核心路由器的“花樣年華”
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電信網(wǎng)絡(luò )架構正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大的變革，從傳統的以話(huà)音業(yè)務(wù)為導向逐步演化成以數據業(yè)務(wù)特別是以IP業(yè)務(wù)為導向，數據通信在整個(gè)電信網(wǎng)中的重要作用日益凸顯。作為數據通信主體設備之一的路由器設備，在其中扮演的角色顯得格外重要。如果把路由器家族形象地比作一座金字塔，那么無(wú)論從技術(shù)、市場(chǎng)和重要性等角度看，核心路由器都處于金字塔的頂端，凝聚了最高的技術(shù)成就。目前業(yè)界主流的數據通信設備廠(chǎng)商紛紛推出新一代核心路由設備，其更加靈活的處理能力和交換能力在很大程度上促進(jìn)了整個(gè)數據通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也昭示著(zhù)核心路由器未來(lái)的發(fā)展方向。
基于集群技術(shù)的海量交換漸成主流
隨著(zhù)寬帶網(wǎng)絡(luò )的飛速發(fā)展，尤其是基于寬帶網(wǎng)絡(luò )的各類(lèi)新業(yè)務(wù)層出不窮，未來(lái)對網(wǎng)絡(luò )的帶寬要求也會(huì )呈高速發(fā)展的趨勢。比如文章開(kāi)頭提到的2006世界杯期間，德國電信（T-Com）的HDTV業(yè)務(wù)的IP數據流量有幾千TB。何況IPTV業(yè)務(wù)還只是IP網(wǎng)絡(luò )所承載的諸多新興業(yè)務(wù)之一，IP電話(huà)、3G業(yè)務(wù)、視頻會(huì )議、視頻點(diǎn)播以及大量新興的基于P2P業(yè)務(wù)應用，都在迅速吃掉承載網(wǎng)絡(luò )的剩余帶寬。
據統計，Internet的流量每12個(gè)月就增長(cháng)1倍，而且在未來(lái)幾年仍將保持這個(gè)增長(cháng)速度。從歷史上看，路由器的容量大約每18個(gè)月增長(cháng)一倍，這雖然能夠與摩爾定律相吻合，但無(wú)法滿(mǎn)足新興業(yè)務(wù)對于帶寬增長(cháng)渴求。如果按照這個(gè)趨勢發(fā)展下去，9年后的流量增長(cháng)8倍將遠遠超過(guò)路由器的容量。
而內存的容量增加雖然能夠和摩爾定律吻合，每18個(gè)月增長(cháng)1倍，但是內存存取速度的提高遠不能達到這個(gè)指標，大概每18個(gè)月增長(cháng)1.1倍左右，因此高速內存非常昂貴。除此之外，單體設備的功耗和散熱也成為制約因素。為了應對日益快速增長(cháng)的網(wǎng)絡(luò )帶寬要求，除了進(jìn)一步提高單體設備的容量外，還必須通過(guò)其它方式來(lái)突破技術(shù)上的限制，實(shí)現更大的設備容量，基于并行交換技術(shù)（PPS）的多級交換矩陣由此成為最佳選擇。并行交換技術(shù)通過(guò)多個(gè)獨立的交換單元并行工作，共同組成一個(gè)多級多平面的交換矩陣系統，從而構建更大容量交換網(wǎng)。利用多級交換矩陣技術(shù)，我們可以通過(guò)交換網(wǎng)的級聯(lián)，將多個(gè)單機架設備級聯(lián)到一起，從而突破單個(gè)機架在交換容量、功耗、散熱等方面的限制，實(shí)現更大容量的路由交換系統，并且具有很好的靈活擴展能力。
目前，并行交換技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始走向實(shí)用，業(yè)界主流的數據通信設備制造廠(chǎng)商都已經(jīng)在其最高端的核心路由設備的開(kāi)發(fā)上，采用了并行交換技術(shù)原理設計其交換網(wǎng)系統。在可以預見(jiàn)的未來(lái)，64框、128框乃至更大規模的多機框級聯(lián)將成為現實(shí)，隨著(zhù)單體路由設備容量的提升和更大規模并行交換系統的應用，超大容量的路由系統將進(jìn)一步為IP網(wǎng)絡(luò )的演進(jìn)加速。
接口趨向高密度、高速率、多業(yè)務(wù)
路由器的高速接口是建設大容量IP網(wǎng)絡(luò )的基礎，具有高速10GE、100GE光接口的高速路由器是網(wǎng)絡(luò )向IP over DWDM結構發(fā)展的關(guān)鍵。核心路由器作為互聯(lián)網(wǎng)的核心動(dòng)力引擎，在新時(shí)期電信運營(yíng)商不僅對核心路由器的處理速度和交換容量不斷提出新的要求，尤為重要的是運營(yíng)商開(kāi)始越來(lái)越關(guān)注其業(yè)務(wù)功能。運營(yíng)商不僅需要構建速度快的網(wǎng)絡(luò )，更需要可贏(yíng)利、利于開(kāi)展業(yè)務(wù)的核心網(wǎng)。業(yè)務(wù)實(shí)現技術(shù)是高端路由器能否符合電信企業(yè)實(shí)際運營(yíng)要求的關(guān)鍵，這既包括豐富的連接端口技術(shù)，又包括對增值服務(wù)的支持功能。
