（计算机科学与技术专业论文）集群路由器体系结构及其关键技术的研究.pdf

雪鎏登望茎奎奎兰堑塞竺璧兰垒垒塞 燕要 i n t e r n e t 的网络流量、网络规模和上层应用的快速发展对新一代高性能路由器 的性能、规模、功能、可扩矮性、可用性和可管理性等方面提出了更高的要求。 酲藤路蠹器体系结构可扩展性和哥用性差，难以满足互联网发展对薪一代离牲熊 路由器的需求。集群路由器是由多个可独立运行的路由节点通过某种互连方式组 合构成的规模可扩展的单映像路由器，是实现新一代嵩性能路由器的有效途径， 具有广阔的发展空间。 嚣前集群路鑫器由可务“熊交换网络连臻鲍大量路囱转发单元组成，其中交挟 网络的结构和性能对集群路| 主 器的各方面特性影响很大。本文在比较多种可扩展 交换网络的基础上，提出3 dt 0 r u s 结构比较适用于集群路由器的设计，并针对3 d t o r u s 网络中现有路由算法的不足，提出一种基于维序的多路径路由算法d m r ( 耠i m e n s i o n o r d e f b a s e dm h l t i p a mr o u t i n g ) 。 以可扩展多级交换网络为核心的集群路由器需要专用的路由转发节点，扩展 的灵活性差。针对这一不足，本文提出了异构型集群路由器h c r ( h e t e m g e n e o u s c l u s t e r - b a s e dr o u t e r ) 模型，在h c r 中，规模不同、性熊不同甚至是实现结构也 不丽瓣路由器均可遂过标准的接口和协议甄连成为规模可伸缩、熟有单一管理映 象的路由系统。本文详细阐述了h c r 体系结构模型及实现可行蚀，并对该模溅 中的若干关键技术及其研究思路进行了探讨，特别是对h c r 转发平面中多交换 网络聚合技术逃行了深入研究，提出了k i l b 交换调度思想及加权k i l b 算法。 受国家9 7 3 重点基础研究发展计划项目“薪一代互联网路由与交换理论” ( n o 2 0 0 3 c b 3 1 4 8 0 2 ) 和国家自然科学基金项目“新一代网络体系结构模型与越 高速网络交换路由研究”( n o 9 0 1 0 4 0 0 1 ) 资助，论文熏点对可扩展h 交换网络、錾 于3 d t o r u s 交换网络的路由算法、新型集群路由器体系结构模型以及多个交换实 体聚合等闻题避行了深入磷究，获得了很好豹进展，主要研究成聚及锱薪包括以 下几个方面： 1 对可扩展交换网络结构及路由算法进行了研究。以性能、规模、可扩展性、 容错戆力和实现复杂度等指标作为德量标准，通过分析比较，建立了3 dt o n l s 交 换阙络的模型，在分析链路负载特性的基础上，提出一种支持多路径负载均衡和 报文保序的，基于维序的多路径路由算法d m r ( d i m e n s i o n o r d e r 山a s e dm u l t i d a m r o u t i n g ) 。模拟表明，d m r 算法可在获得良好性能的同时保持同一流中报文的顺 彦。 2 提出基于标准亿互连接口以及集群济议的异构型集群路f 】器模型h c r ( h e t e r o g e n e o u sc l u s t e r _ b a s e dr o u t e r ) 。通过对模型的实现可行性分析，提出了昴 构交换单元聚合，路由计算擦制单元聚合和单映象保持等关键问题。 3 提出h e r 中异构路囊器闻标准的互连接墨及协议框架，使德h c r 痰部黠 由器间数据和控制信息能够得到正确而商效交换。 第1 h 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 提出一种支持多交换网络聚合的交换网络调度思想k i l b ( k e e ni n t e r n a l “骓kb u s y ) 以及宓睡权k l l b 交换调度算法，模拟结果表明，该算法磷有效提高嶷 群路由器内部互连链路的乖j 用率，提高了聚合交换网络的性能。 综上所述，本文有针对性地解决了目前集群路由器体系结构模型和相关研究 中的几个关键闯题，对提裹集群路由器的性能、规模、可扩震性和w 用性，以及 推动集群路窿器的实司纯具有重要瓣理论意义裙应用价值。 关键字：集群路由器，体系结构，可扩展交换网络，报文路由算法，h c r ， 聚台交换 第l v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h et r a m ca n dt h es i z eo fi n t e r n e ta sw e l la st h ei n t e r n e t 婶p l i c 甜i o h s 铲o wr a p i d iy h i g 量l e rp e r f o r m a n e e si n t e r m so ft h r o u p u t s ，s e r v i c e s ， s c a l a b i l i t y ，a v a