第五代核心路由器构建新骨干业务网络

前言

随着IP技术的发展，IP用户的迅猛增加，IP业务的推出，传统的路由器已经远远不能满足现代网络发展的需要，尤其是主干网络的需要。华为Quidway NetEngine 80 核心路由器和Quidway NetEngine 40 通用交换路由器正是在这种网络背景下提出的，并着眼于解决核心IP网络存在的问题。 

1、路由器体系结构的发展 

TCP/IP是从70年代中期美国国防部ARPANET技术发展起来的。由于其体系结构及技术的开放性，使其逐步被世界上众多的高校、科研机构所采纳，并逐步成为一个事实上的标准。 

1.1、第一代路由器：集中转发，总线交换 

典型产品：华为Quidway R2500系列路由器。 

最初的IP网络并不大，其网关所需要连接的设备及其需要处理的负载也很小。这个时候网关（路由器）基本上可以用一台计算机插多块网络接口卡的方式来实现。接口卡与中央处理器（CPU）之间通过内部总线相连，CPU负责所有事务处理，包括路由收集、转发处理、设备管理等。网络接口收到报文后通过内部总线传递给CPU，由CPU完成所有处理后从另一个网络接口传递出去。 

1.2、第二代路由器：集中+分布转发，接口模块化，总线交换 

典型产品：华为Quidway R3600系列路由器。 

由于每一个报文都要经过总线送交CPU处理，随着网络用户的增多，网络流量的增大，接口数量、总线带宽和CPU的瓶颈就越来越突出。于是很自然的想到如何提高网络接口数量，如何把CPU和总线的负担降下来？为了解决这个问题，第二代的路由器就在网络接口卡上进行一些智能化处理，由于网络用户通常只会访问少数的几个地方，因此可以考虑把少数常用的路由信息采用Cache技术保留在业务接口卡上，这样大多数报文就可以直接通过业务板Cache的路由表进行转发，以减少对总线和CPU的需求。对于Cache中不能找到的报文送交CPU处理。 

1.3、第三代路由器：分布转发，总线交换 

典型产品：华为QuidwayNE NetEngine 16/08系统列路由器。 

90年代以后WEB技术的出现，使IP网络得到迅猛的发展。网络用户的访问面得到的很大的提拓宽，用户访问的地方已不象以前那样固定，这样往往出现无法从Cache中找到路由的现象，于是总线和CPU瓶颈的问题再次出现。另外由于用户的增加，路由器的接口数量不足也暴露出来了。为了解决这个问题，第三代路由器应运而生。第三代路由器采用全分布式结构——路由与转发分离的技术，主控板负责整个设备的管理和路由的收集、计算功能，并把计算形成的转发表下发到各业务板；各业务板根据保存的路由转发表能够独立进行路由转发。另外总线技术也得到了较大的发展，通过总线，业务板之间的数据转发完全独立于主控板，实现了并行高速处理，使得路由器的处理性能成倍提高。 

1.4、第四代路由器：ASIC分布转发，网络交换 

九十年代中后期，随着IP网络的商业化，特别是WEB技术出现以后，Internet技术得到的空前的发展，Internet用户迅猛增加。网络流量特别是核心网络的流量以指数级数增长，传统的基于软件的IP路由器已经无法满足网络发展的需要。以常见的主干节点2.5GPOS端口为例，按照IP最小报文40字节计算，2.5GPOS端口线速的流量约为6.5MppsPPS。而且报文处理中需要包含诸如QoS保证、路由查找、二层帧头的剥离/添加等复杂操作，以传统的做法是不可能实现的。于是一些厂商提出了ASIC实现方式，它把转发过程的所有细节全部采用硬件方式来实现。另外在交换网上采用了CrossBar或共享内存的方式解决了内部交换的问题。这样，路由器的性能达到千兆比特，即早期的千兆交换式路由器（Gigabit Switch Router，GSR）。 

