路由器发展趋势

浪者仁心

　   芯片速度每18个月翻一翻，而因特网的流量是每六个月翻一翻。作为因特网的枢纽
，路由器正在朝速度更快、服务质量更好和更易于综合化管理的三个方向发展。
  
路由器的功能
  
    在具体分析路由器的发展趋势之前，我们先简单介绍一下路由器的功能。
    传统上路由器工作于所谓网络7层协议的第三层，其主要任务是接收来自一个网络接
口的数据包，根据其中所含的目的地址，决定转发到哪一个下一个目的地（可能是路由
器也可能就是最终目的点），并决定从哪个网络接口转发出去。这是路由器的最基本功
能——数据包转发功能。为了维护和使用路由器，路由器还需要有配置或者说控制功能
。
     根据TCP/IP协议，路由器的数据包转发具体过程是：
网络接口接收数据包；这一步负责网络物理层处理，即把经编码调制后的数据信号还原
为数据。不同的物理网络介质决定了不同的网络接口，如对应于10Base-T以太网，路由
器有10Base-T以太网接口，对应于SDH，路由器有SDH接口，对应于DDN，路由器有V.35接
口
根据网络物理接口，路由器调用相应的链路层（网络7层协议中的第二层）功能模块以
解释处理此数据包的链路层协议报头。这一步处理比较简单，主要是对数据完整性的验
证，如CRC校验、帧长度检查。近年来，IP over something 的趋势非常明显，特别是光
纤网络技术的迅速发展和IP作为事实标准的确立，使得在DWDM（密集波分复用）光纤上
，IP（处于网络层——网络7层协议中的第三层）跳过链路层而被直接加载在物理层之上
。
在链路层完成对数据帧的完整性验证后，路由器开始处理此数据帧的IP层。这一过程是
路由器功能的核心。根据数据帧中IP包头的目的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳
的IP地址，IP数据包头的TTL（Time to Live）域开始减数，并计算新的校验和（check
sum）。如果接收数据帧的网络接口类型与转发数据帧的网络接口类型不同，则IP数据包
还可能因为最大帧长度的规定而分段或重组。
根据在路由表中所查到的下一跳IP地址，IP数据包送往相应的输出链路层，被封装上相
应的链路层包头，最后经输出网络物理接口发送出去。
      下面详细介绍路由器的发展趋势。
速度更快
    传统意义上，路由器通常被认为是网络速度的瓶颈。在局域网速度早已达到上百兆
时，路由器的处理速度至多只到几十兆比特率。这几年伴随着因特网的爆炸性增长，大
家对路由器的研究也重点体现在提高路由器的处理速度上。96，97年间，美国出现了一
批极具创新精神的小公司，如Nexabit、Juniper、Avici等，把路由器的处理速度提高到
了登峰造极的地步，在很快的时间内相继推出了吉位路由器。连Cisco公司在速度这一方
面都只能望其项背。由于这些高速路由器无一例外地都引入了交换的结构，这些路由器
也被称千兆位交换路由器（GSR-Gigabit Switch Router）和太位交换路由器(TSR)。这
些路由器的光接口速度也很快从OC-12 ( 622Mbps ) 跳到OC-48 ( 2.5Gbps ) 再到OC-1
92 ( 10Gbps )，这样的速度早已把ATM交换机远远地甩在身后。从此，ATM在核心网络中
的不可代替的地位彻底发生了动摇。旷日持久的IP——ATM技术之争终于以IP占据压倒性
的优势结束。不过，从以下的分析，我们也可以看出，IP路由器速度的提高是直接得益
于ATM的概念和技术的，在IP领域中提出的许多新概念和新技术也有相当一部分是直接或
间接来源于ATM，两种优秀的技术逐渐开始融合。事实上，许多公司从事高速IP路由器研
发的技术人员正是过去研究ATM技术的研发人员。具体来说，IP路由器速度的急剧提高来
源于以下四个方面的技术进展。
硬件体系结构。路由器的硬件体系结构大致经历了6次变化（《路由器的体系结构》中
将详细讨论），从最早期的单总线、单CPU结构发展到单总线、多CPU再到多总线多CPU。
到现在，高速IP路由器中多借鉴ATM的方法，采用交叉开关方式实现各端口之间的线速无
阻塞互连。高速交叉开关的技术已经十分成熟，在ATM和高速并行计算机中早已得到广泛
应用，市场上可直接购买到的高速交叉开关的速率就高达50Gbps。伴随着高速交叉开关
的引入，也同时引入了一些相应的技术问题，特别是针对IP多播，广播以及服务质量(Q
oS)，采用成熟的调度策略和算法，这些问题都得到了很好的解决。
ASIC技术。这些年，出于成本和性能的考虑，ASIC应用得越来越广泛，几乎是言必称A
SIC。在路由器中要极大地提高速度，首先想到的也是ASIC。有的用ASIC做包转发，有的
用ASIC查路由，并且查找IPV4路由的ASIC芯片已经开始上市销售。在ASIC蓬勃发展、大