i l a b n i t ya n dm a n a g e a b i l i t y ，e t c ，a r er e q u i r e df o rn e x tg e n e r a t i o nh i 曲 p e f f o r m a n c e f o l l t e r sh o w e v e r ，t h es e a l a b i l i t ya n d a v a l l a b i l i t y o fc u f f e 珏th i g h p e r f o r m a n c er o u t e r sc a n n o tm e e tf u t u r er e q u i r e m e n t s ac l u s t e r _ b a s e dr o u t e ri s a s i n g l e i m a g ef o u t e rc o n s t m c t e db ym u l t i p l ei 瓣e p c 珏d e mr o u t e r sw h i c h 鑫揩c o n n e c t e d i nas p e c i f i cw a y a n di ti sp r o m i s i n gf o rb u i l d i n gn e x tg e n 材a t i o nh i g hp e r f o r m a n c e r o l l t e r s c u r r e n t l y ，c l u s t e r - b a s o dr o u t e r sc o n s i s to fr o u t i n gu n i t sc o n n e c t e db ys c a l a b l e s w i t 碰n gf a b a n dt h e 豺c h i t e c t u r 。a n dp e r f b 赫a n c eo ft h es w i t c h i n gf a b r i cw i l l g r e a t l yi n n u e n c em a n yf c a t u r e so fc l u s t e r _ b a s e dr o u t e r s f i r s t ，d i 越 r e n tk i n d so f s c a l a b l 。s w i t c h i n gf a b r i c sa r ea n a l y z e da n dc o n l p a r e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t | l e na c o n c l u s i o ni sd r a w nt h a t3 dt o m sf a l ) r i ci ss 诚a b l ef o rt h ed e s i g no fc l u s t e r - b a s e d r o u t e r s 1 bs o l v et h ep r o b l e m so fe x i s t i n gf o u t i n ga l g o r i 伽m sb 8 s e do n3 d 秘m sf a b r i c ， an o v e ld i m e n s i o n o r d e r b a s e dm u l t i p a t hr o u t i n ga l g o r i t h mn a m e dd m ri sp r o p o s e d t h ec l u s t e r b a s e dr o u t e fc o n n e c t e db ys c a l a b l es w 主t c h i n gf a b r i cn e e d ss p e c i f i c r o u t i n gn o d e s s oi tc a n n o ts c a l ew e l l t bs o l v et h i sp r o b l e m ，w ep r o p o s eam o d e lo f h c r ( i e t e f o g e n e o u sc l u s t e r - b a s e dr o m e r ) 1 nh c r ，w i 穗s t a n d a l 畦i n t e r f a c e sa n d p r o t o c 0 1 s ，m o s er o u t e r se v e nd i f r c r e n ti nm es l z e ，p e r f o m a n c eo ri n t e m a ls t m c t u r e c a nb ec o n n e c t e dt oc o n s t r h c tas c a l a b l es i n g l e i m a g ei o u t e rs y s t e m w ea