如圖1示，隨著用戶數量和數據傳輸量的爆發(fā)式增長，計算服務也從獨立系統(tǒng)、獨立通道、獨立流量的傳統(tǒng)模式向統(tǒng)一資源管理的云計算模式轉變。當前信息系統(tǒng)正處于大規(guī)模信息集中的階段，運營商開始大規(guī)模涉足三網融合、互聯網、ICT等綜合信息服務領域;領先的互聯網公司轉向SNS，提供涵蓋IM、電子商務、游戲、搜索、視頻、移動互聯網的融合業(yè)務;政府、企業(yè)信息系統(tǒng)已經逐步實現數據集中，大量云正在形成。據最近 Telecom Trends International的研究報告表明，2015年前云計算服務帶來的營收將達到455億美元。

隨著云計算業(yè)務的發(fā)展，云內交換和云間交換的數據量越來越大。據統(tǒng)計，在運營商的某些大型城域網，云間交換的數據量已經超過整體流量的40%，并且有進一步擴大的趨勢，云間交換數據量的爆發(fā)式增長給現有IP城域網和IP骨干網帶來巨大的壓力。為解決這一矛盾，運營商正在構思一張新型的IP網絡，即IDC骨干網。主要功能是把云間交換的流量從現有的IP城域網分離出來，為云間交換提供獨立的互聯網絡，實現云間的高速交換。因此，新型的IDC骨干網將是以100G、40G和高密10G作為主要的互連端口，如圖2所示。

圖2 新型的IDC骨干網

綜上所述，新一代核心路由器必須重點解決兩個問題：

1. 大容量/高性能，支持100G、40G、集群等技術，滿足互連網帶寬增長的需求;

2. 高性能組播，支持大規(guī)格組播組和線速組播復制能力，滿足IPTV視頻業(yè)務發(fā)展的需求。

本文重點描述核心路由器對上述關鍵問題的實現方法。

二、 實現核心路由器大容量/高性能的兩個步驟

大容量/高性能是核心路由器最關鍵的技術，實現方法包括兩個步驟：第一步是提高路由器單框的交換容量，滿足100G端口的線速交換能力;第二步是通過多框集群的方法提高單節(jié)點的端口密度。

1. 單框交換容量

路由器單框交換容量主要以采用高性能交換架構(CLOS架構)來實現T級交換容量和對100G端口線速的支持能力。

圖3 CLOS多級交換矩陣

CLOS是多級交換，典型為三級交換架構，通過使用較小交換結構作為基礎組件來構建大型交換結構，從而簡化大型交換結構的構建。如圖3所示，第1和第3級交換網片分布在業(yè)務板上，第2級交換網片分布在交換網板上，三級交換網構成核心路由器的交換矩陣。該交換矩陣具有如下的特點：

● 無阻塞、高可靠

○在每一級，每個交換單元的輸出都與下一級的所有單元的輸入相連，大幅度減少構建無阻塞交換結構所需要的交叉點，從而減少故障點，增強交換結構的可靠性。如圖3所示，第1和第3級交換網片分別和第2級交換網片全連接，交叉點只有N個(其中N是交換網板數量)。

○智能調度模式，交換路徑負載分擔，實現了交換系統(tǒng)嚴格意義上的無阻塞。如圖3所示，第1和第3級到第2級的流量按照1/N負荷分擔。

○到指定目的地，第2級交換單元都只存在1條路由。交換單元的交換路徑完全獨立，不會彼此干擾，不需要復雜的集中控制器來協(xié)調各交換單元的交換，進一步增強可靠性和可擴展性。

○支持遞歸擴展，CLOS網絡中間級的交換也可以是一個完整的三級CLOS網絡。這可支持構建具有五級、七級或九級的巨大交換結構，在極大數量的輸入和輸出之間建立嚴格的無阻塞連接。由于CLOS網絡的遞歸特性，理論上它具有無限的可擴展性。

○到指定目的地，在第1級交換單元存在多條路由，當其中一塊網板發(fā)生故障時，自動隔離故障網片，通過冗余路徑繞過第2級交換單元的故障，實現強大的故障抵御能力。如圖4所示，當其中一塊網片發(fā)生故障，交換矩陣能夠實現動態(tài)路由，自動隔離故障網片，倒換過程業(yè)務，由剩余網片分擔轉發(fā)。

圖4 交換網冗余保護

● 大容量

○采用CLOS多級交換網架構的核心路由器，業(yè)務板卡和每塊交換網板都物理相連，通過多網板負荷分擔擴展系統(tǒng)的交換能力，交換容量達到T級。

○設計良好的核心路由器，其單框交換容量能夠達到或超過部分傳統(tǒng)路由器的集群能力，以H3C公司的100G核心路由器CR16000系列為例，其交換容量足以支持每槽位2個100G端口，性能超過部分傳統(tǒng)核心路由器的集群能力，其交換容量和100G接口支持能力如表1所示。

表1. 交換容量

2. 多框集群

對于運營商IP骨干網的超級節(jié)點，如大型城域網核心路由器、IDC骨干路由器，面臨兩個重大的技術問題：第一，單框路由器容量逐步發(fā)展到極限，端口密度無法滿足骨干節(jié)點需求;第二，多臺路由器通過路由互聯方式組成的超級核心節(jié)點使得網絡結構越趨復雜，運維管理難度加大。如圖5所示：

圖5 核心節(jié)點路由互聯

這種通過多臺核心路由器來共同分擔流量的方式，在一定程度上緩解了流量增長的壓力，但也帶來了新的問題：

●額外消耗多個高速接口，增加了互連鏈路開銷;

●每增加一臺核心路由器，IP地址、路由協(xié)議鄰居數量、路由表條目及路由收斂時間等相應的增加問題隨之而來;

