高速路由交换技术及其发展
□ 北京邮电大学宽带通信网络实验室 倪县乐 周卫华 曾志民 丁炜
Internet业务的高速增长，实时业务和多媒体应用不断增加，从应用层对网络带宽
、服务质量（QoS）、可扩展性以及对新业务的适应性方面提出了更高的要求。另一方面
，WDM和DWDM光纤传输技术飞速发展，在物理层上传输速度已经高达OC-768的速率，使得
宽带应用成为可能。因此，处于中间层的路由交换处理设备越来越成为网络的瓶颈，对
Internet路由协议以及核心设备——路由器的性能提出的要求越来越高。传统的基于总
线和中央处理器结构的路由器由于其体系结构上的局限，已经无法满足组建高速骨干网
络的需求。近年来，国际上对高速路由器技术的研究越来越多，其基本思想是将控制平
面 (control plane)和数据转发引擎 (forwarding engine)分开。在数据转发引擎中主
要是使用快速的硬件实现报文的处理、路由查询和转发，用交换结构 (switch fabric)
提高各接口单元之间的数据通信速度。而在控制平面上，由于多协议标签交换MPLS）技
术在QoS、流量工程与VPN方面的优势，控制平面则趋向采用MPLS。
一、路由器体系结构的发展
从路由器的体系结构来看，它经历了从单处理器到并行处理器，从共享总线到交换
结构的发展过程。可以把它划分为以下三个阶段。
第一代路由器是由软件集中进行IP分组转发的，所有的IP分组都要经过中央CPU进行
转发处理，吞吐率比较低，转发能力约每秒几万分组。
第二代路由器是基于软件的分布式转发，每个接口板上都有CPU，主控板生成的路由
表被下发到各接口板形成转发表，每块接口板根据转发表独立进行转发工作，转发能力
超过100万分组每秒。第二代路由器的技术要点是各接口板转发表的刷新和同步。
由于CPU的处理能力增长是每18个月翻一番，而因特网的流量却每6个月就翻一番，
因此基于软件转发的路由器一度成为网络中的瓶颈。90年代后期IP业务呈爆炸式发展，
路由器技术也实现了向第三代的飞跃，并在接口速率上超过了一度有望成为数据网络主
要技术的ATM。目前，ATM交换机的高速接口处理速率只达到了2.5Gbit/s，而高速路由器
的最高端口速率已达到10Gbit/s。同时，由于IP技术自身的QoS技术不断发展，特别是M
PLS技术的引入，QoS问题正在IP领域逐步得到解决，高速路由器重新占据了IP网络的核
心位置。
第三代路由器基于硬件进行IP分组的转发，转发引擎可以是ASIC(专用集成电路 )，
也可以是专门为IP转发而设计的网络处理器。第三代路由器是当前广泛采用的方案，其
关键技术包括以下几个方面。
1．交换结构
高速路由器的整机吞吐量很大，早期路由器的基于背板共享总线的方式已不能满足
高速数据传递的需要。首先，共享总线不能避免内部冲突；其次，共享总线的负载效应
使得高速总线的设计难度很大。交换结构的引入逐步克服了共享总线的以上缺点。Cros
sbar通过点到点的连接把需要通信的输入端口和输出端口连接起来。Crossbar结构可以
支持高带宽的原因主要有两个：第一，接口板到交换结构的物理连接简化为点到点连接
，这使得该连接可以运行在非常高的速率上。半导体厂商目前已经可以用COMS技术制造
出10Gbit/s速率的点对点串行收发芯片；第二个原因是它的结构可以支持多个连接同时
以最大速率传输数据，即多个输入／输出端口对可以同时通过这个交换网进行通信。这
一点极大地提高了整个系统的吞吐量。从这个意义上看，我们称所有的Crossbar在内部
是无阻塞的，因为它可以支持所有端口同时以最大速率传输（或称为交换）数据。但是
使用Crossbar时可能会遇到以下问题：
（1） 阻塞问题
当使用Crossbar时可能会遇到两种阻塞。第一种是队头阻塞。这是输入排队时遇到
的最常见的问题。已经提出一种叫做虚拟排队（virtual output queuing，VOQ）的机制
解决了这种阻塞问题。这个方法是每一输入端口上对每一输出端口都有一个队列。所以
当一个输出端口发生阻塞时就不会影响其它的端口。但是，在数据交换时每一端口只能
同时占用Crossbar中的一条线，所以当输出队列中有多个分组时同样会出现阻塞。有文
献中提到使用带优先级的虚拟输出队列可以到达较优的效果，但是该方法并不能完全解
决输入阻塞问题，因为优先级相同的队列之间还是有阻塞。
第二种是输出阻塞。当两个以上输入端口要去往同一个输出端口时就会发生输出阻
