le="display: block;">
由于網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議經(jīng)常會變,因此中國工程師實現(xiàn)傳統(tǒng)的路由功能主要是依靠軟件,但隨著IP協(xié)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(xiàn)呢？請看下文。
Ram Krishnan
技術(shù)總監(jiān)
Emil Chao
運營總監(jiān)
Entridia公司
因特網(wǎng)絕對是二十世紀(jì)最偉大的科技成果之一。現(xiàn)在的因特網(wǎng)可提供新聞、交友、購物、約會、投資、理財服務(wù)以及娛樂等各方面資訊,今后隨著因特網(wǎng)的不斷發(fā)展,包括視頻會議和網(wǎng)絡(luò)電話在內(nèi)的大量實時應(yīng)用也將可以通過因特網(wǎng)進行傳送。
要實現(xiàn)這些目標(biāo),就必須要對現(xiàn)有的路由設(shè)備進行升級。當(dāng)前路由器所采用的老式結(jié)構(gòu)是專為解決多協(xié)議環(huán)境中數(shù)據(jù)包的連接和轉(zhuǎn)換問題而設(shè)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(xiàn)。但不管采用何種技術(shù),可編程性強通常都意味著產(chǎn)品費用增加或性能降低,或者二者兼有。傳統(tǒng)的路由器主要用于在低業(yè)務(wù)量的廣域網(wǎng)和高業(yè)務(wù)量的局域網(wǎng)環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)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(wǎng)娛樂和通訊服務(wù)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(wù)質(zhì)量。
為了對因特網(wǎng)的發(fā)展提供支持,需要使用專用協(xié)議硬件路由器,它通過支持多鏈路層(第二層)協(xié)議使性能大幅提高。采用硬件實現(xiàn)的IP路由器可以實現(xiàn)這一目標(biāo),其理由如下:
1．IP日趨流行。因特網(wǎng)的普及和深入影響使IP成為網(wǎng)絡(luò)通信中最主要的協(xié)議,只有符合IP協(xié)議的信息包才能在因特網(wǎng)上傳輸,因此支持因特網(wǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的路由器(除了少數(shù)外部邊緣應(yīng)用外)不會遇到其他協(xié)議。據(jù)Gartner Group和Dataquest估計,到2002年不使用IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)將少于網(wǎng)絡(luò)總數(shù)的15%,這說明高性能并專為傳輸IP信息包而進行優(yōu)化的路由器方案將使全球大部分網(wǎng)絡(luò)受益。此外由于IP容易理解并且性能穩(wěn)定,只要因特網(wǎng)沒有大的改變,它就會一直占據(jù)主導(dǎo)地位,新的IP格式如IPv6也將與現(xiàn)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(jīng)某個網(wǎng)絡(luò)接口傳出之間的延遲。目前高端應(yīng)用中利用軟件實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)電話、視頻會議和網(wǎng)絡(luò)游戲等應(yīng)用都要求要有較短的固定等待時間,以網(wǎng)絡(luò)電話為例,語音信息包經(jīng)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(wǎng)服務(wù)的必要條件,但這還不夠。當(dāng)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(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。路由器必須以線速執(zhí)行這些任務(wù)才能保證服務(wù)質(zhì)量要求,以支持對等待時間敏感的業(yè)務(wù)。專用協(xié)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(xiàn)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(jié)必須進行檢查,例如源和目標(biāo)的IP地址、源和目標(biāo)第4層端口、服務(wù)類型以及協(xié)議類型(UDP或TCP)等,路由器根據(jù)這些細節(jié)決定是放棄還是安排出口發(fā)送該信息包。當(dāng)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(wù)質(zhì)量。
5．線速帶寬調(diào)整。有時網(wǎng)絡(luò)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(yīng)能根據(jù)不同的服務(wù)類型而將信息包安排到最適合的物理鏈路上。例如數(shù)據(jù)信息包可經(jīng)速度較慢的鏈路傳輸,而包含視頻內(nèi)容的信息包則經(jīng)較快的鏈路傳輸。對于多個等速鏈路,路由器可將業(yè)務(wù)平均分配至各鏈路進行傳輸,以提高信息傳輸量。
6．業(yè)務(wù)管理。在業(yè)務(wù)特別繁忙時,所有的路由器都會達到飽和狀態(tài),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(yīng)該傳送,哪個包應(yīng)該放棄(放棄的信息包會在稍后從源端重新發(fā)送),當(dāng)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(wù),因為如果速度較低,路由器可能在分類完成之前就已經(jīng)將信息包放棄了。
7．符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的可靠性。硬件路由器能以線速完成路由任務(wù),它不會因網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)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(wǎng)關(guān)產(chǎn)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(zhí)行程序代碼,這種結(jié)構(gòu)無法利用先進半導(dǎo)體制造技術(shù)所帶來的定制電路設(shè)計技術(shù)。但采用硅片的IP路由器則可以利用這些技術(shù)在幾個時鐘周期內(nèi)實現(xiàn)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(zhí)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(shù)量及更高速率連接等特性。
9．結(jié)構(gòu)緊湊。使用硅IP引擎執(zhí)行基本路由功能可大大減少路由器所需的元件數(shù)目,這將直接導(dǎo)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(shù)量。由于因特網(wǎng)業(yè)務(wù)每半年便會翻番,因此服務(wù)供應(yīng)商都在尋求充分利用機架空間和轉(zhuǎn)向密集型網(wǎng)絡(luò)的途徑。
10．系統(tǒng)設(shè)計周期短。硅IP路由方案的出現(xiàn),為系統(tǒng)設(shè)計師提供了標(biāo)準(zhǔn)硅片元件以實現(xiàn)高性能基本路由功能,使OEM廠商能夠制定出咄咄逼人的產(chǎn)品上市時間表,而OEM廠商此時則可將重點放在高層系統(tǒng)設(shè)計中。這些標(biāo)準(zhǔn)硅器件及API和驅(qū)動器可以很方便地集成到現(xiàn)有的路由器結(jié)構(gòu)中,無需使用專用開發(fā)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(chǎn)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(yè)推出更新的革命性解決方案。
