[发明专利]基于P2i互连结构的可扩展路由器

说明书

技术领域

基于P2i互连结构的可扩展路由器属于互联网核心设备路由器技术领域。

背景技术

核心路由器是计算机网络中的关键设备，其主要功能是完成数据路由功能。路由器的发展大体经历了“集中路由转发/共享总线交换”(如图1所示)，“分布路由转发/共享总线交换”(如图2所示)，“分布路由转发/交换结构交换”(如图3所示)三个阶段，路由器性能随之有大幅度的提高。然而，随计算机网络的快速发展，用户流量迅速增长，路由器性能仍然是互联网发展的瓶颈，这要求路由器的性能必须不断提高，以适应这一需求。

目前路由器始终属于单节点路由器，即“多个外部端口+单交换结构+单CPU计算路由”。这种单节点路由器一方面受交换结构发展的限制，总体性能提升非常困难；另一方面，随网络规模的急速膨胀，路由计算问题也成为路由器发展的瓶颈之一。因此，可扩展路由器成为路由器的发展方向，将成为下一代互联网核心设备。可扩展路由器(Cluster Router简称CR)可以由多个路由节点(Routing Node，后简称RN)通过内部互连结构连接形成(如图4所示)。CR对外表现是一台单节点路由器而不是一个网络。

互连结构是路由器的核心部件。当前核心路由器主要采用crossbar交换结构。当输入输出端口数目增加时，crossbar交换结构的复杂度和成本将急剧增加，因此不适合CR采用。对于CR来讲，其灵活扩展性要求其内部互连结构也具备相应的扩展能力，而且其内部互连结构的性能将很大程度影响CR的性能。因此高性能、可扩展的互连结构是CR的一个关键问题。

此外，内部互连结构应该具备良好的扩展粒度。CR作为下一代互联网核心设备，应该具备极好的可扩展性，以满足各运营商或网络用户对网络性能日益增长的需求。

目前CR已有的互连结构大体分两类，多级互连交换结构(MIN)和直连式互连结构。

目前CR所采用的MIN有如下几种：

Benes结构。采用Benes结构，要搭建一个N×N的无阻塞网络，代价为N·2logN，Benes结构属于可重排无阻塞交换网络。如果采用单路径路由，需要重新建立连接，采用多路径路由可以消除这一问题。可以通过递归的方式搭建Benes网，如图5所示。

Benes结构属于多级交换结构，该结构的构建简单、结构对称，可以很方便的支持较多的端口。而且，Benes结构中输入、输出端口间存在多条路径，可以实现负载的均衡，一定程度上缓解了路径冲突的问题。但是，该交换结构的实现代价较大，而且出现“阻塞”时需要重新设定网络的连接关系，反应速度较慢。

Clos结构。Clos结构也属于多级交换结构，图6是一个典型的3级Clos交换结构。一般情况下，3级Clos结构属于可重排无阻塞，但是可以证明当m＞＝2n-1时不需要重排，属于严格意义上的无阻塞结构。

Clos交换结构中每个组成“元素”可以是crossbar，不需要特殊的设计，而且相同规模的Clos结构的实现代价远远低于crossbar结构；在Clos结构中，输入、输出端口间存在多条交换路径。Clos结构要实现无阻塞，代价较大，所以一般意义上还是属于可重排无阻塞，这就要求在中间过程重新设定连接关系。同样在利用多平面结构实现扩展时，面临一个两难的选择：交换网络中有缓存，需要解决排序问题；无缓存，寻路的代价会很高，很难实现高吞吐率。

负载均衡交换结构是一种较为新颖的交换结构，如图7所示，两个相同的交换模块将一个缓冲区夹在中间，缓冲区按VOQ的方式组织，共有N²个VOQ。第一级交换模块负责负载均衡，第二级交换模块负责分组调度，两级交换模块不需要复杂的调度算法，只要简单的轮转即可。

负载均衡交换结构在设计之初存在一些问题，包括：由于中间缓存的存在，可能导致分组乱序；一些病态流量可能导致整个交换的吞吐率急剧下降；该结构对交换模块设置的快速更新提出了很高的要求；容错能力不强等。后来的一些研究针对这些问题逐一做了分析，并给出了相应的解决方法。

目前CR采用的直连式互连结构有如下几种：