高速路由器

路由器技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段已經(jīng)歷了3代的發(fā)展，并在繼續(xù)演進(jìn)。

第一代路由器是由軟件集中進(jìn)行IP包轉(zhuǎn)發(fā)的，所有的IP包都要經(jīng)過中心CPU進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，吞吐率比較低，轉(zhuǎn)發(fā)能力約幾萬包每秒。

第二代路由器是基于軟件的分布式轉(zhuǎn)發(fā)，每個接口板上都有CPU，主控板生成的路由表被下發(fā)到各接口板形成轉(zhuǎn)發(fā)表，每塊接口板根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表獨立進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)工作，轉(zhuǎn)發(fā)能力超過100萬包每秒。第二代路由器的技術(shù)要點是各接口板轉(zhuǎn)發(fā)表的刷新和同步技術(shù)。

由于CPU的處理能力增長是每18個月翻一番，而因特網(wǎng)的流量卻每6個月就翻一番，因此基于軟件轉(zhuǎn) 發(fā)的路由器一度成為網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸。90年代后期，IP業(yè)務(wù)呈爆炸式發(fā)展，路由器技術(shù)也實現(xiàn)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主 要技術(shù)的ATM。ATM交換機的高速接口只達(dá)到了2.5Gbit/s，而高速路由器的最高端口速率已達(dá)到10Gbit/s。同時，由于IP技術(shù)自身 的QoS技術(shù)不斷發(fā)展，非凡是MPLS技術(shù)的引入，QoS問題正在IP領(lǐng)域逐步得到解決，高速路由器重新占據(jù)了IP網(wǎng)絡(luò)的核心位置。

第三代路由器基于硬件進(jìn)行IP包的轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)引擎可以是ASIC（專用集成電路），也可以是專門為 IP轉(zhuǎn)發(fā)而設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)處理器。代表性的產(chǎn)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(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速率達(dá)到了數(shù)千萬包每秒，能夠充分利用傳輸技術(shù)進(jìn)步提供的大量帶寬。

盡管包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生了變化，但路由器需要完成的任務(wù)卻是相同的：檢查進(jìn)入的數(shù)據(jù)包，將其目標(biāo)地址與路由表中的項目相比較，然后從正確的端口發(fā)送出去。在這一過程中，數(shù)據(jù)包還接受一些額外處理任務(wù)，如QoS判定、流量工程、流量統(tǒng)計等。

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(fēng)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(fù)責(zé)整個路由器的治理和控制，IP路由協(xié)議在主控板上運行。主控板直接接收來自網(wǎng) 管中心的指令，并下發(fā)到各接口板執(zhí)行指令，同時各接口板把運行狀態(tài)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)傳送到主控板，由主控板進(jìn)行必要的處理，需要時發(fā)給網(wǎng)管中心。網(wǎng)絡(luò)治理員配置 的靜態(tài)路由以及通過運行路由協(xié)議生成的動態(tài)路由由主控板進(jìn)行治理，并下發(fā)到各接口板，使各接口板可以獨立地進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作。

主控板的作用舉足輕重，一旦它發(fā)生故障，整個路由器將不能正常工作。對于電信網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來 說，要求可用率達(dá)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(shù)據(jù)的方式已不能滿足高速數(shù)據(jù)傳遞的需要。首先，共享總線不能避免內(nèi)部沖突；第二，共享總線的負(fù)載效應(yīng)使得高速總線的設(shè)計難度很大。交換結(jié)構(gòu)的引入逐步克服了共享總線的以上缺點。

Crossbar交換網(wǎng)可以形象地比喻為縱橫制電話交換機的交換網(wǎng)，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(jié)構(gòu)可以支持高帶寬的原因主要有兩個：第一，線路卡到交換結(jié)構(gòu)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(dǎo)體廠商已經(jīng)可以用傳統(tǒng)CMOS 技術(shù)制造出4～10Gbit/s速率的點對點串行收發(fā)芯片。第二個原因是它的結(jié)構(gòu)可以支持多個連接同時以最大速率傳輸數(shù)據(jù)，即多個輸入/輸出端口對可以同 時通過這個交換網(wǎng)進(jìn)行通信。這一點極大地提高了整個系統(tǒng)的吞吐量。只要同時閉合多個交叉節(jié)點，多個不同的端口就可以同時傳輸數(shù)據(jù)。從這個意義上看，我們稱 所有的Crossbar在內(nèi)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(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)包通過Crossbar的時候，可以是以定長單元的形式（通過數(shù)據(jù)包的定長分割），也可以不進(jìn) 行分割直接進(jìn)行變長交換。一般高性能的Crossbar交換結(jié)構(gòu)都采用了定長交換的方式，在數(shù)據(jù)包進(jìn)入Crossbar以前把它分割為固定長度的 cell，這些cell通過交換結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(jié)束時，調(diào)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(shè)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(yè)務(wù)流的大長度包長時間占用交換網(wǎng)，影響高優(yōu)先級業(yè)務(wù) 和實時業(yè)務(wù)的交換。

