第5章路由器體系結構的演變

第5章路由器體系結構的演變路由器的基本功能路由轉發(fā)路由器必須對每個到達本路由器的報文做出正確的轉發(fā)決策，決定報文向哪一個下一跳路由器轉發(fā)為了進行正確的轉發(fā)決策，路由器需要在轉發(fā)表中查找能夠與轉發(fā)報文目的地址最佳匹配的表項，這個查找過程被稱為路由查找內部交換路由器在得到了正確的轉發(fā)決策之后必須能夠將報文從輸入接口向相應的輸出接口傳送，這個過程被稱為內部交換過程WhatisRouting?R3ABCR1R2R4DEFR5R5FR3ER3DNextHopDestinationDWhatisRouting?R3ABCR1R2R4DEFR5R5FR3ER3DNextHopDestinationD163241DataOptions(ifany)DestinationAddressSourceAddressHeaderChecksumProtocolTTLFragmentOffsetFlagsFragmentIDTotalPacketLengthT.ServiceHLenVer20bytesWhatisRouting?R3ABCR1R2R4DEFR5DDD路由和轉發(fā)ABCR1R2R3R4DEFR5路由器的基本結構路由器的基本結構路由器的基本結構網(wǎng)絡接口與物理鏈路直接相連，它包括了處理相應物理傳輸數(shù)據(jù)報文的功能，完成報文的接收和發(fā)送工作。工作在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層轉發(fā)引擎主要負責數(shù)據(jù)報文的轉發(fā)路徑，轉發(fā)引擎對接收的數(shù)據(jù)報文的頭部進行解析，然后根據(jù)報文的分類標識在規(guī)則表中進行查找，得到轉發(fā)操作的目的端口。在高速路由器中，該部分采用專用硬件實現(xiàn)，在分布式體系結構中，該部分又包含了局部轉發(fā)表。工作在網(wǎng)絡層路由器的基本結構路由處理器運行路由協(xié)議等的內部處理模塊組成，它要保證整個路由器的可靠穩(wěn)定的工作，如局部轉發(fā)表和全局路由表的一致性維護等交換模塊用于連接多個網(wǎng)絡接口以及轉發(fā)引擎模塊，為它們之間的數(shù)據(jù)傳送提供高速的數(shù)據(jù)通路，主要有共享總線和交叉開關報文處理路徑路由器提供了兩種不同的報文處理路徑數(shù)據(jù)路徑：處理目的地址不是本路由器而需要轉發(fā)的報文，因此數(shù)據(jù)路徑是整個路由器的關鍵路徑，它直接影響路由器的整體性能控制路徑：處理目的地址是本路由器的高層協(xié)議報文，特別是各種路由協(xié)議報文。雖然控制路徑不是路由器的關鍵路徑，但是它負責完成路由信息的交互，從而保證了數(shù)據(jù)路徑上的報文沿著最優(yōu)的路徑轉發(fā)路由表和轉發(fā)表路由表和轉發(fā)表RoutingTableandForwardingTable都用來保存路由信息路由表通常由路由協(xié)議和路由管理模塊維護，包括更多的信息（IP地址/IP子網(wǎng)、下一跳、路由度量、超時時間等）轉發(fā)表基于路由表生成路由器實際轉發(fā)時使用轉發(fā)表（只包括IP地址/IP子網(wǎng)和下一跳/出接口）高性能路由器中轉發(fā)表通常用硬件實現(xiàn)，便于高速查找路由器的分類路由器可以根據(jù)使用環(huán)境的不同和本身能力的不同等來進行分類從使用環(huán)境來分：核心路由器、邊緣路由器和接入路由器從能力來分：高端路由器、中端路由器和低端路由器從結構上分：模塊化結構和非模塊化結構路由器的分類從體系結構來分基于總線的單CPU體系結構基于總線的多CPU體系結構基