d d r e s st h e a r c h i t e c t u r ea n di t s f e a s i b i l i t yi nd e t a i l t h e nw ed i s c u s sk e yt e c h n 0 1 0 9 i e so ft h i s m o d e la n dt h e fp o s s 主b l es o l u t i o 壬l s p a c u l a r l y ，w em 8 k ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c ho n a g g r e g a t i n gt e c h n o l o g yf o rm u l t i p l es w i t c l l i n gf a b r i c si nh c r f i n a l l y ，w ep r o p o s ea n o v e ls t f a t e g yn a m e dk l l ba sw e l la sas w i t e hs c h e d h l n g8 l g o r 主t 董l m sb a s e do k l l b t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w eh a v em a d ec o m p r e h e n s i v er e s e a r c hw o r ko nt o p o l o g yo fs c a l a b l e m u l t i - s t a g es w i t c h i n gf a b r i c t a k e nt h ep e r f o m l a n c e ，s i z e ，s c a l a b i l i t y a n dt h e c o m p l e x i t yo fi m p l e m e n t a t i o na sp r i m a r ys t a n d a r d s ，w ea n a l y z ea n dc o m p a r ed i f r e r e n t k i n d so fs c a l a b l es w i t c h i n gf a b r i c s t h e nw eg e tt h ec o n c l u s i o nt h a t3 dt o r u sf a b r i ci s m o r es u i t a b l ef o rc o n s t r u c t i n gc l u s t e r _ b a s e dr o u t e r s ( 2 ) w bp r o p o s oam o d e lf o r3 dt b f u ss w i t c h i n gf a b r i c s 。b a s e do nf e a t u r e s a n a l y s i so fc h a n n e lw o r k i o a d s ，an o v e lr o u t i n ga l g o r i t h mn 锄e dd m ri sp r o p o s e d a n dt h ep e r f o r n l a n c eo fd m r r o m i n ga l g o 越t h mi ss t u d i e du s i n gas i m u i a t i o na p p r o a c h t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a td m rc a nk e e pt h ep e r f o m i a n c ei naf a v o r a b l el e v e l a n dm a i n t a i nt h ed a c k e t so r d e ri no n en ow t 第v 炙 塑堕登兰垫查盔芏竺塞生堕兰垡鲨塞 ( 3 ) b a s e do ns t a n d a r di n t e r f a c e sa n dp r o t o c o l s ，am o d e lo f i c r ，w n l c hs t a n d s f o rh e t e r o g e n e o u sc l u s t e r b a s e dr o u t e r s ，i sp m p o s e d t h e nw ea n a l y z et h ef e a s i b i l i t y o ft h i sm o d e la n dp r e s e n tt h ek e yp r o b l e m si nt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i sm o d e l ，s u c h a