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五代歷程路由器的發(fā)展歷程與趨勢(shì)

2019-11-05 01:23:27
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供稿：網(wǎng)友

　　在路由器技術(shù)的發(fā)展歷程中，性能和業(yè)務(wù)這兩個(gè)因素發(fā)揮著要害作用。一方面，帶寬和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長推動(dòng)著路由器在性能、容量方面斷提升；另一方面，業(yè)務(wù)的發(fā)展驅(qū)動(dòng)著路由器更加智能化和具備更強(qiáng)的業(yè)務(wù)提供能力。在這兩項(xiàng)要害因素中，性能因素在路由器發(fā)展的前期起到主導(dǎo)作用，隨著ip網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展，業(yè)務(wù)因素或者說是業(yè)務(wù)性能在網(wǎng)絡(luò)中的價(jià)值將起到越來越重要的作用。
　　
　　所謂高性能不僅指轉(zhuǎn)發(fā)的高性能，還包括業(yè)務(wù)的高性能和高品質(zhì)服務(wù)，路由器不但要在處理各種業(yè)務(wù)時(shí)游刃有余，同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)性能也不會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。路由器提供的業(yè)務(wù)能力不是解決“有”或“無”的問題，而是高品質(zhì)的業(yè)務(wù)保證。
　　
　　基于“業(yè)務(wù)與性能并重，業(yè)務(wù)平滑演進(jìn)”的設(shè)計(jì)理念，業(yè)務(wù)高性能、集成化、智能化、高可靠、高安全、易使用正成為路由器的發(fā)展趨勢(shì)。
　　
　　五代歷程：路由器技術(shù)體系演進(jìn)
　　路由器是TCP/IP網(wǎng)絡(luò)中最主要的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。TCP/IP是從上世紀(jì)70年代中期美國國防部ARPANET技術(shù)發(fā)展起來的，美國軍方希望用它來連接不同的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，以便在遭受戰(zhàn)爭打擊后可以保持網(wǎng)絡(luò)連通。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)的開放性使其逐步被眾多的高校、科研機(jī)構(gòu)所采納，并逐步成為一個(gè)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　路由器技術(shù)體系的發(fā)展，大致可以劃分為五代：
　　
　　第一代路由器：集中轉(zhuǎn)發(fā)，總線交換
　　最初的IP網(wǎng)絡(luò)并不大，網(wǎng)關(guān)所需連接的設(shè)備及其需要處理的負(fù)載也很小。這一時(shí)期的網(wǎng)關(guān)(路由器)基本上可以用一臺(tái)計(jì)算機(jī)插上多塊網(wǎng)絡(luò)接口卡的方式來實(shí)現(xiàn)。接口卡與CPU之間通過內(nèi)部總線相連，CPU負(fù)責(zé)所有的事務(wù)處理，包括路由收集、轉(zhuǎn)發(fā)處理、設(shè)備治理等。網(wǎng)絡(luò)接口在收到報(bào)文后，通過內(nèi)部總線傳遞給CPU，由CPU完成所有處理后再從另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口傳遞出去。
　　
　　這個(gè)階段的路由器主要用于企業(yè)或科研機(jī)構(gòu)連接到Internet。
　　
　　第二代路由器：集中+分布轉(zhuǎn)發(fā)，接口模塊化，總線交換/b>
　　由于每個(gè)報(bào)文都要經(jīng)過總線送交CPU處理，隨著網(wǎng)絡(luò)用戶的增多，網(wǎng)絡(luò)流量不斷增大，接口數(shù)量、總線帶寬和CPU的瓶頸效應(yīng)越來越突出。于是很自然地想到：如何提高網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量，如何降低CPU、總線的負(fù)擔(dān)？為了解決這個(gè)問題，第二代路由器就在網(wǎng)絡(luò)接口卡上進(jìn)行一些智能化處理，由于網(wǎng)絡(luò)用戶通常只訪問少數(shù)幾個(gè)地方，因此可將少數(shù)常用的路由信息采用Cache技術(shù)保留在業(yè)務(wù)接口卡上，使大多數(shù)報(bào)文直接通過業(yè)務(wù)板Cache的路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，減少對(duì)總線和CPU的請(qǐng)求，僅僅對(duì)Cache中找不到的報(bào)文送交CPU處理。
