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路由器结构及多协议标记交换(MPLS)技术

一、路由器硬件结构
1.路由器硬件结构的基本组成
       路由器的基本硬件结构包括输入/输出部分、数据转发引擎和交换结构(SwitchingFabric)部分以及路由计算部分四个功能模块,如图8所示。
       输入/输出部分就是路由器上的网络接口卡,即网卡,主要完成数据包的接收和发送工作。随着路由器数据吞吐量的增加.路由器网络接口卡的速度越来越高,从10Mbit/s到几HGbit/s甚至更高;也由只有单个网络接口的网卡发展到集成多个网络接口的线卡。
总线结构
       数据转发引擎的功能是按照一定的路由查询算法或流分类算法,根据输入分组的目的地址等参数来决定转发的目的端口。数据转发引擎是影响路由器数据转发速率的决定性因素。
       交换结构用于连接输入/输出部分和数据转发引擎,为它们之间的数据传递提供高速的数据通道。常见的交换结构有总线,Cross-bar(交叉开关)等。总线结构最为简单,但当有多个网络接口同时有数据输入或输出时,会岀现总线争用的问题,影响数据交换的速率;Cross-bar结构相当于多条并行工作的总线,可以有效避免总线争用的问题,但实现起来相对比较复杂。对于路由器来说,交换结构是影响其吞吐量的关键因素。
       路由计算部分通常是根据网络的拓扑结构.选择相应的路由协议,计算出路由表,从而控制数据包的转发过程,也即完成7.2.2中的选路策略功能。
路由器硬件体系结构
图8    路由器硬件体系结构
2. 路由器硬件结构举例
        随着互联网网络带宽的迅速增加、数据业务的爆炸性增长以及用户对服务质量要求的不断提高,作为网络核心的路由器的硬件结构也在不断地变化和发展。
        最初的路由器采用传统计算机的结构,相当于加了网络物理接口(网卡)的计算机,如图7.9所示,包括共享中央总线、CPU、内存及挂在共享总线上的多个网卡,通常可称为单总线单CPU结构。
第一代路由器硬件结构
图9   第一代路由器硬件结构
        图9中,中央CPU完成除物理接口之外的其他所有功能,数据包从一个物理接口进来,经总线送到中央CPU中进行转发处理,然后又经总线送到另一个物理接口发送出去。这种单总线单CPU的主要局限是处理速度慢,一个CPU完成所有的任务,从而限制了系统的吞吐量。另外,系统容错性也不好,CPU若出现故障容易导致系统完全瘫痪。但该结构的优点是系统价格低。目前大量的接入式路由器基本上都是这种结构。
        为了克服第一代路由器的缺陷•显然应该增加CPU的数量以及总线的数量.以便提高转发速度和处理能力。所以.又出现了单总线主从CPU、单总线对称式多CPU、多总线多CPU的结构。目前使用比较多的核心路由器结构是交换式结构。
        基于交叉开关设计的交换式路由器有很好的可扩展性能,并且省去了控制大量存储模块的复杂性和高成本,如图10所示。
交换式路由器结构
图10   交换式路由器结构
        在交换式路由器中,釆用交叉开关结构替代共享总线,数据直接从输入端经过交叉开关流向输出端。这样就允许多个数据包同时通过不同的线路进行传送,各端目之间实现线速无阻塞互连。系统的交换带宽取决于中央交叉阵列和各模块的能力,而不是取决于总线自身。可以极大地提高路由器的转发速度和系统的吞吐量。其中高速交叉开关技术目前已经十分成熟,在ATM交换机和高速并行计算机中广泛应用.市场上可直接买到的高速交叉开关速率高达50Gbit/s。
交换式路由器
        交换式路由器中线卡使用的专用集成电路(ASIC,Application SpecificIntegrated Cir-cuit)芯片使系统的成本增加,开发也比较困难。使用网络处理器(NP,Network Processor)的路由器具有与ASIC相当的包转发性能,同时又具有很好的可编程能力,更适应于未来的发展。