sh o wt oa g g r e g a t e m u l t i p l eh e t e r o g e n e o u ss w i t c h i n gu n i t s ， h o wt o a g g r e g a t e m u l t i p l eh e t e r o g e n e o u sr o u t i n g c o n t r 0 1 l i n g u n i t sa n dh o wt o i m p l e m e n t t 王l e s i n 9 1 e i m a g ef e a t u r e ，e t c ( 4 ) i no r d e rt oe n h a n c et h ee m c i e n c yo fi n f o r m a t i o ne x c h a n g i n gi ni n t e m a l r o u t e r so fh c r ，af r a m e w o r ko fs t a n d a r di n t e r f k e sa n dp m t o c o l sf o rh e t e r o g e n e o u s r o u t e r si nh c ri sa l s op r o p o s e d ( 5 ) an o v e ls c h e d u l i n gs t r a t e g ys u p p o n i n gm u l t i p l es w i t c h i n gf a b r i ca g 伊e g a t i o n n a m e dk i l b ( k e e pi n t e r n a ll i n kb u s y ) i sp r o p o s e da sw e l la st h ew e i g h t e dk i l b s c h e d u l i n ga l g o “t h mb a s e do nt h i ss t r a t e g y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e da l g o r i t s c a i l e 虢c t i v e l ye n h a n c et h eu s a b i l i t yo fi n t e m a l l i n k s i n c l u s t e r b a s e dr o u t e r ，a n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa g g r e g a t e ds w i t c h i n gf a b r i co n t h ew h o l ea tt h es a m et i m e t os u mu p ，w eh a v em a d ed e e pr e s e a r c h e so ns e v e r a lk e yi s s u e si nt h e a r c h i t e c t u r ea n dt h er e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e so fc l u s t e r - b a s e dr o u t e r sa n dg o taf e wo f p r o m i s i n ga c h i e v e m e m si n t h i sd i s s e r t a t i o n o u rc o n t r i b u t i o n sl i s t e da b o v ea r e v a l u a b l ef o r e n h a n c i n gt h ep e r f o m a i l c e ，s i z e ， s c a l a b i l i t y a n d a v a i l a b i l i t y o f c l u s t e r b a s e dr o u t e r si nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c e s 0 u rr e s e a r c h e sa r es p o n s o r e db yc h i n an a t i o n a lb a s i cr e s e a r c h ( 9 7 3 ) p r o g r 啪 u n d e rc o n t r a c tn o 2 0 0 3 c b 31 4 8 0 2a n dn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n au n d e rg r a n tn o 9 叭0 4 0 0 1 k e y w o r d s ：c l u s t e r - b a s e dr o