由于運營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò )基礎不同，應用場(chǎng)合也千差萬(wàn)別，因此目前的核心路由器為提供更好的適應性和靈活性做了很多工作。核心路由器具有對各種速率線(xiàn)路卡的支持能力，從DS3直到10Gbit/s，并且支持快速以太網(wǎng)/吉比以太網(wǎng)、動(dòng)態(tài)分組傳輸、ATM等技術(shù)。它采用的高密度方案能夠集合大量業(yè)務(wù)，包括基于 ATM的話(huà)音業(yè)務(wù)、DSL高速接入、專(zhuān)線(xiàn)集合和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應商集合，可以應用在廣域網(wǎng)骨干、城域網(wǎng)骨干、城域網(wǎng)邊緣、園區網(wǎng)骨干等多種網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，高的端口密度具有重要意義，因為中心局和入網(wǎng)點(diǎn)的空間資源不但有限而且成本很高。在巨大的壓力下，業(yè)務(wù)提供者已經(jīng)開(kāi)始考慮如何節約空間，而具有高密度端口的高速路由器是解決空間壓力的一個(gè)重要方面。與此同時(shí)，運營(yíng)商也在尋求將多種鏈路類(lèi)型統一的可能性，通過(guò)將現有五花八門(mén)的各類(lèi)接口歸一化，運營(yíng)商不但能夠有效降低網(wǎng)絡(luò )建設的成本，還由于網(wǎng)絡(luò )維護方面的簡(jiǎn)化可以節省大量的運營(yíng)成本。從目前的技術(shù)發(fā)展趨勢來(lái)看，以太網(wǎng)技術(shù)以其低廉的成本、相對簡(jiǎn)單的技術(shù)和快速增長(cháng)的速率成為未來(lái)統一的鏈路技術(shù)的最佳選擇。目前，10GE接口已經(jīng)得到廣泛應用，100GE接口的標準化工作也已經(jīng)展開(kāi)。
IP over Optical是簡(jiǎn)化IP骨干網(wǎng)的良好解決方案，設備形態(tài)上表現為路由器出高速以太接口和DWDM的直接互連，因此可以去除昂貴的SDH/SONET和 ATM設備，極大地降低網(wǎng)絡(luò )管理的復雜性。在SDH時(shí)代，傳統的DWDM系統僅僅是點(diǎn)到點(diǎn)光纖的復用，組網(wǎng)保護是依賴(lài)SDH層來(lái)完成的。面向大帶寬IP業(yè)務(wù)設計的新一代DWDM設備已經(jīng)能夠實(shí)現像SDH一樣的各種組網(wǎng)保護，在揚棄SDH設備層的同時(shí)，繼承了SDH在組網(wǎng)保護方面的優(yōu)點(diǎn)。從網(wǎng)絡(luò )功能上看， IP層靈活的交換能力可以提供IP路由、流量匯聚、點(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)能力，同時(shí)也具有一定的業(yè)務(wù)層保護能力，運營(yíng)商可以依靠IP降低投資成本和建立一個(gè)可擴展的大型網(wǎng)絡(luò )，而新一代DWDM網(wǎng)絡(luò )提供了遠距離傳送能力和各種簡(jiǎn)單或者復雜網(wǎng)絡(luò )物理拓撲情況下的完善的保護能力，二者結合的IP over Optical的網(wǎng)絡(luò )是All-IP網(wǎng)絡(luò )架構在骨干承載域的最優(yōu)實(shí)現方案。
長(cháng)遠看，受骨干網(wǎng)絡(luò )流量爆炸式增長(cháng)的驅動(dòng)，高速路由器將和光交換融合成光路由器，以提供海量的交換容量，使用IP協(xié)議、通過(guò)在不同波長(cháng)間交換業(yè)務(wù)、允許動(dòng)態(tài)控制帶寬等，可以為開(kāi)展新業(yè)務(wù)提供更多的靈活性。
但從目前技術(shù)發(fā)展來(lái)看，光交換路由器在緩存容量、成本、業(yè)務(wù)處理等方面均存在著(zhù)難以解決的障礙，短期內仍然無(wú)法成為實(shí)用性的技術(shù)。而比較切實(shí)可行的方案，就是在IP設備和光網(wǎng)絡(luò )設備之間實(shí)現控制協(xié)議的互通，基于目前已經(jīng)成熟的GMPLS技術(shù)實(shí)現IP網(wǎng)絡(luò )和光網(wǎng)絡(luò )之間的統一控制和管理，從而達到業(yè)務(wù)層面與傳送層面的互動(dòng)，實(shí)現基于業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)調度。
