用戶帶寬增長驅(qū)動核心路由器演進

一、用戶需求是帶寬增長的最終推動力

人類對溝通以及感官體驗的無止境追求是催生和促進及時通信、視頻、高清視頻、游戲等等業(yè)務(wù)應(yīng)用的最終推動力。而業(yè)務(wù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展又進一步對網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了更高的要求。據(jù)Gartner預(yù)測：未來5年，用戶帶寬需求和網(wǎng)絡(luò)流量將增加10倍。來自cisco的預(yù)測則表明：IP流量每兩年翻一番。其中，視頻是IP業(yè)務(wù)增長的主要驅(qū)動力，2012年視頻流量接近internet流量的90％，在線視頻占50％；近期高清和On demand content是驅(qū)動流量主要因素；遠(yuǎn)期交互視頻和移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是流量的主要驅(qū)動力，IPTV是固網(wǎng)運營商增量且增收的重要出路。由此可見，在未來的網(wǎng)絡(luò)中，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和視頻業(yè)務(wù)的深入開展將是接入和承載網(wǎng)絡(luò)帶寬爆炸式增長的直接原因。

隨著用戶數(shù)量和接入帶寬的不同增長，IP骨干網(wǎng)也受到越來越大的壓力。當(dāng)前，全球骨干網(wǎng)IP流量的分布為：北美約為600Tbps、西歐約為200Tbps、中國約為 80~100Tbps。未來全球IP流量會保持100％～115％年增長率。初步估算，未來5年我國干線流量年增長率高達(dá)56～80％，相當(dāng)于5年帶寬增長10～20倍。

接入帶寬的增長雖然主要表現(xiàn)在寬帶網(wǎng)絡(luò)接入層面，但最終用戶所消費的信息量的飆升，對整個寬帶網(wǎng)絡(luò)提出了產(chǎn)生直接或間接的沖擊。這些沖擊主要表現(xiàn)在：

1）對寬帶網(wǎng)絡(luò)承載網(wǎng)絡(luò)能力的沖擊，從接入層、匯接層到骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力、調(diào)度能力和管理能力等各方面提出更高的要求；

2）對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的沖擊，為適應(yīng)終端用戶帶寬的增長并切實利用這樣的增長所帶來的機會的新業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求將明顯區(qū)別于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，為適應(yīng)三網(wǎng)融合后業(yè)務(wù)形態(tài)的新變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必須做出相應(yīng)的調(diào)整；

3）對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備形態(tài)的沖擊，面對網(wǎng)絡(luò)的新變化，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點形態(tài)存在著很大的優(yōu)化空間，新形態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的出現(xiàn)，將有力的促進現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的扁平化和融合的趨勢，值得進行深入的研究。

應(yīng)對“寬帶中國”背景下“城市和農(nóng)村家庭寬帶接入能力基本達(dá)到20Mbps和4Mbps，部分發(fā)達(dá)城市達(dá)到100Mbps”的帶寬需求，解決單機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的容量和端口密度已很難滿足大規(guī)模部署的需要，利用集群路由器在交換容量、端口速率和端口密度方面的技術(shù)優(yōu)勢，簡化網(wǎng)絡(luò)和路由組織，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和性能，方便網(wǎng)絡(luò)維護管理和擴容，有著非常重要的現(xiàn)實意義。

二、用戶帶寬增長驅(qū)動核心路由器演進

1、超高交換容量需求

帶寬需求不斷攀升導(dǎo)致運營商對超大容量核心路由器需求越來越強烈，核心路由器容量擴展問題是IP骨干網(wǎng)擴展性最關(guān)鍵問題，隨著骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)高速增長，IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施每2年左右需要全面升級一次，運營商已無法忍受頻繁的網(wǎng)絡(luò)升級換代，迫切需要新一代可持續(xù)發(fā)展超大容量核心路由器，并在相當(dāng)長時間內(nèi)保持設(shè)備穩(wěn)定平滑擴容，保護運營商投資和收益。目前大部份用戶的帶寬為2Mbps，大部分現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心路由器單槽處理能力100Gbps，單機1.6Tbps-3.2Tbps，64臺整機堆疊的集群總?cè)萘考s100Tbps�！笆�二五”期間，用戶帶寬提升到100Mbps，在不大幅度增加功耗的前提下，網(wǎng)絡(luò)核心路由器的處理能力也應(yīng)該提升到單槽位1Tbps，單機16Tbps。

