十年铸精品 领航新网络之二－－核心路由器路由转发技术体系现状和发展趋势

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随着互联网和宽带业务的迅速发展，骨干网络已经建成了以2.5G POS链路为主流的千兆骨干网络，并且正在向万兆(10G POS)链路为主的网络演进。核心路由器是构筑海量高带宽、高性能骨干网络的关键设备。核心路由器为了能够处理千兆和万兆级别的链路，典型结构采用了分布式转发处理和无阻塞交换技术。其中路由转发处理技术是影响网络性能和成本的最重要部件。目前业界已经形成了以ASIC和NP为主的几种不同路由转发的技术体系，不同的技术体系对于网络性能和成本的影响非常大。选择好的技术体系，对于提升网络应用价值和性价比无疑事关重大、意义非凡。
ASIC技术体系
在千兆骨干网络出现的初期，就出现了ASIC技术体系。可以说，ASIC的出现，就是为了解决了千兆以上速率路由转发瓶颈的问题。在此之前，路由器都是采用CPU来实现路由转发，这样的路由器受制于CPU的处理能力，目前CPU最大处理能力为每秒几十万个分组报文。而一条千兆或2.5G链路，小报文线速情况下需要的转发能力要求超过了每秒一百万报文。因此CPU转发技术体系已无法满足千兆以上网络的路由转发要求。为了解决这个性能瓶颈，ASIC技术体系应运而生。在ASIC技术体系中，针对IP路由转发流程设计了专门的大规模集成电路，以硬件方式来实现数据包路由转发处理，极大地提高了转发性能。
ASIC技术体系的优点非常明显，就是性能高。但是缺点同样很突出：开发周期太长，每个ASIC的开发都必须历经从分析设计到制造的周期，需要2年左右时间，继承性差，无法顺从当今时代产品高度继承、快速开发的技术潮流。同时，由于ASIC开发周期长，难以提供复杂算法和业务支持能力，也无法适应当今时代互联网业务的发展需要。
随着时代发展，骨干网络对于核心路由器的需求在不断提升，要求核心路由器有很好的时代适应能力。早期网络只是用来开展互联网业务，大家普遍认为核心路由器只需要提供高性能和高可靠性就够了，不需要有业务支持能力。然而，随着宽带业务的兴起，骨干网络也承载话音、视频等流量，必须提供低时延、低抖动的服务质量保证。服务质量保证是一个端到端的业务，需要所有中间环节都提供支持，否则存在形成短木板会造成服务质量保证中断和功亏一篑。所以骨干网络需要提供服务质量保证(QoS)业务。后来，MPLS VPN业务成为了一个热门业务，MPLS VPN与传统IP VPN不同之处在于，传统IP VPN不需要中间节点作任何处理，而MPLS VPN是基于连接的，需要中间节点支持MPLS的各种信令和其它协议处理能力，这就要求核心路由器也需要支持MPLS VPN业务。还有，安全、组播等各种应用都在网络上开展，都是需要全网设备支持。由此可见，核心路由器不再仅仅提供高性能和高可靠性就够了，还需要具有高安全能力、服务质量保证能力、MPLS VPN支持能力以及其它各种协议处理能力。
由于ASIC是一个相对固化的技术体系，难以满足业务适应能力。由此，也带来了一个成本上的问题。虽然ASIC芯片本身成本不高，但是由于ASIC开发周期长，设计成本居高不下，而且，固化的技术体系会给客户带来投资成本浪费的代价。
这里不妨举个例子加以说明。某核心路由器产品从推出至今已经出现了三代ASIC和接口板。第一代ASIC只做到了线速转发的性能，而功能非常简单；后来为了能够承载话音、视频业务，推出了第二代业务增强型接口处理板，弥补服务质量保证方面的不足；再往后又出现了MPLS VPN、安全等需求，于是该厂家又推出了第三代接口处理板。客户网络要增加新的业务能力时，不得不经常性更换硬件单板，这样的成本代价使许多客户望而却步。
ASIC+FPGA+TCAM方式
从本质上讲，ASIC+FPGA+TCAM方式是ASIC技术体系的一种优化，但不能从根本上解决性能和灵活性的瓶颈。
FPGA(现场可编程门阵列)技术出现由来已久，具有硬件逻辑现场编程设计的特点，目的是解决ASIC专用电路的开发周期长、升级困难的问题。FPGA适合于做一些简单协议处理，但是由于FPGA的逻辑门电路规模不够大，无法胜任多协议处理和复杂业务处理。而且，FPGA的时钟频率偏低，电路时延大，这也限制了FPGA对高性能复杂业务处理应用。
下表是FPGA、ASIC和NP这三种芯片的特性比较

	FPGA	ASIC	NP
硬件速度	慢	快	快
逻辑门数	少	多	多
消耗功率	高	低	低
芯片成本	高	低	中
逻辑布线设计	硬件逻辑编程设计	固化设计	微码设计，灵活
功能修改	不需要从头再来	需要从头再来	不需要从头再来
增加新特性	较容易	困难	容易

