路由器的關(guān)鍵技術(shù)81499

1、路由器的關(guān)鍵技術(shù)近年來，互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展異常迅猛，應(yīng)用日益商業(yè)化，網(wǎng)上用戶數(shù)的發(fā)展難以預(yù)測。此外，越來越多的用戶 需要高速接入。冇關(guān)資料表明，在我國，上網(wǎng)速度慢是眾多網(wǎng)民抱怨的首要問題。因此,提高網(wǎng)絡(luò)帶寬、 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、路由器上的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)變得口益重要。在保證質(zhì)量的前提下，最人限度地利用帶寬，及 早發(fā)現(xiàn)并診斷設(shè)備故障，迅速方便地根據(jù)需耍改變配置等網(wǎng)絡(luò)管理功能，成為直接影響網(wǎng)絡(luò)用八和網(wǎng)絡(luò)運 營商利益的重耍因素。總地來說，路由器的結(jié)構(gòu)止朝著速度更快、服務(wù)質(zhì)量更好和更易于綜合化管理三個 方向發(fā)展。路由器的兩人功能數(shù)據(jù)通路功能：對于每個到達路由器的數(shù)據(jù)包，在不丟失的情況下，負責(zé)尋路。此功能主耍包括：轉(zhuǎn)

2、 發(fā)決定，經(jīng)山背板輸出鏈路隊列調(diào)度。轉(zhuǎn)發(fā)功能是通過專門破件來實現(xiàn)的，每一個通過路山器的分組包都 要執(zhí)行這個操作。數(shù)據(jù)通路功能對改進路由器的性能是很重要的?？刂乒δ埽褐饕酚杀淼墓芾砗拖到y(tǒng)的配置與管理，以及與和鄰路由器交換路由表信息，通過軟 件實現(xiàn)等。這些功能不是針對每個數(shù)據(jù)包的，因此使用頻度相對低一些。路山器的關(guān)鍵技術(shù)問題就h前路由器設(shè)計中的一些關(guān)鍵技術(shù)，有的問題已經(jīng)取得了階段性的成果，有的才剛剛開始研究。需 耍說明的是，這個領(lǐng)域的發(fā)展非?？臁榱吮阌谙到y(tǒng)地理解這些關(guān)鍵技術(shù)問題，我們根據(jù)路由器發(fā)展的三 大趨勢，大致將這些問題分為三類。一是與高速有關(guān)的問題，如路山表快速查找、總線背板和交換結(jié)

3、構(gòu)等。 二是qos問題，如數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)包的分類，流量工程和阻塞控制等。三是與軟件有關(guān)的問題，如軟件的穩(wěn) 定性、配置和管理等。需要說明的是，這種分類法并不嚴格，冇些問題可以同時屬于兩類。1. 與速度有關(guān)的技術(shù)*路山表的快速査找技術(shù)為了解決地址資源緊缺，減少路由表的規(guī)模，降低管理難度，互聯(lián)網(wǎng)采用了 ctdr(classless tnter-doma in routing)。這樣，路由表中存放的不是一個個具體的ip地址，而是可變長度的網(wǎng)絡(luò)前綴。路由器在對 ip包尋址時,釆用最長的網(wǎng)絡(luò)前綴匹配(lpm-longest prefix matching)。例如，假設(shè)路由表中有兩個表 項“202. 168.

4、 x. x,輸出端口 1”和"202. 168. 16. x,輸出端口 2” (x表示任意),如果有一個ip包的目 的地址為202. 16& 16. 5,那么這個包應(yīng)該從端口 2輸出。傳統(tǒng)的路由器執(zhí)行最長網(wǎng)絡(luò)前綴匹配的時間很長, 使得路由表杳找成為路由器速度的瓶頸。授近兩年出現(xiàn)了一些快速杳表算法，能夠支持吉比特鏈路。這些 算法包括改進的粘確匹配法、基t trio法、并行碘件法、協(xié)議改變簡化路由表的查詢和緩沖法等。這些算 法,有些易于硬件實現(xiàn)，有些適合軟件實現(xiàn)。對于組播地址尋址，要根據(jù)1p包的源地址和組播地址査表, 對源地址采用最長前綴兀配法，對目的地址采用精確匹配法。*交換結(jié)

