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用户带宽增长驱动核心路由器演进

http://www.c114.net ( 2013/11/18 14:37 )

一、用户需求是带宽增长的最终推动力

人类对沟通以及感官体验的无止境追求是催生和促进及时通信、视频、高清视频、游戏等等业务应用的最终推动力。而业务和应用的不断发展又进一步对网络的带宽提出了更高的要求。据Gartner预测:未来5年,用户带宽需求和网络流量将增加10倍。来自cisco的预测则表明:IP流量每两年翻一番。其中,视频是IP业务增长的主要驱动力,2012年视频流量接近internet流量的90%,在线视频占50%;近期高清和On demand content是驱动流量主要因素;远期交互视频和移动数据业务是流量的主要驱动力,IPTV固网运营商增量且增收的重要出路。由此可见,在未来的网络中,互联网应用和视频业务的深入开展将是接入和承载网络带宽爆炸式增长的直接原因。

随着用户数量和接入带宽的不同增长,IP骨干网也受到越来越大的压力。当前,全球骨干网IP流量的分布为:北美约为600Tbps、西欧约为200Tbps、中国约为 80~100Tbps。未来全球IP流量会保持100%~115%年增长率。初步估算,未来5年我国干线流量年增长率高达56~80%,相当于5年带宽增长10~20倍。

接入带宽的增长虽然主要表现在宽带网络接入层面,但最终用户所消费的信息量的飙升,对整个宽带网络提出了产生直接或间接的冲击。这些冲击主要表现在:

1)对宽带网络承载网络能力的冲击,从接入层、汇接层到骨干网络的传输能力、调度能力和管理能力等各方面提出更高的要求;

2)对现有网络结构的冲击,为适应终端用户带宽的增长并切实利用这样的增长所带来的机会的新业务,对网络结构的要求将明显区别于传统业务,为适应三网融合后业务形态的新变化,网络结构必须做出相应的调整;

3)对现有网络节点设备形态的冲击,面对网络的新变化,现有网络节点形态存在着很大的优化空间,新形态网络节点设备的出现,将有力的促进现有网络的扁平化和融合的趋势,值得进行深入的研究。

应对“宽带中国”背景下“城市和农村家庭宽带接入能力基本达到20Mbps和4Mbps,部分发达城市达到100Mbps”的带宽需求,解决单机网络设备的容量和端口密度已很难满足大规模部署的需要,利用集群路由器在交换容量、端口速率和端口密度方面的技术优势,简化网络和路由组织,提高网络的稳定性和性能,方便网络维护管理和扩容,有着非常重要的现实意义。

二、用户带宽增长驱动核心路由器演进

1、超高交换容量需求

带宽需求不断攀升导致运营商对超大容量核心路由器需求越来越强烈,核心路由器容量扩展问题是IP骨干网扩展性最关键问题,随着骨干网业务高速增长,IP网络基础设施每2年左右需要全面升级一次,运营商已无法忍受频繁的网络升级换代,迫切需要新一代可持续发展超大容量核心路由器,并在相当长时间内保持设备稳定平滑扩容,保护运营商投资和收益。目前大部份用户的带宽为2Mbps,大部分现网络核心路由器单槽处理能力100Gbps,单机1.6Tbps-3.2Tbps,64台整机堆叠的集群总容量约100Tbps。“十二五”期间,用户带宽提升到100Mbps,在不大幅度增加功耗的前提下,网络核心路由器的处理能力也应该提升到单槽位1Tbps,单机16Tbps。

2、超大规模路由表项需求

随着IPv6的大规模部署,无所不在的传感器和智能设备的大量应用,以及企业VPN的广泛使用,对网络核心路由器路由表的容量提出了更高的要求。为满足未来更大网络大容量业务传送要求,网络核心路由器的路由表容量将要达到千万条规模,如何实现大规模网络的平滑演进,如何实现数百万甚至千万级路由的快速收敛、分发也是网络核心路由器必须面临的挑战之一。

3、400Gbps/1Tbps高速网络接口需求

网络节点交换容量的加大,设备之间互联的接口也必然随之提高。目前100Gbps接口的核心路由器已开始广泛应用于国内骨干网中,下一代主流接口将在400Gbps/1Tbps之间产生。当前业界重点关注的是技术路线:客户侧 400GE。目前IEEE在启动客户侧400GE以太网的研究, ITU-T SG15在进行OTN、FRAMER方面的标准研究,OIF论坛在进行电气接口和模块层的研究。

