核心路由器集群技术探讨

随着互联网的不断普及，以及新兴技术的交替出现，作为网络核心的路由器设备，也面临着新的挑战。本文分析了目前核心路由器的发展趋势，并对目前流行的集群技术作了详细的分析。

1、引言

中国从1994年进入互联网开始，至今已经在高低起伏和不断探索中走过了10余年。互联网应用也从最初的聊天，电子邮件，Web浏览，发展到今天的P2P下载，视频聊天、播客等，无论是从应用模式，还是网络流量，都发生了翻天覆地的变化。如今，互联网应用已经深入人心，大大地改变了人们的生活模式。据统计，截至2007年6月，中国网民总人数达到1.62亿，平均每周上网18.6小时。相应地，互联宽带网络的设备能力也在不断地提升，尤其是骨干网的核心高端路由器。IP网络的电信化对高端核心路由器在容量、安全可靠性、多业务承载能力等方面提出了极高的要求，骨干网核心路由器必须具有良好的扩展性和升级能力，以适应互联网多变、飞速发展的趋势。

2、核心路由器的发展趋势

高性能核心路由器代表着互联网的发展方向，也最能体现出设备厂商的技术水平。回顾核心路由器的发展历程，分析目前主流路由产品的功能特征，可以看出目前核心路由器的技术发展趋势主要有以下几个方面：

(1)容量越来越高，端口类型增多：主要表现为槽位数的提高和线卡高密度化。首先端口能力从2.5G提升到10G，再从10G提升到40G。另外，接口类型也逐步增多，10GE、PRR和CWDM等端口都有相应的市场。

(2)安全可靠性大幅提高：在网络发展初期，由于流量较小，网络攻击也没有现在这么频繁，路由器设备的安全问题主要体现在其自身的安全可靠性上，包括重要部件的冗余、网络设备的电气特性等。随着网络的不断发展和多业务需求的增加，网络安全保障对路由器的安全可靠性提出了更高的要求，包括对网络攻击的防范和感知。

(3)系统架构逐步完善：从第一代单总线单CPU发展到第二代单总线主从CPU、之后经历了第三代单总线对称式多CPU和第四代多总线多CPU，到目前的第五代共享内存式和第六代交叉开关体系。而在交换结构方面，高端路由器主要采用共享内存结构，T比特大容量路由器多数采用多级交换结构，以实现未来扩展到大容量无阻塞交换。

(4)提升服务质量QoS：运营级的IP网络必须能够承载多种业务，同时保证端到端的QoS。对于无连接的IP网络来说，实现服务质量保障一直是个棘手的问题。近年来，IP网络的服务质量保障问题已经得到运营商的极大重视，设备厂商也为此提出了不同的解决方案。目前，保障服务质量的技术手段主要有如下几种：对流量进行整形、重排;解决头阻塞问题;实现交换结构的无阻塞交换等。

3、集群技术的产生

路由器集群，又叫路由器矩阵或多机框互联(Multi-Chassis)，简单来说，就是将多台路由器互联起来，形成一套逻辑上一体的路由器系统。集群技术的产生，主要有两个直接的原因：首先，单机容量逐步发展到极限;其次，超级节点的产生使得网络结构越趋复杂，运维管理难度加大。

3.1　单机容量到达极限

近年来，路由器技术发展很快，容量有了大幅度的提升，具体表现为槽位数量的增多、每槽交换能力的提升以及板卡端口密度的不断提高。设备厂商每年推出的新路由器，都是朝着这个方向发展。例如Cisco的GSR 12000系列，从最初的GSR 12404，到目前的GSR 12816，转发容量大幅度提高，端口能力也从2.5G提升到了10G。目前最高速率的端口40G(OC768)也已经面市。随着路由器在网络中地位的不断提高，路由器的发展也达到了前所未有的高峰。Cisco推出的CRS-1 16插槽路由器单机，以及Juniper的T640，容量都达到了640Gbps，是目前市面上比较高端的单机路由器。

对于核心层路由器来说，除了具备快速转发的能力、高安全稳定性之外，更重要的是，容量足够大、可扩展强。然而，互联网流量的发展都是远远超过设备容量更新的速度。如图1所示，互联网流量每12个月增长1倍，而路由器的容量每18个月才增长1倍。对于单台路由器来说，其扩展是有一定限制的，需考虑光器件的发展成熟度，以及电源、散热、机房承重等方面，而且也无法超越流量增长的摩尔定律。目前单台路由器的开发技术已经逐步发展到极限，路由器的发展需寻求一个新的出路。

3.2　网络结构越趋复杂

由于单台路由器的容量扩展性有限，因此，近年来不断提出了其他方案来缓解设备压力。主要有以下两种：

(1)网络层次分布式，即部署多个网络层次，通过逐层汇聚，减轻设备压力。

(2)节点内部署多台设备，即增加节点内设备数量，通过负载分担的方式减轻设备压力。

两者都是在单台路由器不能继续扩展的情况下，通过改变网络结构来适应流量的增长，主要差别在于网络分别在纵向和横向进行扩展。这两种方法都在一定程度上缓解了单台设备容量有限的局面，但随之而来的却是网络复杂度以及内部互联端口的增加。众所周知，内部端口是不产生实际经济效益的，相反还会增加不少投资。而网络结构的日趋复杂，也增加了运维部门的管理难度，同时也产生了多台路由器之间如何均衡流量的问题。超级节点就是这样诞生的，即一个城市同时存在多个网络层次，而每个网络层次都有多台设备(如图2所示)，网络连接的复杂程度可想而知。因此，此方案只是目前路由器容量无法继续扩展的替代方案，是暂时性的，互联网网络流量的飞速增长，新兴应用的不断呈现，都在呼唤容量更高，更具扩展性路由器的出现。

图2　网络结构日趋复杂

3.3　集群技术的优势

集群技术通过集中化、一体化的控制管理，使集群系统各台路由器单机之间能够很好地协同工作，极大的扩展了路由器的容量，从而突破了单机在开发技术工艺上的限制。在成本方面，由于集群系统中各台路由器通过高速光背板互连，节省了额外的内部互联端口，大大减少了投资。更为重要的是，由于集群路由器对外仅体现为一台路由器，使得网络拓扑和路由策略变得简单和清晰，维护也更加方便快捷。