2、超大規(guī)模路由表項需求

隨著IPv6的大規(guī)模部署，無所不在的傳感器和智能設(shè)備的大量應(yīng)用，以及企業(yè)VPN的廣泛使用，對網(wǎng)絡(luò)核心路由器路由表的容量提出了更高的要求。為滿足未來更大網(wǎng)絡(luò)大容量業(yè)務(wù)傳送要求，網(wǎng)絡(luò)核心路由器的路由表容量將要達(dá)到千萬條規(guī)模，如何實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的平滑演進，如何實現(xiàn)數(shù)百萬甚至千萬級路由的快速收斂、分發(fā)也是網(wǎng)絡(luò)核心路由器必須面臨的挑戰(zhàn)之一。

3、400Gbps/1Tbps高速網(wǎng)絡(luò)接口需求

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點交換容量的加大，設(shè)備之間互聯(lián)的接口也必然隨之提高。目前100Gbps接口的核心路由器已開始廣泛應(yīng)用于國內(nèi)骨干網(wǎng)中，下一代主流接口將在400Gbps/1Tbps之間產(chǎn)生。當(dāng)前業(yè)界重點關(guān)注的是技術(shù)路線：客戶側(cè) 400GE。目前IEEE在啟動客戶側(cè)400GE以太網(wǎng)的研究， ITU-T SG15在進行OTN、FRAMER方面的標(biāo)準(zhǔn)研究，OIF論壇在進行電氣接口和模塊層的研究。

在網(wǎng)絡(luò)演進過程中，同時通過SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)提供面向網(wǎng)絡(luò)的編程接口以提高網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力也成為核心路由器的技術(shù)方向之一。

隨著路由器和光傳輸?shù)娜诤希?00Gbps高速白光和彩光接口將是新型核心路由器實用化的必要條件。

4、IP+光協(xié)同組網(wǎng)需求：

路由器設(shè)備容量的提升在提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時， 也大幅度增加了網(wǎng)絡(luò)的能源消耗。為了構(gòu)建一個綠色節(jié)能網(wǎng)絡(luò)，一方面，需要設(shè)計能耗更優(yōu)的路由器設(shè)備；另一方面， 要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面著手， 通過路由器和光傳輸設(shè)備聯(lián)合組網(wǎng)來降低整個網(wǎng)絡(luò)的能耗。眾所周知，相同帶寬下光傳輸設(shè)備的能耗遠(yuǎn)低于路由器。IP+光協(xié)同組網(wǎng)解決方案是指在骨干網(wǎng)絡(luò)中， 光網(wǎng)絡(luò)通過ASON技術(shù)實現(xiàn)光層以太網(wǎng)流量自動調(diào)整和長距離傳送，路由器按IP/MPLS等級提高差異化服務(wù)質(zhì)量保障，以IP+光協(xié)同實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跨域的協(xié)同工作，提供高質(zhì)量、高可靠性、容易運維的網(wǎng)絡(luò)。