事实上，采用TCAM（三态内容寻址存储器）来加速路由表查找，也不是一项新的技术。在1993年就有人提出用CAM或TCAM实现路由表查找的详细方案(参见参考文献[10])。并且TCAM不是一项独立的路由转发技术，需要配合ASIC或NP协同工作。这项技术在许多中高档次路由交换机中得到应用，通常采用专门协处理器与TCAM结合完成路由表查找。但在核心路由器中很少采用TCAM来做路由表查找，而是采用纯硬件方式开展路由表查找，这在九十年代后期至到最近都有大量研究和实际应用(参见参考文献[8]、[9])。
不可否认，ASIC＋FPGA＋TCAM方式相对纯粹ASIC体系而言，的确有所改进：增加了部分业务的灵活性；提高了查表能力。但是，ASIC＋FPGA＋TCAM并没有从根本上弥补ASIC的不足，还带来了其它问题。例如：
Ø
增加新业务仍然有难度。虽然FPGA能够通过HDL或类似描述语言实现对硬件编程修改，但通常只能修改现有的业务功能，难以通过升级增加新业务功能。高档FPGA的逻辑门电路数量在几百万左右，相对ASIC/NP而已，规模偏小，能够容纳的业务功能相当有限，并很难开展复杂业务处理。
Ø
效率不高。由于FPGA固有的时钟频率不高，导致处理能力受限，处理时延较大，将影响整个核心路由器的处理能力。尤其在业务处理时延上，NP技术体系集成一体，比起ASIC＋FPGA＋TCAM方式要优越得多。TCAM密度小、效率低，也不适合作为核心路由器路由表查找。
Ø
复杂度增加。在电路板上要增加FPGA和TCAM等芯片，使得电路设计和布线变得复杂，影响系统稳定性。集成电路的总趋势是把各种功能电路集成到一个芯片中，最大程度提高效率和降低成本。
Ø
成本增加。由于增加了FPGA和TCAM，硬件成本也增加了。
Ø
难以支持IPv6。在ASIC＋FPGA＋TCAM方式下，FPGA带来灵活性，但是处理IP转发的仍然是ASIC，这个平滑升级的灵活性问题并没有解决。NP体系则不存在这样的问题。
综上所述，ASIC＋FPGA＋TCAM方式对ASIC体系的优化改进是有限的、局部的，并没有从根本上克服ASIC体系存在的问题，因此，它只能作为ASIC技术体系的一个衍生分支，起临时过渡的作用。
NP技术体系
正是由于上面提到的ASIC的不足，大家都在寻找更佳的技术，于是催生出网络处理器（NP）技术。NP保留了ASIC硬件转发的特性，依然提供高性能。但是NP设置了众多并行运转的微码处理器，能够通过微码编程，控制硬件转发和业务处理。
在NP体系结构下，接口处理模块的核心是网络处理器。一个网络处理器或网络处理器阵列替代了多个ASIC芯片，把路由查找、分片/重组、队列调度、报文分类、策略和整形等工作集于一体，同时兼顾IP转发、MPLS转发、组播转发诸多方面要求。
与此同时，在NP体系结构下，周边模块也能更好地配合。路由转发表可以继续采用硬件路由查找表(LUT)结构，也可以采用TCAM结构。ACL表以及其他策略表都可以选用LUT或TCAM结构。
在与交换网的接口中，可以采用定长微信元＋VOQ的方式。VOQ不提供加速，但是可以避免交换网的头阻塞。VOQ可以做在交换网模块中，但是那样会导致交换网复杂化，电源和空间都不够用。NP体系结构也可以把VOQ做在接口线路处理模块中。由于NP可以设计复杂的报文分类算法，所以在NP与交换网之间，可以设计若干队列，对不同类型的报文给以不同处理。组播报文也专门的交换网队列，这样可以避免大流量组播对单播流量的影响。
对更大交换容量的路由器，交换网可以采用CIOQ三级交换结构。组合输入输出队列CIOQ可以提供有限的加速，加速比为2倍至4倍。在NP体系结构下，接口模块中的处理单元可以与输入队列、输出队列进行更密切的结合，从而提高交换网的效率。
这样的一个NP体系结构，具有以下特性：
首先，NP继承了ASIC卓越性能，高性能网络处理器能够实现2.5G乃至10G接口的线速转发。2.5G POS链路的线速转发性能在现网上得到的充分验证。2002年网络处理器论坛组织的测试中，也得到了10G流量线速转发的测试结果。因此，在转发性能方面，完全胜任高速链路线速转发能力，这一点饱经考验，不容置疑。
其次，NP可开发丰富的业务能力，包括MPLS VPN PE能力、QoS能力、组播、安全、NAT、记帐等等，随需应变，满足宽带互联网业务发展需求。
并且，NP提供的业务能力，是高品质的。也就是说，不降低基本性能前提下提供各项业务能力。这一点不同与传统路由器在提供业务后造成性能下降的局面。例如，QoS能力方面，由于NP可以提供大量队列，在网络拥塞情况下仍然能够做到高优先业务的低时延转发，保证话音、视频等电信级业务的开展。这在ASIC体系下是难以做到的。
还有最吸引人的一点，基于NP体系结构的路由器能够做到通过微码平滑升级支持新业务，极大地保护用户的投资成本。采用NP体系结构建成的网络可以根据时代发展和客户需求，最快速度开通新的业务，取得竞争力。今后也可以通过微码升级方式支持IPv6，满足下一代IP网络的要求。可以说，NP体系是立足当代、面向未来的适应能力极强的核心路由器。