多的路由器，但是這種方法會增加復雜性，提高資本開支和運營成本，增大由于組件故障、路由干擾和必要的全面升級而導致服務中斷的可能性。這種傳統方式使得服務供給商只能在可擴展性和簡便性之間選擇一個。

融合式分組基礎設施要求新的路由系統可以在不提高POP或者網絡復雜性的情況下，在未來幾十年中提供強大的接口和服務擴展能力，從而讓服務供給商同時獲得可擴展性和簡便性。

不間斷的可用性和服務適應性
因為融合式分組基礎設施將為大量的要害服務和應用（例如語音、存儲、企業資源計劃事務和電子商務）提供傳輸，它們必須提供前所未有的可用性等級——不間斷的可用性。但是，集成化分組網絡還必須具有強大的適應能力，以便讓服務供給商可以提供創新的服務，以及及時地對新的技術、標準、競爭對手、市場形勢和客戶需求采取對策。滿足新需求的傳統方法包括更換路由平臺、平臺組件或者軟件——所有這些操作都會中斷系統的正常運行，并且可能會對網絡和服務的可用性造成不利的影響。不間斷的可用性要求系統始終運行和提供服務，而適應新的要求則需要系統或者軟件升級。這些傳統方法使得服務供給商只能在不間斷的可用性和服務適應性之間選擇一個。

融合式分組基礎設施要求新的路由系統在提供不間斷的系統可用性的同時，讓服務供給商可以在不中斷系統的情況下——通過硬件和軟件升級——適應新的市場需求、新的標準和新的技術，從而讓服務供給商同時獲得可用性和服務適應性。

服務靈活性和高性能
很多技術必須在設計上進行取舍：汽車要不速度快，要不省油；金屬要不既硬又脆，要不既軟又有韌性；存儲器要不就是易失的、快速的，要不就是持久的、緩慢的。路由技術也面臨著這樣的取舍。基于通用處理器的路由器具有很高的靈活性，但是只能提供中等性能。基于特定用途集成電路（ASIC）的路由器可以提供很高的性能，但是很難適應新的服務。傳統的路由器架構讓服務供給商只能在服務靈活性和高性能之間選擇一個。

融合式分組基礎設施要求新的路由系統采用具有通用CPU的服務智能的高性能ASIC，讓服務供給商可以在任何接口上提供各種服務，而不需要降低性能，從而同時獲得服務靈活性和高性能。

對于融合式分組基礎設施而言，必須重新定義對于可擴展性、可用性和靈活性的要害需求。可擴展性現在必須定義為在不提高復雜性的情況下擴展規模；可用性現在必須定義為即使在適應新型需求時也能保持不間斷的可用性；靈活性現在必須定義為在不影響性能的情況下提供多種多樣的服務。

新的可擴展性、可用性和靈活性

融合式分組基礎設施要求路由系統符合可擴展性、可用性和靈活性的新定義——將強大的擴展能力與簡便性結合，不間斷的可用性與適應性結合，服務靈活性與高性能結合。

可擴展性

對等——網絡簡化將消除POP架構中的專用對等層和路由器，將這些對等連接轉移到少量甚至一個統一的路由系統中。被部署為融合式分組基礎設施的核心的路由系統必須能夠治理數千個BGP對等主機，同時為部署復雜的路由策略提供一個有效的、有計劃的、基于規則的方法。
鄰接——隨著路由系統逐漸擴展到數千個甚至數十萬個接口和網絡路由增加到數百萬個，分組轉發引擎必須維護的鄰接關系的數量也將大幅度增長。采用單級轉發架構的路由器存在固有的可擴展性限制，因為每個轉發引擎必須保持每個路由和鄰接關系的狀態。針對集成化分組架構而設計的路由系統將需要一個更加有效的二級轉發架構。這種架構只需要轉發引擎保存直連鄰接關系的狀態，因而可以大幅度地提高系統的可靠性。
路由和路徑——互聯網路由、IPv6路由、第三層VPN（和它們所采用的虛擬路由和轉發表）和MPLS標簽交換路徑（即LSP，它將成為很多新型服務的基礎）的數量的增長要求部署在融合式分組架構的路由系統能夠處理數百萬個路由和LSP。
控制面板——部署在融合式分組基礎設施中的路由系統必須能夠保持數十種路由協議、數百到數千個對等主機、數千到數萬個接口，以及數百萬個路由和LSP的狀態。控制面板的這種可擴展性要求硬件采用一種模塊化、可擴展、分布式的處理架構和一個功能強大的操作系統。這個系統可以為可用的處理資源提供高度精確的流程分配，為要害的控制面板流程采用一個強大的客戶端－服務器模式，以及為向轉發引擎分發可靠性和其他控制數據提供一個極為有效的機制。
治理——假如不利用一個可擴展標記語言（xml）治理界面和嵌入式工具來關聯警報和事件、治理配置、監控性能、保護設備和進行記帳，服務供給商將很難治理任何可以提供融合式分組基礎設施所需要的接口、對等、路由和控制面板擴展能力的路由系統。假如用外部治理系統來輪詢、監控和關聯這樣大規模的系統所生成的大量數據，普通治理平臺的帶寬和處理能力很快就將耗盡。那些可以搜集、關聯、評估，并且只向治理人員提供相關的高價值數據的路由系統將提供重要的運營優勢。
組播——包括基于分組的廣播視頻、數據庫復制、流媒體財務信息和其他一對多數據服務的很多應用都需要依靠IP組播進行傳輸。融合式分組基礎設施中使用的路由系統必須能夠治理數百萬個組播群組，并能有效、迅速地將組播流量復制到數千或者數萬個接口，同時不會在組播流中導致額外的延遲或抖動。

