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路由器技术发展到现阶段已经历了3代的发展,并在继续演进。
第一代路由器是由软件集中进行IP包转发的,所有的IP包都要经过中心CPU进行转发处理,吞吐率比较低,转发能力约几万包每秒。
第二代路由器是基于软件的分布式转发,每个接口板上都有CPU,主控板生成的路由表被下发到各接口板形成转发表,每块接口板根据转发表独立进行转发工作,转发能力超过100万包每秒。第二代路由器的技术要点是各接口板转发表的刷新和同步技术。
由于CPU的处理能力增长是每18个月翻一番,而因特网的流量却每6个月就翻一番,因此基于软件转发的路由器一度成为网络中的瓶颈。90年代后期,IP业务呈爆炸式发展,路由器技术也实现了向第三代的飞跃,并在接口速率上超过了一度有望成为数据网络主要技术的ATM。目前,ATM交换机的高速接口只达到了2.5Gbit/s,而高速路由器的最高端口速率已达到10Gbit/s。同时,由于IP技术自身的QoS技术不断发展,非凡是MPLS技术的引入,QoS问题正在IP领域逐步得到解决,高速路由器重新占据了IP网络的核心位置。
第三代路由器基于硬件进行IP包的转发,转发引擎可以是ASIC(专用集成电路),也可以是专门为IP转发而设计的网络处理器。代表性的产品有华为公司的NetEngine 50高速路由器和Cisco的12000系列路由器等。转发数据包的速率达到了数千万包每秒,能够充分利用传输技术进步提供的大量带宽。
尽管包转发技术的基础已经发生了变化,但路由器需要完成的任务却是相同的:检查进入的数据包,将其目标地址与路由表中的项目相比较,然后从正确的端口发送出去。在这一过程中,数据包还接受一些额外处理任务,如QoS判定、流量工程、流量统计等。
高速路由器通常由主控板、交换板、线路接口板组成,它们通过高速背板连接,插在一个具有电源、风扇的机框中组成一台完整的路由器。
(1) 主控板:主控板是路由器的控制中心,CPU和存储器就在主控板中。主控板负责整个路由器的治理和控制,IP路由协议在主控板上运行。主控板直接接收来自网管中心的指令,并下发到各接口板执行指令,同时各接口板把运行状态和统计数据传送到主控板,由主控板进行必要的处理,需要时发给网管中心。网络治理员配置的静态路由以及通过运行路由协议生成的动态路由由主控板进行治理,并下发到各接口板,使各接口板可以独立地进行数据包的转发工作。
主控板的作用举足轻重,一旦它发生故障,整个路由器将不能正常工作。对于电信网的核心网络设备来说,要求可用率达到99.999%,即1年的停机时间不能超过5min。所以主控板通常配有两块,一般以主备的方式工作。主备板周期性地交换握手信号,一旦备用板收不到主用板的握手信号,则会启动倒换流程,接替主用板工作。
(2) 交换板:高速路由器的整机吞吐量很大,早期路由器的基于背板共享总线传递数据的方式已不能满足高速数据传递的需要。首先,共享总线不能避免内部冲突;第二,共享总线的负载效应使得高速总线的设计难度很大。交换结构的引入逐步克服了共享总线的以上缺点。
Crossbar交换网可以形象地比喻为纵横制电话交换机的交换网,通过点到点的连接把需要通信的输入端口和输出端口连接起来。Crossbar结构可以支持高带宽的原因主要有两个:第一,线路卡到交换结构的物理连接简化为点到点连接,这使得该连接可以运行在非常高的速率上。半导体厂商目前已经可以用传统CMOS 技术制造出4~10Gbit/s速率的点对点串行收发芯片。第二个原因是它的结构可以支持多个连接同时以最大速率传输数据,即多个输入/输出端口对可以同时通过这个交换网进行通信。这一点极大地提高了整个系统的吞吐量。只要同时闭合多个交叉节点,多个不同的端口就可以同时传输数据。从这个意义上看,我们称所有的Crossbar在内部是无阻塞的,因为它可以支持所有端口同时以最大速率传输(或称为交换)数据。
数据包通过Crossbar的时候,可以是以定长单元的形式(通过数据包的定长分割),也可以不进行分割直接进行变长交换。一般高性能的Crossbar交换结构都采用了定长交换的方式,在数据包进入Crossbar以前把它分割为固定长度的cell,这些cell通过交换结构以后被按照原样组织成原来的变长包(packet)。定长交换方式更利于交换网的控制,分组长度一样,判定其传输和离开的时刻就很轻易。在时隙结束时,调度表检查等待传送的分组,决定下一个时隙哪个输入与哪个输出相连,避免输出或输入端的空闲,保持交换机的高效率。而且从硬件设计的角度讲,处理固定长度分组比处理不同长度的分组更简单、快速。同时定长交换可以避免某些业务流的大长度包长时间占用交换网,影响高优先级业务和实时业务的交换。
由于交换网板的故障也会导致整机的瘫痪,所以通常也设有主备板。另外,大容量交换网通常是多平面的,由多块交换网板组成,所以主备方式通常为N:1。
(3) 线路接口板:线路接口板提供多种线路接口,目前常见的有10M、100M、1 000M、10Gbit/s以太网口,155M、622M、2.5G、10Gbit/s的POS接口,155M、622M、2.5Gbit/s的ATM接口等。线路接口板从不同的物理层和数据层信息中提取出IP数据包提交给专用ASIC或网络处理器进行处理。这种处理已不再局限于简单地把IP包转发到目的端口。
高速路由器可以用在Internet骨干网、高速Internet接入和企业网中。为Internet、IP数据业务专门建设的骨干网,可以使用高带宽利用率的基于路由器结构的I-POS。
(1)ISP的应用
