发信人: orbit()
整理人: orbit(1999-03-17 11:13:34), 站内信件
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IP路由技术演化
1、传统路由器及其局限性
众所周知，传统路由器自80年代问世以来，只有一个CPU，它既负责完成包转
发等实时业务，也负责路由计算、路由表的建立和修改、管理网络界面以及支持
网络管理等系统功能，而且这些功能全部用软件来实现。
这种路由器采用实时操作系统来执行实时业务，既要具有通用操作系统的可靠
性和稳定性，又要将不同的任务组合在一起，这导致了内部开销增加，效率降低
。为此，设计人员必须考虑优化编码以提高整个系统的性能，甚至不惜采用一个
整体码作为基础，从而存在以下缺点：
·一旦整体程序出现部分故障，很容易导致整个任务失败，甚至操作系统崩溃
；
·整体程序中包转发被置于优先位置，一旦路由器忙于包转发，无暇顾及路由
修正和控制等任务，就会导致网络不稳定；
·整体码过分庞大，失去灵活性、可扩展性和稳定性。因为对整体码而言，要
增加一个功能可能会影响整个码，所以要想修改它非常困难；
·整体码尺寸过大，给厂商及时修改版本错误、推出新版本造成困难；
·整体码不能分解成子程序，给模拟、仿真测试造成困难。
尽管存在上述缺点，这种路由器在90年代中期以前仍圆满地满足了数据网络通
信的需求。这是因为，90年代初Internet骨干网传输速率最高为45Mbps，当时流
量、路由节点和链路数目均不很大，人们可以通过人工修改路由矩阵来进行流量
控制，所以使用这种路由器可以满足需求。
到90年代中期，由于CPU能力和上述软件结构的限制，这种传统路由器已经发
展到顶点，其包转发能力不到1Mpps,而且很难再有提高。此外，这种路由器的时
延和时延抖动均比较大，在传送实时业务时不能保证服务质量。1994年，Intern
et商业化获得巨大成功，对骨干网传输速度的要求急剧增加，这种路由器便成为
制约发展的瓶颈。
2、在ATM网上运行IP
90年代中期，路由器成为制约Internet骨干网发展的瓶颈。对于运营商而言，
唯一的选择是采用ATM交换机构成ATM骨干网。当时，ATM的传输速率已经达到155
Mbps或622Mbps。路由器被设置在ATM网的边缘，ATM网提供永久虚通道（PVC）来
连接路由器，每个路由器通过PVC和另一个路由器通信。其中，PVC按照逻辑拓扑
来设置，与物理拓扑是不一致的。
在这种以ATM为核心的IP网中，PVC是脱机计算配置的，计算配置完成后装入路
由器的路由表中，网络在PVC上运行IGP协议，ATM交换机实现全网的逻辑拓扑。
这种方法除解决了传输速度的问题外，还有一个好处是可以通过PVC的配置在
网上精确分配流量。这种实现流量工程的方法较之用人工修改路由矩阵的方法要
先进，而且ATM交换机还可以监视每个PVC的流量，为设置PVC提供参考。因此，近
两三年来，Internet的骨干网大多采用ATM网来实现。
随着Internet规模的进一步扩大，路由节点数目大量增加，流量每半年翻一番
，ATM网的性能又出现不能满足网络流量日益增长的情况了。这表现在以下几个方
面：
·ATM网内部开销比较大，IP数据包装在ATM信元中，传输能力损失大约20％，
很不合算；
·ATM网存在N平方问题，即N个节点可以构成N平方条PVC，当N很大时，PVC数目
过多造成管理困难；
·无法事先设置备份PVC，出现故障后恢复能力差；
·需要管理两个不同的网，即ATM基础网和IP逻辑网。
因此，1997年吉位线速路由交换机面世，人们又开始以吉位线速路由交换机取
代骨干网上的ATM交换机，架构以路由器为核心的骨干网。
校园网、企业网和城域网的建设也经历了类似的过程。为了克服路由器速度慢
、时延长和抖动大等问题，人们发展了在ATM上运行IP的方法，出现了“直通”式
第三层交换机，具体方法有MPOA、IP交换、标记交换（MPLS）等。
在传输实时业务时能够保证QoS的方法通称为IP over ATM。用这种方法实现路
由交换机与下面将介绍的线速路由交换机相比性能价格比要差，但是它在支持多
业务方面有一定优势，在发达国家有一些市场。如果企业只要求支持IP为基础的
业务，则该方法竞争力不强，使用价值也不大。
2、吉（太）位线速路由交换机
解决传统路由器速度问题的根本方法是改变其结构，将路由计算、控制等非实
时任务同包转发等实时任务分开，由不同部分来完成。前者由CPU运行软件来完成
