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路由技术发展展望

时间:2012-05-07 00:50来源:知行网www.zhixing123.cn 编辑:麦田守望者

随着通信信息量的不断增长,人们对Internet的通信能力提出了较高的要求。而路由器作为Internet通信网络的枢纽和"交通警察",其地位的作用十分重要,它的“工作能力”直接影响到整个网络的整体性能,因此在整个因特网领域中,路由器技术始终处于核心地位,其发展历程和方向,成为整个因特网研究的缩影,是一个国家信息领域的技术水平高低的重要标志。本文将对目前的因特网路由技术进行介绍,并对相应路由器技术的研究发展趋势作简单的预测。
  一、路由技术的现状
  目前的路由器通常是基于总线和集中处理器结构的,其处理能力一般为几十万个包/秒,最大的吞吐能力约1Gbit/s左右。目前交换网络中的路由技术有三种,其中第一种是最为保守的方法,即第三层的路由器与第二层交换机相结合的方法。第二层交换机严格限制于桥结构,用于同一虚拟网内的不同节点之间的数据交换,在OSI参考模型的第二层,即数据链路层实现虚拟LAN的功能,将第三层的功能留给路由器实现,由路由器完成虚拟网络之间的数据传输与建立LAN与企业主干网连接的工作。
  第二种方法采用分布式路由技术。其特点是它使用多层交换机,将第二层的桥与第三层的路由结合在一起,有的文献也将多层交换机称之为第三层交换机。它本身所具有的路由功能支持虚拟LAN,并支持大多数同一虚拟网内或不同虚拟网之间节点的通信,减少了工作组与部门之间所使用的路由器的数目。但它仍然不能完全摆脱使用传统路由器,这是因为多层交换机只能提供高档路由器所能提供的协议、安全、交通管理及与WAN连接功能的子集。如CISCO公司7000系列路由器能够处理12种协议并支持点对点、电路交换与信元交换的广域网通信,而Alantec公司生产的Powerhub多层交换机却只能处理三种协议:DECnet、IP与IPX,并且没有WAN接口。因此,多层交换机网络中需要使用路由器作为广域网的网关,并完成较为复杂的路由功能。
  交换网中的第三种路由技术则采用了一种全新的结构:路由服务器与边界交换机相结合。我们知道,传统的路由器完成信息包的转发与路由选择两项工作。而基于路由服务器的网络则由两个独立的设备分别完成上述两项功能:边界交换机完成信息包的转发,而路由信息的确定由价格较为昂贵的路由服务器完成。边界交换机只有在自己的地址表中找不到目标节点的地址时才访问路由服务器,此时路由器对之响应一个正确的地址,交换机再将该信息缓存备用。需要指出的是,目前路由服务器与交换机之间的通信协议还不统一,不同厂家的产品还不兼容。二、路由技术的展望
  随着Internet骨干网上业务量的激增,对路由器的处理能力、容量提出了更高的要求,这样必然就出现了许多新的路由器设计,这些新型路由器抛弃了传统的总线/背板加集中处理器的结构,代之以高性能的专用或通用的交换矩阵,有些甚至直接采用了ATM交换矩阵;同时将原来集中在中央处理器的智能尽量分散至各个接口处理模块,希望通过高速缓存和其它的路由预处理手段来加速数据包的转发,经过一系列结构上的改进,路由器的吞吐量有了很大的提高,形成了高速路由器,高速路由器将成为下一代高速网络的核心。新一代路由器发展的趋势为:
  1、太比特路由器
  为满足业务的高速增长,增加网络带宽,建立性能更加优良的IP通信网,人们提出了开发比吉比特路由器交换容量更大、支持业务更多、性能更完备的太比特路由器。业界很多公司投入巨资对其进行开发。太比特路由器产品最大的优点在于具有可升级的结构和简单的运行管理。用户可以先使用部分配置的底盘,提供与吉比特路由器相当的容量,然后通过增加线卡和另外的底盘,增加路由器容量到多太比特级别。这为业务提供者带来了两个好处: 首先,运营者可以在不影响现有的业务、更换现有设备的情况下增加网络容量;另外,当增加设备时,仍然可以作为一个单独的路由器来管理。
  2、与MPLS技术结合
