核心路由器转发体系演进研究

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  • 来源:卡酷

      摘要转发体系是核心路由器的关键模块,承担报文转发和网络层协议实现的功能。本文研究路由器转发体系的发展演化,通过研究基于CPU、ASIC、FPGA和NP等技术的转发体系,详细分析了各种转发体系的特点,为路由器结构设计和实现提供参考。

        关键词路由转发体系 ASIC转发 NP FPGA TCAM

        中图分类号:TN8 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2008)0510010-01

        

        一、前言

        

        随着互联网和宽带业务的迅速发展,骨干网络已经建成了以10GPOS链路为主流的万兆骨干网络,并且正在向40100万兆链路的网络演进。路由器作为构筑高带宽、高性能骨干网络的关键设备,典型结构采用了分布式转发处理和无阻塞交换技术1。转发处理技术是影响网络性能和成本最重要部件,目前形成了以ASIC和NP2为主的几种体系,不同体系对于网络性能和成本的影响非常大。设计选择有针对性的技术体系,对于提升网络应用价值和性价比意义重大。本文旨在通过讨论和研究核心路由器转发体系的演进,为路由器结构设计和研究提供方向参考。

        

        二、基于CPU的转发和ASIC技术体系

        

        在路由器发展的上个世纪80年末到90年代,网络上路由器和三层交换机皆采用CPU作为核心转发硬件。通过通用CPU作为转发平台具备高度灵活性的优势,其处理方式如下:报文进入路由器之后缓存并提取报头信息,经由CPU计算下一条并指挥转发。这种体系结构简单,随着CPU速度的提高处理能力可以达到400Kpps,转发时延控制在毫秒级别,通过软件升级实现对新业务和新功能的支持,总体在低速率情况下工作的很好。由于该方式的低成本和结构简单性,普遍被接入层路由器采用,目前许多低端路由器仍然使用这种结构设计,在对性能要求不高的场合提供尽可能大的灵活性。但伴随Internet网络转发能力需求不断提高,单单依靠CPU高度集中的方式处理已经远远不能满足大部分场景的需要。依照一个通用CPU的极限转发性能400Kpps左右计算,还做不到2个155MPOS接口线速转发。

        伴随转发能力的需要,业界出现了ASIC技术体系。可以说,ASIC的出现,是为了解决路由转发瓶颈的问题。在此之前,依靠CPU来实现路由转发的路由器受制于CPU的处理能力,约每秒几十万个分组报文。而对于一条千兆或2.5G链路,小报文线速情况下需要的转发能力要求超过了每秒一百万报文1。在ASIC技术体系中,针对IP路由转发流程设计了专门的大规模集成电路,以硬件方式来实现数据包路由转发处理,极大地提高了转发性能。

        对于应用于其他场景的ASIC平台来说,主要困难在于对新功能的快速灵活支持。首先,ASIC通常开发周期长,从设计到制造约12年的周期,ASIC开发和研制周期的限制,使得基于ASIC的转发体系或者板块难以快速实现新业务,基于ASIC的业务路由器通常推出的时间要稍晚正是这个原因。第二,基于ASIC体系的不同代芯片需要重新设计和生产,新功能增加速度较难满足,尤其对于相对独立芯片设计生产能力较低的设备厂商压力很大。

        ASIC芯片规模成本最低,但由于ASIC开发周期长,在生产规模较为有限的情况下,设计成本不易有效控制,尤其对于短生命周期的路由器,其成本节约不一定能够体现。应当说明的是,ASIC方式的转发性能伴随科技的进步得到了不断的发展,能够适应更高带宽转发能力的需求,可以广泛使用到中低端路由器直到高端路由器的各个系列设备之中去,业界生产销售规模较大的厂商更乐于使用ASIC模式生产各种路由器。

        为了平衡灵活性和高速交换的能力问题,克服ASIC对新功能支持速度的不足3,诸多厂家都在寻找新的转发技术,以便能够解决新业务快速支持的困难问题,NP和FPGA是其中的两种方式。

        

        三、基于NP的转发体系

        

        上世纪末,网络处理器(NP)开始规模应用2。NP技术相当于ASIC内部内嵌可编程单元,由于NP对业务作了相应的微码优化,所以其对特定业务的处理能力比传统的CPU有了很大的提升,单NP片可实现1Mpps的转发性能,可完成2.5G端口的线速转发能力。NP能够一定程度上集成ASIC硬件转发特性,同时通过设置众多并行运转的微码处理器,依靠微码编程,控制硬件转发和业务处理,提供新业务的部署能力。