u t e r ，r o u t e ra r c l l i t e c t u r e ， s c a l a b l es w i t c h i n gf a b r i c p a c k e t sr o u t i n ga l g o r i t h m ，h c r ，a g g r e g a t i n gs w i t c h i n g 第v i 页 麓堕型兰蓥查莶茎塑签兰璧兰堡笙塞 图1 1 图1 2 图l t 3 图1 4 图1 5 图1 6 图2 1 潮2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 表2 1 表2 2 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图3 t 图3 2 图3 3 圈3 4 表3 1 图3 5 表3 2 图3 ，6 图3 7 圈3 8 图3 9 表4 ，l 图4 1 图4 2 图表目录 当前典型p o p 网络结构3 简化的瓶一代p o p 网络结构5 目讶高性能路由器典型体系结构7 目前高性能路由器体系结构的抽象8 集群路由器懿路由实毒l ；= 帮交换实体。l o 本文的组织结构1 2 高性能路由器体系结构的发展1 6 鼷络处瑷嚣綦本体系结构1 8 广泛应用的单级交换结构2 3 并行交换结构2 4 两级交捩结构2 5 用光互连技术实现两级交换结构2 6 内嵌缓冲区的c r o s s b a r 交换结构2 7 多级动态互连网络拓羚比较2 8 k 元n 方阚络拓扑属性比较表2 8 分布式队列调度2 9 c r s 1 的3 级b e n e s 交换网络3 1 t 系列路由器的3 级c l o s 交换网络3 2 a v i c it s r 的3 d r u s 交换网络3 3 软 牛集群路表器体系结构3 3 p l u r i s 大规模并行路由器3 4 4 x 2 x 3 的3 dt o r u s 交换阴络3 8 3 dt o r u s 交换鄹络中的节点4 0 交换网络中的冗余路径4 1 3 dt o r u s 交换网络中的3 种维序路径4 2 类别维痒表表项结构4 3 3 dt o r u s 交换网络中的节点对4 5 冗余路径的分布4 5 用s i m 构建多级交换摸拟环境4 6 模拟结果( 平均突发长度5 0 ) 4 7 模拟结聚( 平均突发长度1 0 0 ) | 8 交换网络的单个节点硬件实现的逻辑框图4 8 异构型集群路由器与同构型集群路由器的对比+ 5 3 f o 形e s 基本结构一5 4 n p f o m m 制订的硬件接口规范5 5 第l 页 困防科学技术大学研究生院学位论文 图4 3未来路由器的模块化体系结构5 6 图4 。4髯掏型集群路e | ；j 器h c r 的构成示意图5 7 图4 5异构型集群路由器h c r 体系结构模型5 7 图4 6髯构路由嚣问通过通用线卡互连5 9 闰4 7异构路由器闻通过内都互连卡互连6 0 圈4 8h c r 集群路由器形成设备层的统一视图6 2 强5 1聚合交换技术要实现的舀标6 6 图5 2标准互连及接口协议框架6 8 图5 3异构路由器节点间标准互连接口及协议的实现6 9 圈5 4集群路由器内部链路阻塞示铡7 0 图5 5加权k i l b 与i s l i p 的内部链路工作保持度的比较7 6 图5 6加权k i l b 与i s l i p 的信元平均延时的比较7 7 霜5 7擎个交换潮络肉部的队列拥塞7 8 图5 8采用i s l i p 调度算法时的队列长度变化7 8 图5 9采用加权k i l b 调度算法时的队列长度变化7 9 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特爱加以标注和致谢的地方羚，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材耪。与我一阉工作的瑟志对本研究所傲豹任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题昏篡壁整瞻鲞签丞釜垫丞墓羞毽基苤盟叠窒 学位论文作者签名：篮刻整日期：如。r年? 月】7 臼 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影辞了、缩印或扫臻等复裁手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：一篡登整童攫垡歪茎掬霆墓差壁热苤煎堑壅 nt，i 学位论文作者签名：篁剑垒 日期：如一r 年7 月卫7 日+ 作者指导蝴张乒坐噍撕r 年夕月斗露 旦堕型堂墼娄盔堂堑塞生堕堂垡丝毫 第一章绪论 在过去数”卜年中，i n t e r n e t 经历了飞速发展的过程，已经从一个简单的实验性 网络演交成为一个全球髅的巨大豹齑渡网络。