  与MPLS技术结合高速路由器用于骨干网,构成以路由器为核心的网络。它替代了ATM网,从而免除了ATM信元开销过大和N平方问题,但又出现了控制和监视均衡流量的困难问题。最好的办法是将来能够把以路由器为核心和以ATM为核心的网络的优点综合起来,消除各自的缺点,从而有效地控制流量,均衡网络负载。这样,在出现拥塞和故障时,就会有良好的稳定性和恢复能力,并且能够为ISP提供增值服务能力。解决上述问题的办法是采用MPLS技术来实现标记交换路径(LSP)。LSP类似于ATM和帧中继的PVC。一条LSP可以经过一个或多个LSP节点,ISP网络内的一个标记路由器(LSR)可以通过LSP,向另外一个LSR转发数据包。边缘LSR收到IP数据包后,再加上一个MPLS字头,沿着LSP向另外一个LSR转发数据包。终点LSR收到数据包后,除去MPLS字头,仍按IP终点地址L3信息向外转发数据包。由于采用ASIC硬件,其转发速度可以和ATM的PVC一样快。这样,采用LSP可以和ATM网一样,方便地监视每条LSP的流量。通过设置新的LSP还可以控制和均衡整个网络的流量,并且可以方便地设置备份的ISP,以保证良好的故障恢复能力。
  3、硬件技术的成熟
  越来越多的数据转发功能以硬件方式来实现高速路由器将路由计算、控制等非实时任务同数据转发等实时任务分开,由不同部分完成。前者由CPU运行软件来完成,后者由专门的ASIC硬件来完成。自1997年下半年以来,一些公司开始陆续推出采用专用集成电路(ASIC)进行路由识别、计算和转发的新型路由器,转发器负责全部数据转发功能,其数据流量占整个系统的99%以上。这种路由器用硬件按照时钟的节拍实现逐个数据包的转发。其速度很快,就象导线传输一样。 目前,人们正致力于开发高速、高性能、高吞吐量、低成本的新一代路由器,以满足网络的不断发展。新一代路由器内部结构所展现出的主要发展趋势为:第一,越来越多的使用基于硬件的交换和分组转发引擎。CMOS集成技术的提高使很多功能可以在专用集成电路(ASIC)芯片上实现,原来由软件实现的功能现在可由硬件更快、成本更低地完成,大大提高系统性能。第二,向并行处理的方向发展,逐渐抛弃易造成拥塞的共享式总线,采用交换背板结构。第三,进一步发展在光纤连接上进行的线速选路技术,实现吉、太比特速率,为Internet过渡到全光基础设施奠定基础。
  4、高密度接口
  随着业务提供者和大型ISP不断升级骨干网,路由器的高速接口速率从最初的OC-12升级到OC-48,最近又掀起了向OC-192升级的浪潮。具有高速OC-192光接口的高速路由器是网络向IP over DWDM结构发展的关键。对运营商来说,高的端口密度具有重要意义。因为大型骨干网的核心节点一般在大城市,中心局和入网点的空间资源不但有限而且成本很高,业务提供者必须考虑节约空间,而具有高密度端口的高速路由器是解决空间压力的一个重要举措。
  下一代路由器能够提供现有路由器不能提供的可扩展性和故障容错水平。第一代路由器使用单底盘结构,总容量为几十到几百吉比特。当业务提供者需要增加系统容量时,必须建设一个路由器的网。这种方案增加了需管理的分离路由器的数量,不得不容忍设备间不适当的带宽,特别是为底盘互连而浪费了端口。这是一种代价昂贵的过渡方案,端口相当于路由器的手或脚,业务提供者需要用端口来实现收入。现在,太比特的交换矩阵正在紧锣密鼓地开发中,相信不久的将来,扩展性的问题将得到改善。
  5、光路由器的出现
  光路由器为IP over Optical赋予了新的概念,IP over Optical是简化IP骨干网络的良好解决方案,可以消除昂贵的SONET和ATM设备,而且极大地降低网络管理的复杂性。但是高速路由器直接连接到DWDM系统时,网络只有静态的点到点通路,不允许业务在不同光通路间进行交换,这导致了较差的灵活性。为解决此问题,国外很多大的运营商和设备商提出了将光交换机作为高速路由器和DWDM系统的中间层的概念,进一步将选路和光交换平台综合成光路由器。使用IP协议,通过在不同波长间交换业务,光路由器允许动态控制带宽,为开展新业务提供更多的灵活性。
  当然,新开发的路由技术不再仅仅是为数据传输找到一条通道就行,还需要考虑所选路径的传输容量和服务质量,即具有QoS能力的路由算法,并且还得要分析全网负荷,以平衡网络中各条通道的数据流量。我们可以预见,未来的路由器系统需要有足够宽的内部数据带宽来支持各端口之间数千兆的数据流量;而且系统将具有足够高的数据包处理能力以达到每秒数百万包(Mpps)的转发能力,按Internet上数据包的平均长度1000bits计算,每一千兆的带宽需要1Mpps的包处理和转发能力;同时还将具有有效的QoS手段来满足客户在不同场合对不同服务质量的要求的能力。

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