塞。但是它也不会影响Crossbar的交换速度。解决输出阻塞可以增加Crossbar的交换速
度，有研究表明当Crossbar的速度是端口速度的两倍时就不会发生阻塞。
（2） 调度算法
调度算法也可以分为输入排队调度算法和输出排队调度算法。当前的调度算法有两
个目标，其一在输入端口与输出端口之间安排一条通路。算法要稳定、效率高、速度快
，而且不会出现队列永远等待的情况。另外，算法还要易于实现。其二要能提供对QoS的
支持，能够对不同优先级的业务进行调度。
针对这两个目标已经有很多相关的文献提出了不同的调度方法，并且给出了算法的
性能描述。由于输出排队算法要求输出端口的速率是输入端口的N倍（N是端口数目），
否则便会引起丢包。所以现在很多系统都采用输入排队算法。如CiscoGSR12000系列采用
的是iSLIP（iterative round-robin matching with SLIP）和以及其扩展支持组播的E
SLIP算法。由于提供QoS的分组调度算法通常是对输出队列操作的，对输入排队列则需要
同时调度交换机构与输出队列，实现较为复杂。
目前已有文献提出结合输入、输出排队的交换结构CIOQ(combined input/output q
ueuing)，并提出若干调度算法。研究表明当交换结构的加速比为2时，该交换结构能够
在保证高分组交换率的同时提供QoS支持。由于DiffServ在核心网上的优势，在骨干路由
器中支持DiffServ的排队和调度算法将是研究的一个方向。
2． 线路接口板
线路接口板结构如图3所示，它也是很重要并且难度较大的部分。当前线路接口板可
以提供多种线路接口，常见的有10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s、10Gbit/s以太网口
，155Mbit/s、622Mbit/s、2.5Gbit/s、10Gbit/s的POS接口，155Mbit/s、622Mbit/s、
2.5Gbit/s的ATM接口等。阿尔卡特、思科、Juniper、朗讯等新推出的核心路由器都支持
10Gbit/s的POS接口，因此，将来一段时间内，核心网上接口速率的主流将为10Gbit/s。
线路接口板从不同的物理层和数据链路层信息中提取出IP分组提交给专用ASIC或网
络处理器进行处理。当前与接口板相关的技术主要有以下几方面的问题。
（1） 高速路由表查找的线速处理
对于10Gbit/s这样的高速端口，要求高速路由器做到线速处理，这确实是一个严峻
的挑战。传统的内存芯片（SRAM）或（SDRAM）通常工作在100MHz，对于64位总线来说，
芯片的带宽不超过6.4Gbit/s，排队时需要读写两次操作，则一块内存只可以支持3.2Gb
it/s速率的数据排队。对于10Gbit/s端口，需要更宽的总线或更先进的内存技术 (如RA
MBUS)，即使掌握了这些技术，还需要高效的内存管理。解决高速路由表查找有几种方法
。其一，使用专门定制的ASIC或者网络处理器。其二，使用表压缩和哈希表技术。其三
，就是避免在核心路由器上进行路由表的查找。比较成熟的技术有Ipswitch、Tagswitc
h、MPLS等。它们都是采用“一次路由，多次交换”的方法来避免在核心网上多次路由。
由于MPLS技术的标准化的快速进展，MPLS已经称为当前研究的一个热点。
（2） 对QoS的支持
线路接口板对分组的处理已不再局限于简单地把IP分组包转发到目的端口，还必须
能够为了不同的业务提供QoS保证。因此就需要不同QoS优先级的用户数据流要实施不同
的转发策略。要能够对这些业务的数据流进行分类、排队、基于优先级的调度、整形、
流量统计、数据封装等操作。
二、 高速路由器的控制技术选择-MPLS
MPLS即多协议标签交换技术，是一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高
效传输的新技术。它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式。MPLS技术的
主要优点有包括以下几个方面。
* 网络中分组的转发基于定长标签，简化了转发机制，使得路由器容量很容易扩展到
太比特级。实际上当前推出的几乎所有高速路由器都支持MPLS。
* 充分采用原有的IP路由。由于MPLS将路由与分组转发分离开来，这使得在MPLS网