5、大容量可擴展集群網(wǎng)絡(luò)需求

在路由器單機容量有限和超級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點環(huán)境下，需要對節(jié)點網(wǎng)絡(luò)進行橫向和縱向擴展，通過多級匯聚和負(fù)載均擔(dān)來減輕設(shè)備壓力，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將越來越復(fù)雜，運維管理難度加大。大容量、扁平化、少局所的建網(wǎng)思路要求進一步簡化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、減少分層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、降低接口和協(xié)議復(fù)雜性。為滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求，核心路由節(jié)點的部署必須考慮未來網(wǎng)絡(luò)的可擴展性、可靠性和扁平化需求，支持多機擴展的路由器集群技術(shù)通過集中化、一體化的控制管理，使集群系統(tǒng)各臺路由器單機之間能夠很好地協(xié)同工作，極大的擴展了路由器的容量，從而突破了單機在開發(fā)技術(shù)工藝上的限制。在成本方面，由于集群系統(tǒng)中各臺路由器通過高速光背板互連，節(jié)省了額外的內(nèi)部互聯(lián)端口，大大減少了投資。更為重要的是，由于集群路由器對外僅體現(xiàn)為一臺路由器，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚刹呗宰兊煤唵魏颓逦�，維護也更加方便快捷。

可擴展集群路由器系統(tǒng)在簡化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性的同時，大大提升了集群系統(tǒng)自身的復(fù)雜性。交換結(jié)構(gòu)方面，單機系統(tǒng)一般采用共享緩存、Crossbar結(jié)構(gòu)，容量有限，集群路由器需要采用復(fù)雜的Clos、Banyan、Butterfly或Benes多級多平面交換矩陣，每個平面配置獨立的仲裁器，避免了仲裁器瓶頸問題。

6、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)需求

可擴展路由器集群系統(tǒng)涉及到的設(shè)備個體較多，多框級聯(lián)的管理、同步、協(xié)同處理是一套極其復(fù)雜的多級分布式系統(tǒng)，軟件處理的難度不亞于硬件，優(yōu)秀的軟件架構(gòu)和路由操作系統(tǒng)是集群路由器系統(tǒng)的重點和難點。目前來說，主要有兩種主流的系統(tǒng)控制方式：集中式和分布式。

網(wǎng)絡(luò)核心路由器系統(tǒng)處在網(wǎng)絡(luò)的骨干、核心位置，對可靠性要求非常高，要求做到NSF（Non Stop Forwarding）、NSR（Non Stop Routing）和ISSU(In Service Software Upgrade)。NSF是指主控故障時，轉(zhuǎn)發(fā)不中斷，具體處理就是線卡的轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)的表項不會因為主控板故障而立刻失效，而是等待主控的主備倒換或者故障恢復(fù)；NSR是指主控做完全的熱備份，包括所有的控制層面的session，不需要鄰居配合，完全是自主行為，并且是0丟包，實現(xiàn)難度很高；ISSU實惠在線無損軟件升級，軟件升級的時候，沒有任何業(yè)務(wù)中斷，這個具體實現(xiàn)中，經(jīng)常要利用上面NSF/NSR的技術(shù)，技術(shù)實現(xiàn)難度很大。

穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)能改保證核心路由器系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有很強的防錯、抗錯能力，具有很強的故障恢復(fù)和應(yīng)急措施，保證系統(tǒng)的高可用性和可靠性。

7、綠色節(jié)能需求

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備關(guān)注的是性能、成本的二維優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)核心路由器體積龐大、單機最高能耗達(dá)10000W，為實現(xiàn)高效節(jié)能，核心路由器必須從性能、成本和功耗三維角度進行綜合設(shè)計和優(yōu)化，解決性能、成本和功耗之間的矛盾，重點解決傳統(tǒng)設(shè)備多框集群方式核心路由器能耗過大問題，實現(xiàn)從單框平滑演進到背靠背兩框集群，后續(xù)可平滑演進到多框集群；減少耗電，耗材與占地面積。

作者介紹:

石友康 教授級高級工程師，1990年畢業(yè)于郵電科學(xué)研究院。中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)工作委員會副主席，科技部“十二五”中國云國家科技重點專項專家組成員，云計算電子政務(wù)國家標(biāo)準(zhǔn)工作組秘書長。負(fù)責(zé)或參加國家攻關(guān)項目、863項目以及國標(biāo)、行標(biāo)等各類項目近百項, 內(nèi)容涉及云計算、未來網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、下一代網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、IP電話、接入網(wǎng)、ISDN技術(shù)等。目前主要從事有關(guān)云計算、寬帶、信息服務(wù)業(yè)等研究工作。