5、構(gòu)和調(diào)度算法交換結(jié)構(gòu)冇cross bar 共亨儲器和總線三種方式。crossbar結(jié)構(gòu)的速度山調(diào)度器決定，共亨存儲器 結(jié)構(gòu)的速度山存儲器的讀寫速度決定，共享總線結(jié)構(gòu)的速度山總線的容量和仲裁的開銷決定。調(diào)度器是 crossbar交換結(jié)構(gòu)的核心，它在每個調(diào)度時隙內(nèi)收集各輸入端口冇關(guān)數(shù)據(jù)包隊列的信息，經(jīng)過一定的調(diào)度 算法得到輸入端口和輸出端口之間的一個匹配，捉供輸入端口到輸出端口的通路。采用輸入緩沖無阻塞方 式的crossbar，用esl1p算法實現(xiàn)調(diào)度己被一些廠家所采用。調(diào)度器設(shè)計的難點在于，既要滿足系統(tǒng)吞吐 率達到100%的要求,又要支持cos (classes of service) <

6、>調(diào)度算法中,加權(quán)公平排隊算法(wfq-weighted fair queuing)和經(jīng)過改進后的加權(quán)公平流排隊算法(wf2qtveighted fair flow queuing)比較容易實現(xiàn), 而且性能也不錯?？倆，要讓互聯(lián)網(wǎng)真正能夠綜合多種業(yè)務(wù)，作為網(wǎng)絡(luò)連接核心設(shè)備的路由器，必須提高 端口速率和交換容量，提供qos保證和流量工程(te-traffic engineering)功能。*背板總線由于端口速率高，交換結(jié)構(gòu)需要加速，而且接口板與交換板乙間、控制板與接口板z間、控制板與交 換板之間的連線很多，目前的高速路由器以及交換機都采川高速背板總線以提高系統(tǒng)的吞吐率。為了提高 效率，數(shù)據(jù)

7、線采用串行差分線路，速率可達毎秒鐘12吉比特。要保證如此高的傳輸速率和那么多的連線, 對背板總線的設(shè)計要求非常高。如何降低數(shù)據(jù)的傳輸誤碼率以及保證時鐘同步是總線設(shè)計屮的關(guān)鍵技術(shù)。 斯坦福人學(xué)的tiny tera路由器項目屮，人量采用串行總線的實現(xiàn)方法值得研究和借鑒。2. 與服務(wù)質(zhì)量有關(guān)的技術(shù)*數(shù)據(jù)包分類技術(shù)路由器耍對到達的分組包進行識別、分類以決定其所應(yīng)接受的服務(wù)類型。當初tetf所考慮的方案是在 網(wǎng)絡(luò)的核心，根據(jù)ip報頭的tos (typo of service)域來識別分組，但是在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中，由于 一直采用“盡力”傳輸，同時由于終端在發(fā)送1p包時不考慮t0s,因此，t0s直沒有發(fā)揮

8、作用。目前在 邊緣設(shè)備，根據(jù)ii)分組的源1p地址、目的ii地址、源端口號、目的端口號、傳輸層協(xié)議類型來對分組進 行識別。此外，為了實現(xiàn)防火墻的功能也需要對ip分組進行識別。在識別時,每條識別規(guī)則采用的是源ip地址、目的ip地址、源端口號、目的端口號、傳輸層協(xié)議類 型。在上述識別規(guī)則中，何個域都可能是一個區(qū)間。例如有這樣一條識別規(guī)則“202. 66. 83. x, 202. 66. 72. x, x, 23, tcp” (x表示任意),這條規(guī)則識別從網(wǎng)絡(luò)202. 66.83. x到網(wǎng)絡(luò)202. 66. 72. x的telnet數(shù)據(jù)。從 兒何的角度來看，假如判別時利用了 ip報頭的k個域，這個問

9、題實際上是在一個k維空間中冇許多互和交 疊的實體(每條判別規(guī)則對應(yīng)于一個實體)，每當有一個分組到達時，該分組相當于k維空間上的一個點， 進行判別實際上是要找出包含該點的優(yōu)先級最高的實體。*數(shù)據(jù)流的分類一系列通過給定的源和h的地的數(shù)據(jù)包被作為數(shù)據(jù)流，流可以是長時間維持的tcp連接的一系列數(shù)據(jù) 包，也可以是聲音或圖像的一系列udp數(shù)據(jù)包。通常，流有長短之分，劃分有兩個標準：端口對和主機對。 按端口對劃分是指同一流的數(shù)據(jù)包必須具有相同的源、h的地址和tcp/udp端口號等；按主機對劃分只要 求各數(shù)據(jù)包具冇相同的源和目的地址。目前常用的流分類器冇三種，一種是x/y分類器，y為規(guī)定的時間 間隔，x為數(shù)據(jù)

