圖1a展示了通過交換結構連起來的一些網絡接口、轉發引擎、路由控制器、管理控制器。輸入端口通過交換結構把數據包發送到轉發引擎,轉發引擎再確定數據包該發往哪個輸出端口。該信息再送回給輸入接口,由其轉發數據包到輸出端口。轉發引擎的唯一任務是處理數據報頭。所有其它的任務如處理路由協議、資源預留、對需要進一步操作的數據包的處理,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級路由器用這種設計技術實現。

而分布式路由器的區別在于轉發引擎的功能以分布的方式集成進了接口卡中。大多數高端路由器都使用這種設計架構。轉發表從路由控制器下載,路由控制器負責維護路由表和根據路由協議如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發表,路由更新可能非常頻繁,而路由協議需要幾分鐘的時間收斂。路由控制器需要設計一個為快速更新而設計的動態路由表,并快速產生轉發表。而轉發表需要對查找速度優化,并不需要動態。

圖2展示了一個典型的分布式路由器具體架構,其中多個線卡、路由控制器、管理控制器都通過交換結構相互連接。線卡是數據進出路由器的端口,它們提供了從物理層和更高層到交換結構的接口。隨著新應用的發展和協議的進化,線卡的任務變得越來越復雜。

每個線卡至少支持一個網絡側的全雙工光纖連接,至少一個到交換結構背板的進入和出口連接。一般來說,對于高帶寬的應用,如OC-48及其更高的應用,網絡連接支持管道化,使得低速鏈路匯聚成更大的管道,交換結構連接對于幾千個輸入和輸出隊列提供流控機制,以調節進出交換結構的流量。

線卡上通常包含如收發器、成幀器、網絡處理器(NP)或路由SoC、流量管理器和中央處理器(CPU)。

A 收發器

該器件執行光電和電光信號轉化和串并和并串轉化。對于收發器件的重要性,美國國家半導體公司亞太區接口產品市場經理尹俊民先生特別指出,高端核心路由器的數據傳輸率介于 XAUI()與 N×10Gbps 之間。隨著路由器的傳輸量不斷提高,要確保傳輸的信號完整無缺并不容易,因為信號之間不但會產生串音干擾,而且經由底板長距離傳送的信號會不斷衰減,這是信號出現缺漏的兩大原因。要徹底解決信號失真的問題,路由器開發商必須采用合適的信號調節收發器。

B 成幀器

成幀器執行同步,幀開銷處理,信元或數據包生成。例如,在傳輸側,同步光纖網(SONET)成幀器產生段,線和路徑開銷。在接收側,成幀器處理段,線和路徑開銷。

C 網絡處理器(NP)

NP主要執行表查找,數據包分類,數據包修改。網絡處理器利用SRAM或DRAM以線速執行前兩個功能。但可能需要外加的內容尋址存儲器(CAM)或專用的協處理器來在更高的層上執行數據包分類。

D 流量管理器

為了滿足每個連接和服務級別的需求,流量管理器對信元/數據包流執行不同的控制功能,包括流量接入控制,緩沖管理,信元/數據包調度。流量接入控制由一組協議技術和機制構成:

1 明確期望的流量屬性和服務需求(比如數據流的峰值速度,需要的延遲邊界,丟失容忍度)

2 數據流整形(即延遲),比如降低速度和/或突發度。

3 管轄數據流和當流量偏離規定時,采取適當的行為(如丟棄,延遲,數據包標記)。ATM中的用戶參數控制(UPC)和IP中的區分服務(DiffServ)在網絡邊緣執行相似的接入控制。

緩沖管理當緩沖超過一個確定的閾值時,按照丟失需求和優先級別執行信元/數據包丟棄。建議的機制包括隨機RED, 加權RED,早期數據包丟棄(EPD)和部分數據包丟棄(PPD)。

數據包調度確保了數據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,加權公平隊列(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構的輸入間競爭。

E CPU

CPU執行控制面功能,包括連接建立/掛斷、表更新、寄存器/緩沖器管理、異常處理。CPU通常不在實現最大流量的快速路徑上。

交換結構為線卡提供了數據的通道,使得數據包能從進入的線卡轉發到目的線卡。交換結構對路由器的總體性能和擴展性有很大的影響。交換結構可以用多種方式實現,包括總線、crossbar、共享內存或者多級結構?，F在為了能夠有效的擴展交換結構的容量,多級結構被廣泛采用。

多級交換結構是由多個交換單元互聯起來的,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、可擴展的交換結構。多級結構之間的不同取決于交換單元之間是如何互聯的。典型的結構包括Benes網、Butterfly網、Clos網等形式。

Benes網使用方形交換單元(即:輸入輸出端口數相同)進行多級互聯。一般來說,3級N部Benes網的每一級均可以用N個輸入/輸出端口和N個交換單元來構造。這個格形結構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級。

雖然對于小型系統單級結構的設計相對簡單,成本也相對低,但是它不能滿足下一代互聯網擴展的需要。多級結構在操作上較復雜,但是可以擴展到成百上千個端口,這對于下一代互聯網核心路由系統是絕對必要的。在多級拓撲結構中,Benes結構是最佳選擇,因為它的系統復雜程度最低,性能好且滿足可擴展的要求。

作者:陳佳

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