核心路由器的“花樣年華”

在2006世界杯期間，德國電信（T-Com）小規(guī)模商用HDTV業(yè)務(wù)，每臺(tái)HDTV攝像機(jī)每天產(chǎn)生0.5TB的數(shù)據(jù)，一個(gè)球場(chǎng)有幾十臺(tái)這樣的攝像機(jī)，一共有12個(gè)球場(chǎng)，整個(gè)賽程一個(gè)月下來的HDTV的IP流量有幾千TB，如何解決這么大的數(shù)據(jù)流量傳送？

電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正在經(jīng)歷一場(chǎng)重大的變革，從傳統(tǒng)的以話音業(yè)務(wù)為導(dǎo)向逐步演化成以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)特別是以IP業(yè)務(wù)為導(dǎo)向，數(shù)據(jù)通信在整個(gè)電信網(wǎng)中的重要作用日益凸顯。作為數(shù)據(jù)通信主體設(shè)備之一的路由器設(shè)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(shù)據(jù)通信設(shè)備廠商紛紛推出新一代核心路由設(shè)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(shù)據(jù)通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也昭示著核心路由器未來的發(fā)展方向。

基于集群技術(shù)的海量交換漸成主流

隨著寬帶網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，尤其是基于寬帶網(wǎng)絡(luò)的各類新業(yè)務(wù)層出不窮，未來對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求也會(huì)呈高速發(fā)展的趨勢(shì)。比如文章開頭提到的2006世界杯期間，德國電信（T-Com）的HDTV業(yè)務(wù)的IP數(shù)據(jù)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、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(yīng)用，都在迅速吃掉承載網(wǎng)絡(luò)的剩余帶寬。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，Internet的流量每12個(gè)月就增長(zhǎng)1倍，而且在未來幾年仍將保持這個(gè)增長(zhǎng)速度。從歷史上看，路由器的容量大約每18個(gè)月增長(zhǎng)一倍，這雖然能夠與摩爾定律相吻合，但無法滿足新興業(yè)務(wù)對(duì)于帶寬增長(zhǎng)渴求。如果按照這個(gè)趨勢(shì)發(fā)展下去，9年后的流量增長(zhǎng)8倍將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過路由器的容量。

而內(nèi)存的容量增加雖然能夠和摩爾定律吻合，每18個(gè)月增長(zhǎng)1倍，但是內(nèi)存存取速度的提高遠(yuǎn)不能達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，大概每18個(gè)月增長(zhǎng)1.1倍左右，因此高速內(nèi)存非常昂貴。除此之外，單體設(shè)備的功耗和散熱也成為制約因素。為了應(yīng)對(duì)日益快速增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬要求，除了進(jìn)一步提高單體設(shè)備的容量外，還必須通過其它方式來突破技術(shù)上的限制，實(shí)現(xiàn)更大的設(shè)備容量，基于并行交換技術(shù)（PPS）的多級(jí)交換矩陣由此成為最佳選擇。并行交換技術(shù)通過多個(gè)獨(dú)立的交換單元并行工作，共同組成一個(gè)多級(jí)多平面的交換矩陣系統(tǒng)，從而構(gòu)建更大容量交換網(wǎng)。利用多級(jí)交換矩陣技術(shù)，我們可以通過交換網(wǎng)的級(jí)聯(lián)，將多個(gè)單機(jī)架設(shè)備級(jí)聯(lián)到一起，從而突破單個(gè)機(jī)架在交換容量、功耗、散熱等方面的限制，實(shí)現(xiàn)更大容量的路由交換系統(tǒng)，并且具有很好的靈活擴(kuò)展能力。

目前，并行交換技術(shù)已經(jīng)開始走向?qū)嵱?，業(yè)界主流的數(shù)據(jù)通信設(shè)備制造廠商都已經(jīng)在其最高端的核心路由設(shè)備的開發(fā)上，采用了并行交換技術(shù)原理設(shè)計(jì)其交換網(wǎng)系統(tǒng)。在可以預(yù)見的未來，64框、128框乃至更大規(guī)模的多機(jī)框級(jí)聯(lián)將成為現(xiàn)實(shí)，隨著單體路由設(shè)備容量的提升和更大規(guī)模并行交換系統(tǒng)的應(yīng)用，超大容量的路由系統(tǒng)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(shè)大容量IP網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，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(jié)構(gòu)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(yùn)營(yíng)商不僅對(duì)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(yùn)營(yíng)商開始越來越關(guān)注其業(yè)務(wù)功能。運(yùn)營(yíng)商不僅需要構(gòu)建速度快的網(wǎng)絡(luò)，更需要可贏利、利于開展業(yè)務(wù)的核心網(wǎng)。業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)是高端路由器能否符合電信企業(yè)實(shí)際運(yùn)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(duì)增值服務(wù)的支持功能。

由于運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)不同，應(yīng)用場(chǎng)合也千差萬別，因此目前的核心路由器為提供更好的適應(yīng)性和靈活性做了很多工作。核心路由器具有對(duì)各種速率線路卡的支持能力，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的話音業(yè)務(wù)、DSL高速接入、專線集合和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商集合，可以應(yīng)用在廣域網(wǎng)骨干、城域網(wǎng)骨干、城域網(wǎng)邊緣、園區(qū)網(wǎng)骨干等多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。對(duì)用戶來說，高的端口密度具有重要意義，因?yàn)橹行木趾腿刖W(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)開始考慮如何節(jié)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(yùn)營(yíng)商也在尋求將多種鏈路類型統(tǒng)一的可能性，通過將現(xiàn)有五花八門的各類接口歸一化，運(yùn)營(yíng)商不但能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，還由于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)方面的簡(jiǎn)化可以節(jié)省大量的運(yùn)營(yíng)成本。從目前的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，以太網(wǎng)技術(shù)以其低廉的成本、相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)和快速增長(zhǎng)的速率成為未來統(tǒng)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(yīng)用，100GE接口的標(biāo)準(zhǔn)化工作也已經(jīng)展開。

