人類對溝通以及感官體驗(yàn)的無止境追求是催生和促進(jìn)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(jìn)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Ondemandcontent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(yùn)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(fèi)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(shí)利用這樣的增長所帶來的機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)設(shè)備的出現(xiàn)，將有力的促進(jìn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的扁平化和融合的趨勢,，值得進(jìn)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(jī)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(hù)管理和擴(kuò)容,，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義,。

 

    二,、用戶帶寬增長驅(qū)動核心路由器演進(jìn)

 

    1、超高交換容量需求

 

    帶寬需求不斷攀升導(dǎo)致運(yùn)營商對超大容量核心路由器需求越來越強(qiáng)烈,，核心路由器容量擴(kuò)展問題是IP骨干網(wǎng)擴(kuò)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(yùn)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(kuò)容,，保護(hù)運(yùn)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(jī)1.6Tbps-3.2Tbps,，64臺整機(jī)堆疊的集群總?cè)萘考s100Tbps。“十二五”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(jī)16Tbps。

 

    2,、超大規(guī)模路由表項(xiàng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn),，如何實(shí)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(diǎn)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(diǎn)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-TSG15在進(jìn)行OTN、FRAMER方面的標(biāo)準(zhǔn)研究,，OIF論壇在進(jìn)行電氣接口和模塊層的研究,。

 

    在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(yùn)維的網(wǎng)絡(luò),。

 

    5,、大容量可擴(kuò)展集群網(wǎng)絡(luò)需求

 

    在路由器單機(jī)容量有限和超級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)環(huán)境下，需要對節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橫向和縱向擴(kuò)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(yùn)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(jìn)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(diǎn)的部署必須考慮未來網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性,、可靠性和扁平化需求，支持多機(jī)擴(kuò)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(jī)之間能夠很好地協(xié)同工作，極大的擴(kuò)展了路由器的容量,，從而突破了單機(jī)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(hù)也更加方便快捷。

 

    可擴(kuò)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(jī)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(dú)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(kuò)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(diǎn)和難點(diǎn),。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（NonStopForwarding）,、NSR（NonStop 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(xiàng)不會因?yàn)橹骺匕骞收隙⒖淌?，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(shí)現(xiàn)難度很高,；ISSU實(shí)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(shí)現(xiàn)中，經(jīng)常要利用上面NSF/NSR的技術(shù),，技術(shù)實(shí)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(yùn)行穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的防錯,、抗錯能力,，具有很強(qiáng)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(jī)最高能耗達(dá)10000W，為實(shí)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(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和優(yōu)化，解決性能,、成本和功耗之間的矛盾,，重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)從單框平滑演進(jìn)到背靠背兩框集群,，后續(xù)可平滑演進(jìn)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(diǎn)專項(xiàng)專家組成員,，云計(jì)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(xiàng)目,、863項(xiàng)目以及國標(biāo),、行標(biāo)等各類項(xiàng)目近百項(xiàng),內(nèi)容涉及云計(jì)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(jì)算,、寬帶,、信息服務(wù)業(yè)等研究工作。