將集中式體系結(jié)構(gòu)重新分配,使包處理分布到單個(gè)的線卡上,這為未來的需求奠定了基礎(chǔ)
---- 在過去的幾年中,全球的通信基本設(shè)施經(jīng)歷了空前的增長和徹底的變化。除每月數(shù)以百萬的新用戶聯(lián)機(jī)以外,互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序變得日益直觀化,這些應(yīng)用程序需要更多的帶寬。 ---- 數(shù)據(jù)、聲音和視頻服務(wù)集中在相同的基礎(chǔ)設(shè)施上,這也驅(qū)動(dòng)了將不同的服務(wù)質(zhì)量水平（QoS）一體化和對(duì)其進(jìn)行管理的需求。QoS管理是必要的,它可以保證對(duì)等待敏感的優(yōu)先通信量作出響應(yīng)。 ---- 以電纜調(diào)制解調(diào)器和DDL形式出現(xiàn)的寬帶連接也極大地拓寬了網(wǎng)絡(luò)管線的"延續(xù)里程",給予用戶更快的訪問和使用帶寬密集內(nèi)容的更大傾向性。向?qū)拵У霓D(zhuǎn)變驅(qū)使大區(qū)域（metro-area）服務(wù)提供商終止數(shù)百萬條新的寬帶線路,處理位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的不斷攀升的通信量。 新型體系結(jié)構(gòu) ---- 朝向網(wǎng)絡(luò)核心的高速光纖連接（如oc-48和oc-192）與密集波分復(fù)用（DWDM）,正在顯著地增加可用連接的數(shù)目以及每個(gè)連接的傳播速度。這些新需求和性能正驅(qū)動(dòng)一次整個(gè)因特網(wǎng)所使用的基礎(chǔ)路由和交換體系結(jié)構(gòu)的廣泛再設(shè)計(jì)。 ---- 這些新交換和路由體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵要求包括以下內(nèi)容： ---- 目前新一代路由器中出現(xiàn)的基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)的改變之一是：智能由交換結(jié)構(gòu)向單個(gè)線卡大規(guī)模的轉(zhuǎn)變。由于路由器從本質(zhì)上提供了在網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)中無縫運(yùn)載通信量的神經(jīng)元,這些關(guān)鍵的體系結(jié)構(gòu)改變可能顯著提高整個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能。 ---- 向更加智能化線卡的轉(zhuǎn)變?cè)谛阅�、靈活性和可伸展性方面提供了重要的益處。然而,它提出了必須由新的ASIC設(shè)計(jì)和軟件解決的實(shí)施難題。 路由選擇難題 ---- 路由所需的基本功能如下： ---- 全球因特網(wǎng)結(jié)構(gòu)有許多內(nèi)在靈活性和彈性,來自于它分段成一個(gè)邏輯上可設(shè)定地址的子網(wǎng)層次結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。子網(wǎng)與無類域間路由（CIDR）系統(tǒng)重疊,在CIDR系統(tǒng)中每個(gè)路由器經(jīng)過它的可直接訪問連接負(fù)責(zé)前向通信,將最終的邏輯地址信息（其形式為一個(gè)最長的地址前綴匹配）與當(dāng)前CIDR路由表信息相對(duì)照,解決了局部路由決策。 ---- 然而,由于路由表變得更大和更加復(fù)雜,有許多層次結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)層,CIDR路由查找操作的復(fù)雜性可能顯著增加,使所需查詢時(shí)間呈對(duì)數(shù)增加。在集中化環(huán)境中,必須對(duì)這些路由處理功能進(jìn)行緊密的管理,以確保諸如那些載送聲音通信量的對(duì)延遲敏感包的確定性的等待時(shí)間。 ---- 依據(jù)預(yù)先確定的特征對(duì)包通信量進(jìn)行識(shí)別和分組,包分類和流程處理功能為優(yōu)化路由選擇提供了一個(gè)關(guān)鍵的機(jī)制。分類和分組可能涉及不同的準(zhǔn)則,比如將包與相似的源和目標(biāo)IP地址進(jìn)行匹配,依據(jù)特定的TCP/UCP套接字,或使用DiffServ代碼識(shí)別包。 ---- 通常,在邊緣路由選擇環(huán)境中,流程處理決策所基于的粒度和特定性比中心環(huán)境中使用的程度更高。 ---- 中心環(huán)境中的時(shí)間限制和流量水平,要求路由決策應(yīng)大大簡化。為有效處理,將微流通信量群集成宏觀流。因此,目前的體系結(jié)構(gòu)趨向于為通過中心處的快速、有效地傳送通信量預(yù)先做準(zhǔn)備。 ---- 對(duì)異構(gòu)環(huán)境來說,多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）提供了一個(gè)更高水平的路由和前向機(jī)制,這一機(jī)制將IP路由控制與第2層交換的簡單性合并在一起。在一個(gè)有效的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中,MPLS可以大大減小復(fù)雜性和將冗余協(xié)議層的需求減至最小。它也可以提高對(duì)不同類型通信量的QoS管理的能力。 傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) ---- 在傳統(tǒng)的路由體系結(jié)構(gòu)中,路由智能的大部分通常集中在系統(tǒng)級(jí)別的交換結(jié)構(gòu)中,線卡本身中存在很少或不存在局部智能。在網(wǎng)絡(luò)間組網(wǎng)的早期演變階段,鏈接路由和用戶數(shù)目相對(duì)較少,實(shí)際上所有的路由處理可以在軟件內(nèi)處理。 ---- 然而,隨著網(wǎng)絡(luò)在通信量水平和復(fù)雜性方面的增長,基于軟件的路由器可能變?yōu)槠款i。此外,傳統(tǒng)的整體式體系結(jié)構(gòu)通常缺乏平穩(wěn)經(jīng)濟(jì)的可升級(jí)性,這是由于為了獲取路由能力的下一次增加,有時(shí)必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行添加。 ---- 由于因特網(wǎng)通信量的增加,超過了T3線路的容量和現(xiàn)有的IP路由的能力,大部分骨干段使用OC-3、OC-12級(jí)別的交換ATM界面遷移至光纖連接,最終使用OC-48和OC-192級(jí)別遷移。雖然高速ATM交換重疊連接的使用為傳送經(jīng)封裝的IP通信量提供了最可用的解決方案,但I(xiàn)P和ATM之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換需求增加了討厭的復(fù)雜層和系統(tǒng)開銷。 ---- 目前,隨著全球化推廣和接受IP作為事實(shí)上的組網(wǎng)協(xié)議,以及DWDM的出現(xiàn)為直接通過單波長傳送IP通信量提供了潛在的可能,存在著實(shí)現(xiàn)十分流線型效率的可能。然而,將此可能變?yōu)橘Y本,要求實(shí)現(xiàn)新的高性能和可經(jīng)濟(jì)升級(jí)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),此結(jié)構(gòu)具有集成的QoS功能,它可以提供線卡級(jí)別上聲音、視頻和數(shù)據(jù)通信量專線速度的非阻塞路由選擇。 對(duì)卡性能實(shí)現(xiàn)杠桿作用 ---- 新的系統(tǒng)通過將傳統(tǒng)的路由器分割重新排列,使包處理和前向功能分布到線卡中,代替將它們集中在交換結(jié)構(gòu)中。這可以消除路由器的中心處理資源的負(fù)擔(dān)而集中于整體路由選擇策略、路徑發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)管理以及可靠性問題。 ---- 在這些分布式路由選擇系統(tǒng)中,線卡擔(dān)負(fù)整個(gè)路由器的作用,負(fù)責(zé)指定給它們的進(jìn)口和出口界面。除了提供PMD和連接層功能外,這些卡也集成了對(duì)流程處理、QoS以及通信量設(shè)計(jì)功能進(jìn)行處理的性能和智能。將這些對(duì)延遲敏感的功能從中央處理器中去除,線卡可以被優(yōu)化為提供真正的線速路由選擇,同時(shí)交換結(jié)構(gòu)提供了線卡間無阻塞連接。（參見圖1） 性能和可升級(jí)性 ---- 將功能分割到集中化的路徑發(fā)現(xiàn)和分布式包處理中,使響應(yīng)能力和資源效率達(dá)到最大化。典型條件下,路徑發(fā)現(xiàn)功能需要的時(shí)間在10~100ms范圍,而線速包處理和前向需要的響應(yīng)時(shí)間可能快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 ---- 例如,維持一個(gè)OC-48c連接電報(bào)速度的線速率,要求處理時(shí)間常數(shù)為1/129ns。試圖將這些顯然不同的要求揉合在一個(gè)整體IC卡內(nèi)是一個(gè)次優(yōu)化的方法。 ---- 另一個(gè)需要考慮的事項(xiàng)是分布式系統(tǒng)內(nèi)在的升級(jí)性和可配置性。例如,在目前的異構(gòu)環(huán)境中,服務(wù)提供商配置系統(tǒng)處理不同的線速度,如OC-3c,OC-12c和OC-48c,而后當(dāng)需求增加和變化時(shí),需要改變此配合,這種情況是非常普遍的。 ---- 在集中化包處理系統(tǒng)中,對(duì)處理負(fù)荷按比例增加和重新平衡的前景可能由艱難變得不可能。與此相反,在分布式系統(tǒng)中,包處理智能包含在每個(gè)線卡中,進(jìn)/出接口的數(shù)目和組合可以簡單地由增加線卡的方式來修改,而對(duì)交換結(jié)構(gòu)很少需要或不需要進(jìn)行調(diào)整。 冗余和強(qiáng)大性 ---- 分布式包處理除了提供改進(jìn)的性能和伸展性,也提供了更加簡單的冗余機(jī)制和更高水平的系統(tǒng)強(qiáng)大性。在傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)中,為集中化的包處理功能提供冗余的唯一方法是配置另外一個(gè)整體系統(tǒng)。另一方面,分布式體系結(jié)構(gòu)僅通過復(fù)制單線卡就能夠允許n+1的冗余度。 ---- 包處理功能分割到單線卡中除了改進(jìn)了冗余度外,也有助于推進(jìn)強(qiáng)大性和可靠性。這是通過消除所有的路由智能放入一個(gè)共享的交換結(jié)構(gòu)中所帶來的單點(diǎn)失效危險(xiǎn)來實(shí)現(xiàn)的。路由智能的一個(gè)重要部分分割到容易替換的線卡中,維護(hù)成本、備件清單管理以及平均修理時(shí)間都可以得到改進(jìn)。 實(shí)施難題 ---- 分布式包處理所帶來的益處是巨大的,與智能線卡設(shè)計(jì)相關(guān)的難題也是如此。這種智能線卡僅在具有某種ASIC時(shí)才成為可能,此ASIC經(jīng)特定優(yōu)化,使包處理/前向與通信量形成集成在一起,同時(shí)提供可靠的延遲水平和QoS管理。
圖1：將路由/流程處理和隊(duì)列管理從中心結(jié)構(gòu)中移動(dòng)到線卡中,這使線速的IP處理和便利對(duì)系統(tǒng)縮放成為可能。
----* 強(qiáng)大的線速的路由選擇性能
----* 可靠的QoS管理
----* 靈活和可配置的通信量操縱性能
----* 滿足未來需求平穩(wěn)的和經(jīng)濟(jì)的可升級(jí)性
----* 路由處理,以確定包最終接收方。
----* 流程處理,以根據(jù)目前相關(guān)準(zhǔn)則對(duì)包處理進(jìn)行分類和確定優(yōu)先次序。
----* 路徑發(fā)現(xiàn),以根據(jù)目前意識(shí)到現(xiàn)有拓?fù)浜蜖顟B(tài)條件,確定包的合適路徑。