可用性
為了提供符合客戶和應用需要的可用性等級——99.999%的可用性甚至更高，融合式分組基礎設施的核心路由系統必須提供：

操作系統基礎設施保護——任何一個操作系統（無論是用于PC、超級計算機還是路由系統）的基礎都是操作系統內核。假如內核受到威脅，操作系統就會發生故障，因而融合式分組基礎設施中使用的路由系統應當采用非凡的微內核架構，即將最要害的功能——例如內存治理和線程分配——轉移到內核之外處理。這可以防止應用、文件系統甚至設備驅動程序的故障導致廣泛的服務中斷。
流程和線程保護——現代網絡的操作系統需要數千萬行代碼和數千個獨立進程來部署協議堆棧、治理界面、控制面板功能、文件系統、設備驅動程序和其他要害的服務、功能。為了最大限度地減小任何流程對其他流程所能造成的影響，每個流程——甚至各個處理線程——都必須在自己的受保護內存空間中執行，而且流程之間的通信必須通過明確定義、安全、版本控制的應用編程接口（API）。
服務中硬件和軟件升級——部署在融合式分組基礎設施的簡化POP架構中的路由系統將發揮非常重要的作用，以至于治理人員不能以任何理由中斷它們的服務，即使是為了添加或者更換硬件、安裝新的功能或服務，或者為軟件安裝補丁或升級。所有升級——無論是硬件還是軟件——都應當在不中斷服務的情況下進行，而且要最大限度地減小對客戶、路由對等主機或網絡流量的影響。
不間斷轉發和狀態切換特性——為了支持服務中硬件和軟件升級，路由處理器必須能夠在不丟失任何數據包，而且對路由拓撲、路由鄰接關系或者路由協議狀態不造成任何顯著改變的情況下，從主狀態切換到備用狀態。
軟件包——逐步升級特定的操作系統包甚至特定功能的能力是部署于融合式分組基礎設施的路由系統必須達到的一項要害要求。盡管這些系統必須保持不間斷的服務，但是同時應當能夠以一種模塊化的方式在服務中提供、安裝和添加新的功能。軟件包還讓服務供給商可以利用這個機會，將升級范圍只限制于操作系統中發生變化的部分——而不是整個系統，從而節約大量的時間和費用。
可重啟的流程——為了支持必需的、不間斷的系統可用性，實現服務中軟件升級，以及在最大限度地減少對客戶或者流量的中斷的情況下迅速從流程或者協議故障中恢復，系統必須能夠在流程發生故障的情況下，手動地或者自動地重啟要害的控制面板流程。可重啟的流程讓系統治理人員可能只需要重啟數千行代碼，而不是構成整個操作系統的數百萬行代碼。
狀態校驗——在發生硬件故障、軟件故障或者軟件升級時重啟要害流程（例如路由協議或者信令堆棧）應當不需要重建路由鄰接關系或者信令狀態。部署在融合式分組基礎設施中的路由系統必須能夠利用某種狀態校驗方式，在流程重啟時保持內存或者運行狀態。很多高級數據庫服務器系統都采用了狀態校驗。
配置保護——隨著POP架構的簡化，以及路由層次集中到較少或者一個統一的大型路由系統中，服務供給商可以選擇為核心、對等和邊緣服務保留單獨的治理結構。路由系統必須能夠有效地限制治理功能和這些不同群組的范圍，以確保系統的完整性，最大限度地降低意外的配置錯誤的影響。

