Internet骨干路由器技术及应用综述

2019-11-05 00:24:34

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供稿：网友

　　从任何一个角度衡量，Internet都在以惊人的速度发展，如主机数量、用户数、业务量、链路数、单条链路的带宽，以及运营商网络的增长率。由此，一个专门为解决Internet骨干网运营商所面临的非凡问题的网络设备市场随之出现。

这类新的产品设备不仅被要求能够集合带宽及业务的吞吐量，而且还要具备丰富的软件功能及控制特性。 Internet骨干路由器要同时实现增加的带宽及丰富的软件功能，路由系统在设计时必须采用以前只有在交换机中才具有的转发功能。但是，相对于为使用固定长度查询的固定长度数据包提供线速性能的直接交换，为应用最长匹配查询的不定长度数据包提供线速性能，其实现要复杂得多。非凡需要说明的是，这种数据包的处理已不能通过基于微处理器或微处理器辅助的方式来实现，而应使用一种基于随Internet环境变化而改变其路由软件的ASIC方式来完成。
　　这种新型的Internet骨干路由器所面临的系统上的挑战也是非常复杂的。它们不仅要能适应现有的OC－3、OC－12及OC－48速率骨干网和相关的Intra－POP结构，而且还要能够支持具有OC－48速率和吉位以太网Intra－POP结构的OC－192速率骨干网络。另外，新的路由系统必须要加速Internet从“尽量递交”的服务向最基础的可靠性服务的方向转变。Internet用户希望能够象使用电话网络那样，在任何需要通信的时候，听到“拨号音”，便可得到高质量的服务。
　　Internet骨干路由器是目前世界上最完备的路由系统。它是第一个将Internet可伸缩性、Internet控制及无可比拟的转发性能集于一身的系统。它不仅集成了只有交换机才具有的转发功能，而且还兼顾路由器软件的灵活性、可控制性、以及在意外条件下系统的稳定性和可靠性。可被应用于以光网为基础的Internet系统，它帮助运营商实现将Internet从“尽量递交”系统过渡到基础的可靠通信系统。
　　运营商的需求与收益
　　Internet的高速增长对运营商如何为其客户的服务进行配置与治理都产生了深刻的影响。运营商努力扩展其网络的同时，会不断碰到以下一些急需解决的问题：在迅速提高业务量并满足客户需求的同时，增强网络可靠性的挑战（7×24服务）；在优化有效带宽的使用率及维护网络的可靠性方面，对流量工程工具的需求；如何与不断发展的Internet技术保持一致的挑战，包括新的协议、新的路由硬件、新的交换硬件及光纤设备；如何按照用户的需求及线路的可行性寻找足够的空间及适当的供电系统来安装设备；如何在满足稳定性需求的前提下提供不同的业务以区别于其他竞争对手。
　　任何希望进入运营商市场的解决方案都需要面对所有这些挑战。假如一个新的系统不能够增强网络的性能并提供基本的可靠性，这个方案将注定失败。
　　运营商需要那些既能提供丰富的路由软件功能又能提供高速包转发性能的解决方案。但对于运营商来说，很难找到一个能够同时满足两方面需求的单一系统，因为传统路由器的设计初衷面向丰富的协议支持软件功能，所以在产品实现上体现出以通用CPU为基础的集中式软件处理结构。而且为了保持产品的兼容性，保护现有用户的设备投资，设备提供商未能开发出一个能同时满足两方面需求的令人满足的系统。
　　过去，假如一个运营商希望能够在一个复杂的网络设计中使用丰富的软件功能以增强对网络的控制，他必须忍受路由器较慢的转发性能。
　　为解决这些约束，一些运营商决定使用“覆盖”的解决方法，即在网络的边缘使用ip路由器以提供软件的丰富性，而在网络的核心部分使用ATM交换机，以提供较高的速度，但这种覆盖型的网络会带来自身一些治理上的问题。假如能有一种专为简化高带宽网络设计、并且比覆盖型网络解决方案更便宜简单的系统，则无疑会成为运营商们共同的选择。新一代的Internet骨干路由器将提供这一性能，它将使网络设计人员不再为仅仅为了满足基本的速率控制的需求，而在不同层配置备份设备而烦恼。
　　Internet骨干路由器的要害属性
　　下一代的Internet骨干路由器必须被设计成为在光纤网络结构上提供Internet可伸缩性、Internet控制及无法比拟的性能的系统。Internet骨干路由器所必备的主要特征包括如下。