于交換結構的多CPU體系結構集群路由器體系結構基于總線的單CPU體系結構該體系結構的路由器是由一個中央處理器和若干網(wǎng)卡通過共享總線互聯(lián)而成，是第一代路由器該體系結構的路由器的主要功能是通過軟件實現(xiàn)的，其硬件基礎是一個中央處理器這種結構簡單和容易實現(xiàn)，但性能低，原因是CPU既運行路由協(xié)議，也負責數(shù)據(jù)包的處理和轉發(fā)，存在嚴重的處理瓶頸主要的數(shù)據(jù)處理（如路由表的查找和數(shù)據(jù)移動）涉及到存儲器，對其的訪問速度會影響系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)移動必須兩次通過總線，非常耗時，有時甚至超出數(shù)據(jù)包頭的處理時間RouteTableCPUBufferMemoryLineInterfaceNICLineInterfaceNICLineInterfaceNICTypically<0.5Gb/saggregatecapacitySharedBackplaneLineInterfaceCPUMemory基于總線的單CPU體系結構共享總線基于總線的多CPU體系結構該體系結構的路由器主要是提高線卡的處理能力，同時將路由計算的處理器從路由轉發(fā)中解放出來這種主板和從板的分布式結構大大提高了系統(tǒng)的整體性能，是第二代路由器每塊線卡（從板）是擁有自己的處理器、內存和若干網(wǎng)卡的獨立子系統(tǒng)，在本地線卡進行存儲和轉發(fā)判斷主板基本上不參與路由轉發(fā)操作，主要負責整個系統(tǒng)的管理操作和路由計算等任務，并把用于轉發(fā)判決的轉發(fā)表發(fā)布到各個從板上共享總線的容量直接限制了路由器的吞吐率，成為系統(tǒng)無法避免的瓶頸RouteTableCPULineCardcpuBufferMemoryLineCardcpuNICBufferMemoryLineCardcpuNICBufferMemoryFwdingCacheFwdingCacheFwdingCacheNICBufferMemoryTypically<5Gb/saggregatecapacity基于總線的多CPU體系結構NICNICNIC主板從板共享總線中央處理器從處理器基于交換結構的多CPU體系結構該體系結構路由器引入了交換結構代替原有的共享總線，交換結構可以提供比共享總線高得多的帶寬線卡上一般不再采用通用處理器，而是采用ASIC實現(xiàn)的專用轉發(fā)引擎或者是針對網(wǎng)絡處理進行了優(yōu)化的網(wǎng)絡處理器，以提高報文的轉發(fā)和處理的能力中央處理器負責完成路由協(xié)議和其它控制協(xié)議的處理，并根據(jù)路由表生成轉發(fā)引擎所需要的轉發(fā)表，將轉發(fā)表同步到各個線卡上路由器的整體性能主要由線卡對報文的轉發(fā)處理能力，以及交換結構的交換容量決定屬于第三代路由器LineCardcpuLocalBufferMemoryCPULineCardcpuLocalBufferMemorySwitchedBackplaneLineInterfaceCPUMemoryFwdingTableRoutingTableFwdingTableTypically<50Gb/saggregatecapacity基于交換結構的多CPU體系結構NICNICNICNIC交換結構中央處理器從處理器基于交換結構的多CPU體系結構集群路由器體系結構集群路由器，路由器矩陣、多機框互聯(lián)、可擴展路由器就是將多臺路由器互聯(lián)起來，形成一套邏輯上一體的路由器系統(tǒng)或由多個可獨立運行的路由節(jié)點,通過某種互連結構連接而成性能和功能可擴展的單