　　
　　第二代路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能有了較大提升，并可根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供豐富的連接方式和接口密度，在互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)中都獲得了廣泛應(yīng)用。
　　
　　第三代路由器：分布轉(zhuǎn)發(fā)，總線交換
　　上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的Web技術(shù)使IP網(wǎng)絡(luò)得到了迅猛發(fā)展，用戶的訪問面獲得了極大的拓寬，訪問的地方也不再像過去那樣固定，于是經(jīng)常出現(xiàn)無法從Cache找到路由的現(xiàn)象，總線、CPU的瓶頸效應(yīng)再次出現(xiàn)。另外，由于用戶的增加和路由器接口數(shù)量不足引發(fā)的問題也再次暴露出來了。為了解決這些問題，第三代路由器應(yīng)運(yùn)而生。
　　
　　第三代路由器采用全分布式結(jié)構(gòu)，路由與轉(zhuǎn)發(fā)分離，由主控板負(fù)責(zé)整個(gè)設(shè)備的治理和路由的收集、計(jì)算功能，并將計(jì)算出的轉(zhuǎn)發(fā)表下發(fā)到各業(yè)務(wù)板，而各業(yè)務(wù)板則根據(jù)保存的路由轉(zhuǎn)發(fā)表獨(dú)立地進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。此外，總線技術(shù)也得到了較大的發(fā)展，通過總線，業(yè)務(wù)板之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)完全獨(dú)立于主控板，實(shí)現(xiàn)了并行高速處理，使路由器的處理性能成倍提高。
　　
　　第三代路由器將轉(zhuǎn)發(fā)性能提高了數(shù)倍，并具備了一個(gè)業(yè)務(wù)靈活擴(kuò)展、性能不斷提升的體系結(jié)構(gòu)，在90年代中期成為Internet骨干主流設(shè)備。
　　
　　第四代路由器：ASIC分布轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)交換
　　在上世紀(jì)90年代中后期，隨著IP網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)化，非凡是Web技術(shù)出現(xiàn)以后，Internet技術(shù)得到空前的發(fā)展，用戶數(shù)目迅猛增加，網(wǎng)絡(luò)流量非凡是核心網(wǎng)絡(luò)的流量以指數(shù)級(jí)數(shù)增長，傳統(tǒng)的基于軟件的IP路由器無法再滿足網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展需要。以常見的主干節(jié)點(diǎn)2.5GPOS端口為例，按照IP最小報(bào)文40字節(jié)計(jì)算，2.5GPOS端口線速的流量約為6.5Mpps，而且報(bào)文處理中還包含了諸如QoS保證、路由查找、二層幀頭的剝離/添加等操作，傳統(tǒng)的做法不可能實(shí)現(xiàn)這些功能。于是，一些廠商開始引入ASIC實(shí)現(xiàn)方式，將轉(zhuǎn)發(fā)過程的所有細(xì)節(jié)全部通過硬件的方式來實(shí)現(xiàn)，此外還在交換網(wǎng)上采用了CrossBar或共享內(nèi)存的方式，解決內(nèi)部交換的問題，使路由器的性能達(dá)到千兆比特，即早期的千兆交換式路由器GSR(Gigabit Switch Router)。
　　
　　第五代路由器技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)處理器分布轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)交換
