高速路由器的原理

2019-11-05 00:55:46

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　　隨著社會信息化進程的深入發展，因特網作為信息化的基礎設施正以前所未有的速度發展。作為因特網重要設備的路由器的開發與研制能力已經成為一個國家信息化能力的重要標志。本文以支持ＩＰ協議路由器為例，介紹高速路由器的原理與組成。
　　
　　路由器技術發展到現階段已經歷了3代的發展，并在繼續演進。
　　
　　第一代路由器是由軟件集中進行ＩＰ包轉發的，所有的ＩＰ包都要經過中心ＣＰＵ進行轉發處理，吞吐率比較低，轉發能力約幾萬包每秒。
　　
　　第二代路由器是基于軟件的分布式轉發，每個接口板上都有ＣＰＵ，主控板生成的路由表被下發到各接口板形成轉發表，每塊接口板根據轉發表獨立進行轉發工作，轉發能力超過100萬包每秒。第二代路由器的技術要點是各接口板轉發表的刷新和同步技術。
　　
　　由于ＣＰＵ的處理能力增長是每18個月翻一番，而因特網的流量卻每6個月就翻一番，因此基于軟件轉發的路由器一度成為網絡中的瓶頸。90年代后期，ＩＰ業務呈爆炸式發展，路由器技術也實現了向第三代的飛躍，并在接口速率上超過了一度有望成為數據網絡主要技術的ＡＴＭ。目前，ＡＴＭ交換機的高速接口只達到了2.5Ｇｂｉｔ／ｓ，而高速路由器的最高端口速率已達到10Ｇｂｉｔ／ｓ。同時，由于ＩＰ技術自身的ＱｏＳ技術不斷發展，非凡是ＭＰＬＳ技術的引入，ＱｏＳ問題正在ＩＰ領域逐步得到解決，高速路由器重新占據了ＩＰ網絡的核心位置。
　　
　　第三代路由器基于硬件進行ＩＰ包的轉發，轉發引擎可以是ＡＳＩＣ（專用集成電路），也可以是專門為ＩＰ轉發而設計的網絡處理器。代表性的產品有華為公司的ＮｅｔＥｎｇｉｎｅ 50高速路由器和Ｃｉｓｃｏ的12000系列路由器等。轉發數據包的速率達到了數千萬包每秒，能夠充分利用傳輸技術進步提供的大量帶寬。
　　
　　盡管包轉發技術的基礎已經發生了變化，但路由器需要完成的任務卻是相同的：檢查進入的數據包，將其目標地址與路由表中的項目相比較，然后從正確的端口發送出去。在這一過程中，數據包還接受一些額外處理任務，如ＱｏＳ判定、流量工程、流量統計等。
　　
　　不同的設備廠家生產的高速路由器結構是不同的，例如Ｊｕｎｉｐｅｒ的Ｍ40和Ｍ160是共享內存的交換網，而華為、Ｃｉｓｃｏ等廠家使用Ｃｒｏｓｓｂａｒ縱橫制交換網。由于Ｃｒｏｓｓｂａｒ交換網可擴展性好、模塊結構清楚、便于升級到更高速的產品，從而保護用戶的投資，是高速路由器的主流技術。下面以主流技術為例，介紹高速路由器的原理，不涉及各廠家的實現細節。
　　
　　高速路由器的結構如圖1所示。
　　　

