高速路由器

高速路由器的系統交換能力與處理能力是其有別於一般路由器能力的重要體現。目前，高速路由器的背板交換能力應達到40Gbps以上，同時系統即使暫時不提供OC-192/STM-64介面，也必須在將來無須對現有介面卡和通用部件升級的情況下支持 該介面。在設備處理能力方面，當系統滿負荷運行時，所有介面應該能夠以線速處理短包，如40位元組、64位元組，同時，高速路由器的交換矩陣應該能夠無阻塞地 以線速處理所有介面的交換，且與流量的類型無關。

路由器技術發展到現階段已經歷了3代的發展，並在繼續演進。

第一代路由器是由軟體集中進行IP包轉發的，所有的IP包都要經過中心CPU進行轉發處理，吞吐率比較低，轉發能力約幾萬包每秒。

第二代路由器是基於軟體的分散式轉發，每個介面板上都有CPU，主控板生成的路由表被下發到各介面板形成轉發表，每塊介面板根據轉發表獨立進行轉發工作，轉發能力超過100萬包每秒。第二代路由器的技術要點是各介面板轉發表的刷新和同步技術。

由於CPU的處理能力增長是每18個月翻一番，而網際網路的流量卻每6個月就翻一番，因此基於軟體轉 發的路由器一度成為網路中的瓶頸。90年代後期，IP業務呈爆炸式發展，路由器技術也實現了向第三代的飛躍，並在介面速率上超過了一度有望成為數據網路主 要技術的ATM。目前，ATM交換機的高速介面只達到了2.5Gbit/s，而高速路由器的最高埠速率已達到10Gbit/s。同時，由於IP技術自身 的QoS技術不斷發展，非凡是MPLS技術的引入，QoS問題正在IP領域逐步得到解決，高速路由器重新佔據了IP網路的核心位置。

第三代路由器基於硬體進行IP包的轉發，轉發引擎可以是ASIC（專用集成電路），也可以是專門為 IP轉發而設計的網路處理器。代表性的產品有華為公司的NetEngine 50高速路由器和Cisco的12000系列路由器等。轉發數據包的速率達到了數千萬包每秒，能夠充分利用傳輸技術進步提供的大量帶寬。

儘管包轉發技術的基礎已經發生了變化，但路由器需要完成的任務卻是相同的：檢查進入的數據包，將其目標地址與路由表中的項目相比較，然後從正確的埠發送出去。在這一過程中，數據包還接受一些額外處理任務，如QoS判定、流量工程、流量統計等。

高速路由器通常由主控板、交換板、線路介面板組成，它們通過高速背板連接，插在一個具有電源、風扇的機框中組成一台完整的路由器。

（1）主控板：主控板是路由器的控制中心，CPU和存儲器就在主控板中。主控板負責整個路由器的治理和控制，IP路由協議在主控板上運行。主控板直接接收來自網 管中心的指令，並下發到各介面板執行指令，同時各介面板把運行狀態和統計數據傳送到主控板，由主控板進行必要的處理，需要時發給網管中心。網路治理員配置 的靜態路由以及通過運行路由協議生成的動態路由由主控板進行治理，並下發到各介面板，使各介面板可以獨立地進行數據包的轉發工作。

主控板的作用舉足輕重，一旦它發生故障，整個路由器將不能正常工作。對於電信網的核心網路設備來 說，要求可用率達到99.999%，即1年的停機時間不能超過5min。所以主控板通常配有兩塊，一般以主備的方式工作。主備板周期性地交換握手信號，一 旦備用板收不到主用板的握手信號，則會啟動倒換流程，接替主用板工作。

（2）交換板：高速路由器的整機吞吐量很大，早期路由器的基於背板共享匯流排傳遞數據的方式已不能滿足高速數據傳遞的需要。首先，共享匯流排不能避免內部衝突；第二，共享匯流排的負載效應使得高速匯流排的設計難度很大。交換結構的引入逐步克服了共享匯流排的以上缺點。

Crossbar交換網可以形象地比喻為縱橫制電話交換機的交換網，通過點到點的連接把需要通信的 輸入埠和輸出埠連接起來。Crossbar結構可以支持高帶寬的原因主要有兩個：第一，線路卡到交換結構的物理連接簡化為點到點連接，這使得該連接可 以運行在非常高的速率上。半導體廠商目前已經可以用傳統CMOS 技術製造出4～10Gbit/s速率的點對點串列收發晶元。第二個原因是它的結構可以支持多個連接同時以最大速率傳輸數據，即多個輸入/輸出埠對可以同 時通過這個交換網進行通信。這一點極大地提高了整個系統的吞吐量。只要同時閉合多個交叉節點，多個不同的埠就可以同時傳輸數據。從這個意義上看，我們稱 所有的Crossbar在內部是無阻塞的，因為它可以支持所有埠同時以最大速率傳輸（或稱為交換）數據。