映像路由器可擴展性主要體現(xiàn)在以下3個方面：交換實體的分布性帶來的規(guī)?？蓴U展性；路由實體的分布性

帶來的路由計算可擴展性；路由器操作系統(tǒng)的分布性帶來的功能可擴展性

集群路由器體系結構集群技術的產(chǎn)生，主要有兩個直接的原因：首先，單機容量逐步發(fā)展到極限；其次，超級節(jié)點的產(chǎn)生使得網(wǎng)絡結構越趨復雜，運維管理難度加大集群路由器體系結構集群路由器體系結構是解決高性能路由器所面臨問題的一個有效途徑，它由若干個路由器節(jié)點構成，包含了多個路由實體和交換實體它的交換結構由多個交換結構聚合而成，具有分布式的特點，能夠滿足性能、規(guī)模和可擴展性的要求它還包含了多個具有路由計算能力的控制節(jié)點，有利于路由協(xié)議和控制協(xié)議等任務的分布式實現(xiàn)集群路由器體系結構被認為是符合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要的下一代高性能路由器體系結構集群路由器體系結構集群路由器體系結構SwitchCoreLinecardsOpticallinks0.3-10Tb/sroutersMulti-Racks,OpticalLinks集群路由器體系結構OpticalSwitchCoreLinecardsOpticallinks100sofmetres10-100Tb/srouters,inprojectOpticalSwitchCore集群路由器體系結構OpticalSwitchCoreOpticalLinecardsOpticallinks100sofmetres100-1000Tb/srouters,inthefutureAll-OpticalRouters集群路由器層次化參考模型集群路由器層次化參考模型數(shù)據(jù)平面可擴展性研究：一般包括分布式高速路由查找結構，高性能可擴展互連結構和分布式交換及調度算法控制平面可擴展性研究：主要問題有分布式路由,可擴展分布式操作系統(tǒng)和單映像管理等,控制平面只有具有與數(shù)據(jù)平面相匹配的可擴展能力才能滿足整體的可擴展要求數(shù)據(jù)平面與控制平面接口標準研究集群路由器實現(xiàn)參考模型PointsofPresence(POP)ABCPOP1POP3POP2POP4DEFPOP5POP6POP7POP8網(wǎng)絡運營商存放交換設備的地點，我們通常叫POP點它是網(wǎng)絡中的交通樞紐，連接了若干骨干線路，大量的數(shù)據(jù)流經(jīng)POP點再轉發(fā)出去在POP點內部，是一組高性能路由器，每臺路由器連接部分骨干線路，這些路由器再彼此連接在一起WhereHighPerformanceRoutersareUsedR10R11R4R13R9R5R2R1R6R3R7R12R16R15R14R8(10Gb/s)(10Gb/s)(10Gb/s)(10Gb/s)為什么需要高性能的路由器光纖通信技術的發(fā)展使得傳輸線路已經(jīng)不是一個瓶頸，這樣網(wǎng)絡速度提高的主要障礙就落在了交換節(jié)點——路由器的身上路由器是Internet中重要的核心互連設備，在Internet的發(fā)展過程中扮演著重要的角色隨著Internet在速度、規(guī)模和應用各方面的快速發(fā)展，對路由器的要求也越來越高，這就驅使著高性能的路由器的體系結構及其關鍵技術不斷地發(fā)展和進步，以滿足互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢的需求為什么需要高性能的路由器防止路由器成為Internet的瓶頸增大POP的能力，降低其復雜性和成本為什么需要高性能的路由器物理器件性能的提高可以提高路由器的處理能力，但這個提高是有限的更根本地，每一次大的改進中，路由器體系結構的演變，才能使整體性能大幅度提高高性能路由器體系結構的發(fā)展趨勢由通用結構向專用結構發(fā)展?基于通用計算機的體系結構發(fā)展為專門針對路由器特點的體系結構

?由采用通用處理器發(fā)展為采用專用轉發(fā)引擎或網(wǎng)絡處理器

?由通用系統(tǒng)總線傳輸發(fā)展為專用的交換結構由集中式結構向分布式結構發(fā)展?報文由集中式轉發(fā)處理發(fā)展為分布式轉發(fā)處理?交換結構由單一的集中式交換結構發(fā)展為分布式的多級交換結構

?路由協(xié)議的計算由集中式完成向多節(jié)點分布式實現(xiàn)發(fā)展高性能路由器體系結構的發(fā)展趨勢從私有接口向開放接口發(fā)展?目前路由器發(fā)展的結構模塊化、接口標準化的趨勢?路由器內部的各種軟硬件模塊之間，由基于私有接口的緊藕合設計，向基于開放接口的集成化設計發(fā)展高性能路由器單機柜物理結構單機柜系統(tǒng)主要部件集中在一個機柜內，整個系統(tǒng)包括以下子系統(tǒng)電源子系統(tǒng)監(jiān)控子系統(tǒng)風扇子系統(tǒng)功能主機子系統(tǒng)外部告警箱－48V一次電源系統(tǒng)電源監(jiān)控框風扇子系統(tǒng)上走線框功能機框上框進風口功能機框下框下走線框風扇子系統(tǒng)3U2U3U2U10U4U10U2U3U單位長度的單位主要有千米（Km），米（m），分米（dm），厘米（cm），毫米（mm），微米（μm），納米（nm）頻率的單位主要有赫茲（Hz），千赫茲（kHz），兆赫茲（MHz），吉赫茲（GHz），太赫茲（THz）JuniperT640/cn/zh/