二、多协议标记交换(MPLS)技术
       多协议标记交换(MPLS)技术作为一种新兴的路由交换技术,越来越受到业界的关注。MPLS技术是结合2层交换和3层路由的L2/L3集成数据传输技术。在2层头标和IP头标之间插入MPLS头标。它不仅支持网络层的多种协议,还可以兼容第2层上的多种链路层技术。采用MPLS技术的IP路由器以及ATM.FR交换机统称为标记交换路由器(LSR),使用LSR的网络相对简化了网络层复杂度,兼容现有的主流网络技术.降低了网络升级的成本。
       MPLS是一种在开放的通信网上利用标记(标签)引导数据高速、高效传输的新技术,它的价值在于能够在无连接的网络中引入连接模式,为】P网络提供了面向连接(基于标记)的交换。MPLS采用传统的1P路由协议,但将路由与分组转发分离开来,这使得在MPLS网中可以通过修正转发方法来推动路由技术的演进。而且,网络中分组的转发采用定长的标记,简化了转发机制,使得路由器速度很容易扩展到太比特级。实际上当前推出的几乎所有高速路由器都支持MPLS。
1.MPLS标记交换过程
        图7.11以实例说明分组在MPLS网络中的转发过程,主要经过以下3个步骤。
        ① 入口LSR根据IP包头的相关信息,将不同QoS要求的1P数据流划分成不同的转发等效类(FEC),在FIB(ForwardingInformationBase)表中按照传统的最长匹配算法对FEC进行查找,找到要压入的标记5和相应的出口,然后打上标记5,发送分组到相应的端口。
       ② 核心LSR根据标记栈顶层的标记5查找ILMCIncomingLabelMap)表,找到要进行操作的标记为9,称为标记交换;然后发送分组到相应的接口。
       ③ 出口LSR根据ILM查找的结果进行标记的弹栈(POP),然后再按照第3层下一跳IP地址进行转发。
       在拓扑驱动的模式中,FIB和ILM是在路由协议(BPG、OSPF或RIP)建立路由表的同时建立起来的。这样,具有相同标记的数据流均属于相同的FEC,沿着事先建立好的标记交换通道(LSP)传递,多个LSR根据标记转发信息库(FIB)进行简单、高速的标记交换;网络核心设备只根据标记转发,处理简单.智能处理在边缘设备完成,大大提高了交换速率。 
MPLS标记交换过程
图11  MPLS标记交换过程
2.MPLS的应用
       MPLS在解决网络的扩展性、实施流量工程、同时支持多种特定QoS保障的IP业务等诸多方面具备得天独厚的技术优势。
MPLSVPN
       MPLS的一个重要应用是VPN。MPLSVPN根据扩展方式的不同可以划分为BGPMPLSVPN和LDP扩展VPN,即可以划分为2层VPN和三层VPN。
流量工程
       流量工程是指根据各种数据业务流量的特性选取传输路径的处理过程。MPLS技术可通过特定的QoS路由算法,采用离线方式计算出网络内对应不同业务流的所有可行的标签交换路径。流量工程用于平衡网络中的不同交换机、路由器以及链路之间的负载。ISP通过流量工程可以在保证网络运行高效、可靠的同时,对网络资源的利用率与流量特性加以优化,从而便于对网络实施有效的监测管理措施。
提供服务质量保证
       随着网络的不断发展,新业务的不断引入,用户迫切需要ISP将保证特定QoS的业务引入到目前没有明确划分业务类型的IP网络中。所谓QoS路由是指根据特定业务流要求的QoS,在网络中建立相应路径的方法。MPLS技术通过使用约束路由机制,根据用户的特定要求仅在边缘节点处计算特定的标记交换路径。
MPLS路由器
        MPLS路由器釆用MPLS技术来实现标记交换路径(LSP),实现了高速交换、分布式转发和集中式管理相结合。
GMPLS
        随着智能光网络技术以及MPLS技术的发展,自然希望能将二者结合起来,使IP分组能够通过MPLS的方式直接在光网络上承载,于是出现了新的技术概念——多协议波长交换(MPAS)。