新一代路由器的发展趋势

　　路由器技术是融合现代通信技术、计算机技术、网络技术、微电子芯片技术、大规模集成电路技术，光电子技术及光通信技术的核心技术，目前已出现了千兆位交换路由器（GSR─Gigabit Switch Router）和太位交换路由器（TSR），这些路由器的光接口速度已达到10Gbps。 　　硬件革命推动着高速路由器向更高的性能发展。在Internet上，IP是网络的语言，路由器是网络的发动引擎，负责把网上业务分段传送到目的地。路由器的核心是背板设备。随着Internet的不断发展，原有路由器所用的共享式背板20Gbps的带宽已经无法满足网络的需求，新的高容量的背板结构不断涌现，像采用纵横制交换器的交换式背板、三维交换矩阵结构的交换式背板和基于光纤的分布交换矩阵等，其中最大的分布交换矩阵能提供上百太比特的容量。 　　新一代路由器普遍采用交换方法来充分利用公共通信链路设备，不但有效地提高了整个链路的利用率，其交换还为各结点间通信的并行传输提供了可能性，这类路由器也就是具有交换功能的路由器。一个性能和功能优秀的路由器，不但要有科学的路由计算法则，有足够的传输带宽和高速率，还要有较强的信息流量控制能力。 　　目前，路由器主要有三种发展趋势：一是越来越多的功能以硬件方式来实现，具体表现为ASIC芯片使用得越来越广泛；二是放弃使用共享总线，而使用交换背板，即开始普遍采用交换式路由技术；三是并行处理技术在路由器中运行，极大地提高了路由器的路由处理能力和速度。 　　六代路由器 　　1.单总线单CPU结构路由器 　　最初路由器采用了传统计算机体系结构，包括共享中央总线、中央CPU、内存及挂在共享总线上的多个网络物理接口。如Cisco2501路由器就是第一代路由器的典型代表，其中CPU是Motorola的68302处理器，具有一个AUI以太网接口和两个广域网接口。中央CPU完成除所有物理接口之外的其他所有功能，数据包从一个物理接口接收进来，经总线送到中央CPU中做转发决定处理，然后经总线送到另一个物理接口发送出去。优点是系统价格低，目前使用的边缘路由器基本上都采用这种结构。缺点一是处理速度慢，一个CPU完成所有的任务，从而限制了系统的吞吐量；二是系统容错性差，CPU若出现故障易导致系统完全瘫痪。 　　2.单总线主从CPU结构路由器 　　采用主从两个CPU代替了原来仅一个CPU结构，因而较大地降低了CPU的负荷，提高了处理速度。第二代路由器的两个CPU为非对称主从式关系结构，其中一个CPU负责通信链路层的协议处理，另一个CPU则作为主CPU负责网络层以上的处理，主要包括转发决定、路由算法和配置控制等计算工作。第二代体系结构的典型产品是3Com公司的NetBuilder2路由器等。 　　3.单总线对称式多CPU结构路由器 　　改善了在第二代体系结构中主要限制，因为它采用简单的并行处理技术，即做到在每个接口处都有一个独立CPU，专门单独负责接收和发送本接口数据包，管理接收发送队列、查询路由表做到出转发决定等。而主控CPU仅完成路由器配置控制管理等非实时功能。优点是本地转发/过滤数据包的决定由每个接口的专用CPU来完成，对数据包的处理被分散到每块接口卡上。其典型产品是北电的Bay BCN系列，其中大部分接口CPU采用的是性能并不算高的Motorola 60MHz的MC68060或33MHz的MC68040。　　4.多总线多CPU结构路由器 　　至少包括三类以上的总线和三类以上的CPU。显然，这种路由器的结构非常复杂，性能和功能也非常强大。这完全可以从该类路由器的典型之作Cisco7000系列中看出。在Cisco7000中共有3类CPU和3条总线，分别是接口CPU、交换CPU、路由CPU和CxBUS、dBUS、SxBUS。 　　5.共享内存式结构路由器 　　在共享存储器结构路由器中，使用了大量高速RAM来存储输入数据，并可实现向输出端的转发。在这种体系结构中，由于数据首先从输入端口存入共享存储器，共享存储器结构路由器的交换带宽主要由存储器的带宽决定。为了提高带宽，必须增大存储器的带宽，并采用较多存储模块。显然，当规模较小时，这类结构还较易实现，但当系统升级扩展时，设备所需的连线将会大量增加，控制也会变得越来越复杂。这种结构不适应向更高水平的发展。 　　6.