在Internet业务供应商(ISP)应用环境中,Cisco 12000驻留在网络的核心位置,最多可支持44条OC-3/STM-1 IPOS光链路,通过光链路接到汇集业务的边缘路由器Cisco 7500系列平台。核心路由器与Internet骨干网之间的连接速率可从OC-12/STM-4扩展到OC-48/STM-16。IPOS的使用将提高性能和链路利用率。
(2)通信公司的应用
对已具有SONET/SDH基础设施的通信公司应用高速路由器时,由Cisco的边缘路由器把业务汇集到核心路由器Cisco 12000。由于Internet骨干网往往离最终用户很远,此时就可以通过通信公司现有的SONET/SDH基础设施(包括SONET/SDH接入环和局间环)把核心路由器Cisco 12000拉到最终用户附近。这种结构可以在全网提供冗余和保护。
(3)通信公司/ISP的应用
Cisco 12000同样可用在包括多业务网和IP的网中,在通信公司/ISP网络中,既包括多业务网络,又包括IP占优势的网络。用12000
系列GSR与ATM网平面相接口,可以把数字用户线接入的复用业务量选路到Internet骨干网。IP业务量可以直接在两个核心路由器之间以OC-12/OC-48的速率传送;数据也可以跨越局间SONET环,到达Internet骨干网。
(4)专用网应用
在IP专用网中可以利用IPOS技术。在这种应用中,边缘路由器以OC-3/STM-1的速率把业务汇集到Cisco 12000。Cisco 12000则以OC-12/STM-4或更高的速率互连,扩大网络的可用带宽和引入可扩展性。
(5)混合网应用
IPOS和ATM可组成混合网。ATM平台一方面提供网络的多业务功能,另一方面控制用户过多的情况,好让核心路由器专门完成Internet第3层选路和业务分类功能。IPOS链路用来加强核心路由器之间的域间连接性。
(6)Internet2
第2代Internet(Internet2)中最重要的组成单元是一些速率在1Gbit/s以上的被称为Gigapop的数据交换机或路由器,它们是一个地区的互连点,连接该地区的In-ternet2成员,并与其它的Gigapop相连。Gigapop的主要功能是按规定的带宽和服务质量要求交换In-ternet2业务,Cisco的12000将在Internet2的Gigapop结构中起重要作用。12000系列GSR也可用来组建校园网。
现在人们对高速路由器的关注点是用它组建的IPOS的性能如何。大型的ISP在过去两年中有的已经在骨干网中加入ATM,这是因为ATM是当时唯一可用的,能把骨干网速率提高到622Mbit/s的技术,那时的路由器(如Cisco的7500)还没有足够的吞吐量。现在,随着千兆比特路由器的出现,一些网络业务提供者已经采用或将会选择IPOS方案。目前大部分厂商的高速路由器都在开发之中,1997年9月Cisco推出12000系列GSR后,运营公司和ISP反应都很强烈,Sprint、GTE公司购买了其产品组建IPOS网。MCI公司测试了12000系列GSR以制定今后组网策略。UUNet、BBN等网络业务提供者也已采用12000系列GSR。另外,在1997年初,IXC Communication长途公司与Ascend公司一起进行了使用Ascend的GPF400的IPOS试验。
从1997年底到1998年初,Sprint公司已在其主要节点安装Cisco的12000系列GSR设备,把IP骨干网建成OC-12速率的I-POS。虽然如此,Sprint公司并不认为IPOS是其最终的解决方案。Sprint公司的助理副总裁Kathy Walker在1997年下一代组网会议(NGN’97)上说:“Sprint的长期战略是在一个ATM网传送各种业务,现在采用的IPOS只是一个解决临时Internet带宽问题的战术性决定。”
与Sprint公司相反,MCI公司已经建成了2个OC-12速率ATM
骨干网,MCI公司的宽带数据工程部主任Edsel Garciamendez-Buder说:“1998年MCI公司建设了两个单独的ATM长途网,1个用以汇集ATM、帧中继(FR)、交换多兆比特数据业务(SMDS)和分组业务;另一个传送Internet骨干业务,将来这两个网络要进行综合”。Internet骨干网的快速增长将使MCI公司重新考虑是继续使用IPOA,还是用IPOS。MCI公司也正在考虑当在网络容量升至OC-48(2.5Gbit/s)时,是否用I-POS取代ATM的问题。
在美国主要城市有本地业务的GTE公司的下属公司GTE Inter-networking公司在1997年11月宣布要组建全国范围的IPOS网。目前GTE已经购入了3个Cisco的12000系列GSR,并把它们放在由OC-3租用线组建的SONET网上。GTE公司的下一步计划是建设自己的长途、专用Internet网,它已经购买北电的OC-192线路系统和波分复用设备,并准备再加入12个12000系列GSR。GTE准备先把数据与Internet业务放入此网,将来再寻求把话音、视像业务放到网上。 现在,GTE正在进行两个Video-over-IP的先导试验,一个是传送视、听培训信息的远程教学应用;另一个是向交易所传送多媒体财经消息的“窄播”应用。
世界上最大的Internet业务供应商UUNet公司已经在1997年美国几个大都市建造ATM环,骨干网中也引入ATM,但在1997年10月,UUNet也宣布在骨干网上采用高速路由器12000系列GSR,以向用户提供更快速的Web网页接入、文件传送和千兆速率的实时应用。