高速路由器的体系结构和关键技术(1)

　　一、高速路由器体系结构的演变

　　路由器本质上是一种特殊的计算机，无论是高速核心路由器，还是边缘汇聚路由器或接入路由器大体由以下几个部分组成：系统硬件、包括嵌入式操作系统及各种协议在内的软件、网络管理系统。

　　网管系统也属于软件，与操作系统和协议软件的区别是网管系统是路由器中的人机交互渠道，用户通过网管系统控制整个路由器以及实现用户所需的功能。由于路由器是由硬件和软件组成的，因此，在设计路由器时，速度与可编程性是必须考虑的两个重要因素。

　　到目前为止，路由器的发展过程大体经过了6种体系结构。早期路由器由通用CPU和共享总线相连接的线卡组成。所有从线卡进入系统的数据包通过共享总线送至处理器，由处理器处理数据，然后作出转发的决定。随后数据包再次通过共享总线送至目的线卡的接口，然后供传输到网络的下一站或目的网络。

　　随着网络速度的增加，共享总线结构不能令人满意地按比例增加，成为IP数据网络的瓶颈。为了缓解互连瓶颈，在线卡中增添了处理器，这些处理器就地处理、转发大部分IP数据包，不再借助于主CPU，有效地将转发功能分布到每块线卡上。这样，大部分数据至多通过共享总线一次而不是二次，从而减少了总线上的业务量。

　　随着网络速度的进一步增加，上述采用增加CPU的共享总线结构不能满足实际的需要，开始涌现出新的系统，即以交换结构替代共享总线。交换结构以高出CPU几个数量级的速度传送IP数据包，而且可用分布式处理器进行处理，因而消除了互连瓶颈。

　　采用交换式结构，消除了互连瓶颈，但线卡处理器又成为新的瓶颈。于是出现了一种新方案，该方案采用了名为转发引擎的专用CPU卡来处理和转发IP数据包。在这类系统中，线卡仅发送信息包的报头，通过交换结构传送到转发引擎，由它作出转发决定，并将处理结果返回线卡。线卡再将IP包转发至相应的输出端口。在这个方案中，CPU仅处理一部分IP数据包，其余的数据包则直接通过高速交换结构从一个接口传送至另一个接口。任何无须CPU干预、直接在接口间进行传送的那部分IP包处于快速通路中，而任何需要CPU处理的IP包处于慢速通路中，慢速通路的数据包包括IP报头、控制包和异常包。