●網絡變得更復雜，維護壓力越來越大;

●多臺設備之間流量如何均衡，一直都是業(yè)界的難題。

路由器集群技術能夠很好地解決上述問題。路由器集群 (Multi-Chassis)就是將多臺路由器互聯起來形成一套邏輯上一體的路由器系統(tǒng)。集群是一種最有效的解決擴展性問題的技術，它可在方便維護、不增加網絡復雜度的前提下，用更低的網絡的建設成本和維護成本來滿足業(yè)務高速增長、網絡性能及容量提升的需求(如圖6所示)。

圖6 集群技術

集群技術通過集中化、一體化的控制管理，使集群系統(tǒng)各臺路由器單機之間能夠很好地協(xié)同工作，擴展路由器的容量，突破單機在開發(fā)技術上的限制。在成本方面，由于集群系統(tǒng)中各臺路由器通過高速光背板互連，節(jié)省了額外的內部互聯端口，且不再需要昂貴的路由器接口卡實現復雜的QoS、路由轉發(fā)等特性，使機箱之間的互連成本遠低于普通端口互連方式，大大減少了投資;同時，還克服了采用普通端口互連方式帶來的帶寬瓶頸問題。更為重要的是，由于集群路由器具有統(tǒng)一的管理和路由控制引擎，對外僅體現為一臺邏輯路由器，使得網絡拓撲和路由策略變得簡單和清晰，維護也更加方便快捷。

集群路由器已經大量應用在運營商的核心骨干網，甚至是超大型城域網的出口位置。但即便是采用集群，在某些大流量的骨干網節(jié)點和城域網出口，網絡流量的增長已經遠遠超過了原有的設計，現有核心路由器的端口數和整體轉發(fā)能力已現捉衿見肘之勢?？紤]到技術成熟度和設備穩(wěn)定性，現網最常見的核心路由器集群采用4臺集群，單臺核心路由器的容量約在1～2T，集群后的整體性能至多達到10T。未來5年互聯網流量與現在相比將有4倍的增長，因此為了滿足至少未來5年的互聯網容量增長，新一代100G平臺核心路由器整體硬件容量能力應該瞄準單框10T，集群后整體性能40T的目標設計。

針對網絡建設來講，通過路由器集群，將核心設備容量升級到原來的2倍、4倍、6倍、8倍或以上都能采取平滑擴充的方式，而且不會增加路由的跳數和復雜度。因此，集群技術完美地實現了核心路由器容量從Tbit/s級到數十Tbit/s級的擴展，很好地解決了核心層大容量的問題。

三、 多級組播

視頻業(yè)務的迅速發(fā)展對路由器的組播能力提出了更高的要求，包括組播規(guī)格和組播復制能力，其中組播復制能力是關鍵技術。為了提高組播復制能力，同時減少組播業(yè)務在路由器內部的資源消耗，我們提出了”交換網組播”和”三級組播復制”的技術實現方法。

1. 交換網組播

圖7 組播表項

傳統(tǒng)核心路由器在組播功能上最重大的缺陷之一就是交換網不支持組播，組播報文在單板和交換網之間是廣播轉發(fā)，導致的嚴重后果是組播流量越大，路由器內部的廣播流量就越大，交換網帶寬資源浪費就越嚴重。

針對上述問題，在交換網上增加組播表項存儲空間并同步學習組播表項。如圖7所示，交換網板同步學習組播表項，按需復制，可以最大限度的節(jié)省交換網帶寬資源。但是，交換網上的組播表項和業(yè)務板上的組播表項有區(qū)別。業(yè)務板上的組播表項為：源IP + 組播IP + 出接口列表，交換網板上的組播表項為：源IP + 組播IP + 出接口板列表，即：交換網板上的組播表項的下一跳為出接口板列表而不是出接口列表，交換網板根據出接口板列表來復制和轉發(fā)報文到目標接口板，組播轉發(fā)不再造成帶寬浪費。

2. 三級組播復制

為提升組播轉發(fā)效率，在芯片級和交換網級采用了三級組播復制的設計，第一級組播復制在入接口板內完成，第二級組播復制在交換網完成，第三級組播復制在出接口板完成，不浪費任何帶寬。

圖8 一級組播復制

如圖8所示，一級組播復制發(fā)生在組播出接口和入接口在同一個PP(Packet Processor)中，當PP收到組播流的時候，查詢TCAM中的組播轉發(fā)表(源IP + 組播IP + 出接口列表)，發(fā)現其中有一個或多個組播出接口在本PP中，PP為每一個在本PP的組播出接口復制一份報文，同時，如果存在出接口不在本PP的情況，則往交換網發(fā)送一份組播報文。

圖9 二級組播復制

如圖9所示，二級組播復制發(fā)生在交換網板上，當交換網收到組播流的時候，查詢MC組播轉發(fā)表(源IP + 組播IP + 出接口板列表)，根據”出接口板列表”向下一跳出接口板復制一份組播報文。

圖10 三級組播復制

如圖10所示，三級組播復制發(fā)生在出接口板中，當PP收到組播流的時候，查詢TCAM中的組播轉發(fā)表(源IP + 組播IP + 出接口列表)，發(fā)現其中有一個或多個組播出接口在本PP中，PP為每一個在本PP的組播出接口復制一份報文。

網絡流量爆發(fā)式增長帶來的業(yè)務壓力，要求作為網絡核心動力的路由器應通過大容量/高性能的關鍵技術來應對。新一代100G平臺核心路由器通過單框交換容量的提升超過傳統(tǒng)路由器集群能力是一大進步，路由器集群技術也將成為解決路由器容量瓶頸的必然選擇。

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