ay: block;">路由器架構(gòu)總體上分為兩大類:集總式和分布式。
圖1a展示了通過交換結(jié)構(gòu)連起來的一些網(wǎng)絡(luò)接口、轉(zhuǎn)發(fā)引擎、路由控制器、管理控制器。輸入端口通過交換結(jié)構(gòu)把數(shù)據(jù)包發(fā)送到轉(zhuǎn)發(fā)引擎,轉(zhuǎn)發(fā)引擎再確定數(shù)據(jù)包該發(fā)往哪個輸出端口。該信息再送回給輸入接口,由其轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到輸出端口。轉(zhuǎn)發(fā)引擎的唯一任務(wù)是處理數(shù)據(jù)報頭。所有其它的任務(wù)如處理路由協(xié)議、資源預(yù)留、對需要進一步操作的數(shù)據(jù)包的處理,以及其它的管理和維護操作都由路由控制器和管理控制器操作。通常Gb級路由器用這種設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)。
而分布式路由器的區(qū)別在于轉(zhuǎn)發(fā)引擎的功能以分布的方式集成進了接口卡中。大多數(shù)高端路由器都使用這種設(shè)計架構(gòu)。轉(zhuǎn)發(fā)表從路由控制器下載,路由控制器負責維護路由表和根據(jù)路由協(xié)議如OSPF和BGP更新路由表,如圖1b所示。
沒有必要每次路由更新時都下載新的轉(zhuǎn)發(fā)表,路由更新可能非常頻繁,而路由協(xié)議需要幾分鐘的時間收斂。路由控制器需要設(shè)計一個為快速更新而設(shè)計的動態(tài)路由表,并快速產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)表。而轉(zhuǎn)發(fā)表需要對查找速度優(yōu)化,并不需要動態(tài)。
圖2展示了一個典型的分布式路由器具體架構(gòu),其中多個線卡、路由控制器、管理控制器都通過交換結(jié)構(gòu)相互連接。線卡是數(shù)據(jù)進出路由器的端口,它們提供了從物理層和更高層到交換結(jié)構(gòu)的接口。隨著新應(yīng)用的發(fā)展和協(xié)議的進化,線卡的任務(wù)變得越來越復(fù)雜。
每個線卡至少支持一個網(wǎng)絡(luò)側(cè)的全雙工光纖連接,至少一個到交換結(jié)構(gòu)背板的進入和出口連接。一般來說,對于高帶寬的應(yīng)用,如OC-48及其更高的應(yīng)用,網(wǎng)絡(luò)連接支持管道化,使得低速鏈路匯聚成更大的管道,交換結(jié)構(gòu)連接對于幾千個輸入和輸出隊列提供流控機制,以調(diào)節(jié)進出交換結(jié)構(gòu)的流量。
線卡上通常包含如收發(fā)器、成幀器、網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)或路由SoC、流量管理器和中央處理器(CPU)。
A 收發(fā)器
該器件執(zhí)行光電和電光信號轉(zhuǎn)化和串并和并串轉(zhuǎn)化。對于收發(fā)器件的重要性,美國國家半導(dǎo)體公司亞太區(qū)接口產(chǎn)品市場經(jīng)理尹俊民先生特別指出,高端核心路由器的數(shù)據(jù)傳輸率介于 XAUI()與 N×10Gbps 之間。隨著路由器的傳輸量不斷提高,要確保傳輸?shù)男盘柾暾麩o缺并不容易,因為信號之間不但會產(chǎn)生串音干擾,而且經(jīng)由底板長距離傳送的信號會不斷衰減,這是信號出現(xiàn)缺漏的兩大原因。要徹底解決信號失真的問題,路由器開發(fā)商必須采用合適的信號調(diào)節(jié)收發(fā)器。
B 成幀器
成幀器執(zhí)行同步,幀開銷處理,信元或數(shù)據(jù)包生成。例如,在傳輸側(cè),同步光纖網(wǎng)(SONET)成幀器產(chǎn)生段,線和路徑開銷。在接收側(cè),成幀器處理段,線和路徑開銷。
C 網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)