　　由Internet专家编写，并在大型运营商网络上进行成功的互操作测试的可靠、完整的路由软件；支持大型运营商网络高效的带宽利用率，提供崭新的具有复杂控制功能的流量工程特性；数据包处理需在与数据包长度及系统设置无关的情况下，以线速完成输入拆封装、路由寻找、排队及输出封装的处理过程；交换结构的设计留有较大裕量，以支持OC－192速率的骨干网传输；提供多种支持线速性能的接口类型；机箱的端口密度最低应为每机框英寸一个插槽；机械性能、适用性及治理等方面的特性，使系统在大型运营商网络的核心部分易于配置；维护整个网络稳定性的能力，并且可以在不影响网络其他部分的情况下适应变化的环境。
　　Internet骨干路由器系统结构
　　Internet骨干路由器系统的基本结构，即完全独立的路由功能和包转发功能，是通过将系统设计成为两个独立的组成部分：路由引擎和包转发引擎而完成的。这种分离设计的优势在于，即使路由功能极不稳定，也不会影响包转发引擎的性能。同样，即便通过非常大的业务量也不会影响路由引擎维持对等关系及计算路由表的能力。这两种功能的分离设计，使得一个系统可以同时提供高效的转发性能和高可靠性的操作系统。
　　

　　下面集中讨论Internet骨干路由器是如何为路由器结构中的要害要素，如路由软件；基于ASIC的包处理及查询；交换结构和线路卡等提供领先的解决方案的。

　　路由软件
　　为满足运营商苛刻的要求，软件系统具有如下特点：运行在保护内存下的模块化结构的软件，为系统提供了高可靠性及可伸缩性；行业级的路由协议工具，以满足运营商对控制及治理网络的需求；非常灵活的策略定义语言简化了对上千条路由的路由策略治理；通过使用MPLS技术的流量工程，可最大限度地利用珍贵的网络资源，并且为提供不同种类的业务，包括一些新的业务提供基础；用户界面提供多用户访问等级，并且具有恢复到以前设置版本的功能，还具有将多步设置合并成一步完成的功能；系统安全性通过对用户接口上的安全命令解释程序（SSH）访问来实现。
　　Internet处理器ASIC
　　包处理技术是Internet骨干路由器技术上最根本的一个部分。所有的路由查询都通过一个大小类似于计算机的微处理器ASIC来完成，但这块ASIC的功能及复杂程度要明显超过那些用于其他通信设备上的ASIC。Internet处理器ASIC是实现骨干路由器系统的先进性能的核心，其可编程性及路由与转发的一致性是最基本的技术先进点。通过Internet处理器ASIC与路由软件的组合，使骨干路由器在Internet骨干网中成功地架起了路由器与交换机性能之间的桥梁。
　　路由查询
　　Internet处理器ASIC可以提供每秒四千万条路由的最长匹配查询，这个速度是目前应用在Internet上的、基于微处理器查询速度的一百倍。另外，Internet处理器ASIC可被配置成为带有每报头报表最长匹配查询。每报头报表提供IP转发表中被转发至各报头的字节及包的数量统计。运营商可通过这些统计了解在其网络中流通的业务量的分布情况。
　　交换结构
　　Internet骨干路由器交换矩阵有多种方式可以实现，如共享内存、交叉连接等。无论哪种实现方式，其目的都是要以一定容量进行数据转发。由于骨干路由器的技术难点主要体现在专有ASIC上，通常不会自己开发专用的交换矩阵，此部分功能多采用通用产品，设备厂商根据容量需求可以在市场上任意选择。
　　线路接口卡
　　线路卡通过基于媒体特性的ASIC来实现。例如，在一块高度集成的ASIC上集成了全部的SONET/SDH处理进程。线路卡ASIC可提供更高的端口密度、更好的性能、更低的功耗及增强的可靠性。线路卡的不同种类和插槽数量，增强了骨干路由器系统在超级POP环境中的配置灵活性。线路接口卡的类型包括OC-192 IP over SONET/SDH、OC-48 IP over SONET/SDH、OC-12 IP over SONET/SDH、OC-3 IP over SONET/SDH、OC-12 IP over ATM、OC-3 IP over ATM以及千兆以太网。
　　运营商网络中的应用
　　运营商最关心的事情是整个网络的可靠性，而不是单个系统的可靠性。运营商们不希望他们的路由器运行在这样一种状态：当一个局部故障发生时，在网络中引发级联效应，产生附加的故障。