　　從上面的發(fā)展過程可以看到，每一次技術(shù)進(jìn)步都是隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展而出現(xiàn)了新的需求。不過，互聯(lián)網(wǎng)泡沫時(shí)代的發(fā)展焦點(diǎn)集中在路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能上，而前四代路由器的最大進(jìn)步均在速度的提升方面。在寬帶互聯(lián)網(wǎng)一路高歌迅速發(fā)展的同時(shí)，IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的缺陷也越來越充分地暴露出來：網(wǎng)絡(luò)無治理無法運(yùn)營的問題、IP地址缺乏問題、IP業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量問題以及IP安全等問題，這些問題都嚴(yán)重地阻礙著網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)泡沫的破滅，人們經(jīng)過深刻的反醒后意識(shí)到，業(yè)務(wù)才是網(wǎng)絡(luò)的真正價(jià)值所在，一切技術(shù)都必須圍繞著業(yè)務(wù)。于是，網(wǎng)絡(luò)治理、用戶治理、業(yè)務(wù)治理、MPLS、VPN、可控組播、IP-QoS和流量工程等各種新技術(shù)紛紛出現(xiàn)。IP標(biāo)準(zhǔn)也逐步修改成熟。新技術(shù)的出現(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展對(duì)高速路由器的業(yè)務(wù)功能提出了越來越高的要求。
　　
　　基于這些問題，第四代路由器ASIC技術(shù)的不靈活性、業(yè)務(wù)提供周期長等缺陷也不可避免地顯現(xiàn)出來。第五代路由器在硬件體系結(jié)構(gòu)上繼續(xù)了第四代路由器的成果，在要害的IP業(yè)務(wù)流程處理上則采用了可編程的、專為IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)通常由若干微處理器和一些硬件協(xié)處理器組成，多個(gè)微處理器并行工作，通過軟件來控制處理流程。對(duì)于一些復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)操作(如內(nèi)存操作、路由表查找算法、QoS擁塞控制算法、流量調(diào)度算法等)可采用硬件協(xié)處理器來提高處理性能，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)靈活性與高性能的有機(jī)結(jié)合。
　　
　　2002年12月，華為公司正式發(fā)布了第五代路由器NetEngine(簡稱NE)80/40/20系列產(chǎn)品，標(biāo)志著第五代路由器進(jìn)入成熟的商用階段。
　　
　　雖然路由器技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到第五代，但每一代路由器都是為了滿足相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求而提出的，在實(shí)際應(yīng)用中每一代路由器還都有其應(yīng)用空間，而且這種情況將長期存在。
　　
　　第一代路由器(低端路由器)目前廣泛服務(wù)于遠(yuǎn)程分支、網(wǎng)點(diǎn)、甚至家庭；第二代路由器(中端路由器)仍是企業(yè)網(wǎng)的主流聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；第三代路由器(高端路由器)主要應(yīng)用于電信網(wǎng)絡(luò)邊緣和行業(yè)網(wǎng)絡(luò)骨干；第四代路由器(核心路由器)主要應(yīng)用于IP網(wǎng)絡(luò)骨干匯聚和城域網(wǎng)環(huán)境；第五代路由器(新一代核心路由器)正在逐漸取代第四代路由器在骨干網(wǎng)絡(luò)和城域網(wǎng)絡(luò)中的地位。
　　
　　第五代路由器的最大價(jià)值在于其全新的設(shè)計(jì)理念：“業(yè)務(wù)與性能并重，業(yè)務(wù)平滑演進(jìn)”。拋開具體的技術(shù)細(xì)節(jié)不談，這種設(shè)計(jì)思想完全可以被第一、二、三代路由器所借鑒，從而發(fā)展出面向不同應(yīng)用環(huán)境的新一代路由器。
　　
　　設(shè)計(jì)理念的革命
　　基于對(duì)性能和業(yè)務(wù)的分析，我們可以清楚地看到路由器設(shè)計(jì)師走過的兩個(gè)階段：
　　
　　第一階段：以性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，面向帶寬和連接的業(yè)務(wù)模型。這一階段的IP網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)面向傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，其目的是為了保證互聯(lián)互通，而不是提供一種高品質(zhì)的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)沒有完善的QoS和安全保證，只能在網(wǎng)絡(luò)上提供一些對(duì)服務(wù)質(zhì)量和安全不敏感的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如文件傳送、電子郵件等。