，后者由专门的ASIC硬件来完成。
包转发器负责全部包转发功能，其数据流量占整个系统的99％以上。它由输入
、输出模块和硬件交换机构等部分组成。输入模块中的地址决定逻辑ASIC电路检
验输入数据包的包头，提取终点地址和其他控制信息，将地址与路由转发表比较
，经过交换机构将数据包送到相应的输出模块。在输出模块中，硬件排队器用于
排列输出顺序以保证QoS。这种路由器用硬件实现逐个数据包转发，并按照时钟的
节拍进行，像导线传输一样。为了区别于前述的“直通”型路由交换机，人们把
这种路由器称之为线速路由交换机。
这种交换机的路由处理部分负责整个系统的路由处理任务。它使用通用处理器
，通过软件来实现，并用不同部分的计算周期来完成不同的任务。路由协议、界
面管理、机架管理、SNMP管理、系统安全和用户界面等全部作为子程序系统，由
通用操作系统管理。每个子程序完成独立的处理任务，并有自己的存储器保护，
不会出现相互干扰的现象。
在系统开始工作之前，这种路由表有一个初始设置。在运行过程中，路由表将
根据外部网络拓扑的变化，同步进行修正，为此，路由器必须不断和相邻的路由
器通信来取得路由变化信息，修正路由表。因为线路故障、设备故障、网络用户
的增加与减少等都会使网络拓扑发生变化。在大型网络中，路由器数目和路由所
影响的事件数目都非常大，路由表修正的任务很繁重。
路由表、来自IP包头的信息和管理策略综合构成路由转发表，包转发器是根据
路由转发表而不是根据路由表来转发数据包的。
吉（太）位线速路由器可以支持各种路由协议，包括：RIP、RIPV2、OSPF、I
GRP、EIGRP、PIM和BGP4等。现代吉位线速路由交换机可以拥有最高档传统路由器
的全部功能，且速度要快几十倍甚至上百倍，但价格相差无几。吉位路由交换机
背板交换速度可以达到几千兆比特率,包转发速度可以达到几十兆，若采用并行原
理工作的太位线速路由交换机，包转发速度可以达到几千兆。
现代吉（太）位线速路由交换机还具有支持增值服务的能力，它包括QoS控制
、移动性、分布式、可靠性和地址支持能力。如：
·帧变换能力可以提供不同类型帧之间的变换；
·先进的排队机制用来保证QoS；
·平衡网络负载；
·各种部件的热备份；
·支持移动性，支持局域移动和动态主机配置协议DHCP。
从1997年开始，美国Internet广域骨干网开始进行另一轮更新，用吉位线速路
由交换机取代ATM交换机，在SDH网上直接运行IP，即IP over SDH。
1998年4月，美国付总统戈尔宣布Abilane计划，在Qwest公司和Nortel公司提
供的光缆网上，用Cisco公司提供的GSR12000交换路由器建立2.5Gbps的IP over
SONET宽带IP网，作为美国下一代Internet倡议NGI和大学的Internet2计划的骨干
网。此前，美国用的是VBNS的622Mbps的ATM骨干网。
与此同时，吉位线速路由交换机开始进入校园网、企业网、城域网甚至广域网
各领域。1998年6月，吉位以太网标准通过并公布实施，更加速了这一发展进程，
其优越性能和高性能价格比表现出极强的竞争能力，用它来构建宽带IP网将成为
上述各领域的主流。如PacketEngines公司的PowerRail5200路由交换机中标，用
于在美国华盛顿州建设教育城域网EMAN，这表明吉位以太网开始进入MAN、WAN领
域，构成宽带IP网。
3、现代路由交换技术发展趋势
当前，路由交换技术快速发展，新概念、新名词不断出现，一些传统的概念、
设备和网络分类方法也发生了变化。下面就有关问题进行一些探讨。
L2/L3/L4交换一体化
传统的网络交换机工作在网络模型的第二层上，多口的交换集线器就是网络交
换机。路由器工作在第三层上，所谓L3交换机本质上就是路由器，它可以具有现
代路由器的各种功能。有些厂商把L3交换机定义为只适用于局域网、企业网、内
部网是不恰当的，其原因可能是出于达到便于销售其传统路由器的商业目的。
线速路由交换机具有集L2/L3/L4交换于一体的功能。数据包进入路由交换机以
后，顺序提取L2（地址、帧类型、VLAN及优先级等）、L3（地址、协议及TOS等）
和L4（QoS、安全等）信息。属于L2的信息按照地址进行交换，属于L3的信息按照
终点地址进行包转发，然后按照L4信息决定实施何种QoS和安全授权策略。
L2/L3/L4交换一体化将成为今后路由交换技术的发展趋势，交换机和路由器之
间的差别将会逐步淡化。