　　高速路由器通常由主控板、交換板、線路接口板組成，它們通過高速背板連接，插在一個具有電源、風扇的機框中組成一臺完整的路由器。
　　
　　（1）主控板：主控板是路由器的控制中心，ＣＰＵ和存儲器就在主控板中。主控板負責整個路由器的治理和控制，ＩＰ路由協議在主控板上運行。主控板直接接收來自網管中心的指令，并下發到各接口板執行指令，同時各接口板把運行狀態和統計數據傳送到主控板，由主控板進行必要的處理，需要時發給網管中心。網絡治理員配置的靜態路由以及通過運行路由協議生成的動態路由由主控板進行治理，并下發到各接口板，使各接口板可以獨立地進行數據包的轉發工作。
　　
　　主控板的作用舉足輕重，一旦它發生故障，整個路由器將不能正常工作。對于電信網的核心網絡設備來說，要求可用率達到99.999％，即1年的停機時間不能超過5ｍｉｎ。所以主控板通常配有兩塊，一般以主備的方式工作。主備板周期性地交換握手信號，一旦備用板收不到主用板的握手信號，則會啟動倒換流程，接替主用板工作。
　　
　　（2）交換板：高速路由器的整機吞吐量很大，早期路由器的基于背板共享總線傳遞數據的方式已不能滿足高速數據傳遞的需要。首先，共享總線不能避免內部沖突；第二，共享總線的負載效應使得高速總線的設計難度很大。交換結構的引入逐步克服了共享總線的以上缺點。
　　
　　Ｃｒｏｓｓｂａｒ交換網可以形象地比喻為縱橫制電話交換機的交換網，通過點到點的連接把需要通信的輸入端口和輸出端口連接起來。Ｃｒｏｓｓｂａｒ結構可以支持高帶寬的原因主要有兩個：第一，線路卡到交換結構的物理連接簡化為點到點連接，這使得該連接可以運行在非常高的速率上。半導體廠商目前已經可以用傳統ＣＭＯＳ技術制造出4～10Ｇｂｉｔ／ｓ速率的點對點串行收發芯片。第二個原因是它的結構可以支持多個連接同時以最大速率傳輸數據，即多個輸入／輸出端口對可以同時通過這個交換網進行通信。這一點極大地提高了整個系統的吞吐量。只要同時閉合多個交叉節點，多個不同的端口就可以同時傳輸數據。從這個意義上看，我們稱所有的Ｃｒｏｓｓｂａｒ在內部是無阻塞的，因為它可以支持所有端口同時以最大速率傳輸（或稱為交換）數據。
　　
　　數據包通過Ｃｒｏｓｓｂａｒ的時候，可以是以定長單元的形式（通過數據包的定長分割），也可以不進行分割直接進行變長交換。一般高性能的Ｃｒｏｓｓｂａｒ交換結構都采用了定長交換的方式，在數據包進入Ｃｒｏｓｓｂａｒ以前把它分割為固定長度的ｃｅｌｌ，這些ｃｅｌｌ通過交換結構以后被按照原樣組織成原來的變長包（ｐａｃｋｅｔ）。定長交換方式更利于交換網的控制，分組長度一樣，判定其傳輸和離開的時刻就很輕易。在時隙結束時，調度表檢查等待傳送的分組，決定下一個時隙哪個輸入與哪個輸出相連，避免輸出或輸入端的空閑，保持交換機的高效率。而且從硬件設計的角度講，處理固定長度分組比處理不同長度的分組更簡單、快速。同時定長交換可以避免某些業務流的大長度包長時間占用交換網，影響高優先級業務和實時業務的交換。
　　
　　由于交換網板的故障也會導致整機的癱瘓，所以通常也設有主備板。另外，大容量交換網通常是多平面的，由多塊交換網板組成，所以主備方式通常為Ｎ：1。
　　
　　（3）線路接口板：線路接口板提供多種線路接口，目前常見的有10Ｍ、100Ｍ、1 000Ｍ、10Ｇｂｉｔ／ｓ以太網口，155Ｍ、622Ｍ、2.5Ｇ、10Ｇｂｉｔ／ｓ的ＰＯＳ接口，155Ｍ、622Ｍ、2.5Ｇｂｉｔ／ｓ的ＡＴＭ接口等。線路接口板從不同的物理層和數據層信息中提取出ＩＰ數據包提交給專用ＡＳＩＣ或網絡處理器進行處理。這種處理已不再局限于簡單地把ＩＰ包轉發到目的端口。
　　
　　目前ＩＰ網不僅承載數據業務，還要承載語音和視頻等實時業務，另外隨著企業向國際擴展，各分支機構和總部之間需要在公用網上組建企業虛擬專網（ＶＰＮ），同時傳統的因特網沒有ＱｏＳ保證，運營商也無法從重要客戶手里收取附加費用，網絡業務無法增值，整個網絡產生的效益就會很低。在路由器中，對不同ＱｏＳ優先級的用戶數據流要實施不同的轉發策略。所有這些業務的支持要求對用戶的數據流進行分類、排隊、基于優先級的調度、整形、流量統計、數據封裝等操作。
　　
　　對于10Ｇｂｉｔ／ｓ這樣的高速端口，要求高速路由器做到線速處理，這確實是一個嚴重的挑戰。例如支持10Ｇｂｉｔ／ｓ端口時僅排隊就有很多困難。傳統的內存芯片（ＳＲＡＭ或ＳＤＲＡＭ）通常工作在100ＭＨｚ，對于64位總線來說，芯片的帶寬不超過6.4Ｇｂｉｔ／ｓ，排隊時需要讀寫兩次操作，則一塊內存只可以支持3.2Ｇｂｉｔ／ｓ接口的數據排隊。對于10Ｇｂｉｔ／ｓ端口，需要更寬的總線或更先進的內存技術（如ＲＡＭＢＵＳ），即使把握了這些技術，還需要高效的內存治理。
　　
　　早期高速路由器的ＩＰ轉發和業務處理由專門定制的ＡＳＩＣ實現，由硬件邏輯完成以前由軟件完成的工作，以加快ＩＰ包的處理速度。ＡＳＩＣ一旦設計完成，復制成本比較低，但增加新的業務則比較困難。近兩年一些芯片廠商推出專門適用于ＩＰ包處理的網絡處理器，內部包含多個微處理器和專用任務處理線程，有的廠商還把大量的內存做在芯片內部，以方便實現對ＩＰ包的7層處理。使用時將微代碼下載到網絡處理器中，網絡處理器根據微代碼的指令執行ＩＰ處理工作。有了網絡處理器，可在路由器運行過程中，下載新的微代碼，以增加新的業務或改變業務處理流程，增加了路由器的靈活性，但網絡處理器比ＡＳＩＣ要昂貴。
　　
　　（4）高速背板：傳統路由器一般使用共享式總線傳遞數據，并在近幾年引入了越來越高速的共享式總線，從ＩＳＡ到ＥＩＳＡ和現在的ＰＣＩ，但依然存在上文所述的缺點。在高速路由器中引入了交換網后，在背板上用點到點的高速連線把用戶板連接到交換網，進行高速數據傳遞。由于交換網是備份的，背板上的數據線也是雙套的。同時背板上仍存在控制總線，用于交換控制信息，當然控制信息也可以在數據通道的帶內傳送。由于高速連線眾多，背板的設計和加工也比較復雜。
　　
　　（5）風扇和電源：高速路由器內部芯片密集，功耗很大，對風扇和電源同樣有很高的要求。風扇的設計要充分考慮機箱內各器件的位置，使各器件產生的熱量能夠及時排放出去。同時風扇的轉速要根據機箱內溫度可以調節，風扇損壞以后要進行告警，并可以方便地進行更換。電源模塊除了在功率上要留有余量外，要考慮備份。
　　
　　高速路由器在網絡中通常處于核心位置，一種組網應用如圖2所示，高速路由器間通過高速接口互聯。
　　高速路由器的原理