中可以通过修正转发方法来推动路由技术的演进。新的路由技术可以在不间断网络运行
的情况下直接应用到网络中，而不必改动现有路由器上的转发技术，这是目前的各种网
络技术不易做到的。
* MPLS是一种与链路层无关的技术，它同时支持FR、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保证
了多种网络的互联互通，可以将各种不同的网络传输技术统一在同一个MPLS平台上，最
大限度地兼顾原有的各种技术，保护现有投资和网络资源，大约降低50%的网络成本。
* MPLS支持流量工程、CoS、QoS和大规模的虚拟专用网VPN。MPLS网中的显式路由使
得流量工程的应用变得简单，增强了IP网络流控和自愈恢复能力。由于MPLS提供的是面
向连接的服务，因此能够提供有效的QoS的保障。而MPLS的隧道技术是目前支持VPN业务
的最佳手段。
* MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构，减少了网络复杂性，具有良好的网络扩
展性。而且，MPLS的标签合并机制支持不同数据流的合并传输。
* 作为综合平台，在语音方面，VoIP on MPLS实验十分成功。在数据方面，它先天
就能承载IP业务；在视频方面，它已能承载多媒体应用。而且，MPLS的标准化进程十分
迅速，这也是它能迅速普及的关键。
MPLS的大规模实验在美国和欧洲已经进行。Lucent在全美23个城市间的NET2000实验
网上进行MPLS技术实验，以测试MPLS与其它ATM网、FR网等互连互通、MPLS对语音、实时
视频传输的支持能力和MPLS VPN的性能等。欧洲国家1999年在其研究网上实现了ATM、P
VPC、SDH、G比特以太网、DWDM等传输网络技术的统一，在MPLS下进行互连互通，并作了
语音传输、视频服务和多媒体等实时业务传输和VPN增值服务的实验。
MPLS未来技术的发展将集中在：（1）MPLS VPN的应用技术的研究；（2）IP电话作
为未来互联网所提供的基本功能之一，下一步应进一步完善它与PSTN之间的信令的转换
和交互式通信的平滑性问题；（3）路由、传输交换技术与光纤传输网OTN的融合发展是
一种趋势，随着DWDM技术的进步，如何将MPLS与OTN、DWDM技术结合起来，实现交叉连接
与标签交换的统一是一个重要的研究方向；（4）进一步完善MPLS与ATM的无缝融合、MP
LS组播技术和MPLS网络管理；（5）加速研究MPLS到桌面的应用，这是实现网络融合、全
网统一的关键之一；（6）随着无线ATM技术的成熟应用，将MPLS技术引入到无线网络中
是可能也是必须的；（7）注意协议的简明性，避免出现与当时ATM发展时遇到的信令过
于复杂的情况。
三、 高速路由器的发展方向
由于波分复用（WDM）技术的成熟以及大规模的商用，越来越多的光传输系统升级为
WDM或DWDM。然而，当前的WDM应用还主要是静态利用单个的WDM通道，而当前的路由器也
就成了全光因特网发展的瓶颈。因此，具有高吞吐量的波长路由器将是骨干路由器发展
的方向。实际上此类设备有些已经通过试验，即将开始投入商用。
在控制平面上，IP技术如何与光网络相结合，如何赋予光网络一定的智能，如何提
供能够保证QoS的服务就成为必须解决的问题。在这种情况下，MPLmS应运而生，它是传
统电MPLS在光域上的扩展，上层与MPLS一样采用普通的IP协议（BGP、OSPF）传输路由信
息和标签分发协议（LDP）实现路由选定和标签的绑定。下层直接采用第一层（光波长级
）的交换来处理第三层的IP分组转发。从而大大简化网络层次结构，并具有更强大的业
务管理、流量工程、QoS保证等功能。MPLmS是构建新型网络的管理控制平台，它可以覆
盖光网络拓扑未来演进的整个范围，也就可以将IP等各种业务无缝的接入到具有巨大带
宽的光纤网络上来，因此MPLmS将是构建未来新型网络的有效方法。
综上所述，在未来的一段时间内，以MPLS为控制平面，以高速路由器为转发引擎的
网络将会得到快速的发展。有研究表明，到2006年，此类MPLS设备将依其优良的性能占
领市场，其原有设备不再发展，MPLS设备将从骨干网延伸到用户端，全面实现MPLS的各
项标准化协议。从长期来看，以MPLmS为控制平面，以波长路由器为转发引擎的全光因特
网将是网络发展的更高阶段。
高速路由交换技术及其发展