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用戶帶寬增長驅(qū)動核心路由器演進(jìn)
[ 通信界 / 佚名 / www.6611o.com / 2016/4/25 22:46:43 ]
 

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(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(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-T SG15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)洹p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S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(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(xiàng)不會因?yàn)橹骺匕骞收隙⒖淌В堑却骺氐闹鱾涞箵Q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。

 

作者:佚名 合作媒體:不詳 編輯:顧北

 

 

 
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