终极：高性能路由器（纸）_工程_高等教育_教育区

高性能路由器1、前言Internet规模的扩大，网络流量的激增以及新网络应用的不断涌，白银和青铜，传输流量比为70：20：5。Cisco 12416和Juniper M160实际上是70：16：5和70：14：5 。也就是说，即使在拥塞的情况下，也有足够的带宽来满足所有金级流量，而不会引起数据包丢失，而银级和铜级则有更多的损耗。3、高路由器可扩展性及其解决方案。目前，有许多解决路由器容量可扩展性问题的解决方案。最简单的方法是依靠基于端口路由互连的多路由器群集方法。基本思想是将几个容量较低的路由器群集在一起，以形成一个具有较大外部接口容量的节点。当需要扩容时，增加了低容量的路由器。该方案的本质是将负载分配到多个不同的路由器上。但是，这种扩展方案具有以下缺点：首先，不同路由器之间通过端口进行互连将消耗大量昂贵的外部端口，并且互连成本将大大增加，尤其是对于互连的路由器而言。当路由器的数量超过四个时，互连链路将消耗大部分端口带宽。

第二，随着IP流量经过的路由器数量增加或实时服务IP流量所占比例增加，网络延迟和抖动值将迅速增加。第三，通过端口互连多个路由器会引起热点问题，即瞬时动态流量将使容量最小的路由器过载或延迟，而不会超过总容量。第四，较大的协议处理开销，路由表条目的增加以及路由收敛时间的增加会影响整个群集路由器的可伸缩性和性能。第五，如果认为实际网络中路由器的很大一部分是传输容量，则内部和外部接口的容量必须增加预期的传输服务数量，从而造成大量浪费。最后，这种集群路由器的网络管理非常困难。每个路由器运行自己的独立路由控制协议。路由协议的对等实体很多，这使得路由系统的实现非常复杂，并且软件升级必须在每个节点上进行。在路由器上，网络可能存在稳定性问题。解决可伸缩性的第二种方法是采用多网络平面方法，这是当前许多运营商采用的扩展解决方案。这个想法是，每个核心节点都由多个具有相同编号的低容量路由器组成，以形成一个高容量核心节点。同一核心节点中的路由器不互连，而不同核心节点中的低容量路由器是的对应互连，形成多个不同的网络平面。网络边缘节点分别连接到相邻核心节点中的每个低容量路由器。

使用此配置方法不会因为同一核心节点中较低容量路由器的内部互连而丢失核心节点的外部接口容量。运营商可以根据业务量添加更多网络平面以满足容量需求，而先前安装的设备仍可以使用。但是，这种扩展方案具有两个重要的缺点。首先，当两个核心节点之间的流量增加并且其插槽已满时，即使不需要其他核心节点之间的扩展，也必须在整个网络中添加新的网络平面，并且必须添加大量路由器。配置，导致投资浪费。 。最后，当大量路由器更新信息时，网络复杂性的增加可能会导致网络不稳定。第二，如果两个核心节点之间的通信量增加，并且核心节点之一的所有插槽已满，则可以通过在同一位置添加核心节点来扩展容量。缺点是，即使您只需要添加一个新插槽，也需要添加多个路由器并提供与其他节点的大量互连链接。解决可扩展性的第三种方法是使用具有更好可扩展性的单个大容量路由器来形成网络平面，具有简单的结构，规划和设计以及低成本。您可以根据需要添加接口卡和机箱。主要的实现方案包括总线，全网格连接，共享内存，三维环形网格和交叉开关，其中交叉开关方案是当前的主流实现方案。但是，纵横开关方案仍不理想。主要原因是其交换矩阵的规模随端口数N的平方增加。

随着端口数量和端口速率的增加，为了有效地保持非阻塞特性，需要更多的输入队列和更复杂的集中式调度，这变得越来越难以实现，并且成本和成本越来越高和更高。而且，这种单级单平面交换结构的仲裁器经常形成瓶颈。升级和扩展必须依靠机箱和交换矩阵的更新。简而言之，使用单级单平面交换矩阵将始终遇到一种或另一种技术瓶颈，最终导致接口数量的增加。显然，对于大容量路由器，该解决方案不是长期解决方案。另一解决方案是使用多级多平面切换矩阵，即空间域多级切换矩阵。该方案的基本原理是使用多个独立的开关矩阵来形成多级多平面开关矩阵。每个平面都有自己的仲裁器，解决了仲裁器的瓶颈问题。平面之间的独立性减少了由于添加平面而可能造成的数据包丢失。在可伸缩性方面，使用多平面交换矩阵可以利用多个并行交换矩阵，从而扩展了系统的总容量或增加了系统的冗余度，避免了当前制造技术的瓶颈。从交换矩阵的角度来看，采用多级交换矩阵设计可以增强系统的动态扩展能力，并且其成本随着端口数量N？logN的关系而缓慢增加，因此可以大大增加，这大大提高了容量的可扩展性。但是，该方案的单节点容量潜力仍然不能满足长期需求，限制了网络总容量的可扩展性，有必要探索进一步的扩展方案。

解决可伸缩性的第四种方法是采用集成的路由器结构解决方案，也称为路由器矩阵技术或多机箱（Multi-Chassis）组合技术。通过采用并行交换技术，形成了多级，多平面的交换矩阵系统，从而突破了单个机箱在交换容量，功耗和散热方面的局限性，实现了大容量的路由选择和交换。交换系统。此时，每个路由器都由一个专用的交换矩阵机箱和多个接口板机箱组成。机箱之间的所有连接都是路由器的内部连接。集中式管理和路由控制引擎负责控制和管理。每个节点只有一条路由。从外部看，控制过程就像一个路由器，即逻辑上是路由器。这样可以使路由系统和MPLS的实现相对简单，可以简化运营管理，降低运营成本。由于消除了协议开销并优化了进程间通信，因此可伸缩性和性能得到了显着提高。新型的高容量低容量光接口将每个机箱的背板互连，从而消除了普通接口卡所需的用于高速缓存的超高速存储芯片阵列和高速同步动态芯片阵列，以及低成本光源VCSEL，从而实现了互连。6这比普通端口互连方法要低得多。但是，该解决方案需要解决关键技术问题，例如路由器矩阵的无阻塞设计，路由和控制引擎的处理能力，可靠性设计以及操作管理。另外，光交换矩阵本身将增加系统的初始投资，但在考虑到未来的升级和扩展成本之后，总成本仍然具有成本效益，可以更好地解决路由器的可扩展性问题，真正实现Tb / s级和数十个TB / s级超大容量核心路由器。

4、高性能路由器的发展趋势，路由器市场将呈几何级增长，具有更大的宽带和更智能的发展趋势。高性能路由器的研究方向是更大的带宽，更智能，更安全。目前，传输数据只是路由器需要具备的基本功能。同时，它还承担着重要的任务，例如网络安全和信息安全。近年来，安全路由器已成为路由器领域增长最快的部分。为了满足市场需求，尽管不同的组网需求要求路由器具有不同的功能，但是更大的带宽和更智能的路由器将成为未来的主要研发方向。 “由于网络角色不同，对路由器的要求肯定不同，但是未来的发展方向肯定是带宽更大，更智能！”带宽容量更大，并且根据这种趋势，现在提出的千兆网络已经发展壮大。 ，过去的数百KBS甚至可能现在无法满足个人网络的需求。更智能意味着路由器在网络，通信和业务处理过程中可以更加自治，自觉和通用，并且可以自治地维护正常网络，并且在发生异常时可以自动恢复正常，而无需人工干预。 7

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