核心路由器的“花样年华”

       在2006世界杯期间，德国电信（T-Com）小规模商用HDTV业务，每台HDTV摄像机每天产生0.5TB的数据，一个球场有几十台这样的摄像机，一共有12个球场，整个赛程一个月下来的HDTV的IP流量有几千TB，如何解决这么大的数据流量传送？
      
       电信网络架构正在经历一场重大的变革，从传统的以话音业务为导向逐步演化成以数据业务特别是以IP业务为导向，数据通信在整个电信网中的重要作用日益凸显。作为数据通信主体设备之一的路由器设备，在其中扮演的角色显得格外重要。如果把路由器家族形象地比作一座金字塔，那么无论从技术、市场和重要性等角度看，核心路由器都处于金字塔的顶端，凝聚了最高的技术成就。目前业界主流的数据通信设备厂商纷纷推出新一代核心路由设备，其更加灵活的处理能力和交换能力在很大程度上促进了整个数据通信产业的发展，同时也昭示着核心路由器未来的发展方向。
      
       基于集群技术的海量交换渐成主流
      
       随着宽带网络的飞速发展，尤其是基于宽带网络的各类新业务层出不穷未来对网络的带宽要求也会呈高速发展的趋势。比如文章开头提到的2006世界杯期间，德国电信（T-Com）的HDTV业务的IP数据流量有几千TB。何况IPTV业务还只是IP网络所承载的诸多新兴业务之一，IP电话、3G业务、视频会议、视频点播以及大量新兴的基于P2P业务应用，都在迅速吃掉承载网络的剩余带宽。
      
       据统计，Internet的流量每12个月就增长1倍，而且在未来几年仍将保持这个增长速度。从历史上看，路由器的容量大约每18个月增长一倍，这虽然能够与摩尔定律相吻合，但无法满足新兴业务对于带宽增长渴求。如果按照这个趋势发展下去，9年后的流量增长8倍将远远超过路由器的容量。
      
       而内存的容量增加虽然能够和摩尔定律吻合，每18个月增长1倍，但是内存存取速度的提高远不能达到这个指标，大概每18个月增长1.1倍左右，因此高速内存非常昂贵。除此之外，单体设备的功耗和散热也成为制约因素。为了应对日益快速增长的网络带宽要求，除了进一步提高单体设备的容量外，还必须通过其它方式来突破技术上的限制，实现更大的设备容量，基于并行交换技术（PPS）的多级交换矩阵由此成为最佳选择。并行交换技术通过多个独立的交换单元并行工作，共同组成一个多级多平面的交换矩阵系统，从而构建更大容量交换网。利用多级交换矩阵技术，我们可以通过交换网的级联，将多个单机架设备级联到一起，从而突破单个机架在交换容量、功耗、散热等方面的限制，实现更大容量的路由交换系统，并且具有很好的灵活扩展能力。
      
       目前，并行交换技术已经开始走向实用，业界主流的数据通信设备制造厂商都已经在其最高端的核心路由设备的开发上，采用了并行交换技术原理设计其交换网系统。在可以预见的未来，64框、128框乃至更大规模的多机框级联将成为现实，随着单体路由设备容量的提升和更大规模并行交换系统的应用，超大容量的路由系统将进一步为IP网络的演进加速。
      
       接口趋向高密度、高速率、多业务
      
       路由器的高速接口是建设大容量IP网络的基础，具有高速10GE、100GE光接口的高速路由器是网络向IP over DWDM结构发展的关键。核心路由器作为互联网的核心动力引擎，在新时期电信运营商不仅对核心路由器的处理速度和交换容量不断提出新的要求，尤为重要的是运营商开始越来越关注其业务功能。运营商不仅需要构建速度快的网络，更需要可赢利、利于开展业务的核心网。业务实现技术是高端路由器能否符合电信企业实际运营要求的关键，这既包括丰富的连接端口技术，又包括对增值服务的支持功能。
      
       由于运营商的网络基础不同，应用场合也千差万别，因此目前的核心路由器为提供更好的适应性和灵活性做了很多工作。核心路由器具有对各种速率线路卡的支持能力，从DS3直到10Gbit/s，并且支持快速以太网/吉比以太网、动态分组传输、ATM等技术。它采用的高密度方案能够集合大量业务，包括基于 ATM的话音业务、DSL高速接入、专线集合和互联网服务供应商集合，可以应用在广域网骨干、城域网骨干、城域网边缘、园区网骨干等多种网络环境。对用户来说，高的端口密度具有重要意义，因为中心局和入网点的空间资源不但有限而且成本很高。在巨大的压力下，业务提供者已经开始考虑如何节约空间，而具有高密度端口的高速路由器是解决空间压力的一个重要方面。与此同时，运营商也在寻求将多种链路类型统一的可能性，通过将现有五花八门的各类接口归一化，运营商不但能够有效降低网络建设的成本，还由于网络维护方面的简化可以节省大量的运营成本。从目前的技术发展趋势来看，以太网技术以其低廉的成本、相对简单的技术和快速增长的速率成为未来统一的链路技术的最佳选择。目前，10GE接口已经得到广泛应用，100GE接口的标准化工作也已经展开。
      