　　网络的这种能够调节一些故障并同时能继续对所有业务进行交换的能力，在传统设计中是很难实现的。而Internet骨干路由器相对于其他系统，在极限压力下提供牢固的可靠性能方面是独一无二的。Internet骨干路由器对于路由处理和包转发都提供了足够的空间。在意外条件下，路由引擎继续接收和发送路由更新，提供路由计算，维护对等关系，对接口失效进行处理等。同样，包转发引擎继续以40Mpps的速率对包进行交换，而与包的大小及系统负荷无关。
　　由Internet软件提供的流量工程特性答应运营商对网络故障进行治理。并可提供一些工具，使运营商能够在有效资源上对现有的业务量进行最佳的分配，而不会在网络中引起阻塞及其他一些不稳定的情况。
　　结论
　　Internet骨干路由器为电信运营商提供了一个全新的路由系统，它是为运营商实现从OC－12和OC－48骨干网到OC－192骨干网的转换而专门设计的。Internet网络的核心部分仍沿着两个方向被坚持不懈地发展着：软件的丰富性和带宽。骨干路由器系统提供了所有下一代路由系统所必须具备的特性：
　　包转发引擎的包处理进程和富裕设计的交换结构，使系统可以轻松地同时支持多个满负荷工作的OC－192速率接口。系统能够在不影响网络控制单元的情况下，提供以前只能在交换机中才有的转发性能；
　　路由引擎运行着由经验丰富的、行业中的专家们设计和编写的行业级全功能路由协议和流量工程软件；
　　其基本结构的路由功能与包转发功能完全分离特性，是以提供“性能保障”为目的进行设计的，可为大型运营商网络在意外条件下提供增强的可靠性。系统在提供网络可靠性及不影响网络其他部分而适应高波动环境方面的能力是独一无二的；
　　可编程的、与类似于计算机微处理器的ASIC答应软件可在将来使包转发引擎在不更换硬件的情况下支持新的功能；
　　多种高密度的接口模块、机械性能和适用性，使得Internet骨干路由器可在大型运营商网络的核心部分有杰出的表现;
　　通过提供强有力的四个基本单元，即路由软件、包处理、交换结构和线路卡的路由系统，为Internet骨干网提供了一个完全的解决方案，是Internet骨干网完善运营的保障。
　　产品篇
　　Cisco
　　Cisco 12400系列路由器采用分布式体系结构，可以提供IP+光纤的网络基础和服务构建模块，是构建10Gbps IP基础设施的优良平台。
　　基于Cisco 12410和Cisco 12416路由器，服务供给商可以将其网络扩展到骨干光纤网的速度，为下一代IP服务提供足够的带宽。Cisco 12400系列路由器是Cisco公司IP+光纤策略的一个重要组成部分，在提高核心网与边缘网的带宽、降低运营成本方面，Cisco 12410和Cisco 12416路由器又迈进了一大步。不仅如此，它们还提供了利用光纤网来访问基于IP的内容和多服务。Cisco 12400路由器的要害特性包括如下。
　　高可扩展性： Cisco 12400提供了10Gbps平台的扩展能力。
　　高性能：在一个全负载的环境中，对于有不同前缀长度的包，12400系列都能稳定地以线速来进行IP与MPLS转发。
　　有保证的包优先级转发技术：提供基于优先级的拥塞控制、专有的低延迟队列技术和包顺序完整性的系统。
因此该系列产品在任何条件下均可满足要害业务服务（如VoIP）的要求。
　　除此之外，12400路由器还能够支持工业标准的VSR (Very Short Reach)接口，这将降低多达50％的内部POP互联费用，同时也能加速全球对于OC-192c/STM-64c技术的采纳。Cisco 12410与12416都可以使用任何一种12000系列线路接口卡，保证了服务供给商在12000系列上的现有投资。
　　 Cisco 12000系列基于先进的分布式结构。这项技术可以使得服务供给商通过扩展其Internet接入点（POP）来提高他们的服务效率，并提供诸如VoIP以及视频点播等高附加值的业务。
　　大唐
　　由大唐电信和国防科大联合开发的DTYH-ISR9108“银河玉衡”核心路由器于2001年通过了专家的技术鉴定和信息产业部组织的电信设备入网鉴定。由两院院士及专家组成的鉴定委员会认为，“银河玉衡”核心路由器在实时网络操作系统、高速交换网络、网络处理机、高速数据传输、安全机制、复杂协议软件等要害技术方面实现了一系列突破。“银河玉衡”核心路由器采用了分布式高可靠性设计，具有分布体系结构、硬件快速转发、服务质量保证机制、安全控制、完善的网络协议等特点。该设备支持当前多种以太网络和光通信接口，以及各种Internet路由协议。能动态适应网络变化，可以与现行网络设备互连、互通、互操作；能满足国家、省级宽带骨干网和局域网建设要求，可广泛应用于通信、电视、电力、国防、金融等领域。