數據包通過Crossbar的時候，可以是以定長單元的形式（通過數據包的定長分割），也可以不進 行分割直接進行變長交換。一般高性能的Crossbar交換結構都採用了定長交換的方式，在數據包進入Crossbar以前把它分割為固定長度的 cell，這些cell通過交換結構以後被按照原樣組織成原來的變長包（packet）。定長交換方式更利於交換網的控制，分組長度一樣，判定其傳輸和離 開的時刻就很輕易。在時隙結束時，調度表檢查等待傳送的分組，決定下一個時隙哪個輸入與哪個輸出相連，避免輸出或輸入端的空閑，保持交換機的高效率。而且 從硬體設計的角度講，處理固定長度分組比處理不同長度的分組更簡單、快速。同時定長交換可以避免某些業務流的大長度包長時間佔用交換網，影響高優先順序業務 和實時業務的交換。

由於交換網板的故障也會導致整機的癱瘓，所以通常也設有主備板。另外，大容量交換網通常是多平面的，由多塊交換網板組成，所以主備方式通常為N：1。

（3）線路介面板：線路介面板提供多種線路介面，目前常見的有10M、100M、1 000M、10Gbit/s乙太網口，155M、622M、2.5G、10Gbit/s的POS介面，155M、622M、2.5Gbit/s的ATM接 口等。線路介面板從不同的物理層和數據層信息中提取出IP數據包提交給專用ASIC或網路處理器進行處理。這種處理已不再局限於簡單地把IP包轉發到目的 埠。

高速路由器組網應用形式

高速路由器可以用在Internet骨幹網、高速Internet接入和企業網中。為Internet、IP數據業務專門建設的骨幹網，可以使用高帶寬利用率的基於路由器結構的I-POS。

（1）ISP的應用

在Internet業務供應商（ISP）應用環境中，Cisco 12000駐留在網路的核心位置，最多可支持44條OC－3/STM－1 IPOS光鏈路，通過光鏈路接到彙集業務的邊緣路由器Cisco 7500系列平台。核心路由器與Internet骨幹網之間的連接速率可從OC－12/STM－4擴展到OC－48/STM－16。IPOS的使用將提高 性能和鏈路利用率。

（2）通信公司的應用

對已具有SONET/SDH基礎設施的通信公司應用高速路由器時，由Cisco的邊緣路由器把業務 彙集到核心路由器Cisco 12000。由於Internet骨幹網往往離最終用戶很遠，此時就可以通過通信公司現有的SONET/SDH基礎設施（包括SONET/SDH接入環和 局間環）把核心路由器Cisco 12000拉到最終用戶附近。這種結構可以在全網提供冗餘和保護。

（3）通信公司/ISP的應用

Cisco 12000同樣可用在包括多業務網和IP的網中，在通信公司/ISP網路中，既包括多業務網路，又包括IP佔優勢的網路。用12000

系列GSR與ATM網平面相介面，可以把數字用戶線接入的復用業務量選路到Internet骨幹網。IP業務量可以直接在兩個核心路由器之間以OC－12/OC－48的速率傳送；數據也可以跨越局間SONET環，到達Internet骨幹網。

（4）專用網應用

在IP專用網中可以利用IPOS技術。在這種應用中，邊緣路由器以OC－3/STM－1的速率把業務彙集到Cisco 12000。Cisco 12000則以OC－12/STM－4或更高的速率互連，擴大網路的可用帶寬和引入可擴展性。

（5）混合網應用

IPOS和ATM可組成混合網。ATM平台一方面提供網路的多業務功能，另一方面控制用戶過多的情況，好讓核心路由器專門完成Internet第3層選路和業務分類功能。IPOS鏈路用來加強核心路由器之間的域間連接性。

（6）Internet2

第2代Internet（Internet2）中最重要的組成單元是一些速率在1Gbit/s以上 的被稱為Gigapop的數據交換機或路由器，它們是一個地區的互連點，連接該地區的In-ternet2成員，並與其它的Gigapop相連。 Gigapop的主要功能是按規定的帶寬和服務質量要求交換In-ternet2業務，Cisco的12000將在Internet2的Gigapop結 構中起重要作用。12000系列GSR也可用來組建校園網。