量应用的潮流中，有一动向值得注意，这就是所谓可编程ASIC的出现，这恐怕也是网络
本身日新月异所导致的一种结果。由于ASIC的设计生产的投入相当大，一般来说，AISC
只用于已完全标准化的过程，而网络的结构和协议又变化相当快，因此相应地在网络设
备这一领域，出现了奇特的“可编程ASIC”。目前，有两种类型的所谓“可编程ASIC”
，一种以3COM公司FIRE ( Flexible Intelligent Routing Engine ) 芯片为代表，这颗
ASIC芯片中内嵌了一颗CPU，因此具有一定程度的灵活性；另一种以Vertex Networks的
HISC专用芯片为代表，这颗芯片是一颗专门为通信协议处理的CPU，CPU体系结构设计专
门化的适应协议处理，通过改写微码，可使这颗专用芯片具有处理不同协议的能力以适
应类似从IPV4到IPV6的变化。
三层交换。这是协议处理过程的一次革命性突破，也是现在GSR和TSR名称的来源。自从
名不见经传的Ipsilon公司在1994年推出“一次路由，然后交换”的IPSwitch技术之后，
各大公司纷纷推出自己专有的三层交换技术。如Cisco的Tag Switch、3Com 的Label Sw
itch等。综合这些专有技术的优点，IETF终于在1998年推出了性能优越的多协议标记交
换(MPLS)。与“一次路由，然后交换”的最初思想相比，MPLS从网络结构这一更高的层
次来考虑三层交换技术，力图一举解决三层交换网络流量管理的问题。与最初的Ipswit
ch技术不同，MPLS协议要对IP协议包做改动，在网络边缘，MPLS路由器对每个进来的IP
数据包加上标签(Label)，在其后的传输中，核心路由交换设备将只依据这个标签决定转
发路径，这种做法已经十分类似ATM世界中的虚电路概念。目前这一方面的研究仍在进行
中，主要技术难点在于如何在网络自治系统中确定网络边缘路由器上的标签分配方案，
以及如何根据网络负载和故障情况动态自适应调整这个方案
IP over SDH，IP over DWDM。这方面的技术进展完全源于光纤通信技术的进展。随着
IP的核心地位逐渐被认同，IP over ATM、然后ATM over SDH的方式被IP直接over SDH的
方式取代。SDH采用时分复用的方式承载多路数据。因此在核心网中需大量采用复用器交
叉连接器。DWDM(密集波分复用)使得一根光纤上可用不同的波长传送多路信号。一般一
根光纤上同时跑4个波长即可称为DWDM。自从1996年16个波长的DWDM光纤通信产品问世以
来，到现在40个波长的DWDM技术已经实用化，80乃至于96个波长的DWDM产品也将在2000
年内推出，我国也已经具备开发8个波长的DWDM技术。由于采用波分复用技术，数据在光
纤上时的传送变得相当简单，光通信技术的进步使得光信号可以在800公里长的范围内直
接传输而无需任何光电或光光再生放大器。IP数据包直接调制在某个波长上，无需再经
过复用、解复用。甚至在核心网中，直接采用波长信息作为IP数据流的路径信息。
服务质量更好
    前面所述的路由器在速度上的提高仍只不过是为了适应数据流量的急剧增加。而路
由器发展趋势更本质、更深刻的变化是：以IP为基础的包交换数据将在未来几年内迅速
取代已发展了近百年的电路交换通信方式，成为通信业务模式的主流。这意味着，IP路
由器不仅要提供更快的速度以适应急剧增长的传统的计算机数据流量，而且，IP路由器
也将逐步提供原电信网络所提供的种种业务。但是传统的IP路由器并不关心也不知道IP
包的业务类型，一般只是按先进、先出的原则转发数据包，语音电话数据、实时视频数
据、因特网浏览数据等等各种业务类型的数据都被不加区分的对待。由此可见，IP路由
器要想提供包括电信广播在内的所有业务，提高服务质量(QOS)是其关键。这也正是目前
各大网络设备厂商(包括Cisco，3Com，Nortel等)所努力推进的方向。各大厂商新推出的
高、中、低档路由器中都不同程度地支持QoS，如Cisco的最高档12000系列，从硬件和软
件协议两方面都对QoS有很强的支持，而其新推出的低端产品2600系列也支持语音电话这
样的新业务应用。事实上，QoS不仅是路由器的一个发展趋势，以路由器为核心的整个I
P网络都在朝这个方向发展。“三网合一”这样一个概念便是这个方向的产物。然而以传
统IP路由器为核心的网络已经不能适应”三网合一”的趋势，以美国为首的各个国家都
在推进能提供更好，更快的服务质量的网络技术的研发。其中路由器的研发又是其中的
关键，公司成为推动这项技术的主要动力。
    对QoS的支持来自软件和硬件两个方面。从硬件方面说，更快的转发速度和更宽的带
宽是基本前提。从软件协议方面来说，近年来的努力，表现在以下几个结果：