10、包數(shù)。若在時間y內(nèi)某一數(shù)據(jù)流到達的數(shù)據(jù)包數(shù)人于x,則該流就被認定為長數(shù)據(jù)流，否則 是短數(shù)據(jù)流；另一種是協(xié)議分類器(protocol classifier),它規(guī)定了所有的tcp包均被定義為數(shù)據(jù)流； 還有-種是端口分類器(卩。譏classifier),它規(guī)定了兒個特殊的tcp端口作為長數(shù)據(jù)流。因為分類要對 每個進入路山器的包進行包頭檢查，我們需要快速的分類算法。* qos問題如果能實現(xiàn)真正的qos,對于互聯(lián)網(wǎng)變?yōu)橐粋€商業(yè)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)來說，當然是最理想的。在目前網(wǎng)絡(luò)阻 塞無法避免的情況下，1etf提出了一些模世和機制來支持qos,主要冇兩種實現(xiàn)框架，即is (integrated service)和

11、ds (differentiated service),其中,is應(yīng)用資源預(yù)留協(xié)議(rsvp),在實時業(yè)務(wù)發(fā)送前建 立發(fā)送通道并預(yù)帶資源；而ds通過給數(shù)據(jù)包做標記將數(shù)據(jù)包分類，使不同的數(shù)據(jù)包享受不同的服務(wù)。實現(xiàn) 真止的qos有-定的難度，無論是采用輸出緩沖，還是共享緩沖的交換結(jié)構(gòu)，內(nèi)部都需耍n倍的加速。* mpls和流量工程在互聯(lián)網(wǎng)上,可以通過mpls支持顯式路由。顯式路由可以彌補傳統(tǒng)tp網(wǎng)絡(luò)中ospfcopen shortest path first)協(xié)議在源和目的之間只建立一條最短路徑的不足。它的好處是，isp可以在兩點之間的不同路徑上 分配業(yè)務(wù)最，從而減少業(yè)務(wù)繁忙的路徑的阻塞率，捉高線路

12、的利用率，捉供一定程度的qos保證。還叮以 通過顯式路山建立兀余線路，在某些路由器發(fā)生故障的情況下，保證通信線路的暢通。1eti；的相關(guān)丁作組 和許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商正在進行這方面的工作，并且己經(jīng)提出了一些實現(xiàn)方案。*阻塞控制tcp協(xié)議采用滑動窗i i機制進行流量和阻塞控制，實際上是發(fā)送端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的阻塞悄況調(diào)整自己的發(fā) 送速率。tcp協(xié)議有兩個特點,一是不公平性，rtt (round trip time)短的進程發(fā)送窗口增加得快,會占用 更大的帶寬。路山器應(yīng)該抑制這種不公平性。另一個是同步現(xiàn)象，以前的路山器采用的尾丟棄策略在網(wǎng)絡(luò) 阻塞時，冇可能導(dǎo)致許多tcp連接的發(fā)送窗口同時急劇下降，然后又同時上

13、升而導(dǎo)致阻塞；如此循環(huán)往復(fù), 線路的利用率很低。這種現(xiàn)彖稱為同步，路由器應(yīng)該采取措施以避免這種現(xiàn)彖的發(fā)生。路由器處理阻塞的-個主要措施就是利用tcp協(xié)議的丟包性質(zhì)。當分組丟失時，tcp會降低發(fā)送速率, 從而減輕路山器的負擔(dān)。山于tcp協(xié)議對丟包很敏感，丟包會造成發(fā)送速率急劇下降，路山器應(yīng)該針對tcp 的性能對緩沖管理進行優(yōu)化，以避免網(wǎng)絡(luò)性能的急劇下降。目前，許多路由器采用隨機早期檢測(red random early detection)的方法來進行阻塞控制。這種 方法通過在阻塞發(fā)生前提早丟包，使得終端降低發(fā)送速率，以減輕網(wǎng)絡(luò)負載，避免阻塞，抑制同步現(xiàn)象。 red算法的最大缺點是：只對類似tc