　　
　　第二階段：以業(yè)務(wù)和性能并重、業(yè)務(wù)平滑演進(jìn)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，面向全業(yè)務(wù)、開放的業(yè)務(wù)模型。
　　
　　隨著IP技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，它在電信、行業(yè)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中已有一統(tǒng)天下的趨勢(shì)，并開始要求在IP網(wǎng)絡(luò)上能承載各種業(yè)務(wù)，如語音、會(huì)議電視、OA、ERP等，這些業(yè)務(wù)各有不同的服務(wù)質(zhì)量和安全要求，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)無法滿足業(yè)務(wù)要求，而新的IP網(wǎng)絡(luò)至少應(yīng)該能夠提供端到端的QoS和安全，為用戶提供個(gè)性化服務(wù)。
　　
　　為了滿足全業(yè)務(wù)承載的要求，網(wǎng)絡(luò)的各部分分工各異，相互配合。
　　
　　在網(wǎng)絡(luò)邊緣，用戶治理采用AAA認(rèn)證，業(yè)務(wù)區(qū)分和標(biāo)記采用流分類技術(shù)，安全治理則采用業(yè)務(wù)區(qū)分和隔離技術(shù)；在核心層，可根據(jù)業(yè)務(wù)要求對(duì)報(bào)文進(jìn)行靈活處理，實(shí)現(xiàn)QoS調(diào)度、組播分發(fā)、MPLS Label Swap，而安全治理則采用業(yè)務(wù)隔離技術(shù)。
　　
　　為了適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)分工的結(jié)構(gòu)，路由器必須具有良好的業(yè)務(wù)適應(yīng)能力和充分的智能化，并支持全新的業(yè)務(wù)模式，如MPLS VPN和IPv6。IPv6解決了IPv4許多先天不足的問題，如QoS、安全等特性的最終解決方案。IP網(wǎng)絡(luò)必將演進(jìn)到以IPv6網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)架構(gòu)的應(yīng)用時(shí)代，是否具有平滑升級(jí)支持IPv6的能力已經(jīng)成為選擇網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須考慮的要害條件之一。
　　
　　新一代IP網(wǎng)絡(luò)必須具備很強(qiáng)的業(yè)務(wù)適應(yīng)能力，可通過軟件升級(jí)的方式來提供新業(yè)務(wù)，而不需要增加或更換硬件系統(tǒng)。
　　
　　綜上所述，基于性能的路由器設(shè)計(jì)思路已經(jīng)不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)，路由器設(shè)計(jì)已步入第二階段。“業(yè)務(wù)與性能并重、業(yè)務(wù)平滑演進(jìn)”，是路由器設(shè)計(jì)理念的一次革命。
　　
　　業(yè)務(wù)提供能力方面包括業(yè)務(wù)種類和業(yè)務(wù)性能，而不是普通的
　　IP轉(zhuǎn)發(fā)性能；在業(yè)務(wù)演進(jìn)能力方面，由于新業(yè)務(wù)層出不窮，基本上每半年就出現(xiàn)一種新的IP業(yè)務(wù)，因此，必須有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)演進(jìn)能力。這一點(diǎn)與企業(yè)對(duì)職員的要求非常相似，企業(yè)不僅要求員工能勝任現(xiàn)在的工作，還要求員工具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，能夠適應(yīng)新的工作環(huán)境。
　　
　　基于這種全新的設(shè)計(jì)理念，在電信和大型行業(yè)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了第五代路由器，如華為公司的NE80/40系列；在企業(yè)網(wǎng)出現(xiàn)了高效全能的企業(yè)中心路由器，如華為3Com公司的Quidway AR46系


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