核心路由器的“花樣年華”
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電信網絡架構正在經歷一場重大的變革，從傳統(tǒng)的以話音業(yè)務為導向逐步演化成以數(shù)據(jù)業(yè)務特別是以IP業(yè)務為導向，數(shù)據(jù)通信在整個電信網中的重要作用日益凸顯。作為數(shù)據(jù)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，那么無論從技術、市場和重要性等角度看，核心路由器都處于金字塔的頂端，凝聚了最高的技術成就。目前業(yè)界主流的數(shù)據(jù)通信設備廠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了整個數(shù)據(jù)通信產業(yè)的發(fā)展，同時也昭示著核心路由器未來的發(fā)展方向。
基于集群技術的海量交換漸成主流
隨著寬帶網絡的飛速發(fā)展，尤其是基于寬帶網絡的各類新業(yè)務層出不窮，未來對網絡的帶寬要求也會呈高速發(fā)展的趨勢。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)務的IP數(shù)據(jù)流量有幾千TB。何況IPTV業(yè)務還只是IP網絡所承載的諸多新興業(yè)務之一，IP電話、3G業(yè)務、視頻會議、視頻點播以及大量新興的基于P2P業(yè)務應用，都在迅速吃掉承載網絡的剩余帶寬。
據(jù)統(tǒng)計，Internet的流量每12個月就增長1倍，而且在未來幾年仍將保持這個增長速度。從歷史上看，路由器的容量大約每18個月增長一倍，這雖然能夠與摩爾定律相吻合，但無法滿足新興業(yè)務對于帶寬增長渴求。如果按照這個趨勢發(fā)展下去，9年后的流量增長8倍將遠遠超過路由器的容量。
而內存的容量增加雖然能夠和摩爾定律吻合，每18個月增長1倍，但是內存存取速度的提高遠不能達到這個指標，大概每18個月增長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的網絡帶寬要求，除了進一步提高單體設備的容量外，還必須通過其它方式來突破技術上的限制，實現(xiàn)更大的設備容量，基于并行交換技術（PPS）的多級交換矩陣由此成為最佳選擇。并行交換技術通過多個獨立的交換單元并行工作，共同組成一個多級多平面的交換矩陣系統(tǒng)，從而構建更大容量交換網。利用多級交換矩陣技術，我們可以通過交換網的級聯(lián)，將多個單機架設備級聯(lián)到一起，從而突破單個機架在交換容量、功耗、散熱等方面的限制，實現(xiàn)更大容量的路由交換系統(tǒng)，并且具有很好的靈活擴展能力。
目前，并行交換技術已經開始走向實用，業(yè)界主流的數(shù)據(jù)通信設備制造廠商都已經在其最高端的核心路由設備的開發(fā)上，采用了并行交換技術原理設計其交換網系統(tǒng)。在可以預見的未來，64框、128框乃至更大規(guī)模的多機框級聯(lián)將成為現(xiàn)實，隨著單體路由設備容量的提升和更大規(guī)模并行交換系統(tǒng)的應用，超大容量的路由系統(tǒng)將進一步為IP網絡的演進加速。
接口趨向高密度、高速率、多業(yè)務
路由器的高速接口是建設大容量IP網絡的基礎，具有高速10GE、100GE光接口的高速路由器是網絡向IP over DWDM結構發(fā)展的關鍵。核心路由器作為互聯(lián)網的核心動力引擎，在新時期電信運營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，尤為重要的是運營商開始越來越關注其業(yè)務功能。運營商不僅需要構建速度快的網絡，更需要可贏利、利于開展業(yè)務的核心網。業(yè)務實現(xiàn)技術是高端路由器能否符合電信企業(yè)實際運營要求的關鍵，這既包括豐富的連接端口技術，又包括對增值服務的支持功能。
由于運營商的網絡基礎不同，應用場合也千差萬別，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路卡的支持能力，從DS3直到10Gbit/s，并且支持快速以太網/吉比以太網、動態(tài)分組傳輸、ATM等技術。它采用的高密度方案能夠集合大量業(yè)務，包括基于 ATM的話音業(yè)務、DSL高速接入、專線集合和互聯(lián)網服務供應商集合，可以應用在廣域網骨干、城域網骨干、城域網邊緣、園區(qū)網骨干等多種網絡環(huán)境。對用戶來說，高的端口密度具有重要意義，因為中心局和入網點的空間資源不但有限而且成本很高。在巨大的壓力下，業(yè)務提供者已經開始考慮如何節(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重要方面。與此同時，運營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，運營商不但能夠有效降低網絡建設的成本，還由于網絡維護方面的簡化可以節(jié)省大量的運營成本。從目前的技術發(fā)展趨勢來看，以太網技術以其低廉的成本、相對簡單的技術和快速增長的速率成為未來統(tǒng)一的鏈路技術的最佳選擇。目前，10GE接口已經得到廣泛應用，100GE接口的標準化工作也已經展開。