交叉开关体系结构路由器 　　与共享内存式结构路由器相比，基于交叉开关设计则有更好的可扩展性能，且省去了控制大量存储模块的复杂性和高成本。在交叉开关体系结构路由器中，数据直接从输入端经过交叉开关流向输出端。它采用交叉开关结构替代共享总线，这样就允许多个数据包同时通过不同的线路进行传送，从而极大地提高了系统的吞吐量，使得系统性能得到了显著提高。系统的最终交换带宽仅取决于中央交叉阵列和各模块的能力，而不是取决于互连线自身。目前，这种方案是高速核心路由器的最佳方案。 　　3种新技术 　　实际上，IP路由器速度的快速提高，还归功于采用了以下3种新技术： 　　1.硬件体系结构 　　到现在，高速IP路由器多借鉴ATM方法，采用交叉开关方式实现各端口之间的线速无阻塞互连。高速交叉开关技术已十分成熟，在ATM交换机和高速并行计算机中广泛应用，市场上可直接买到高速交叉开关速率就高达50Gbps的设备。 　　2.ASIC技术 　　由于生产厂商需要降低成本，ASIC技术在路由器中得到了越来越广泛的应用。在路由器中，要极大地提高速度，首先想到的是ASIC，有的用ASIC做包转发，有的用ASIC查路由，且已有专门用来查找IPv4路由的ASIC芯片商用。一般来说，ASIC只用于已完全标准化的处理，而网络的结构和协议变化频繁，因此相应地在网络设备这一领域，出现了“可编程ASIC”。目前，有两种类型的“可编程ASIC”，一种是以3Com公司为主的FIRE（Flexible Intelligent Routing Engine）芯片为代表；另一种是以Vertex Networks的HISC专用芯片为代表，这颗芯片是一颗专门为通信协议处理而设计的CPU，通过改写微码，可使这颗专用芯片具有同协议的能力。 　　3.三层交换 　　这是协议处理过程的一次革命性突破，也是现在GSR和TSR名称的来源。自从Ipsilon在1994年推出一次路由再交换IP Switching技术之后，各大公司纷纷推出了各自专有的三层交换技术，在综合所有三层交换技术优势之后，IETF终于在1998年推出了性能优越的多协议标记交换（MPLS）。与“一次路由再交换”技术相比，MPLS是从多网络结构这一更高层次来考虑三层交换技术，力图一举解决三层交换网络流量管理问题。 　　新型路由器 　　1.太比特路由器 　　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。其优势在于：一是运营者可在不影响现有业务、更换现有设备的情况下增加网络容量；二是当增加设备时，仍可作为一个单独的路由器予以管理。 　　虽然目前太比特路由器发展很快，但最近几年，吉比特路由器仍是高速路由器市场的主流。据美国IDC咨询公司预测，到2003年，全球市场将有吉比特路由器6500台，价值超过9亿美元。相比之下，太比特路由器只有600台。实际上，目前市场对太比特级路由器的需求还很小。 　　2.光路由器 　　众所周知，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，这导致该路由器较差的灵活性。为解决该问题，国外很多大的运营商和设备供应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。 　　3.Petabit路由器 　　虽然大多数业内专家分析认为，目前的网络资源没有紧张到大规模使用太比特路由器的阶段，但不可否认，一些厂商已经在致力于更高容量、更高性能的Petabit路由器的研发工作。加拿大HyperChip公司曾展示了一款具有Pbps（10的15次方）级处理能力的超高速路由器“PetabitRouter”。该处理器能够线速处理65336个10Gbps的OC-192接口，共可实现1.3Pbps的处理能力。 　　 　　HyperChip公司Petabit路由器　　明天更辉煌 　　目前，业界科研人员正致力于开发高速、高性能、高吞吐量、低成本的新一代路由器，以满足人们对网络不断发展的需要。新一代路由器内部结构所展现出的主要发展趋势为：第一，越来越多地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，大大提高了系统性能；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。