14、p i辦議自動進行流控的傳輸層協(xié)議起作用；對于udp協(xié)議路山器丟包 并不會促使發(fā)送端降低發(fā)送速率。山于tcp數(shù)據(jù)流量在網(wǎng)絡(luò)中所占的比重很大,red算法的性能還是比較 好的?；ヂ?lián)網(wǎng)上許多路由器都采用了這種方法進行阻塞控制，事實證明這種方法效果良好。3. 與軟件有關(guān)的問題*軟件的重要性過去，路由器被看作是堆佳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的硬件設(shè)備,軟件僅提供監(jiān)視器的功能。但隨著路由器的發(fā)展, 軟件在路由器中起的作用越來越大。實際上,實時操作系統(tǒng)(如,通信領(lǐng)域常用psos和vxworks)的選擇 對一個通信產(chǎn)品來說是至關(guān)匝要的。如杲要開發(fā)效率很高的軟件，需要操作系統(tǒng)廠商的支持。像cisco公 司，就是自c開發(fā)專用的路

15、山器操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件。如果這種趨勢繼續(xù)發(fā)展，終端用戶將來可以很方 便地在路由器上裝載各種應(yīng)用軟件模塊，使路由器能夠提供防火墻、流量管理策略、特殊應(yīng)用信令、路由策略等功能。*網(wǎng)管系統(tǒng)目前的網(wǎng)管協(xié)議是簡單網(wǎng)管協(xié)議版本2. 0(snmpv2, simple network management protocol v2. 0),在 tcp/ip協(xié)議中用udp協(xié)議實現(xiàn)。由于路由器在體系結(jié)構(gòu)上的變化，使得一些網(wǎng)管信息需要由底層的硬件來 提供,這一點和以前的實現(xiàn)方法是不同的。這里的工作主要是通過網(wǎng)管功能和管理信息數(shù)據(jù)庫 (mib-management information base)的實現(xiàn)來給網(wǎng)絡(luò)管理

16、者提供充足的管理信息和強大、靈活的管理功 能。*計費對用戶的數(shù)據(jù)流量進行計費需要捉取1p包的地址、端口、cos等信息，由于端口速率很高，這部分信 息的數(shù)據(jù)量也是比較人的，如果在接口板上進行處理很不現(xiàn)實。而且，不同的isp收費的標準很可能是不 一樣的。因此，應(yīng)該將計費功能分離岀去，路由器接口板只負責(zé)提供一個計費信息的接口，把計費信息送 岀來。之后，可以將這些數(shù)據(jù)寫到外部存儲設(shè)備，由專門的機器進行計費處理。這樣將減輕路由器的負擔(dān), 計費功能的實現(xiàn)也更加靈活。*配置路由器的配置是-項非常重要而乂較困難的工作，一旦出現(xiàn)錯誤配置，不但難以發(fā)現(xiàn)，而且會岀現(xiàn)一 些難于琢?xí)男阅軉栴}。隨若路山器技術(shù)的發(fā)展，其

17、配置會越來越簡單和有效，這個問題的完善解決將足 一個長期的工作。*軟件的穩(wěn)足性大家知道，路山器的®!件可以用熱備份、雙電源供電、數(shù)據(jù)通路備份等方法來捉高穩(wěn)定性，但對于軟 件的穩(wěn)定性則是一個較難解決的問題。一個大網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性的前提條件是軟件的穩(wěn)定性。軟件穩(wěn)定性 的難點在f軟件的狀態(tài)均受不同軟件相互作用的影響。結(jié)束語從世界范圍看，依據(jù)目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展情況，吉比特路山器是高速路山器市場的主流，太比特路山器的市 場并不人。但就互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展勢頭來看，太比待路由器將冇用武z地，一些公司已經(jīng)在對它進行一定的應(yīng) 用和測試。如：美國gst公司己經(jīng)決定在其“supernet”網(wǎng)上使用avici的太比特路由器?；ヂ?lián)網(wǎng)測量統(tǒng)計公司1 amasia2000年6月7日在香港公布的研究報告指出，我國的互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)己達 到1230萬人。在我國內(nèi)地，家中上網(wǎng)的用戶數(shù)目前為570萬，辦公室上網(wǎng)的人數(shù)則為500萬；而香港在家 中和在辦公室上網(wǎng)人數(shù)分別為152萬和61萬?，F(xiàn)在我國的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模還不人，近期骨干網(wǎng)發(fā)展使用的是吉比 特路由器，163網(wǎng)就使用了 6個cisco的吉比特路由器。們我們這樣的一個泱泱大國，在以厲兒年，用戶 的發(fā)展?jié)摿κ遣豢晒懒康?，某些骨干?jié)點要考慮太比特路由器，吉比特路由器可能會用在次耍節(jié)點或邊緣 節(jié)點上。目前，迫切協(xié)要能提