       IP over Optical是简化IP骨干网的良好解决方案，设备形态上表现为路由器出高速以太接口和DWDM的直接互连，因此可以去除昂贵的SDH/SONET和 ATM设备，极大地降低网络管理的复杂性。在SDH时代，传统的DWDM系统仅仅是点到点光纤的复用，组网保护是依赖SDH层来完成的。面向大带宽IP业务设计的新一代DWDM设备已经能够实现像SDH一样的各种组网保护，在扬弃SDH备层的同时，继承了SDH在组网保护方面的优点。从网络功能上看， IP层灵活的交换能力可以提供IP路由、流量汇聚、点到多点的组网能力，同时也具有一定的业务层保护能力，运营商可以依靠IP降低投资成本和建立一个可扩展的大型网络，而新一代DWDM网络提供了远距离传送能力和各种简单或者复杂网络物理拓扑情况下的完善的保护能力，二者结合的IP over Optical的网络是All-IP网络架构在骨干承载域的最优实现方案。
      
       长远看，受骨干网络流量爆炸式增长的驱动，高速路由器将和光交换融合成光路由器，以提供海量的交换容量，使用IP协议、通过在不同波长间交换业务、允许动态控制带宽等，可以为开展新业务提供更多的灵活性。
      
       但从目前技术发展来看，光交换路由器在缓存容量、成本、业务处理等方面均存在着难以解决的障碍，短期内仍然无法成为实用性的技术。而比较切实可行的方案，就是在IP设备和光网络设备之间实现控制协议的互通，基于目前已经成熟的GMPLS技术实现IP网络和光网络之间的统一控制和管理，从而达到业务层面与传送层面的互动，实现基于业务的动态调度。
      
       网络处理器充当转发引擎核心
      
       随着IP网络及其承载业务数量和种类的高速增长，IP网络尤其是骨干网的结构和层次也越来越复杂，这种复杂的结构大大增加了运营商的运作成本和人力成本，而超大容量核心路由设备的出现使得网络层次的简化成为可能。网络结构简化意味着核心路由设备除了原有P设备的交叉互连功能外，还必须承担部分PE设备的业务接入功能，这也就对核心路由设备的功能核心——转发引擎提出了更高的业务支持能力要求。
      
       在路由器的核心部件转发引擎的发展历程上，经历了从通用CPU到ASIC、再到网络处理器的演进。其中采用专用ASIC来完成规定的数据包处理工作是十分理想的，但它的开发周期太长，复杂的ASIC需要18个月到2年的开发时间，每一个ASIC的发都必须经历一个设计和制造的周期，很难适应当今越来越短的产品开发周期和IP网络日益增长的新增业务承载的需求。而网络处理器位于每个线卡上，采用软件完成IP报文处理和转发，处理器的软件可以更新，不仅满足了业务发展的需要，而且可提供线速转发的性能。
      
       网络处理器于2000年初出现，现已被许多网络设备制造商选作新一代高端路由器设备的核心处理器。目前在业界的主流数据设备制造厂商中，华为是最先利用网络处理器技术开发核心路由器的厂家，其具备快速的业务升级能力的第五代路由器理念，为核心路由器的发展带来新思路。如今其他厂家也纷纷采用网络处理器技术。同时，能够开发出成熟的NPU芯片的公司也从开始的两三个迅速增加到了十几个，而且NPU的处理能力也从2.5Gbit/s扩展到 10Gbit/s，40Gbit/s的NPU也即将走向成熟商用。这些都说明网络处理器技术在网络产品市场中将占据越来越重要的位置。尤其在核心路由器领域，网络处理器以其杰出的包处理性能及可编程性，已经成为构成路由转发引擎不可替代的部分。
      
       随着IP网络的发展和所承载业务的增加，其对核心路由器的要求也在不断提高。核心路由器经过十几年的蓬勃发展，而今正迈入“花样年华”，正如中国电信有关专家所言：“电信骨干流