IP over Optical是簡(jiǎn)化IP骨干網(wǎng)的良好解決方案，設(shè)備形態(tài)上表現(xiàn)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(shè)備，極大地降低網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性。在SDH時(shí)代，傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)僅僅是點(diǎn)到點(diǎn)光纖的復(fù)用，組網(wǎng)保護(hù)是依賴SDH層來完成的。面向大帶寬IP業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的新一代DWDM設(shè)備已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)像SDH一樣的各種組網(wǎng)保護(hù)，在揚(yáng)棄SDH設(shè)備層的同時(shí)，繼承了SDH在組網(wǎng)保護(hù)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(hù)能力，運(yùn)營(yíng)商可以依靠IP降低投資成本和建立一個(gè)可擴(kuò)展的大型網(wǎng)絡(luò)，而新一代DWDM網(wǎng)絡(luò)提供了遠(yuǎn)距離傳送能力和各種簡(jiǎn)單或者復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)淝闆r下的完善的保護(hù)能力，二者結(jié)合的IP over Optical的網(wǎng)絡(luò)是All-IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在骨干承載域的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)方案。 

長(zhǎng)遠(yuǎn)看，受骨干網(wǎng)絡(luò)流量爆炸式增長(zhǎng)的驅(qū)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、通過在不同波長(zhǎng)間交換業(yè)務(wù)、允許動(dòng)態(tài)控制帶寬等，可以為開展新業(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難以解決的障礙，短期內(nèi)仍然無法成為實(shí)用性的技術(shù)。而比較切實(shí)可行的方案，就是在IP設(shè)備和光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)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(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)之間的統(tǒng)一控制和管理，從而達(dá)到業(yè)務(wù)層面與傳送層面的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)調(diào)度。

網(wǎng)絡(luò)處理器充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)引擎核心

隨著IP網(wǎng)絡(luò)及其承載業(yè)務(wù)數(shù)量和種類的高速增長(zhǎng)，IP網(wǎng)絡(luò)尤其是骨干網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和層次也越來越復(fù)雜，這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)大大增加了運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)作成本和人力成本，而超大容量核心路由設(shè)備的出現(xiàn)使得網(wǎng)絡(luò)層次的簡(jiǎn)化成為可能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化意味著核心路由設(shè)備除了原有P設(shè)備的交叉互連功能外，還必須承擔(dān)部分PE設(shè)備的業(yè)務(wù)接入功能，這也就對(duì)核心路由設(shè)備的功能核心——轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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)。其中采用專用ASIC來完成規(guī)定的數(shù)據(jù)包處理工作是十分理想的，但它的開發(fā)周期太長(zhǎng)，復(fù)雜的ASIC需要18個(gè)月到2年的開發(fā)時(shí)間，每一個(gè)ASIC的開發(fā)都必須經(jīng)歷一個(gè)設(shè)計(jì)和制造的周期，很難適應(yīng)當(dāng)今越來越短的產(chǎn)品開發(fā)周期和IP網(wǎng)絡(luò)日益增長(zhǎng)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)線卡上，采用軟件完成IP報(bào)文處理和轉(zhuǎn)發(fā)，處理器的軟件可以更新，不僅滿足了業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，而且可提供線速轉(zhuǎn)發(fā)的性能。

網(wǎng)絡(luò)處理器于2000年初出現(xiàn)，現(xiàn)已被許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商選作新一代高端路由器設(shè)備的核心處理器。目前在業(yè)界的主流數(shù)據(jù)設(shè)備制造廠商中，華為是最先利用網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù)開發(fā)核心路由器的廠家，其具備快速的業(yè)務(wù)升級(jí)能力的第五代路由器理念，為核心路由器的發(fā)展帶來新思路。如今其他廠家也紛紛采用網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù)。同時(shí)，能夠開發(fā)出成熟的NPU芯片的公司也從開始的兩三個(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(kuò)展到 10Gbit/s，40Gbit/s的NPU也即將走向成熟商用。這些都說明網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品市場(chǎng)中將占據(jù)越來越重要的位置。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(gòu)成路由轉(zhuǎn)發(fā)引擎不可替代的部分。

隨著IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和所承載業(yè)務(wù)的增加，其對(duì)核心路由器的要求也在不斷提高。核心路由器經(jīng)過十幾年的蓬勃發(fā)展，而今正邁入“花樣年華”，正如中國電信有關(guān)專家所言：“電信骨干流量每年增長(zhǎng)接近200%，而在未來的幾年內(nèi)，骨干承載網(wǎng)絡(luò)的帶寬和速率仍然會(huì)維持目前的強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭，高速率接口、多機(jī)框級(jí)聯(lián)等新技術(shù)會(huì)在一兩年之內(nèi)得到普及應(yīng)用?！彪m然目前的網(wǎng)絡(luò)流量還沒有達(dá)到所能承載的極限，但不可否認(rèn)的是新一輪的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開始，包括華為在內(nèi)的數(shù)據(jù)通信領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)展開對(duì)更高性能核心路由設(shè)備的研究。在不遠(yuǎn)的將來，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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