高速路由器

概述

　　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。

　　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。

组成

　　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：，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。

组网应用形式

　　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。

使用实例

　　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。