尤其楚近年来，趣裹遮光遥售技术、 无线通信技术、网格计算以及其它新的互联网革命性应用的研究进展，使得互联 网会在未来十年内产生新的飞跃，朝向以“更大、更快、更及时、更方便、更安 全、更可管理和更有效”为标志的新一代互联网发展。 高性能鞯由器是互联网重要豹基硪设施，楚新一代互联网多维可骞l 展体系结 构的核心缎成部分。现有路由器体系结构由于受藏自身硬件结构、路由操作系统 及协议软件结构的固有限制，普遍缺芝良好的可扩展性，在很多方面难以满足新 一代互联网可扩展性的需要。为了适应新一代互联网对可扩展性的需求，解决高 佳能龉鑫器可扩展性闫繇，黠虿扩麓离性能路疰l 器体系结构及其关键技术进行研 究具有非常薰要的意义。 本章通过对新一代氨联网对高性能路由器的需求进行分析，提出集群路由器 是实现可扩腱离性能路由器的有效途径。本章1 1 节从高性能路由器在互联网中 的其体应羽继发，从萁弱临的润题和需求两个方瑶阐述了课题砑究的背景；1 2 节引出了论文研究的目标一一集群路由器体系结构；1 3 节阐述了论文的主舞研 究内容和贡献；1 4 节给出了论文的组织结构。 1 1 课题研究背祭 1 1 1 新一代赢联网的多维可扩展特性 传统的i n t e n e 的体系结构基予d + d a 擅提出的“边缘复杂，核心篱单”豹“边 缘论”设计原则h j ，基于尽力转发( b e s te f f o r t ) 的服务模式，以互连互通为主要 目标。在i n t e r n e t 发展的初期这种简单明了的体系结构具有良好的效果。然而这 一原则难以对互联网高速化、多样化和复杂化的发展趋势提供有力的支持。为此， 许多重家相继启动了一系雍铮对新一代互联网的重大研究计划与i 茭匿，诸如美国 的n g i 【2 1 ，i n t e m e t 2 吐v b n s 【4 1 和a b i l e n e f 5 】 加拿大的c a n e t 4 【6 1 ，欧盟的g e a n 下【7 】 和亚太的a p a n 【8 】等等。与此同时，许多学者与研究机构也展开了对新一代互联 网体系结构特点及应用的研究一 l 。 众多磺究【s 4o l 认为高度的可扩攫健蹙未来薪一代互联网体系结构的一个重要 特点，而且这种可扩展性建一种多维可扩展性，即新一代互联网要在规模、功能、 性能、安全和服务等多个维度上具有良好的可扩展特性，以更好地适应未来互联 网发展的需要。多维可扩展性的需求是由目前互联网发展的以下特点决定的： ( 1 ) 互联网的蝮援秘流量持续快速增长 由于近年来入网主机数目和用户数目的爆炸憔增长，使得i n t e m e t 的网络规 模迅速扩张，其链路上的信息流量也照快速增长趋势；同时光传输技术的进步大 第l 页 雪堕型主垫垄盔堂堡塑生堕堂焦笙塞 大璞加了i n t e m e t 营干戆霉用传输带宽，也给了隧络流量雯大瓣增长空闻。灏一 代互联网体系结构要具商规模和性能上的可扩展性以支持这种发展趋势。 ( 2 ) 多种业务模型不断融合 目前网络发展的一个趋势是“e v e r y t h i n go v e ri p ”，即以往的多种业务网络如 数据、视频、语音等都将统一融合翻l p 数据鹾上，双i p 潮络作为其传输平台。 同时，众多新兴的业务模型也普遍基于i p 平台，所以新一代互联网体系结构需要 具有对多种不同业务流量提供支持的服务可扩展性。 ( 3 ) 网络接入和传输方式日薪月异 目前网络发展的另一个趋势是“l p o v e r e v e r y t h i n g ”，郎不论是以往的以太网、 帧中继、a t m 、s d h 或d w d m ，还是最近出现的光线网、移动网、卫星网等等， 都将作为未来新一代互联网的物理传输方式之一。所以新一代互联网体系结构需 要具有对多种网络接入和传输方式提供支持的可扩展性。 ( 4 ) 新的网络应羽模式和网络协议= i _ i i 断涌现 随着i n t e m e t 逐渐渗透进人们的生活，新的网络应用模式也不断涌现，如目 前不断推广的覆盖网络p 2 p 、虚拟专用网v p n 等：砸众多新的应用模式的出现也 为互联网弓l 入了诲多薪的瓣络拂议，妇l p s e c 协议等等。瘊以新一代互联嗣体系 结构需要具有对新的应用模式和网络协议提供支持的可扩展性。 ( 5 ) 对网络功能的要求日趋复杂和多样化 过去互联网络的功能较为箍单，即完成主机之间的数攥传输，但楚隧羞 i n t e m e t 应用豹发震，对网络功能的要求不再仪仪羧于箍单的数据传辕功能，还要 实现其它更多复杂的功能，如网络安全、服务质量控制、审计和计费等等，c i s c o 路由器操作系统i o s 的1 2 2 t 版本支持的功能服务多达8 0 4 项【l “。所以新一代互 联隧体系结构需要具有对复杂多样的功能需求提供支持的可扩展性。 1 i 2 高性能路由器蓠睡酌挑战 高性能路由器作为构建互联网的核心设备，主要部署在p o p ( p o i n t o f - p r e s e n c e ) 网络中。每个互联网运营商网络一般包括数百甚至上千个 p o p ，它们之阆以数以予计的链路进行互连，共网毒句成互联网的核心网络基础设 施。 