　　由傳輸技術的不斷進步所引發的帶寬革命正洶涌而來，國內已大量部署32×10Ｇｂｉｔ／ｓ的ＤＷＤＭ傳輸系統，實驗室里單根光纖的傳輸速率已達到1000Ｇｂｉｔ／ｓ以上。寬帶接入正成為各運營商建設的重點，是爭奪用戶的要害戰爭。帶寬革命正在進行著，它不可能停下來，甚至不可能慢下來。高速路由器也向著更高端口速率、更大吞吐量、更豐富的業務的方向演進。目前第四代路由器已在國外初步商用，第四代路由器是多機架的，采用光背板進行高速互聯，線路接口總容量達到1Ｔｂｉｔ／ｓ（1 000Ｇｂｉｔ／ｓ）以上。多個機架被當做一臺路由器來治理，簡化了治理負擔，同時節約了多個不同設備互聯時昂貴的端口開銷。加拿大已有一家小公司著手研制線路接口總容量達1Ｐｂｉｔ／ｓ（1000Ｔｂｉｔ／ｓ）以上的路由器。可以想見，未來的高速路由器設備市場必定異彩紛呈，目前由少數幾家設備供給商壟斷市場的局面將一去不復返了，這對運營商和用戶都是有利的。華為公司將銳意創新，不斷推出新的產品，以滿足日益增加的網絡帶寬和不斷涌現的新業務對設備的需求。

上一篇：中小企業中的網絡核心低端寬帶路由器

下一篇：路由器靜態路由配置命令