NP主要執(zhí)行表查找,數(shù)據(jù)包分類,數(shù)據(jù)包修改。網(wǎng)絡(luò)處理器利用SRAM或DRAM以線速執(zhí)行前兩個功能。但可能需要外加的內(nèi)容尋址存儲器(CAM)或?qū)Ｓ玫膮f(xié)處理器來在更高的層上執(zhí)行數(shù)據(jù)包分類。
D 流量管理器
為了滿足每個連接和服務(wù)級別的需求,流量管理器對信元/數(shù)據(jù)包流執(zhí)行不同的控制功能,包括流量接入控制,緩沖管理,信元/數(shù)據(jù)包調(diào)度。流量接入控制由一組協(xié)議技術(shù)和機制構(gòu)成:
1 明確期望的流量屬性和服務(wù)需求(比如數(shù)據(jù)流的峰值速度,需要的延遲邊界,丟失容忍度)
2 數(shù)據(jù)流整形(即延遲),比如降低速度和/或突發(fā)度。
3 管轄數(shù)據(jù)流和當流量偏離規(guī)定時,采取適當?shù)男袨?如丟棄,延遲,數(shù)據(jù)包標記)。ATM中的用戶參數(shù)控制(UPC)和IP中的區(qū)分服務(wù)(DiffServ)在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行相似的接入控制。
緩沖管理當緩沖超過一個確定的閾值時,按照丟失需求和優(yōu)先級別執(zhí)行信元/數(shù)據(jù)包丟棄。建議的機制包括隨機RED, 加權(quán)RED,早期數(shù)據(jù)包丟棄(EPD)和部分數(shù)據(jù)包丟棄(PPD)。
數(shù)據(jù)包調(diào)度確保了數(shù)據(jù)包傳遞滿足每個連接的分配帶寬/延遲需求。建議的機制包括不足額循環(huán),加權(quán)公平隊列(WFQ)和變種如整形虛時鐘和最壞情況公平WFQ。后兩種機制實現(xiàn)了最壞情況公平屬性。流量管理器也管理多個隊列來解決交換結(jié)構(gòu)的輸入間競爭。
E CPU
CPU執(zhí)行控制面功能,包括連接建立/掛斷、表更新、寄存器/緩沖器管理、異常處理。CPU通常不在實現(xiàn)最大流量的快速路徑上。
交換結(jié)構(gòu)為線卡提供了數(shù)據(jù)的通道,使得數(shù)據(jù)包能從進入的線卡轉(zhuǎn)發(fā)到目的線卡。交換結(jié)構(gòu)對路由器的總體性能和擴展性有很大的影響。交換結(jié)構(gòu)可以用多種方式實現(xiàn),包括總線、crossbar、共享內(nèi)存或者多級結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在為了能夠有效的擴展交換結(jié)構(gòu)的容量,多級結(jié)構(gòu)被廣泛采用。
多級交換結(jié)構(gòu)是由多個交換單元互聯(lián)起來的,每個交換單元具有一整套輸入輸出,與普通交換機類似,提供輸入輸出的連接。通過互聯(lián)多個小的交換單元,就可以制造一個大型的、可擴展的交換結(jié)構(gòu)。多級結(jié)構(gòu)之間的不同取決于交換單元之間是如何互聯(lián)的。典型的結(jié)構(gòu)包括Benes網(wǎng)、Butterfly網(wǎng)、Clos網(wǎng)等形式。
Benes網(wǎng)使用方形交換單元(即:輸入輸出端口數(shù)相同)進行多級互聯(lián)。一般來說,3級N部Benes網(wǎng)的每一級均可以用N個輸入/輸出端口和N個交換單元來構(gòu)造。這個格形結(jié)構(gòu)在每個輸入端和每個輸出端之間形成N個可能的通路。Benes輸出可以擴展至任意奇數(shù)級。
雖然對于小型系統(tǒng)單級結(jié)構(gòu)的設(shè)計相對簡單,成本也相對低,但是它不能滿足下一代互聯(lián)網(wǎng)擴展的需要。多級結(jié)構(gòu)在操作上較復(fù)雜,但是可以擴展到成百上千個端口,這對于下一代互聯(lián)網(wǎng)核心路由系統(tǒng)是絕對必要的。在多級拓撲結(jié)構(gòu)中,Benes結(jié)構(gòu)是最佳選擇,因為它的系統(tǒng)復(fù)雜程度最低,性能好且滿足可擴展的要求。
作者:陳佳
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