根据功能的不同，p o p 中的路由器组织成为不同的层次一一核心层( c o r e ) 、 聚合层( a g g r e g a t i o n ) 、边缘层( e d g o ) 以及对等屡( p e e r i n g ) 等。其中边缘层 主要完戒各秭丽户线路豹接入；聚合簇主要实现各种接入网终襁各秭韭务濂量豹 汇聚，以及其它许多服务、安全和管理相关的重癸功能；核心朦主要担任核心网 的节点功能，宪成高速的i p 传输，负责将p o p 接入点网络连接到核心骨干网； 而对等层则用于扩展与邻居p o p 网络的互连。 稷援各矮次对路由器动能要求豹不司，分男i 郏雾不同类型的鼹由器。舞洼熊 路由器一般部署在核心层以及聚合层，而在边缘层般部署支持特定接入协议的 拨号服务器等。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 1 显示了一个当前典型的p o p 网络结构。 图1 1当前典型p o p 网络结构 网 近年来，随着i m e m e t 速度和规模的持续增长，数据、语音、视频等多种业 务具有逐渐统一融合到i p 平台上的趋势，各种新型服务和协议不断涌现出来，使 得现有的p o p 接入点网络结构同趋复杂，其组网方式面临着巨大的挑战，难以满 足未来新一代互联网发展的需求。这主要体现在目前p o p 网络存在着以下几个问 题： ( 1 ) 可扩展性差 由于目前的路由器一般针对特定容量和功能进行设计，其软硬件体系结构较 为固定，形成产品后，其硬件平台所具有的规模和性能以及软件平台所支持的功 能都基本确定，可扩展性较差。所以当p o p 网络的规模和性能难以满足要求，或 者需要支持新的网络服务和协议时，难以通过路由器本身的扩展来实现，只能通 过增加新的路由器设备以及互连链路来进行扩展，这使得运营商p o p 接入点网络 中的设备数量不断增长，网络规模逐渐膨胀，结构日趋复杂，运营成本大大提高。 而且随着p o p 网络日趋庞大和复杂，p o p 网络的可扩展性已经接近其上限。 ( 2 ) 实现可靠性的代价高 由于现有路由器设备的可靠性不能满足要求，目前，整个p o p 网络的高可靠 性是以增加冗余路由器设备和冗余链路为代价来实现的。随着互联网日益成为全 球化的通讯基础设施，要求未来的p o p 网络达到9 9 9 9 9 的电信级的可靠性标准， 致使运营商的网络投资代价和需要管理的网络单元数量成倍数增长，增加了管理 成本，而且降低了投资回报率。 ( 3 ) 设备生命周期短 在某些需要扩展性能、规模或功能的情况下，现有p o p 网络即使通过增加设 备也无法满足要求，运营商将不得不升级其整个核心路由平台，购买新的路由器 产品，而原有的设备将被淘汰，这种情况正在越来越频繁地发生，难以保护运营 商的已有投资。据统计，过去一段时间内运营商平均每1 8 至2 4 个月就要更新其 核心路由器【1 2 】。频繁的设备升级、部署以及相应的培训、规划和组网等工作成为 第3 页 里堕型堂垫查盔堂堑蜜生堕堂垡丝耋 困扰运营商的梦魇，最重要的是这使得运营商的投资增加，而利润率大大降低。 ( 4 ) 管理维护复杂 随着p o p 网络规模的逐渐膨胀，对运营商的部署已经产生了巨大的压力 1 3 】； 而由于p o p 中需要监控和维护的设备数量不断增加，且需要对每个路由器进行单 独管理和配置，这也使得嘲络的操作和维护变得非常复杂。尤其在部署新业务时， 可能需要配置多台路由器设备。总之，运营商为了部署、管理和维护日趋庞大、 复杂的p o p 网络，将不得不付出越来越高的运营成本。 ( 5 1 路由协议性能恶化 随着p o p 包含的网络单元数量以及连接关系的增加，每个路由器需要管理的 邻居数量以及路由表的复杂性迅速增长。这种内部互连的复杂性延长了路由协议 的收敛时间，增加了路由计算的工作量和复杂度，提高了由于路由器故障、链路 失效等导致客户业务被中断的潜在可能性，使得路由协议性能趋于恶化。 从目前的研究看来，只有在p o p 中部署一种具有可扩展体系结构，多样网络 接口和统一管理界面的高性能路由器取代现有的路由器集群，才能解决上述问题。 这对高性能路由器的研制提出了新的挑战。 1 1 3 对新一代高性能路由器的需求 从以上分析可知，受目前路由器设备在可靠性、可扩展性和可管理性等方面 的限制，现有p o p 网络包含数量众多的网络设备以及复杂的互连链路，结构非常 复杂，存在可靠性、可扩展性、可管理性以及投资回报等多方面的问题，无法满 足未来新一代互联网发展的要求。因此必须使用规模可扩展的新一代高性能路由 器对现有的p o p 结构进行简化，通过简化p o p 网络结构，建立可扩展性更强、 可靠性更高、可管理性更好的p o p 网络。 新一代高性能路由器将是一种大规模的，集高度可靠性、可扩展性和可管理 性于一身的路由器系统。它将主要面向p o p 网络中的核心网络应用环境。通过部 署新一代高性能路由器，p o p 网络结构将得到大大简化。