在网络演进过程中,同时通过SDN(软件定义网络)技术提供面向网络的编程接口以提高网络虚拟化能力也成为核心路由器的技术方向之一。

随着路由器和光传输的融合,100Gbps高速白光和彩光接口将是新型核心路由器实用化的必要条件。

4、IP+光协同组网需求:

路由器设备容量的提升在提高网络带宽的同时, 也大幅度增加了网络的能源消耗。为了构建一个绿色节能网络,一方面,需要设计能耗更优的路由器设备;另一方面, 要从网络架构方面着手, 通过路由器和光传输设备联合组网来降低整个网络的能耗。众所周知,相同带宽下光传输设备的能耗远低于路由器。IP+光协同组网解决方案是指在骨干网络中, 光网络通过ASON技术实现光层以太网流量自动调整和长距离传送,路由器按IP/MPLS等级提高差异化服务质量保障,以IP+光协同实现网络跨域的协同工作,提供高质量、高可靠性、容易运维的网络。

5、大容量可扩展集群网络需求

在路由器单机容量有限和超级网络节点环境下,需要对节点网络进行横向和纵向扩展,通过多级汇聚和负载均担来减轻设备压力,网络结构将越来越复杂,运维管理难度加大。大容量、扁平化、少局所的建网思路要求进一步简化网络拓扑、减少分层网络设备、降低接口和协议复杂性。为满足不断增长的业务需求,核心路由节点的部署必须考虑未来网络的可扩展性、可靠性和扁平化需求,支持多机扩展的路由器集群技术通过集中化、一体化的控制管理,使集群系统各台路由器单机之间能够很好地协同工作,极大的扩展了路由器的容量,从而突破了单机在开发技术工艺上的限制。在成本方面,由于集群系统中各台路由器通过高速光背板互连,节省了额外的内部互联端口,大大减少了投资。更为重要的是,由于集群路由器对外仅体现为一台路由器,使得网络拓扑和路由策略变得简单和清晰,维护也更加方便快捷。

可扩展集群路由器系统在简化网络的复杂性的同时,大大提升了集群系统自身的复杂性。交换结构方面,单机系统一般采用共享缓存、Crossbar结构,容量有限,集群路由器需要采用复杂的Clos、Banyan、Butterfly或Benes多级多平面交换矩阵,每个平面配置独立的仲裁器,避免了仲裁器瓶颈问题。

6、稳定的网络操作系统需求

可扩展路由器集群系统涉及到的设备个体较多,多框级联的管理、同步、协同处理是一套极其复杂的多级分布式系统,软件处理的难度不亚于硬件,优秀的软件架构和路由操作系统是集群路由器系统的重点和难点。目前来说,主要有两种主流的系统控制方式:集中式和分布式。

网络核心路由器系统处在网络的骨干、核心位置,对可靠性要求非常高,要求做到NSF(Non Stop Forwarding)、NSR(Non Stop Routing)和ISSU(In Service Software Upgrade)。NSF是指主控故障时,转发不中断,具体处理就是线卡的转发相关的表项不会因为主控板故障而立刻失效,而是等待主控的主备倒换或者故障恢复;NSR是指主控做完全的热备份,包括所有的控制层面的session,不需要邻居配合,完全是自主行为,并且是0丢包,实现难度很高;ISSU实惠在线无损软件升级,软件升级的时候,没有任何业务中断,这个具体实现中,经常要利用上面NSF/NSR的技术,技术实现难度很大。

稳定的网络操作系统能改保证核心路由器系统运行稳定,具有很强的防错、抗错能力,具有很强的故障恢复和应急措施,保证系统的高可用性和可靠性。

7、绿色节能需求

传统网络设备关注的是性能、成本的二维优化,网络核心路由器体积庞大、单机最高能耗达10000W,为实现高效节能,核心路由器必须从性能、成本和功耗三维角度进行综合设计和优化,解决性能、成本和功耗之间的矛盾,重点解决传统设备多框集群方式核心路由器能耗过大问题,实现从单框平滑演进到背靠背两框集群,后续可平滑演进到多框集群;减少耗电,耗材与占地面积。

作者介绍:

石友康 教授级高级工程师,1990年毕业于邮电科学研究院。中国通信标准化协会网络与交换技术工作委员会副主席,科技部“十二五”中国云国家科技重点专项专家组成员,云计算电子政务国家标准工作组秘书长。负责或参加国家攻关项目、863项目以及国标、行标等各类项目近百项, 内容涉及云计算、未来网络、现代服务业、下一代网络、互联网、IP电话接入网、ISDN技术等。目前主要从事有关云计算、宽带、信息服务业等研究工作。

作者:工信部电信研究院通信标准研究所 副所长 石友康   来源:泰尔网

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