服務靈活性
為了提供符合客戶和應用需要的可用性等級——99.999%的可用性甚至更高，融合式分組基礎設施的核心路由系統必須提供：

嚴格的服務隔離——部署在融合式分組基礎設施中的大型路由系統將為很多不同的服務提供傳輸：語音、視頻分發、VPN、互聯網，甚至面向政府機構或者大型企業的專用網絡服務。僅僅提供虛擬路由——一個共同的操作系統進程為每項服務維護不同的路由和轉發表——并不足夠。真正的邏輯路由必須確保服務之間的數據、控制和治理面板的完全隔離，從而讓服務供給商可以通過一個物理系統創建完全不同的邏輯路由系統。
高性能服務——通過消除路由層次而建立簡化POP架構意味著將多個復雜的功能和服務集中到路由系統上。這個路由系統必須提供核心、對等和邊緣服務。如前所述，過去的路由架構只能在功能較少的情況下提供高性能，或者在性能較低的情況下提供多種復雜的功能。部署在融合式分組基礎設施中的路由系統必須克服這些限制，在不降低性能的情況下為每個接口和客戶提供高性能服務。
控制面板適應性——部署在融合式分組基礎設施中的路由系統必須能夠提供在一個物理系統中治理數千個對等主機、數百萬個路由、數十個甚至更多真正邏輯路由器的處理能力。為了滿足這些不斷發展的要求，路由系統必須采用一個答應添加處理器的模塊化硬件架構和一個可以有效利用所添加的處理器的模塊化操作系統。
接口靈活性——任何部署在簡化的POP架構中的路由系統（即集中了核心、對等、匯聚和邊緣路由層次）都必須提供重要的接口靈活性——從DS-3、信道化SONET到千兆位以太網接口，并能夠混合使用不同類型的接口——甚至在不同插槽之間。
轉發引擎靈活性——融合式分組基礎設施的建設需要服務供給商對可以提供必要的可擴展性、可用性和服務靈活性的新型路由器投入大量的資金。其中很多資金都被用于使用期限較長的資產，例如機箱、電源、冷卻、控制面板處理器和物理接口模塊。為了讓這些資產可以被反復采用，以降低生命周期成本，部署在這些系統中的轉發引擎硬件必須能夠通過升級，提供更高級別的性能，或者添加新的特性和功能，而不需要更換其他系統組件，或者導致某個無關接口發生服務中斷。
服務感知——融合式分組基礎設施能夠在任何一天，同時傳輸數千萬個數據流、視頻流和語音通話。其中有些是高優先級、高價值的流，具有嚴格的延時、丟包和抖動需求；有些則是要害的業務交易，在發生任何網絡中斷時必須立即重新路由；還有些則可能是普通的HTTP或者簡單郵件傳輸協議（SMTP）流，只需要和期望盡力而為式服務。根據各種數據流的獨特需求來區分它們，并為其提供正確的服務的能力將需要：豐富的、可擴展的分組和數據流分類機制，通過在每個接口建立數千個隊列提供優先級轉發和擁塞治理，以及用一個二級轉發架構實現不同的輸入和輸出服務的策略。

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推出思科運營商路由系統

為了滿足服務供給商對于前所未有的可擴展性、可用性和服務靈活性等級的要求，思科推出了一款全新的路由系統——思科運營商路由系統（CRS-1）。它是業界第一個模塊化的、分布式的路由系統，具有：

一個創新、獨特的多機架架構，可以提供真正統一的路由器特性和不需中斷正常運行的擴展能力——從每秒1.2Tb到92Tb（Tbps），因而可以在未來幾十年中有效地滿足服務供給商對于網絡容量的需求。
可以實現融合式分組基礎設施所要求的運營商級可用性——不間斷的系統運行——的硬件和軟件架構。
一個獨特、靈活的服務架構，不僅能夠正確地區分和支持數百萬個數據流，還可以提供豐富、靈活、便于升級的分組處理功能，并通過邏輯——不僅僅是虛擬——路由器隔離服務。

圖8 思科運營商路由系統（CRS-1）

Cisco CRS-1主要由兩個組件構成，即線路卡機架和矩陣機架。它們的不同組合讓Cisco CRS-1可以在同一個系統中從16個擴展到1152個40Gbps插槽。

CRS-1有兩種基本的配置：一是通過單個線路卡機架構建的單機架系統，二是通過利用一個或者多個矩陣架來連接多個線路卡機架而構建的多機架系統。多機架系統最多可以利用8個矩陣架連接72個線路卡機架。

Cisco CRS-1線路卡機架是由多個組件構成的。首先是Cisco CRS-1線路卡機箱，它采用了中間背板設計，體積為：寬23.6英寸，長38英寸，高84英寸（59.9×96.5×213.4厘米）。為了適應一個標準電信機架而設計的線路卡機箱包括集成化支持、線纜治理，以及用于冗余風扇架和冗余AC、DC電源系統的插槽。

線路卡機箱還在背部設有用于添加16個模塊化服務卡（MSC）和8個矩陣卡的插槽，并在前部設有16個接口模塊、2個路由處理器和2個風扇控制器，以構成一個完整的Cisco CRS-1線路卡機架。