由于交換網(wǎng)板的故障也會導(dǎo)致整機的癱瘓，所以通常也設(shè)有主備板。另外，大容量交換網(wǎng)通常是多平面的，由多塊交換網(wǎng)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，常見的有10M、100M、1 000M、10Gbit/s以太網(wǎng)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(shù)據(jù)層信息中提取出IP數(shù)據(jù)包提交給專用ASIC或網(wǎng)絡(luò)處理器進(jìn)行處理。這種處理已不再局限于簡單地把IP包轉(zhuǎn)發(fā)到目的 端口。

高速路由器組網(wǎng)應(yīng)用形式

高速路由器可以用在Internet骨干網(wǎng)、高速Internet接入和企業(yè)網(wǎng)中。為Internet、IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)專門建設(shè)的骨干網(wǎng)，可以使用高帶寬利用率的基于路由器結(jié)構(gòu)的I-POS。

（1）ISP的應(yīng)用

在Internet業(yè)務(wù)供應(yīng)商（ISP）應(yīng)用環(huán)境中，Cisco 12000駐留在網(wǎng)絡(luò)的核心位置，最多可支持44條OC－3/STM－1 IPOS光鏈路，通過光鏈路接到匯集業(yè)務(wù)的邊緣路由器Cisco 7500系列平臺。核心路由器與Internet骨干網(wǎng)之間的連接速率可從OC－12/STM－4擴展到OC－48/STM－16。IPOS的使用將提高 性能和鏈路利用率。

（2）通信公司的應(yīng)用

對已具有SONET/SDH基礎(chǔ)設(shè)施的通信公司應(yīng)用高速路由器時，由Cisco的邊緣路由器把業(yè)務(wù) 匯集到核心路由器Cisco 12000。由于Internet骨干網(wǎng)往往離最終用戶很遠(yuǎn)，此時就可以通過通信公司現(xiàn)有的SONET/SDH基礎(chǔ)設(shè)施（包括SONET/SDH接入環(huán)和 局間環(huán)）把核心路由器Cisco 12000拉到最終用戶附近。這種結(jié)構(gòu)可以在全網(wǎng)提供冗余和保護(hù)。

（3）通信公司/ISP的應(yīng)用

Cisco 12000同樣可用在包括多業(yè)務(wù)網(wǎng)和IP的網(wǎng)中，在通信公司/ISP網(wǎng)絡(luò)中，既包括多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，又包括IP占優(yōu)勢的網(wǎng)絡(luò)。用12000

系列GSR與ATM網(wǎng)平面相接口，可以把數(shù)字用戶線接入的復(fù)用業(yè)務(wù)量選路到Internet骨干網(wǎng)。IP業(yè)務(wù)量可以直接在兩個核心路由器之間以O(shè)C－12/OC－48的速率傳送；數(shù)據(jù)也可以跨越局間SONET環(huán)，到達(dá)Internet骨干網(wǎng)。

（4）專用網(wǎng)應(yīng)用

在IP專用網(wǎng)中可以利用IPOS技術(shù)。在這種應(yīng)用中，邊緣路由器以O(shè)C－3/STM－1的速率把業(yè)務(wù)匯集到Cisco 12000。Cisco 12000則以O(shè)C－12/STM－4或更高的速率互連，擴大網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬和引入可擴展性。

（5）混合網(wǎng)應(yīng)用

IPOS和ATM可組成混合網(wǎng)。ATM平臺一方面提供網(wǎng)絡(luò)的多業(yè)務(wù)功能，另一方面控制用戶過多的情況，好讓核心路由器專門完成Internet第3層選路和業(yè)務(wù)分類功能。IPOS鏈路用來加強核心路由器之間的域間連接性。