瞻博采用矩陣技術:雙面結構,消除低密度擴容限制單機支持32個OC-192c／STM-64,或提供8個40Gbps的插槽單機提供640Gbps的交換容量通過光背板擴展裝置從底盤背部提供1280Gbps的帶寬多個T640能夠相互連接,并作為單個路由器工作,提供10Tbps甚至更高的吞吐量JuniperT640TX8JuniperT1600Juniper宣布它將于今年第四季度發(fā)布一款新的核心路由器T1600，用于電信和有線電視網(wǎng)等大型網(wǎng)絡T1600的總交換容量達到了1.6Tbps，它采用了半機架式結構，性能遠遠超過5年前推出的T640T1600運行已廣泛應用的JUNOS操作系統(tǒng)，并采用與現(xiàn)有的T系列路由器共通的零件，為T640路由器帶來獨特的升級路徑。由T640升級至T1600只需90分鐘，而且期間無須中斷網(wǎng)絡服務JuniperMatrix和JuniperMatrixPlusJuniperMatrix支持多達4個T640機箱互連，組成單一路由實體，達到2.5TpbsJuniperMatrixPlus是一款中央交換和路由單元，支持多達16個T1600機箱互連組成單一的路由實體AviciTSR第一個真正可擴展的T級高速路由器每個機架有40個線卡模塊插槽、4個路由模塊插槽，可以達到800G的交換容量3-DTorus網(wǎng)絡互聯(lián)最多可以將14個機架互連起來,達到5.6Tbps的總交換容量和1.4Tbps的端口容量AviciTSRCiscoCRS-1CiscoCRS-1(CarrierRoutingSystem)運營商路由系統(tǒng)是業(yè)界第一個可以提供不間斷的系統(tǒng)運行、前所未有的服務靈活性和獨一無二的系統(tǒng)壽命的運營商級路由產(chǎn)品CiscoCRS-1采用了CiscoIOSXR軟件，這是一個獨特的自恢復式自我防御操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)不間斷運行，并能將系統(tǒng)容量擴展到92TbpsCiscoCRS-1標志著電信IP通信新時代的來臨，它不僅可以為當今的網(wǎng)絡和服務融合奠定基礎，還能夠在未來幾十年中為客戶提供投資保護CiscoCRS-1CiscoCRS-1主要包括兩個組件：線路卡機架和交換矩陣機架它們的組合讓CiscoCRS-1可以從16個40Gbps插槽拓展到1152個40Gbps插槽，分布在72個通過8個矩陣機架互聯(lián)的線路卡機架中。所有這些組件都工作在同一個系統(tǒng)中IP與路由CiscoIOSXR軟件支持廣泛的IPv4和IPv6服務和路由協(xié)議，包括邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP），中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)協(xié)議（ISIS），開放最短路徑優(yōu)先（OSPF），靜態(tài)，IP組播，路由策略語言（RPL）和熱備份路由器協(xié)議（HSRP）/VRRP虛擬路由器冗余協(xié)議特性服務質量CiscoIOSXR軟件支持豐富的QoS機制，包括監(jiān)管、標記、排隊、丟棄、整形。此外，操作系統(tǒng)支持模塊化QoSCLI（MQC）。模塊化CLI專門用于在思科的不同平臺上配置各種QoS特性CiscoCRS-1單機架系統(tǒng)CiscoCRS-1單機架系統(tǒng)包括單個16插槽的線路卡機架，總交換容量為1.2Tbps線路卡機架是通過一個采用中間背板設計的線路卡機箱構建的機箱后部有16個模塊化服務卡和8個交換矩陣卡的插槽，機箱前部有16個接口模塊、2個路由處理器和2個風扇控制器CiscoCRS-1多機架系統(tǒng)CiscoCRS-1多機架系統(tǒng)包括2到72個16插槽的線路卡機架和1到8個交換矩陣機架，總交換容量高達92Tbps線路卡機架只與交換矩陣卡機架相連CiscoCRS-1多機架系統(tǒng)利用一種創(chuàng)新和獨特的多機架架構，可以在不中斷服務的情況下從1.2Tbps擴展到92TbpsCISCOCRS-1SINGLE-PORTOC-768C/STM-256CPOSINTERFACEMODULECiscoCRS-18-Port10GigabitEthernetInterfaceModuleCiscoCRS-1的硬件架構CiscoCRS-1可管理性架構CiscoIOSXR軟件包架構CISCOCRS-3思科新型運營商級路由系統(tǒng)CRS-3的處理能力是其前身思科CRS-1運營商級路由系統(tǒng)的三倍，最高可達322Tbps的流量它只需一秒多的時間便可以下載美國國會圖書館的所有印刷藏品；支持中國的所有人同時撥打視頻電話；還能夠在不到四分鐘的時間內傳輸全球所有電影的視頻流JuniperT1600和CiscoCRS-1T1600在今年第四季度發(fā)布,對方在2005年發(fā)布T1600的容量是1.6T，對方是1.2TT1600的插槽容量是100G，對方只有40GT1600的功耗是9100瓦，后者是13200瓦，Juniper的功耗比對方降低了40%可擴展性的比較從工業(yè)界發(fā)展情況來看，主要的路由器生產(chǎn)商也在努力增強其產(chǎn)品的可擴展性Juniper公司的路由矩陣(routingmatrix)由單機T640擴展而來，就其擴展性而言，數(shù)據(jù)平面根據(jù)Clos網(wǎng)絡的特點，理論上可以實現(xiàn)無限擴展，控制平面雖然在物理上具有可擴展性，但由于仍采用集中式路由計算，因此從嚴格意義上講并不具有可擴展性可擴展性的比較CISCO路由器CRS-1交換結構為三級自路由Benes結構，實現(xiàn)了1296×1296緩存無阻塞交換，其控制平面的可擴展性主要體現(xiàn)在采用模塊化、全分布式和基于微核結構的自診斷操作系統(tǒng)CiscoIOSXRSoftware?？傮w來看,CRS-1在數(shù)據(jù)平面和控制平面都具有強大的可擴展能力可擴展性的比較AVICI路由器TSR在數(shù)據(jù)平面，采用3Dtorus互連結構，具有高度的內部路徑多樣性，在控制平面上,軟件采用IPrioriSystemSoftware，用于優(yōu)化和控制交換及路由，是分布式結構，TSR最大的特點就是可以實現(xiàn)經(jīng)濟型擴展DataFlowthroughtheRouter