        对NP优点总结如下:第一,NP基本继承了ASIC性能,高性能网络处理器能够实现2.5G、10GG接口的线速转发。在转发性能方面,虽然网络处理器比起ASIC稍有差别,但其发展演化能够基本胜任高速链路线速转发能力。第二,NP能够便利开发支持丰富的业务能力,包括MPLS VPN、QoS、组播、安全、NAT等等,正式由于NP的微代码编程能力,能够满足新业务发展需求。第三,NP能够提供快速的业务部署能力。NP体系可通过微码升级支持新业务,快速提供新功能。NP体系适应能力强和扩展能力较好,使其成为最主要的业务路由器架构之一。由于使用NP组成的核心路由器在高速端口密度,端口性能可扩展能力方面有比较大的局限性,近年来也出现了采用多个NP分布式转发来实现较高密度2.5G、10G端口的数据交换,但此模式解决内部多个高速接口之间的数据转发瓶颈明显,基于以上分析,业界普遍认为NP架构比较适合骨干网的汇聚层路由器或者MPLS PE路由器或者业务路由器。在小规模生产时成本也较为合算。

        

        四、ASIC+FPGA+TCAM方式

        

        ASIC+FPGA+TCAM方式和NP方式类似,避免了ASIC专用电路的开发周期长、升级困难的问题。FPGA(现场可编程门阵列)的逻辑门电路规模不够大,适合于承担简单协议处理工作,有复杂计算需求的功能通过ASIC实现,可以组合得到较为理想的效能和成本。简单地讲,需要合理设计ASCI、FPGA承担的功能,才能够胜任多协议处理和复杂业务处理。目前FPGA能够实现10G数据流的报文头的处理,从而提供了对多业务支持的可能性。

        TCAM(三态内容寻址存储器)是近年兴起的一项辅助技术,主要用来解决路由表的保存和快速查找技术。TCAM很好地解决了多业务中各种表项的高速查找问题,其查找性能已可达100Mpps,可以满足40G端口报文4次/秒的查找速度。而对各种路由表、ACL安全策略、QoS策略等表项的查找是多业务支持的核心内容。通过ASIC+FPGA+TCAM方式来设计路由器转发核心部件,取得了很多应用。在ASIC+FPGA+TCAM机制和NP转发机制中,转发板块接收到IP报文,ASIC/NP将一部分功能分配给FPGA和TCAM完成,其中,把MPLS协议处理、QoS队列调度等功能安排FPGA处理,把查表工作分配给TCAM去处理5,但IP单播转发/组播转发以及MPLS转发仍然由ASIC完成,以实现线速转发。

        我们清晰的看到,ASIC+FPGA+TCAM方式相对ASIC体系而言增加了业务的灵活性,提高了查表能力。ASIC+FPGA+TCAM相比NP方式,优点有处理速度易于提高达到线速,处理效率高的特点;但开发新业务的速度通常不及NP方式,快于纯ASIC方式。其特点的对比特别类似ASIC和NP方式的对比。两种改良方式都试图对ASIC体系进行优化进,

        通过设计部分灵活编程的能力,提高了新功能增加的速度,但也增加了规模成本(通常规模越大,ASIC节省成本的能力越明显)。

        

        五、总结

        

        综合基本转发性能、时延特性、业务适应能力、可升级灵活性、开发成本、规模成本、开发周期、升级新业务等各方面对ASIC、NP等几种路由转发技术体系进行比较,我们认为每种转发体系都有其存在的生态环境(特点对比参见表1)。总体上讲,低端路由器市场规模大,适合采用CPU或者ASIC体系具有较高的性价比和较为显著优越性,骨干核心负责高速转发的路由器更适合采用ASIC架构实现高速转发高稳定性的设计目标,业务路由器和汇聚路由器由于功能和新业务部署较多,更加适宜采用NP或者ASIC+FPGA+TCAM方式。

        

        参考文献:

        1《Design issues for high performance active routers》T.Wolf and J. S. Turner IEEE Journal on Selected Areas of Communication,Mar. 2001.

        2《Design and Performance of Scalable High-Performance Programmable Routers》T.Wolf and J. S. Turner,Aug. 2002.

        3《System Requirements for Super Terabit Routing》Mehrdad Nourani、Gautam Kavipurapu and Raju Gadiraju.

        

        作者简介:

        孟照远,硕士,高级工程师,长期从事Internet网络技术的研究和规划;孔令山,博士,研究IP网络架构和Qos保障技术。

      

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