IP over Optical是簡化IP骨干網的良好解決方案，設備形態(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設備，極大地降低網絡管理的復雜性。在SDH時代，傳統(tǒng)的DWDM系統(tǒng)僅僅是點到點光纖的復用，組網保護是依賴SDH層來完成的。面向大帶寬IP業(yè)務設計的新一代DWDM設備已經能夠實現(xiàn)像SDH一樣的各種組網保護，在揚棄SDH設備層的同時，繼承了SDH在組網保護方面的優(yōu)點。從網絡功能上看， IP層靈活的交換能力可以提供IP路由、流量匯聚、點到多點的組網能力，同時也具有一定的業(yè)務層保護能力，運營商可以依靠IP降低投資成本和建立一個可擴展的大型網絡，而新一代DWDM網絡提供了遠距離傳送能力和各種簡單或者復雜網絡物理拓撲情況下的完善的保護能力，二者結合的IP over Optical的網絡是All-IP網絡架構在骨干承載域的最優(yōu)實現(xiàn)方案。
長遠看，受骨干網絡流量爆炸式增長的驅動，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、通過在不同波長間交換業(yè)務、允許動態(tài)控制帶寬等，可以為開展新業(yè)務提供更多的靈活性。
但從目前技術發(fā)展來看，光交換路由器在緩存容量、成本、業(yè)務處理等方面均存在著難以解決的障礙，短期內仍然無法成為實用性的技術。而比較切實可行的方案，就是在IP設備和光網絡設備之間實現(xiàn)控制協(xié)議的互通，基于目前已經成熟的GMPLS技術實現(xiàn)IP網絡和光網絡之間的統(tǒng)一控制和管理，從而達到業(yè)務層面與傳送層面的互動，實現(xiàn)基于業(yè)務的動態(tài)調度。
網絡處理器充當轉發(fā)引擎核心
隨著IP網絡及其承載業(yè)務數(shù)量和種類的高速增長，IP網絡尤其是骨干網的結構和層次也越來越復雜，這種復雜的結構大大增加了運營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(xiàn)使得網絡層次的簡化成為可能。網絡結構簡化意味著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，經歷了從通用CPU到ASIC、再到網絡處理器的演進。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，復雜的ASIC需要18個月到2年的開發(fā)時間，每一個ASIC的開發(fā)都必須經歷一個設計和制造的周期，很難適應當今越來越短的產品開發(fā)周期和IP網絡日益增長的新增業(yè)務承載的需求。而網絡處理器位于每個線卡上，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，不僅滿足了業(yè)務發(fā)展的需要，而且可提供線速轉發(fā)的性能。
網絡處理器于2000年初出現(xiàn)，現(xiàn)已被許多網絡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(shù)據(jù)設備制造廠商中，華為是最先利用網絡處理器技術開發(fā)核心路由器的廠家，其具備快速的業(yè)務升級能力的第五代路由器理念，為核心路由器的發(fā)展帶來新思路。如今其他廠家也紛紛采用網絡處理器技術。同時，能夠開發(fā)出成熟的NPU芯片的公司也從開始的兩三個迅速增加到了十幾個，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。這些都說明網絡處理器技術在網絡產品市場中將占據(jù)越來越重要的位置。尤其在核心路由器領域，網絡處理器以其杰出的包處理性能及可編程性，已經成為構成路由轉發(fā)引擎不可替代的部分。
隨著IP網絡的發(fā)展和所承載業(yè)務的增加，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”，正如中國電信有關專家所言：“電信骨干流量每年增長接近200%，而在未來的幾年內，骨干承載網絡的帶寬和速率仍然會維持目前的強勁增長勢頭，高速率接口、多機框級聯(lián)等新技術會在一兩年之內得到普及應用?！彪m然目前的網絡流量還沒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開始，包括華為在內的數(shù)據(jù)通信領先企業(yè)已經展開對更高性能核心路由設備的研究。在不遠的將來，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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