核心路由器的发展趋势分析

　　12/18/2003,人民邮电报消息　新一代的核心路由器除要具有强大的计算和处理能力外，还要具有高稳定、高可靠、高安全等特点，而IPv6技术的出现、光通信技术的迅速普及以及MPLS技术成为主流，要求新一代高端路由器不仅具有更大容量的交换网络，同时要具备支持多协议、支持多种端口、支持多种安全认证的能力。
　　在硬件体系结构上，新一代的路由器，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。它通过若干微处理器和一些硬件协处理器并行处理，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。
　　分布式大容量矩阵式交换结构。交换结构的实现方式可以分为三种：共享内存、共享总线和矩阵式交换。其中共享内存方式实现简单，但速率相对较低，而矩阵式交换则可以达到比较高的交换速率。目前最常用的结构形式是输入口与输出口的8×8或16×16矩阵，带宽范围涵盖了OC－3至OC－192。矩阵式交换结构一般包括两个部分：流量管理单元和交换矩阵（Crossbar）。其中流量管理单元位于各个线卡上，与不同的网络处理器相连。Crossbar是交换结构的核心部分。Crossbar的容量是非常灵活的，理论上可以随着端口数的增加无限增长。目前已经有许多IC公司宣布可以提供从最常用的40G交换矩阵到T级规模的交换矩阵产品。为满足业务的高速增长，增加网络带宽，建立性能更加优良的IP通信网，人们提出了开发比吉比特路由器交换容量更大、支持业务更多、性能更完备的太比特路由器。太比特路由器产品最大的优点在于分布式的网络交换结构，具有可升级的体系和简单的运行管理。用户可以先使用部分配置的底盘，提供与吉比特路由器相当的容量，然后通过增加线卡和另外的底盘，增加路由器容量到多太比特级。
　　采用网络处理器技术实现IP报文处理和转发。为了缓解互连瓶颈，在最近几年涌现出许多新的系统和解决方案，其中采用专用ASIC来完成规定的数据包处理工作是十分理想的，但它的开发周期太长，复杂的ASIC要18个月到2年时间，每一个ASIC的开发都必须经历一个设计和制造的周期，适应不了当今越来越短的产品开发周期。而网络处理器位于每个线卡上，采用软件完成IP报文处理和转发，处理器的软件可以更新，不仅满足了业务发展的需要，而且可提供线速转发的性能。网络处理器从2000年初出现到现在被许多网络设备制造商选作新一代高端路由器设备的核心处理器。而在这段时间里，能够开发出成熟的NPU芯片的公司也从开始的两三个迅速增加到了十几个，而且NPU的处理能力也从2.5Gbit/s扩展到10Gbit/s。这些都说明网络处理器技术在网络产品市场中越来越占据重要的位置。尤其在高端路由器市场，网络处理器以其杰出的包处理性能及可编程性已经成为构成路由转发引擎不可替代的部分。
　　硬件查找路由表。传统的基于软件的路由查找策略，如树或哈希算法，其执行过程都是相当慢的，而且与路由表的大小相关联。在路由表更新时，输入的数据包必须被缓存或丢弃，降低了路由器的性能。另外，基于软件查找和更新路由表的不确定性增加了包传输时的抖动，因此必须进行包的缓存，在高速率时还会造成丢包。所以，这些方法只能用于比较小的、性能较低的包转发应用。为了适应网络的发展，理想的包转发方案必须能够不但保证线速的数据转发速率，并且要提供足够大的路由表来满足下一代的路由设备的需要（在边界位置应达到512k）。同时它还要能够以很小的更新时延来处理长时间的突发路由表更新。尽管通常路由表的更新为每秒几百次，但瞬间突发更新则可能会高出很多。要解决这个问题，目前来看最为有效的办法是采用专门的协处理器结合内容寻址寄存器CAM来完成快速路由查找或更新，即硬件实现路由表的查找。