DataFlowthroughtheRouter1. PacketsarriveatanincomingPICinterface2. ThePICpassesthepacketstotheFPC,wheretheLayer2/Layer3PacketProcessingASICperformsLayer2andLayer3parsinganddividesthepacketsinto64-bytecells3. TheSwitchInterfaceASICextractstheroutelookupkey,placesitinanotificationandpassesthenotificationtotheT-SeriesInternetProcessor.TheSwitchInterfaceASICalsopassesthedatacellstotheQueuingandMemoryInterfaceASICsforbuffering4. TheQueuingandMemoryInterfaceASICspassthedatacellstomemoryforbufferingDataFlowthroughtheRouter5. TheT-SeriesInternetProcessorperformstheroutelookupandforwardsthenotificationtotheQueuingandMemoryInterfaceASIC6. TheQueuingandMemoryInterfaceASICsendsthenotificationtotheSwitchInterfaceASICfacingtheswitchfabric,unlessthedestinationisonthesamePacketForwardingEngine.Inthiscase,thenotificationissentbacktotheSwitchInterfaceASICfacingtheoutgoingports,andthepacketsaresenttotheoutgoingportwithoutpassingthroughtheswitchfabric(seeStep13)7. TheSwitchInterfaceASICsendsbandwidthrequeststhroughtheswitchfabrictothedestinationport.TheSwitchInterfaceASICalsoissuesreadrequeststotheQueuingandMemoryInterfaceASICtobeginreadingdatacellsoutofmemoryDataFlowthroughtheRouter8. ThedestinationSwitchInterfaceASICsendsbandwidthgrantsthroughtheswitchfabrictotheoriginatingSwitchInterfaceASIC9. Uponreceiptofeachbandwidthgrant,theoriginatingSwitchInterfaceASICsendsacellthroughtheswitchfabrictothedestinationPacketForwardingEngine10.ThedestinationSwitchInterfaceASICreceivescellsfromtheswitchfabric.Itextractstheroutelookupkeyfromeachcell,placesitinanotification,andforwardsthenotificationtotheT-SeriesInternetProcessor11.TheT-SeriesInternetProcessorperformstheroutelookup,andforwardsthenotificationtotheQueuingandMemoryInterfaceASICDataFlowthroughtheRouter12.TheQueuingandMemoryInterfaceASICforwardsthenotification,includingnext-hopinformation,totheSwitchInterfaceASIC13.TheSwitchInterfaceASICsendsreadrequeststotheQueuingandMemoryInterfaceASICtoreadthedatacellsoutofmemory,andpassesthecellstotheLayer2/Layer3PacketProcessingASIC14.TheLayer2/Layer3PacketProcessingASICreassemblesthedatacellsintopackets,addsLayer2encapsulation,andsendsthepacketstotheoutgoingPICinterface15.TheoutgoingPICsendsthepacketsoutintothenetworkPer-packetprocessinginanRouterAcceptpacketarrivingonanincominglinkLookup:lookuppacketdestinationaddressintheforwardingtable,toidentifyoutgoingport(s)HeaderProcessing:Manipulatepacketheader,decrementTTL,updateheaderchecksumSwitching:Sendpackettotheoutgoingport(s)Buffering:BufferpacketinthequeueTransmitpacketontooutgoinglinkCurrentInternetRouterTechnology路由算法（Routingalgorithm)路由查找（Routinglookup）報文分類（Packetclassification）隊列管理（Queuemanagement)分組調度（Pack