IPV4包头服务类型字段。IPV4包头中有一个3位的区域用以标识此IP包的优先级。据此
优先级，IP路由器可以决定不同IP包的转发优先顺序。可以说，自IP协议制定之日起，
就已经为日后提供更好的QoS预留了机制的保证。但由于IP网络在蓬勃发展的初期并不注
重QoS。因此，一般这个人3位区域并没有被使用。不过，如我们下面分析所能看到，仅
仅在IP包中定义服务类型是绝对不够的，通过信令在整个网络的各个环节都必须保证支
持所要求的服务质量。
RSVP（资源预留协议）及相应的系列协议。这是IP路由器为提供更好的服务质量向前迈
进的具有深刻意义的一步。传统上IP路由器只负责包转发，通过路由协议知道临近路由
器的地址。而RSVP则类似于电路交换系统的信令协议一样，为一个数据流通知其所经过
的每个节点（IP路由器），与端点协商为此数据流提供质量保证。RSVP协议一出现，立
刻获得广泛的认同，基本上被任为较好地解决了资源预留的问题。但随着时间的推移，
网络的爆炸性增长，RSVP所暴露出来的问题越来越多，主要体现在以下几个方面：
    最根本的是，RSVP是以每一个数据流为协商服务对象，在网络流量爆炸性增长的情
况下，路由器转发的数据流个数急剧增长，为提高转发速度，路由器中做了大量专门设
计，已经根本不可能再为每个数据流进行复杂的资源预留协议。
    其次，当由于线路繁忙或路由器故障等原因，路由修改时，需要重新进行一次相对
耗时RSVP过程。
出于以上两个原因，IETF又新推出另一种QoS策略——DiffServ (Differentiated Ser
vice)。目前DiffServ的框架已基本确定，美国的internet2也选择DiffServ作为其QoS策
略。与DiffServ相比，RSVP是一种Integrated Service，集中控制策略，而DiffServ则
是一种分散控制策略，其精髓是仅控制路径中每一跳（per hop）的行为。终端应用设备
通过SLA（Service Level Agreement）与边缘路由器协商获得其应用数据流可得到保证
的服务级别。根据这个服务级别，边缘路由器为每个接收到的数据包打上级别的标记，
而核心路由器则只是根据每个包的服务级别的标记决定转发时的调动行为。由于客户只
是与边缘路由器协商并获得服务级别保证，在一个相互关联的大网中，由于网络流量不
均匀等原因，不同边缘路由器所提供的相同级别的服务等级的实际服务质量并不一样，
这就需要不同的提供QoS服务等级的网络区域之间也通过SLA相互交流流量信息，以避免
或减少上述情况的发生。
多协议标记交换（MPLS）也被用来解决QoS问题。但其覆盖范围是核心网络路由器。为
建立合理的核心路由间的交换路径，核心路由器间需要定时交换流量等状况信息。
管理更加智能
    随着网络流量的爆炸性增长，网络规模日  膨胀，?及对网络服务质量的要求越来
越高，路由器上的网络管理系统变得日益重要，网络连接已成为日常工作，生活中不可
缺的部分。在保证质量的情况下最大限度地利用带宽、及早发现并诊断设备故障，迅速
方便地根据需要改变配置，这些网络管理功能都日益成为直接影响网络用户和网络运营
商利益的重要因素。在网络协议七层模型中，网络管理属于高层应用，目前各厂家网络
管理的一个重要发展趋势是向智能化方向发展。所谓智能化又体现在两个方面，一是网
络设备（路由器）之间信息交互的智能化；二是网络设备与网络管理者之间信息交互的
智能化，
    在网络管理智能化的大趋势中，“基于策略的管理”和“流量工程”这两个技术概

念是目前最引人注目的。各路由器厂商在新推出的产品中无不标榜自己的网络管理配套
系统具有或部分具有这两个方面的功能。
    “基于策略的管理”这一概念将同时影响路由器之间和路由器与网络管理者之间的
信息交互行为模式。使得网络管理者更易于从用户的角度去定义和约束网络行为，而这
些上层策略将直接影响网络基本行为，使传统的路由算法发展为基于策略的路由算法，
使路由器之间的信息交互必须包涵策略性所涵盖的信息内容。
    “流量工程”是核心网运营商最关心的问题，新的协议如MPLS在解决标记交换的同
时，也提供了一个很好的解决“流量工程”的方法。即通过路由器三间交互各端的流量
状态等信息，用收敛算法计算一段时间内网络内标记的显式路径，约束最短路程优先算
法被采用以使整个网络的流量在每一段时间内尽量保持均衡 。
    作为本文的总结，可以说网络技术的发展是日新月异。当我们沉沁在以IP为基础的
因特网给我们所带来的巨大喜悦中时，路由器技术特别是核心路由器技术正在经历着巨
大的变化，路由器早已非当年吴下阿蒙，借用比尔.盖茨的话说，我们离不懂路由器只有
18个月。
  
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