（6）Internet2

第2代Internet（Internet2）中最重要的組成單元是一些速率在1Gbit/s以上 的被稱為Gigapop的數(shù)據(jù)交換機或路由器，它們是一個地區(qū)的互連點，連接該地區(qū)的In-ternet2成員，并與其它的Gigapop相連。 Gigapop的主要功能是按規(guī)定的帶寬和服務(wù)質(zhì)量要求交換In-ternet2業(yè)務(wù)，Cisco的12000將在Internet2的Gigapop結(jié) 構(gòu)中起重要作用。12000系列GSR也可用來組建校園網(wǎng)。

高速路由器的系統(tǒng)交換能力與處理能力是其有別于一般路由器能力的重要體現(xiàn)。高速路由器的背板交換能力應(yīng)達(dá)到40Gbps以上，同時系統(tǒng)即使暫時不提供OC-192/STM-64接口，也必須在將來無須對現(xiàn)有接口卡和通用部件升級的情況下支持 該接口。在設(shè)備處理能力方面，當(dāng)系統(tǒng)滿負(fù)荷運行時，所有接口應(yīng)該能夠以線速處理短包,如40字節(jié)、64字節(jié)，同時，高速路由器的交換矩陣應(yīng)該能夠無阻塞地 以線速處理所有接口的交換，且與流量的類型無關(guān)。

（1）功能上可以劃分為：骨干級、企業(yè)級和接入級路由器。骨干級路由器數(shù)據(jù)吐量較大且重要，是企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連的關(guān)鍵。骨干級路由器要求性能的高速度及高可靠性。 網(wǎng)絡(luò)通常采用熱備份、雙電源和雙數(shù)據(jù)通路等技術(shù)來確保其可靠性。企業(yè)級路由器連接對象為許多終端系統(tǒng)，簡單且數(shù)據(jù)流量較小。

（2）結(jié)構(gòu)上可以劃分為：模塊化和非模塊化路由器。 模塊化路由器可以實現(xiàn)路由器的靈活配置，適應(yīng)企業(yè)的業(yè)務(wù)需求；非模塊化路由器只能提供固定單一的端口。通常情況下，高端路由器是模塊化結(jié)構(gòu)，低端路由器是非模塊化結(jié)構(gòu)的。

（3）按所處網(wǎng)絡(luò)位置劃分為“邊界路由器”和“中間節(jié)點路由器”。在廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的路由器按其轉(zhuǎn)發(fā)報文的性能可以分為兩種類型，即邊界路由器和中間節(jié)點路由器。

邊界類

盡管在不斷改進(jìn)的各種路由協(xié)議中，對這兩類路由器所使用的名稱可能有很大的差別，但所發(fā)揮的作用卻是一樣的。 很明顯"邊界路由器"是處于網(wǎng)絡(luò)邊緣，用于不同網(wǎng)絡(luò)路由器的連接；而"中間節(jié)點路由器"則處于網(wǎng)絡(luò)的中間，通常用于連接不同網(wǎng)絡(luò)，起到一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的橋梁作用。

中間節(jié)點類

中間節(jié)點路由器在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，提供報文的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。同時根據(jù)當(dāng)前的路由表所保持的路由信息情況，選擇最好的路徑傳送報文。由多個互連的LAN組成的公司或企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一側(cè)和外界廣域網(wǎng)相連接的路由器，就是這個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的連界路由器。它從外部廣域網(wǎng)收集向企業(yè)網(wǎng)絡(luò)尋址的信息，轉(zhuǎn)發(fā)到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)段；另一方面集中企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中各個LAN段向外部廣域網(wǎng)發(fā)送的報文，對相關(guān)的報文確定最好的傳輸路徑。

采用眾核CPU作為報文處理引擎（PacketProcessor）的路由器，稱為眾核路由器。

核心路由器又稱“骨干路由器”，是位于網(wǎng)絡(luò)中心的路由器。位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的路由器叫接入路由器。核心路由器和邊緣路由器是相對概念。它們都屬于路由器，但是有不同的大小和容量。某一層的核心路由器是另一層的邊緣路由器。

IP城域網(wǎng)的核心層通過核心路由器實現(xiàn)與CMNET骨干網(wǎng)的鏈接，完成高速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，并充當(dāng)IP城域網(wǎng)出口設(shè)備。