1.5、第五代路由器技术：网络处理器分布转发，网络交换 

典型产品：华为Quidway NetEngine 80/40系列产品。 

从上面的发展过程我们可以看到，每一次的技术进步都是因为随着业务发展而出现了新的需求。不过在前互联网络泡沫时代，主要的矛盾集中在路由器的转发性能上，所以前四代的路由器的最大进步在于速度。但是在宽带互联网一路高歌迅速发展的同时，作为其基础的IP网络技术的缺陷也就越来越充分地暴露出来。网络无管理无法运营的问题、IP地址缺乏问题，IP业务服务质量问题，IP安全等问题都在严重阻碍网络进一步发展。随着宽带互联网泡沫的破灭，人们进行了深刻的反醒——业务才是网络的真正价值所在，一切的技术要求都应围绕着业务来进行。各种新技术也纷纷出现，比如网络管理技术、用户管理技术、业务管理技术、MPLS技术，VPN技术，可控组播技术、IP-QoS技术，流量工程技术等。 

IP标准也在逐步修改成熟。随着新技术的出现和标准化的进展，对高速路由器的业务功能要求也越来越高。基于这些问题，第四代路由器采用ASIC技术的固有的不灵活、业务提供周期长等缺陷也是不可避免的出现了。第五代路由器在硬件体系结构上继承了第四代路由器的成果，在关键的IP业务流程处理上采用了可编程的、专为IP网络设计的网络处理器技术。网络处理器（NP）通常由若干微处理器和一些硬件协处理器组成，多个微处理器并行处理，通过软件来控制处理流程。对于一些复杂的标准的操作(如内存操作、路由表查找算法、QoS的拥塞控制算法、流量调度算法等)采用硬件协处理器来提高处理性能。这样实现业务灵活性和高性能的有机结合。 

1.6、路由器体系结构对照表 

路由器体系结构 技术特点 适合业务环境 典型产品 
第一代 集中转发，总线交换 SOHO
数据类业务
 华为Quidway R2500系列路由器 
第二代 集中+分布转发，接口模块化，总线交换 中小企业网
数据、少量语音类业务
 华为Quidway R3600系列路由器 
第三代 分布转发，总线交换 大中企业网，城域网
数据、少量语音类业务
 华为Quidway NetEngine 16/08/05系统列路由器 
第四代 ASIC分布转发，网络交换 行业骨干网/大型城域网
数据类业务
第五代 网络处理器分布转发，网络交换 行业骨干网/大型城域网
MPLS，VPN，语音、视频等高质量QoS业务
 华为Quidway NetEngine 80/40 

2、第五代路由器满足IP业务发展要求 

第五代路由器与第四代路由器相比较，主要有下面几个方面的特点： 


采用网络处理器技术实现IP报文处理和转发，所以可以在保证高速转发的同时进行复杂的协议处理，从而支持丰富的业务； 

由于具有网络处理器，可通过升级软件增加新的处理功能，从而快速响应用户的业务需求，适应网络发展； 

具有强大的VPN，流分类、IP-QoS，MPLS等特性的支持能力，提供完善的QoS机制，满足不同用户不同应用的需求； 

采用大容量的交换网结构； 

充分考虑电信用户的需求，满足用户对安全性、稳定性、可靠性的要求。 

第五代路由器的出现，极大的满足了当前数据、语音、图像综合承载的需求，并大大增强了网络对MPLS VPN的支持能力。由于第五代路由器在业务特性上所具有的强大优势，所以已成当前建设宽带骨干网络、汇聚网络的首选。随着成本的进一步降低与网络业务的进一步丰富，采用网络处理器技术的第五代路由器正在向网络的更低端发展。 

Quidway NetEngine系列高端路由器产品，主要应用于公用IP网络、大型企业/园区数据核心网络、各种专用IP网的核心网等。华为作为第五代路由器的倡导者，在业界首先倡导和采用网络处理器技术开发高端路由器，满足IP技术变化比较快的需要，业务可以直接通过软件升级完成，传统采用ASIC技术的高端路由器存在业务扩展困难的巨大弱点，必须更换业务板件才能升级业务，华为Quidway Netengine系列产品在体系结构设计、设备性能、业务灵活性、兼容性及投资保护方面处于业界领先水平。 

3、应用情况 

截止到2002年10月，华为Quidway NetEngine高端路由器广泛应用于运营商、金融、政府、教育、电力等数十个行业，Quidway NetEngine系列产品网上运行1600余台，综合市场占有率25％。