路由處理器可以為系統提供系統治理、機架控制和控制面板處理功能。

每個路由處理器都包括一對用于對稱多處理的PowerPC CPU復合結構，用于存儲系統流程和路由表的4GB DRAM，用于存儲系統鏡像和配置的2GB閃存，用于存儲配置和日志的NVRAM，以及用于搜集板上數據的40GB硬盤。

每個線路卡機架都包括1個主路由處理器和1個處于熱備用狀態的路由處理器。任何一個路由處理器都可以控制任何一個線路卡插槽，或者多機架系統中的任何一個線路卡機架。

為了進一步加強路由處理器所提供的處理能力，Cisco CRS-1架構還添加了對于分布式路由處理器的支持。它可以提供兩個額外的雙PowerPC CPU復合結構和相關的DRAM。分布式路由處理器讓治理人員可以根據自己的需要分配控制面板功能和處理能力，從而實現服務隔離、性能或者邏輯路由目標。

思科模塊化服務卡可以與接口模塊配合，提供數據面板轉發功能。它是通過創新的思科硅分組處理器——一個由188個可編程的精簡指令集計算機（RISC）處理器構成的陣列——部署的。每個模塊化服務卡采用了兩個硅分組處理器：一個用于處理輸入流量，一個用于處理輸出流量。

圖9 Cisco CRS-1的硬件架構

功能強大、靈活的硅分組處理器是思科利用目前最先進的半導體技術開發的，因而讓Cisco CRS-1可以在真正的40Gbps速度提供豐富的服務和功能，同時讓治理人員可以通過微代碼軟件升級，線性地擴展服務和提供新的功能，而不需要中斷服務。

思科模塊化服務卡還在它的相關接口模塊和Cisco CRS-1交換矩陣之間提供了接口。交換矩陣讓模塊化服務卡可以與系統中的所有其他線路卡插槽、路由處理器和分布式路由處理器相連。

Cisco CRS-1接口模塊是模塊化的物理接口，與思科模塊化服務卡一同組成了一個完整的線路卡插槽。接口模塊包括：OC-768c/STM-256c、OC-192c/STM-64c、OC-48c/STM-16c和10Gb以太網。

Cisco CRS-1采用了一個獨特的、三級的、動態自路由的Benes拓撲交換矩陣，從而可以在一個Cisco CRS-1系統中的所有插槽（從1個插槽到多機架系統中的1152個插槽）之間提供一個高度可擴展的、可用的、可存活的互聯通道。

三級矩陣可以為單播和組播流量提供各種的優先級。矩陣可以將組播流量復制到最多100萬個群組。

在物理上，Cisco CRS-1矩陣被分為8個面板。分組——以信元的形式——被均勻地分配到這些面板上（如圖10所示）。在面板內部，三個矩陣等級——S1、S2和S3——可以動態地將信元發送到它們的目的地插槽。在目的地插槽中，模塊化服務卡將以正確的順序組合這些信元，將它們恢復成排序正確的分組。

圖10 Cisco CRS-1交換矩陣的八個面板之一

在一個單機架1.2Tb配置中，矩陣卡包含所有三個等級——S1、S2和S3。在多機架配置中，必須用1到8個矩陣機架提供Bennis拓撲的S2等級，以便讓Cisco CRS-1可以從2個線路卡機架拓展到72個。

憑借這種模塊化矩陣架構，Cisco CRS-1可在不中斷服務的情況下，進行從1.2Tbps到92Tbps的系統容量擴展，以滿足服務供給商的要求。

在Cisco CRS-1的所有方面的設計中，要害的焦點都是創建一個可以在故障發生時隔離故障和保持系統永續性的架構。這不僅可以防止網絡遭受意外的組件故障的影響，還可以提供服務中硬件升級的能力，讓Cisco CRS-1可以連續幾年、甚至幾十年保持不間斷的運行。

推出Cisco IOS XR軟件

為了充分利用Cisco CRS-1的功能強大的分布式硬件架構，思科開發了Cisco IOS XR——Cisco IOS軟件系列的最新成員。它的設計得益于思科20年來在創新和開發Cisco IOS軟件方面積累的豐富經驗。Cisco IOS XR軟件為實現融合式分組基礎設施所需要的大規模擴展能力、不間斷系統運行和出色的服務靈活性進行了專門的設計。

Cisco IOS XR是一個完全模塊化、完全分布式的網絡互聯操作系統，使用了基于微內核的、內存受保護的架構。它可以嚴格地隔離操作系統的所有組件——從設備驅動程序、文件系統、治理接口到路由協議，從而可以確保完全的流程隔離和故障隔離（如圖11所示）。