LAN/MAN/WAN路由交换技术趋于相同，有一体化发展趋势
线速路由交换机既可以用于LAN和MAN也可以用于WAN，差别只是交换速度、口
密度和路由处理能力不同。今后，按照用途把路由交换机分类为LAN、MAN、WAN型
可能是不恰当的。
过去，人们在LAN和WAN之间必须设置路由器，其作用是在它们之间进行速度匹
配和网络类型的匹配。从这点来说，采用线速路由交换机就没有再设置路由器的
必要，ISP可以将广域网的边缘路由交换机和城域网的中心路由交换机合二为一。
路由器的另一个作用是设置防火墙。现代一些线速路由交换机可以对每一个端
口动态进行安全授权控制，因此，今后也没有必要为设置防火墙而使用专门的路
由器。所以说，LAN/MAN/WAN交换一体化将是今后宽带IP网的发展趋势。目前我国
不少地方正在建设宽带IP网，在设计中要充分注意到这些特点，一些厂商为推销
其现有的传统路由器产品所做的设计有时是不甚合理的。
线速路由交换机与MPLS技术的结合是今后的发展趋势
吉位线速路由交换机被重新用于Internet骨干网，构成了以路由器为核心的的
网络，它替代ATM网免除了ATM信元开销过大和N平方问题，但是又出现了控制均衡
流量困难和监视流量困难的问题。未来最好的办法是能够综合以路由器为核心的
和以ATM为核心的网络的优点，消除各自的缺点，从而能够有效地控制流量，均衡
网络负载，在出现拥塞和故障时有良好的稳定性和恢复能力，并且能够为ISP提供
增值服务能力。
要解决上述问题，一种可能的方法是：在一个ISP网络范围内，采用MPLS技术
来实现标记交换路径LSP，它类似ATM和帧中继的PVC。一条LSP可以经过一个或多
个LSP节点，ISP网络内的一个标记路由交换器LSR可以通过LSP向另外一个LSR转发
数据包。边缘LSR收到IP数据包后，再包上一个MPLS字头，沿着LSP向另外一个LS
R转发数据包。终点LSR收到数据包后除去MPLS字头，仍按IP终点地址L3信息向外
转发数据包。在运行MPLS的ISP网内，数据包是沿着事先脱机计算设置的LSP转发
的，由于采用ASIC硬件，其转发速度可以和ATM的PVC一样快。这样，采用LSP可以
和ATM网一样方便地监视每条LSP的流量，通过设置新的LSP还可以控制、均衡整个
网络的流量，并且可以方便地设置备份的LSP来保证良好的故障恢复能力。
最近Juniper公司推出了用于电信运营商的路由交换机M40。它拥有2.5Gbps的
SDH端口，可以采用MPLS建立LSP来平衡流量，实施流量工程。M40路由器和JUNOS
软件已经成功地通过了在MCI和UUNET实际的Internet骨干网上的试用，效果良好
。这是继Cisco的GSR之后又一个高性能的用于电信运营商骨干网的线速路由交换
机，它的出现进一步巩固了线速路由交换机用做电信骨干网路由器的地位，势必
加速宽带IP网的发展进程。
以约束为基础的路由
以约束为基础的路由是让网络管理员为两个路由器之间流量变化设置约束，并
由网络本身决定如何选择路径满足这些约束。这样，网络本身可以完成流量控制
，均衡网络负载。
约束可以是各种各样的，例如限定两个路由器之间的传输带宽。以约束为基础
的路由有如下优点：
·可以用很少的人工干预来实现原来需要很多人管理才能得到的流量控制效果
；
·在IGP中动态分配信息，快速响应流量变化；
·可以更快克服故障，减少收敛时间。
4、IP优化光网络
目前，密集波分复用技术已经成熟，并且开始商品化。密集波分复用技术与吉
（太）位线速路由交换机结合即生成IP优化光网络。届时，现在的SDH时分复用网
络将被光学的波分复用网络取代，复杂昂贵的复用和交叉互连设备将被线速路由
交换机取代。这样做的结果将改变现代数据通信面貌，上百倍地提高骨干网络带
宽，成十倍地降低通信成本。IP优化光网络对线速路由交换机提出了更高的要求
，前面所述的MPLS技术和以约束为基础的路由都是为这一目的发展的。
尽管解决全球Internet宽带化和传输实时业务QoS问题尚需时日，美国下一代
Internet倡议NGI正在实施中，吉位线速路由交换机和密集波分复用的基本技术已
经成熟，并将在发展中进一步得到完善，太位路由交换机也即将商品化。在我国
，采取迎头赶上战略，应用宽带IP网技术建设公共传输网络平台，发展IP为基础
的新业务是完全可能的。这样可以实现跨越式发展，大大加速我国信息化的进程
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