　　烽火网络
　　MAISP－R8001是烽火网络定位于城域网汇聚和核心层的城域汇聚智能业务平台，是结合目前城域网建网的最新技术和自身特有专利技术研制而成的。和其他高速路由器不同，MAISP－R8001除了提供传统的路由器接口外，还融合了传输产品的特点，能够提供Ethernet over SDH和CWDM等接口。因此，MASIP能够用单一设备实现多种设备的功能，最大化节省运营商的建网成本和维护费用。此外，MASIP－R8001具有完全可编程的能力，能够实现灵活的业务生成和定制功能。
　　MASIP－R8001体系结构中还支持MPLS、IPv6、MSR和RPR等前沿组网技术，以适应未来网络的各种需要。
　　该产品采用了基于网络处理器的分布式转发体系结构，由于采用了高速的Crossbar交换技术作为交换核心和先进的网络处理器技术，它具有高速的交换能力和灵活的业务生成能力，MASIP－R8001的交换能力为64Gbps，最大可扩至128G。
　　 MASIP－R8001采用标准的19英寸机架和前插卡体系结构，机架共16个槽位，其中14个接口线卡。丰富的线卡和接口种类可以满足绝大部分的组网应用。 MASIP－R8001是电信级高可用性设备，它的路由交换处理器和交换卡均采用1+1冗余方式，而风扇单元和电源模块采用了1：N的保护方式，所有模块均可热插拔，并且路由交换处理器和交换卡可以支持热倒换，以保证出现故障和更换、升级时业务不间断。
　　 Foundry
　　 Foundry机架式NetIron Internet骨干路由器系列是专为各种服务接入点(POP)和IDC应用而设计，产品主要包括4槽NetIron 400、8槽NetIron 800和15槽NetIron 1500。这些路由器可为用户提供大带宽、更高的端口密度、优良的路由性能、电信级的可靠性和冗余度、Internet级别的扩展能力、全面的治理控制以及稳定可靠的功能。Foundry NetIron支持各种要害业务应用和功能，包括对MPLS、BGP4、OSPF和组播的全面支持、自适应和固定速率限制、千兆位以太网、ATM和Packet over SONET等。这些特性使NetIron Internet骨干路由器完全能够满足当今ISP所面临的日益增长的带宽和控制需要。Foundry产品的主要独特之处包括：可靠性、交换能力、丰富的局域网和广域网接口类型、结构紧凑、长距离千兆位以太网MAN链路(最长可达150公里)等等。
　　NetIron模块化机架式产品能够提供高达480Gbps的非阻塞总交换能力，支持线速IP路由，消除了性能瓶颈。NetIron以Foundry独特的IronCore体系结构和IronWare软件为基础，即使是在网络传输负载最繁重的情况下，仍然能够实现可靠的数据包转发，能力高达每秒1720万的数据包。
　　NetIron 拥有全面的城域网、地区网、Internet边缘和骨干连接，并且拥有非常高的端口密度，以紧凑的外形提供了非常高的汇聚路由和IP交换能力。NetIron上的每一个路由器局域网端口都支持8个QoS优先级别和4个基于硬件的可选优先级队列。在交换矩阵中采用的ASIC芯片可以实现高达240Gbps的包交换吞吐量和高达172Mpps的数据包转发能力，延迟时间非常小。每个交换模块都使用了一套高带宽的共享内存交换矩阵，安装在机架上的每一个接口模块都提供32Gbps的交换带宽。NetIron上设有保留的插槽，这为网络设计提供了很大的灵活性。所有模块，包括冗余路由处理和治理模块，都可以毫无限制地安装在任何一个空闲的插槽中。
　　华为
　　 Quidway NetEngine 80（以下简称NE80）是华为公司一款核心路由器产品。它采用先进的基于网络处理器的分布式硬件体系结构，其电信级可靠性、线速转发性能、完善的QoS机制以及丰富的业务处理能力，可以满足不断增长的Internet业务对网络骨干设备的需求。NetEngine 80核心路由器具有如下特点。
　　大容量高密度：NE80为一款具有16个线路卡槽位的千兆位路由器，系统总交换容量达128Gbps，可提供以太网、POS、ATM等多种业务接口。
　　线速转发性能：NE80采用了目前业界主流的网络处理器技术，实现了2.5G接口的IP/MPLS线速转发，整机转发性能达到96Mpps。