　　支持MPLS。MPLS起源于IP路由和标记交换技术。MPLS在网络入口的边缘路由器（LER）为每个包加上一个固定长度的标签，核心路由器根据进入包头的标记值进行标记交换，作出本地转发决定，在出口的边缘路由器再恢复原来的IP包。从入口到出口的一连串这样的标记交换和转发决定操作，形成了一条标记交换路径。MPLS是处于第二层和第三层之间的一种技术，它紧密地将第二层和第三层结合在一起，充分发挥了第二层的交换、流量管理上的优势，同时，它还兼顾了第三层路由、寻径灵活的优势。MPLS之所以吸引了学术界、产品制造商和运营商的注意力，除去MPLS的快速转发将为运营商和大型企业带来众多的利益外，最重要的原因恐怕是因为它承诺为IP网络提供类似于ATM网络的控制和安全性，能够开展虚拟专用网（VPN）业务，做IP网上的流量工程（TE）以及提供服务质量（QoS）保证等。也就是说，MPLS既可以克服IP的一些致命缺点，又可以利用IP的很多优点全冗余设计，提高可靠性。电信级的可靠性是运营商永恒的要求。新型的核心路由器引入了先进的冗余备份方案，例如交换矩阵“1＋1”备份、接口板“1∶N”备份，从而确保了网络无中断运行。在电信级IP网络实际运行中，设备的调整是不可避免的。核心路由器的所有接口板都具有热插拔功能，由于有冗余备份方案，又采用交换式背板，因此热插拔不会造成数据包丢失。但是如果采用高速缓存的方式，就无法保证数据安全转发，给维护工作带来麻烦。例如，A接口板的包可能因为网络拥塞放在B接口板上备份，一旦对B板进行热插拔，数据包就会出现丢失。操作系统是高端路由器的软件核心，主要实现路由引擎功能，所以操作系统的稳健性直接关系到系统的性能。这要求软件不仅支持的路由协议最为全面，更为重要的是，当网络出现故障时，软件系统应有很强的路由“学习”能力，可以在很短的时间内建立最优的路由表，便于最大限度地缩短故障时间，恢复运营服务。
　　高密度、多端口和可扩展性。路由器的高速接口是建设大容量IP光网的基础，具有高速OC－192光接口的高速路由器是网络向IPoverD?WDM结构发展的关键。在新的阶段，作为互联网的核心动力引擎，电信运营商不仅对高端路由器的处理速度不断提出新的要求，尤为重要的是，他们开始越来越关注其业务功能。运营商不仅需要构建速度快的网络，更需要可盈利、利于开展业务的核心网。业务实现技术是高端路由器能否符合电信企业实际运营要求的关键，这既包括丰富的连接端口技术，又包括对增值服务的支持功能。由于运营商的网络基础不同，应用场合也千差万别，因此要求高端路由器有强大的适应性和灵活性，有对各种速率线路卡的支持能力，从DS3直到10Gbit/s，并且支持快速以太网/吉比以太网、动态分组传输、ATM等技术。它采用的高密度方案能够集合大量业务，包括基于ATM的话音业务、DSL高速接入、专线集合和互联网服务供应商集合，可以应用在广域网骨干、城域网骨干、城域网边缘、园区网骨干等多种网络环境。对用户来说，高的端口密度具有重要的意义，中心局和入网点的空间资源不但有限而且成本很高。在巨大的压力下，业务提供者已经开始考虑如何节约空间，而具有高密度端口的高速路由器是解决空间压力的一个重要方面。较低的高速端口密度对于今后的竞争是一个不利的因素，目前各路由器厂商希望通过引入新的输入输出模块，解决端口密度问题。
　　光路由器为IPoverOptical赋予了新的概念。新一代Internet技术只需部署IP设备和必要的光设备、高速路由器就可直接进入国家骨干网，成为国家核心网。这意味着，IP网的协议能够与光网络很好地结合，由原来的SDH/SONET到主要支持IP。为了达到这一点，核心路由器应具备新的光接口、新的网络控制协议等。IPoverOptical是简化IP骨干网的良好解决方案，可以去除昂贵的SONET和ATM设备，而且极大地降低了网络管理的复杂性。但是高速路由器直接连接到DWDM系统时，网络只有静态的点到点通路，不允许业务在不同光通路间进行交换，这导致了较差的灵活性。为解决此问题，国外很多大的运营商和设备商提出了将光交换机作为高速路由器和DWDM系统的中间层的概念，进一步将选路和光交换平台综合成光路由器。使用IP协议、通过在不同波长间交换业务、允许动态控制带宽等，为开展新业务提供了更多的灵活性。
　　拍（10的15次方）比特路由器。虽然大多数的业内专家和分析家认为，目前的网络资源没有紧张到大规模使用太比特路由器的阶段，但是不可否认，新一轮的竞争开始了，一些厂商已经在致力于开发更高容量、更高性能的拍比特路由器。但是从两个方面可以看出拍比特路由器的实现还为时尚远：首先市场还不具有拍比特级速率的需求；其次，半导体技术的限制使现在制造拍比特路由器只能停留在概念阶段。