IP技术的发展－第五代路由器

2019-11-05 00:33:15

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供稿：网友

　　随着ip技术的发展、IP用户的迅猛增加、IP业务的推出，传统的路由器已经远远不能满足现代网络发展的需要，尤其是主干网络的需要。第五代路由器正是在这种网络背景下提出的，着眼于解决核心IP网络存在的问题。
　　
　　前四代路由器的发展历程
　　第一代路由器采用集中转发，固定接口。最初的IP网络并不大，其网关所需要连接的设备及其需要处理的负载也很小，而且网络的变化也较慢。第一代路由器由一个处理器CPU和固定的多个网络接口组合而成，网络接口与CPU之间通过内部总线相连。
　　
　　第二代路由器采用集中转发，接口模块化。这是因为随着IP网络的发展，网络节点在增多，网络链路也在大量增加和替换升级，这个时候，由于第一代路由器的网络接口是固定的，不能满足IP网络链路经常变化的要求，需要经常更换新的路由器，这样不利于网络设备投资保护和维护治理。在这个时期，可扩展性成为限制路由器发展的主要矛盾。第二代路由器从体系结构彻底解决第一代路由器的可扩展性问题，采用办法其实非常简单，那就是把网络接口做成可以插拔的活动模块，用户可以根据需要增加所需要的网络接口模块，对原有路由器升级扩容即可，而不需要替换路由器。
　　
　　第三代路由器是基于CPU的分布式软件转发。到了90年代前期，随着互联网业务大发展时期的到来，网络流量迅猛增大。同时由于光传输技术的发展，许多传输线路已经由2M为主流的电路升级为以155M为主流的光路。在短报文线速转发情况下，一个155M接口就需要约200Kpps左右的转发性能，而在当时情况下，一个CPU的处理能力也只有这么多。而依据网络扩展性的要求，一个路由器往往要连接多个155M或100M链路。在保持路由器的灵活扩展性前提下，性能成为了路由器发展的主要矛盾。性能的瓶颈主要集中在CPU上。解决办法就是把路由器的集中式结构转换为三头六臂式的分布式结构，第三代路由器由此出现。
　　
　　第三代路由器采用全分布式结构，最大变化是在各网络接口业务模块上增加了CPU，即每个接口业务模块都有自己的CPU来进行各自的转发和业务处理，负责少量网络接口。
　　
　　第四代路由器是基于ASIC的分布式硬件转发。九十年代中后期，随着IP网络的商业化，网络流量非凡是核心网络的流量以指数级数增长。在这个时候，光传输技术又有了新的发展，2.5G传输链路成为了骨干传输网络的主流。而CPU的转发性能虽然也在提高，但跟不上这个速度。这种情况下，只有对转发模式进行根本的变革，才能突破瓶颈限制。而集成电路技术的高速发展正好为路由器转发模式的突破提高了机会，一种称为专用集成电路(ASIC)的技术为硬件转发提供了技术基础。第四代路由器抛弃了基于CPU的软件转发模式，转而寻求基于ASIC技术的硬件转发模式，通过对IP转发过程的优化和硬件化，极大程度地提供了路由器的转发性能。而路由引擎模块仍然可以采用CPU，用来处理复杂的路由计算和治理调度。基于ASIC的硬件转发模式使得接口业务模块能够实现千兆以太网等高速链路的线速转发。
　　
　　基于网络处理器的分布式硬件转发
　　在第四代路由器中采用了硬件转发模式，解决了带宽容量和性能不足的瓶颈问题，但是也留下了隐患：基于ASIC的硬件转发在获取高性能的同时，牺牲了业务灵活性。这与ASIC技术实现方式相关，在设计ASIC芯片的时候，对转发流程做了大量优化，使得IP转发以简单而固定的方式来实现，从而固化下来，做到硬件化。假如在IP转发中，还要做一些复杂的额外处理的话，ASIC就无能为力了。而且，ASIC的设计周期很长，通常需要二到三年才能设计出一个稳定运行的ASIC芯片。而在IP互联网领域，业务发展非常迅速，平均每半年就会兴起一项新的业务，而这些业务可能就对转发流程有影响，需要转发程序适度调整来获得高品质支持。
　　
　　近期MPLS VPN技术逐步成为热门，运营商需要在骨干网、城域网中开展MPLS VPN业务，这时发现原来在骨干网应用的第四代路由器无法提供高性能的VPN业务，需要全面升级或另外建设专门的VPN承载网络。在当前带宽已经不是主要矛盾，业务应用为王的运营环境中，ASIC固有的灵活性差、业务支持不足的问题成为了路由器发展的主要矛盾。新的需要，带来新的矛盾，就又会造就新的发展。网络处理器技术兴起，促使第五代路由器出现。
　　
　　

　　
　　第五代路由器在硬件体系结构上继续了第四代路由器的成果，即仍然采用硬件转发模式和交换网式结构，只是在要害的IP转发和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，替代了原来的ASIC技术。网络处理器（NP）通常由若干微处理器和一些硬件协处理器组成，多个微处理器并行处理，通过软件来控制处理流程。对于一些复杂的标准的操作(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。这样实现软件业务灵活性和高性能硬件转发的有机结合。
　　
　　第五代路由器由于有了业务灵活性，因此可以把近些年发展起来的MPLS技术、VPN技术、QoS技术、流量工程技术、可控组播技术、用户治理技术等诸多技术融合进来，并保持高性能、高品质特性，成为真正具有强大业务能力的高性能网络设备，对于提高网络价值和节约建网成本都有非常重要的意义。第五代路由器典型产品有华为Quidway NetEngine 80/40/20系列产品。
　　
　　IP业务发展要求的驱动力
　　第五代路由器与第四代路由器相比较，主要有下面几个方面的特点：
　　
　　采用网络处理器技术实现IP报文处理和转发，所以可以在保证高速转发的同时进行复杂的协议处理，从而支持丰富的业务；
　　
　　采用大容量的交换网结构，采用网络处理器，可通过升级软件增加新的处理功能，从而快速响应用户的业务需求，适应网络发展；
　　
　　具有强大的VPN、流分类、IP-QoS、MPLS等特性的支持能力，提供完善的QoS机制，满足不同用户不同应用的需求；
　　
　　充分考虑骨干网络的需求，满足用户对安全性、稳定性、可靠性的要求。
　　
　　华为作为第五代路由器的倡导者，在业界首先倡导和采用网络处理器技术开发高端路由器，满足用户的需要，华为Quidway Netengine系列产品在体系结构设计、设备性能、业务灵活性、兼容性及投资保护方面处于业界领先水平。

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