網(wǎng)絡(luò )處理器充當轉發(fā)引擎核心
隨著(zhù)IP網(wǎng)絡(luò )及其承載業(yè)務(wù)數量和種類(lèi)的高速增長(cháng)，IP網(wǎng)絡(luò )尤其是骨干網(wǎng)的結構和層次也越來(lái)越復雜，這種復雜的結構大大增加了運營(yíng)商的運作成本和人力成本，而超大容量核心路由設備的出現使得網(wǎng)絡(luò )層次的簡(jiǎn)化成為可能。網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)化意味著(zhù)核心路由設備除了原有P設備的交叉互連功能外，還必須承擔部分PE設備的業(yè)務(wù)接入功能，這也就對核心路由設備的功能核心——轉發(fā)引擎提出了更高的業(yè)務(wù)支持能力要求。
在路由器的核心部件轉發(fā)引擎的發(fā)展歷程上，經(jīng)歷了從通用CPU到ASIC、再到網(wǎng)絡(luò )處理器的演進(jìn)。其中采用專(zhuān)用ASIC來(lái)完成規定的數據包處理工作是十分理想的，但它的開(kāi)發(fā)周期太長(cháng)，復雜的ASIC需要18個(gè)月到2年的開(kāi)發(fā)時(shí)間，每一個(gè)ASIC的開(kāi)發(fā)都必須經(jīng)歷一個(gè)設計和制造的周期，很難適應當今越來(lái)越短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和IP網(wǎng)絡(luò )日益增長(cháng)的新增業(yè)務(wù)承載的需求。而網(wǎng)絡(luò )處理器位于每個(gè)線(xiàn)卡上，采用軟件完成IP報文處理和轉發(fā)，處理器的軟件可以更新，不僅滿(mǎn)足了業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，而且可提供線(xiàn)速轉發(fā)的性能。
網(wǎng)絡(luò )處理器于2000年初出現，現已被許多網(wǎng)絡(luò )設備制造商選作新一代高端路由器設備的核心處理器。目前在業(yè)界的主流數據設備制造廠(chǎng)商中，華為是最先利用網(wǎng)絡(luò )處理器技術(shù)開(kāi)發(fā)核心路由器的廠(chǎng)家，其具備快速的業(yè)務(wù)升級能力的第五代路由器理念，為核心路由器的發(fā)展帶來(lái)新思路。如今其他廠(chǎng)家也紛紛采用網(wǎng)絡(luò )處理器技術(shù)。同時(shí)，能夠開(kāi)發(fā)出成熟的NPU芯片的公司也從開(kāi)始的兩三個(gè)迅速增加到了十幾個(gè)，而且NPU的處理能力也從2.5Gbit/s擴展到 10Gbit/s，40Gbit/s的NPU也即將走向成熟商用。這些都說(shuō)明網(wǎng)絡(luò )處理器技術(shù)在網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品市場(chǎng)中將占據越來(lái)越重要的位置。尤其在核心路由器領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò )處理器以其杰出的包處理性能及可編程性，已經(jīng)成為構成路由轉發(fā)引擎不可替代的部分。
隨著(zhù)IP網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展和所承載業(yè)務(wù)的增加，其對核心路由器的要求也在不斷提高。核心路由器經(jīng)過(guò)十幾年的蓬勃發(fā)展，而今正邁入“花樣年華”，正如中國電信有關(guān)專(zhuān)家所言：“電信骨干流量每年增長(cháng)接近200%，而在未來(lái)的幾年內，骨干承載網(wǎng)絡(luò )的帶寬和速率仍然會(huì )維持目前的強勁增長(cháng)勢頭，高速率接口、多機框級聯(lián)等新技術(shù)會(huì )在一兩年之內得到普及應用?！彪m然目前的網(wǎng)絡(luò )流量還沒(méi)有達到所能承載的極限，但不可否認的是新一輪的競爭已經(jīng)開(kāi)始，包括華為在內的數據通信領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)展開(kāi)對更高性能核心路由設備的研究。在不遠的將來(lái)，新一代的核心路由器將伴隨我們走向更寬廣的IP之路。
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