p o p 网络中原有的核心 层、聚合层以及对等层将会消失，其功能由一个或者几个大规模的新一代高性能 核心路由器系统完成【l 钔，原有的边缘接入层功能仍然由多业务边界平台或者直接 由高性能核心路由器来完成。未来p o p 接入点将是围绕一个或几个新一代高性能 路由器系统构建的、拓扑结构简单明了的p o p 网络，再附以一些边缘接入层设备。 图1 2 显示了通过部署新一代高性能核心路由器，对传统p o p 网络进行简化 后的下一代p o p 网络结构的示意图。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 睡 图1 2 简化的新一代p o p 网络结构 通过上述分析可知，部署大规模高性能核心路由器能够解决现有p o p 面临的 众多问题，更好的适应新一代互联网发展的需要，具体表现在： 消除了现有p o p 网络中复杂鲍层次结构，简化了网络拓扑； 路由器本身具有的高w 靠性可以提高整个p o p 网络的可靠性，且可减少 不必簧的冗余设备和冗余链路； p o p 网络中的设备数量大大减少，简化了网络管理，降低运营成本； 路由器的邻居数量减少，可以提裹路出协议的 生髓，控制路由表豹规模； 路由器本身的可扩展性可以使网络的可扩展性、灵活性以及业务支持能 力得到提高； 延长了设备生命期，提高了运营商的投资翻报率。 此外，p o p 网络结构的简化可以带来更深远的影响：p o p 作为构建互联网基 础设施的基本单位，它的篱化可以建立起更加灵活的、霹用的、珂扩展懿新一代 互联网基础设施。这些离可扩展、高可靠性、高灵活性的p o p 甚至允许多个地理 上分离的p o p 进一步聚合成更少的、大规模p o p ，在未1 柬可以进一步简化整个网 络的复杂性。 根据b t e x a c tt c c h n o l o g y 【”1 和y a n k e eg r o u p 【1 6 1 等围际上权威的互联网咨询公 司对垒球若于主要网络运营商进行调查的结果，殛向新一代互联网、支持p o p 瓣 络简化的新一代高性能路由器墩具有以下主要特征： ( 1 ) 更高的可靠性和稳定性 毋庸置疑，系统的可靠馁和稳定性无论对于运营商还是最终用户来说是最为 重要的特性。新一代互联网将会作为全球通讯的基础，要达到电信级别的可用性， 这就要求新一代高性能路由器在软硬件运行上其有擐毫豹可靠性帮稳定性，关键 部件舆有良好的冗余备份能力，并且不存在导致系统整体失效的故障单点，另外 具有不中断服务的在线升级能力等，以使运营商可以为用户提供竣好的服务可用 性。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 2 ) 软硬件的灵活可扩展性 硬件可扩展性主要是指新一代高性能路由器的硬件平舞可以根据网络规模和 性能需求的增长进行扩展，丽不必完全替换现有的设备；软件可扩展性是指路由 器的软件一方面可以通过增加处理能力来提供对越来越复杂、计算量越来越大的 路由协议的支持，另一方面可以通过扩展软件模块灵活地增加对新型业务和协议 的支持。运营商希望新一代高性能路由器能至少具有5 至7 年的生命周期。软硬 件的可扩展性可以有效延长设备的生命周期，以期达到并超过运营商的预期时限， 并保护运营蓊豹投资。 ( 3 ) 更大规模、更高性能 i n t e r n e t 的网络流量至少以每年翻一番豹速度快速增长 ”2 。1 ，然搿随着光通售 技术的发展，骨干链路速率越来越高，互联网的瓶颈已经不再是传输带宽，而是 作为交换节点的高性能路由器的性能；同时，由于互联恻规模越来越大，网络结 构越来越复杂；以及运营舞对p o p 潮络结誊鼋进行简化豹需求，使得露耨一代高性 能路由器的规模和接口数量都提出了更高的要求。因此更大的规模和更高的性能 也是新一代高性能路由器的重要特征。 ( 4 ) 支持更多样的服务、协议和接口 当前网络发展的一个趋势就是运营商希望将传统的多种业务网络( 语音、视 频、数据等等) 都零载到i p 数据网上；因时，由于更多互联瓣薪蘩应羽和协议不 断涌现，这些都需要核心网络提供支持。因此，这就要求新一代的高性能路由器 不再只是仅仅完成交换转发功能的设备，而且需要支持更多样的服务和协议。与 我同时，网络传输方式更船多样化，并且在不断发展，所以新一代离性能路由嚣 必须提供更多样的接口。 ( 5 ) 可囊成p o p 中的多种功戆节点，筒彳乏网络管理 目前运营商p o p 网络中的设备数量众多，网络结构非常复杂，给网络管理带 来了很大的困难，提高了管理和维护豹成本。新一代高性能路由器要能够集成现 有p o p 网络中豹核心层、茳聚层、对等魇，甚至部分边缘接入层的功髓，还要集 成备份、审计、安全等其它功能，从而替代现有p o p 中的多种功能节点，简化 p o p 网络结构。同对由于新一代蠢性能路由器本身就是一个庞大的系统，这就要 求它其脊高度的可管理性，从而从整体上简化网络管理，降低运营代价。 上述特征概括了互联网发展对未来新一代高性能路由器的需求，也为高性能 路麦器体系结构及关键技术的研究指明了方囱。 1 2 集群路由器 1 2 1 目前路由器体系结