100G之云间交换篇—运营商网络的新路由平台

  二、 实现核心路由器大容量/高性能的两个步骤

  大容量/高性能是核心路由器最关键的技术，实现方法包括两个步骤：第一步是提高路由器单框的交换容量，满足100G端口的线速交换能力;第二步是通过多框集群的方法提高单节点的端口密度。

  1. 单框交换容量

  路由器单框交换容量主要以采用高性能交换架构(CLOS架构)来实现T级交换容量和对100G端口线速的支持能力。

  图3 CLOS多级交换矩阵

  CLOS是多级交换，典型为三级交换架构，通过使用较小交换结构作为基础组件来构建大型交换结构，从而简化大型交换结构的构建。如图3所示，第1和第3级交换网片分布在业务板上，第2级交换网片分布在交换网板上，三级交换网构成核心路由器的交换矩阵。该交换矩阵具有如下的特点：

  l 无阻塞、高可靠

  在每一级，每个交换单元的输出都与下一级的所有单元的输入相连，大幅度减少构建无阻塞交换结构所需要的交叉点，从而减少故障点，增强交换结构的可靠性。如图3所示，第1和第3级交换网片分别和第2级交换网片全连接，交叉点只有N个(其中N是交换网板数量)。

  智能调度模式，交换路径负载分担，实现了交换系统严格意义上的无阻塞。如图3所示，第1和第3级到第2级的流量按照1/N负荷分担。

  到指定目的地，第2级交换单元都只存在1条路由。交换单元的交换路径完全独立，不会彼此干扰，不需要复杂的集中控制器来协调各交换单元的交换，进一步增强可靠性和可扩展性。

  支持递归扩展，CLOS网络中间级的交换也可以是一个完整的三级CLOS网络。这可支持构建具有五级、七级或九级的巨大交换结构，在极大数量的输入和输出之间建立严格的无阻塞连接。由于CLOS网络的递归特性，理论上它具有无限的可扩展性。

  到指定目的地，在第1级交换单元存在多条路由，当其中一块网板发生故障时，自动隔离故障网片，通过冗余路径绕过第2级交换单元的故障，实现强大的故障抵御能力。如图4所示，当其中一块网片发生故障，交换矩阵能够实现动态路由，自动隔离故障网片，倒换过程业务，由剩余网片分担转发。

  图4 交换网冗余保护

  l 大容量

  采用CLOS多级交换网架构的核心路由器，业务板卡和每块交换网板都物理相连，通过多网板负荷分担扩展系统的交换能力，交换容量达到T级。

  设计良好的核心路由器，其单框交换容量能够达到或超过部分传统路由器的集群能力，以H3C公司的100G核心路由器CR16000系列为例，其交换容量足以支持每槽位2个100G端口，性能超过部分传统核心路由器的集群能力，其交换容量和100G接口支持能力如表1所示。

  表1. 交换容量

  2. 多框集群

  对于运营商IP骨干网的超级节点，如大型城域网核心路由器、IDC骨干路由器，面临两个重大的技术问题：第一，单框路由器容量逐步发展到极限，端口密度无法满足骨干节点需求;第二，多台路由器通过路由互联方式组成的超级核心节点使得网络结构越趋复杂，运维管理难度加大。如图5所示：

  图5 核心节点路由互联

  这种通过多台核心路由器来共同分担流量的方式，在一定程度上缓解了流量增长的压力，但也带来了新的问题：

  额外消耗多个高速接口，增加了互连链路开销;

  每增加一台核心路由器，IP地址、路由协议邻居数量、路由表条目及路由收敛时间等相应的增加问题随之而来;

  网络变得更复杂，维护压力越来越大;

  多台设备之间流量如何均衡，一直都是业界的难题。

  路由器集群技术能够很好地解决上述问题。路由器集群 (Multi-Chassis)就是将多台路由器互联起来形成一套逻辑上一体的路由器系统。集群是一种最有效的解决扩展性问题的技术，它可在方便维护、不增加网络复杂度的前提下，用更低的网络的建设成本和维护成本来满足业务高速增长、网络性能及容量提升的需求(如图6所示)。

  图6 集群技术

  集群技术通过集中化、一体化的控制管理，使集群系统各台路由器单机之间能够很好地协同工作，扩展路由器的容量，突破单机在开发技术上的限制。在成本方面，由于集群系统中各台路由器通过高速光背板互连，节省了额外的内部互联端口，且不再需要昂贵的路由器接口卡实现复杂的QoS、路由转发等特性，使机箱之间的互连成本远低于普通端口互连方式，大大减少了投资;同时，还克服了采用普通端口互连方式带来的带宽瓶颈问题。更为重要的是，由于集群路由器具有统一的管理和路由控制引擎，对外仅体现为一台逻辑路由器，使得网络拓扑和路由策略变得简单和清晰，维护也更加方便快捷。

  集群路由器已经大量应用在运营商的核心骨干网，甚至是超大型城域网的出口位置。但即便是采用集群，在某些大流量的骨干网节点和城域网出口，网络流量的增长已经远远超过了原有的设计，现有核心路由器的端口数和整体转发能力已现捉衿见肘之势。考虑到技术成熟度和设备稳定性，现网最常见的核心路由器集群采用4台集群，单台核心路由器的容量约在1～2T，集群后的整体性能至多达到10T。未来5年互联网流量与现在相比将有4倍的增长，因此为了满足至少未来5年的互联网容量增长，新一代100G平台核心路由器整体硬件容量能力应该瞄准单框10T，集群后整体性能40T的目标设计。

  针对网络建设来讲，通过路由器集群，将核心设备容量升级到原来的2倍、4倍、6倍、8倍或以上都能采取平滑扩充的方式，而且不会增加路由的跳数和复杂度。因此，集群技术完美地实现了核心路由器容量从Tbit/s级到数十Tbit/s级的扩展，很好地解决了核心层大容量的问题。