　　完善的DiffServ/QoS：NE80提供完善的DiffServ/QoS支持，支持流分类、流量监管（CAR）、拥塞控制、队列调度和输出流整形等功能，并提供一种用户可选的新型拥塞控制方法，使网络运营商可以为不同用户提供区别化的服务质量保证。
　　运营级可靠性设计：NE80的交换网络、路由处理系统以及电源系统等要害部件均采用冗余热备份设计，能满足骨干网络对设备高可靠性的要求。同时NE80支持MPLS的快速重路由（FastReroute）功能和SONET/SDH接口上的APS/MSP自动保护倒换功能，进一步提升了网络的可靠性。
　　丰富的业务能力：NE80提供丰富的路由协议支持和策略路由治理功能，支持组播业务、基于MPLS的流量工程（TE）和VPN应用等。

　　Juniper
　　Juniper公司提供适合不同应用领域的路由器系列，其中骨干路由产品为被广泛应用的M系列路由器和技术领先的T系列。M系列可提供从 T1和E1一直到OC-192c/STM-64的各种高性能接口，并具有一致的功能和优秀的性能，这一能力使M系列路由器能高度适应多种要害应用，例如核心路由、专用接入、公用及专用对等、内容主机托管和网络主机托管。M160 Internet 骨干路由器支持每个机箱高达8 个 OC-192c/STM-64 PIC（每架 16 个），或者每个机箱高达32 个 OC-48c/STM-16 PIC（每架 64 个），因而对于大型核心骨干网上的路由和转发十分理想。
　　随着网络流量的迅速增长，Juniper推出了全新的T系列骨干路由器。在T系列中，Juniper采用了新的体系结构和ASIC技术，使T系列的吞吐量达到了640Gbps，支持的OC192c端口数也达到了空前的32个（每架64 个）。
　　T系列和M系列均支持基于ASIC 的功能，例如速率限制、过滤和采样等，使用户能够轻松地支持增值业务，以适应不同应用对网络设备的要求。M系列路由器和T系列路由器运行的都是同一JUNOS 软件，能够为骨干网传输的信息流量带来优异的控制及可见性，因而便于有效利用整个网络的容量。这使得网络在扩展时，其固有可靠性增强了。
　　M系列和T系列路由器是专为在正常和异常网络环境下都能提供多种IP业务而设计的。其高性能结构的核心是一个定制的Internet Processor ASIC，它的查寻速度高达40Mpps。该 ASIC尺寸结构合理，可以很好地扩展，以处理大型复杂的转发表，并为各种大小尺寸和前缀长度的数据包提供一致的性能。该 ASIC 不仅提供支持高速光接口的转发性能，而且还在不妥协性能的情况下，支持控制和提供IP业务的多种数据包处理能力。
　　此外M系列和T系列路由器具有独特的无阻塞结构保证最佳数据吞吐量和低延时，并拥有验证过的可靠性和自适应网络控制功能。
　　中兴
　　中兴通讯ZXR10系列路由器，可以满足从骨干网络、城域网、校园及企业网络的应用需求。在设备的交换容量、端口速率及端口密度、转发性能等方面，都已经达到国外同等设备的水平，可以满足目前主流骨干网络建设的需求。
　　ZXR10 T160是新一代的高性能线速Internet骨干路由器，它将单纯的带宽智能地应用于IP业务，该产品为实施高带宽包优化的核心主干网提供了一个经济的解决方案。ZXR10 T160使用最新的Rapid Path ASIC芯片在光纤和传统服务供给商网络上实现完整的功能特性，具有高性能、高可扩展性和高端口密度。
　　 ZXR10 T160采用模块化设计，使服务供给商可以集合所有IP接入技术，包括10GbE、GbE、快速以太网、WDM、POS、ATM和Channelized T3。ZXR10 T160提供线速Internet级路由选择和交换功能，背板交换速率高达170Gbps、包转发率为90Mpps，其设备充分满足核心层目前的路由性能、处理容量与接口密度的需要。
　　ZXR10交换式路由器采用Cross Bar的交换矩阵结构，数据转发完全采用基于每接口卡的ASIC 芯片来实现。路由表的查找采用ASIC芯片实现。ZXR10 采用的是自行开放的ASIC芯片，具有高度扩展性和性能保证。接口模块与接口模块之间采用点到多点的交叉矩阵。接口模块与交叉矩阵的连接速度均超过接口模块的最大转发速度，保证线速无阻塞的交换。

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