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高速路由器技术<2>
3.4 队列
虽然一个crossbar内部是无阻塞的,但是从系统的角度去看,仍然会出现三种类型的阻塞现象,
一个好的设计应该尽量避免和减小所有这三种阻塞对系统性能造成的影响。第一种是线头阻塞
(head of line blocking,即HOL blocking),第二和第三种分别是输入阻塞(input blocking)
和输出阻塞(output blocking)。其中线头阻塞是影响系统性能最严重的一种,它甚至可以浪费
系统近一半的交换带宽。输入阻塞指的是当crossbar的多个输入端同时需要和同一个输出端连
接的时候只有一个输入端可以得到服务的情况,而输出阻塞是指在线路卡上有多个数据包都需
要发送到线路上的情况。输入阻塞和输出阻塞实际上并不会降低系统吞吐量,他们只会增加数
据包经过路由器产生的延时,而且有可能使这种延时不确定。解决这种问题的方法是引入优先
级的机制,通过数据包分类把不同优先级的数据包放在不同的队列,通过加权公平队列(Weighted
Fair Queueing,WFQ)或其他的队列调度算法以保证所需的服务等级。
在以前的路由器结构中,在每一个crossbar的输入端只有一个先近先出(FIFO)队列,排在后面
的数据包必须要等它前面的数据包全部送出去以后才能得到服务。在一个交换时隙结束的时
候,中央调度根据各个输入输出端口的连接要求制订下一个时隙的连接计划。这就可能出现这
样的情况,如果一个输入端口的FIFO队列的第一个的数据包因发生输入阻塞而不能得到连接服
务,那么排在它后面的数据包即使是要到一个空闲的输出端口也不能得到服务,这样就白白的
浪费了crossbar的带宽而使系统性能下降。解决线头阻塞的方法称为虚拟输出队列(Virtual
Output Queueing,VOQ),它实质上是在crossbar的每个输入端为每个输出端专门开辟一个队
列,使中央调度器可以看到每一个队列的头,线头阻塞的问题就迎刃而解了。
虽然虚拟输出队列很好的解决了线头阻塞的问题,但输入阻塞和输出阻塞的问题依然存在,他
们使数据包经过路由器的时延具有不确定性。针对这个问题,人们也进行不少研究工作。
4、路由器的种类
核心路由器负责连接上千个边缘网络,它仅支持IP协议。由于它与边缘网络相连,虽然其成本
很高,但由大量用户分担,因此,核心路由器的主要性能就是可靠性和速度。根据核心路由器的
功能和速度,可以将核心路由器分为Gb/s级核心路由器、Tb/s级核心路由器和带有ATM交换功
能的核心路由器。
边缘网络不象核心网,需要大量多点播发信息和广播信息,因此边缘路由器需要携带大量不同
的多点播发信息,必须处理各种LAN技术,必须支持包括IP、IPX和Vine等多种协议,必须支持
诸如防火墙、流量过滤设备、安全管理设备和虚拟LAN等多种系统,同时边缘路由器还要有大
量的端口,并保证端口具有丰富的特性。
接入网是将家庭或商业区的用户与ISP连接的网络。首先接入网要使用诸如高速调制解调器、
ADSL和Cable Modem等多种接入技术,第二,采用电话线与边缘网络相连进行数据业务会增加
电话网的负担,需要考虑让数据业务绕过程控交换机,第三,接入路由器不仅要提供SLIP或PPP
连接,还要提供如PPTP和IPSec等虚拟专用网协议,第四,ADSL等接入技术会增加每个用户的带
宽,将会给接入路由器增加负载。由于上述四点,接入路由器需要有大量的各种类型高速端口,
并在每个端口运行不同的协议,如有可能,最好能绕过程控交换机。因此,目前研发接入路由
器为时尚早。
5、高速路由器的发展趋势
(1)越来越多的数据转发功能以硬件方式来实现
高速路由器将路由计算、控制等非实时任务同数据转发等实时任务分开,由不同部分完成。
前者由CPU运行软件来完成,后者由专门的ASIC硬件来完成。自1997年下半年以来,一些公司
开始陆续推出采用专用集成电路(ASIC)进行路由识别、计算和转发的新型路由器,转发器负
责全部数据转发功能,其数据流量占整个系统的99%以上。这种路由器用硬件按照时钟的节拍
实现逐个数据包的转发。其速度很快,就象导线传输一样。
(2) 交换路由一体化
高速路由器的结构与L2网络交换机相似,同时兼有L3路由器数据转发功能和L2交换功能。有
些厂商还在其中加入一些L4 TCP/UDP层功能,形成L2/L3/L4一体化。高速路由器具有集L2/
L3/L4于一体的功能。数据包进入路由器后,顺序提取L2(地址、帧类型)。有些厂家产品可
以提取VLAN和优先级、L3(地址、协议及TOS等)和L4(Port号、业务类型)的信息。属于L2的
信息按照二层地址进行交换,属于L3的信息按照IP地址进行数据转发,然后按照L4信息决定设
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器技术的发展趋势,交换机
和路由器之间的差别将逐渐淡化。
(3) 不同路由器的结构和操作差异将变大
过去LAN/MAN/WAN路由交换技术趋于相同,有一体化发展趋势。路由器既可以用于LAN和MAN,
也可以用于WAN,差别只是交换速度、端口密度和路由处理能力的不同。今后按照用途把路由
器分为LAN、MAN、WAN类型可能是不恰当的,有把路由器按功能分为边缘路由器和核心路由器
的趋势。而边缘路由器与核心路由器将完成不同的功能,结构和操作差异将变大。
(4) 与MPLS技术结合
高速路由器用于骨干网,构成以路由器为核心的网络。它替代了ATM网,从而免除了ATM信元开
销过大和N平方问题,但又出现了控制和监视均衡流量的困难问题。最好的办法是将来能够把
以路由器为核心和以ATM为核心的网络的优点综合起来,消除各自的缺点,从而有效地控制流
量,均衡网络负载。这样,在出现拥塞和故障时,就会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。解决上述问题的办法是采用MPLS技术来实现标记交换路径(LSP)。LSP
类似于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
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,再加上一个MPLS
字头,沿着LSP向另外一个LSR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。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还可以控制和均衡整
个网络的流量,并且可以方便地设置备份的ISP,以保证良好的故障恢复能力。
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