發布日期：2022-07-15 點擊率：12
由于網絡傳輸協議經常會變,因此中國工程師實現傳統的路由功能主要是依靠軟件,但隨著IP協議的普及和市場對速度的苛求,有沒有可能采用速度更快的硬件來實現呢？請看下文。
Ram Krishnan
技術總監
Emil Chao
運營總監
Entridia公司
因特網絕對是二十世紀最偉大的科技成果之一。現在的因特網可提供新聞、交友、購物、約會、投資、理財服務以及娛樂等各方面資訊,今后隨著因特網的不斷發展,包括視頻會議和網絡電話在內的大量實時應用也將可以通過因特網進行傳送。
要實現這些目標,就必須要對現有的路由設備進行升級。當前路由器所采用的老式結構是專為解決多協議環境中數據包的連接和轉換問題而設計的,因此要求路由器可編程性強,路由器功能主要依靠軟件實現。但不管采用何種技術,可編程性強通常都意味著產品費用增加或性能降低,或者二者兼有。傳統的路由器主要用于在低業務量的廣域網和高業務量的局域網環境中傳輸數據包,可編程性雖然比較靈活,但它卻以犧牲固定的較短等待時間以及線速(線路速率)包處理性能為代價,而下一代因特網娛樂和通訊服務又不允許有較長而且不固定的等待時間(比如在傳輸話音和視頻信息包時),更不允許處理信息包的速度低于線速,以保證服務質量。
為了對因特網的發展提供支持,需要使用專用協議硬件路由器,它通過支持多鏈路層(第二層)協議使性能大幅提高。采用硬件實現的IP路由器可以實現這一目標,其理由如下:
1．IP日趨流行。因特網的普及和深入影響使IP成為網絡通信中最主要的協議,只有符合IP協議的信息包才能在因特網上傳輸,因此支持因特網基礎結構的路由器(除了少數外部邊緣應用外)不會遇到其他協議。據Gartner Group和Dataquest估計,到2002年不使用IP協議的網絡將少于網絡總數的15%,這說明高性能并專為傳輸IP信息包而進行優化的路由器方案將使全球大部分網絡受益。此外由于IP容易理解并且性能穩定,只要因特網沒有大的改變,它就會一直占據主導地位,新的IP格式如IPv6也將與現行版本IPv4相兼容。
2．等待時間短。等待時間是指信息包從進入路由器到經某個網絡接口傳出之間的延遲。目前高端應用中利用軟件實現的路由器其等待時間為10ms左右,而硬件路由器的等待時間可短至10μs。網絡電話、視頻會議和網絡游戲等應用都要求要有較短的固定等待時間,以網絡電話為例,語音信息包經過十個軟件路由器后的延遲累計將達到100ms,這會大大限制通話雙方之間的距離,而硬件路由器則可將通話距離提高上千倍。
3．線速運行。等待時間短是支持未來因特網服務的必要條件,但這還不夠。當路由器接收到某個信息包后,必須對它進行分類,并決定如何處理:放棄傳遞,還是從適當的網絡接口轉發出去。路由器必須以線速執行這些任務才能保證服務質量要求,以支持對等待時間敏感的業務。專用協議硬件路由硅片可以輕松地以線速運行,而軟件路由器則隨著線路速率的提高(OC-12鏈路速率為每信息包516ns,OC-48鏈路速率為每信息包130ns),用軟件算法實現變得非常困難。
4．線速信息包過濾。任何信息包都可按一定的策略進行處理,對每個信息包的細節必須進行檢查,例如源和目標的IP地址、源和目標第4層端口、服務類型以及協議類型(UDP或TCP)等,路由器根據這些細節決定是放棄還是安排出口發送該信息包。當路由器的這種過濾操作速度小于線速時,在通信量很大的情況下就容易造成癱瘓,從而無法保證要求的服務質量。
5．線速帶寬調整。有時網絡中兩點之間存在多個物理鏈路,這些鏈接可能又有不同的連接速率,如果遇到這種情況,路由器應能根據不同的服務類型而將信息包安排到最適合的物理鏈路上。例如數據信息包可經速度較慢的鏈路傳輸,而包含視頻內容的信息包則經較快的鏈路傳輸。對于多個等速鏈路,路由器可將業務平均分配至各鏈路進行傳輸,以提高信息傳輸量。
6．業務管理。在業務特別繁忙時,所有的路由器都會達到飽和狀態,從而無法正確傳送所收到的每個信息包,此時路由器必須決定哪個包應該傳送,哪個包應該放棄(放棄的信息包會在稍后從源端重新發送),當然最好的情況是不把重要的信息包放棄掉。所以路由器必須要對所有信息包進行分類,并分別對待處理。下一代路由器必須能夠以線速完成上述任務,因為如果速度較低,路由器可能在分類完成之前就已經將信息包放棄了。
7．符合工業標準的可靠性。硬件路由器能以線速完成路由任務,它不會因網絡業務繁重而癱瘓,因此可用在對可靠性要求特別高的防火墻和網關產品中。
8．可擴展性。目前軟件路由器需要靠FPGA、門陣列及處理器的組合在一起來執行程序代碼,這種結構無法利用先進半導體制造技術所帶來的定制電路設計技術。但采用硅片的IP路由器則可以利用這些技術在幾個時鐘周期內實現路由功能,而軟件路由器完成同樣功能可能需要多個時鐘周期,用于進行算法執行以及FPGA、門陣列和處理器之間的通信。硅IP路由方案具有易于擴展至更多端口數量及更高速率連接等特性。
9．結構緊湊。使用硅IP引擎執行基本路由功能可大大減少路由器所需的元件數目,這將直接導致路由器的功耗更低、面積更小。硅集成度的提高大大增加了每英寸機架空間中邏輯和虛擬連接的數量。由于因特網業務每半年便會翻番,因此服務供應商都在尋求充分利用機架空間和轉向密集型網絡的途徑。
10．系統設計周期短。硅IP路由方案的出現,為系統設計師提供了標準硅片元件以實現高性能基本路由功能,使OEM廠商能夠制定出咄咄逼人的產品上市時間表,而OEM廠商此時則可將重點放在高層系統設計中。這些標準硅器件及API和驅動器可以很方便地集成到現有的路由器結構中,無需使用專用開發平臺和新的編譯器,從而保護了對高層代碼的先期投入。路由硅片的商用化一直是打開路由產品市場的主要障礙之一,這一問題的解決將促進路由器工業推出更新的革命性解決方案。
