高性能單機(jī)路由器在中國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

李偉，許帥

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

1 高性能單機(jī)路由器出現(xiàn)的背景

2008年后，中國(guó)移動(dòng)CMNet進(jìn)入快速發(fā)展期，網(wǎng)絡(luò)流量增長(zhǎng)迅速，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴(kuò)大。僅骨干網(wǎng)容量，就從2008年的不到800 Gbit/s，快速擴(kuò)容到2014年底的14 Tbit/s，預(yù)計(jì)到2015年底將達(dá)到33 Tbit/s，增幅巨大（如圖1所示）。

圖1 中國(guó)移動(dòng)CMNet骨干網(wǎng)容量統(tǒng)計(jì)圖

網(wǎng)絡(luò)流量的急速增長(zhǎng)和業(yè)務(wù)類型的豐富促進(jìn)了路由器設(shè)備性能的不斷進(jìn)行升級(jí)和提高。路由器容量的提升，具體表現(xiàn)為槽位數(shù)量的增多、每槽交換能力的提升以及板卡端口密度的不斷提高。但是，互聯(lián)網(wǎng)流量的發(fā)展都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)備容量更新的速度，據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，互聯(lián)網(wǎng)流量每12個(gè)月增長(zhǎng)1倍，而路由器的容量每18個(gè)月才增長(zhǎng)1倍。

當(dāng)前，業(yè)界主流的集群路由器即便可以多框并用，其容量也不能滿足業(yè)務(wù)的飛速增長(zhǎng)。以主要承載互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的兩大干線網(wǎng)絡(luò)的163骨干網(wǎng)為例，目前其網(wǎng)絡(luò)流量已超過(guò)40 Tbit/s，并且以每年60%的幅度增長(zhǎng)，而目前業(yè)內(nèi)部署的最大集群路由器為2+8集群，可將單個(gè)路由系統(tǒng)的端口總?cè)萘可舷尢岣叩?.12 Tbit/s （40 Gbit/s 2+8集群)或者12.8 Tbit/s （100 Gbit/s 2+8集群)，這仍舊無(wú)法滿足中國(guó)電信的骨干網(wǎng)容量需求。目前，支持更多框的路由器集群系統(tǒng)目前還停留在理論階段，而更多框的集群對(duì)機(jī)房的要求也極為巨大，在電源、散熱、機(jī)房承重、運(yùn)維等因素的制約下，在網(wǎng)絡(luò)的某些核心節(jié)點(diǎn)集群路由器的部署與擴(kuò)展已面臨困難。

2 高性能單機(jī)路由器的業(yè)界現(xiàn)狀

高性能單機(jī)路由器，即大容量、高效率、多功能的新一代核心路由器。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，此類設(shè)備一般是通過(guò)提升槽位數(shù)、單槽位接口卡容量來(lái)提升設(shè)備的整體容量，20槽位已經(jīng)是此類設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)，單槽接口卡容量趨勢(shì)為400 Gbit/s、1 Tbit/s、2 Tbit/s，未來(lái)更可以根據(jù)需求向背靠背、多機(jī)框擴(kuò)展。高性能單機(jī)路由器能夠滿足多種場(chǎng)景應(yīng)用的性能要求，同時(shí)滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)流量不斷增長(zhǎng)的需要。高性能單機(jī)路由器普遍不支持POS的端口，以以太網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的高性能單機(jī)路由器實(shí)現(xiàn)了單槽位高密度、單端口高帶寬，從而使得整機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)能力一舉超越現(xiàn)有的集群路由器。

2.1 高性能單機(jī)路由器的優(yōu)勢(shì)

高性能單機(jī)路由器利用以太網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和性價(jià)比，極大地?cái)U(kuò)展了路由器的容量，從而突破了傳統(tǒng)單機(jī)在開(kāi)發(fā)技術(shù)工藝上的限制，解決了傳統(tǒng)集群路由器在部署、運(yùn)維、割接上的困難。

首先，由于高性能單機(jī)路由器能提供極大的單設(shè)備容量，在業(yè)務(wù)需求快速增長(zhǎng)的情況下，避免過(guò)多引入節(jié)點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚刹呗宰兊煤?jiǎn)單和清晰，解決了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性問(wèn)題，便于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

其次，利用以太網(wǎng)技術(shù)來(lái)獲取更大的帶寬和更低的每比特費(fèi)用，大大減少了投資。

目前，主流100 Gbit/s平臺(tái)集群路由器單機(jī)端口線速容量為1.6 Tbit/s左右，2+4集群端口線速容量為6.4 Tbit/s。而目前主流廠商高性能路由器單機(jī)端口線速容量均大于等于6.4 Tbit/s（如Cisco 8 Tbit/s，上海貝爾阿爾卡特朗訊8 Tbit/s，Juniper 8 Tbit/s，華為6.4 Tbit/s），未來(lái)還有很大性能提升空間，完全可以替代100 Gbit/s平臺(tái)集群路由器。這將大大節(jié)省電源與機(jī)位需求，減輕機(jī)房壓力，更易于部署和維護(hù)，且不會(huì)增加路由的復(fù)雜度。高性能單機(jī)路由器與傳統(tǒng)集群路由器對(duì)比見(jiàn)表1所示。

以目前中國(guó)移動(dòng)CMNet骨干網(wǎng)上市場(chǎng)份額最大的Juniper設(shè)備為例，要配置16×100 GE端口和192×10 GE端口，如果采用現(xiàn)在的集群路由器，則需滿配1臺(tái)主控框SCC和2個(gè)業(yè)務(wù)框LCC，滿配功耗大約25 kW左右，占用4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜空間（SCC為800 mm寬，1 300 mm深的非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜）；如果采用Juniper最新的高性能單機(jī)路由器MX2020，則只需1臺(tái)設(shè)備即可，功耗大約11 kW，可放置在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)19英寸機(jī)柜內(nèi)。值得注意的是，這時(shí)的MX2020只使用了6個(gè)槽位就達(dá)到了1套1+2集群路由器滿配時(shí)的容量，而自身還有14個(gè)槽位可預(yù)留后續(xù)擴(kuò)容使用，可見(jiàn)高性能單機(jī)路由器的處理能力之強(qiáng)大。

表1 高性能單機(jī)路由器與傳統(tǒng)集群路由器對(duì)比

2.2 當(dāng)前市場(chǎng)主要高性能單機(jī)路由器產(chǎn)品

目前各廠家高性能單機(jī)路由器大致可分兩類：一類較傳統(tǒng)單機(jī)和集群而言功能沒(méi)有變化，比較適用于核心節(jié)點(diǎn)，如上海貝爾7950 XRS系列、華為NE5000E系列、Cisco NCS6000系列、Juniper PTX系列；另一類業(yè)務(wù)端口類型豐富，適用于業(yè)務(wù)接入節(jié)點(diǎn)，如Cisco AR9200、Juniper MX2020、華為NE40E系列。各廠家設(shè)備對(duì)于集群和背靠背支持情況不同，具體指標(biāo)對(duì)比詳見(jiàn)表2所示。

3 高性能單機(jī)路由器的應(yīng)用場(chǎng)景探討

高性能單機(jī)路由器以其“大容量、高性能”的特點(diǎn)而被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中同樣有著“大容量、高性能”特點(diǎn)以及有著“高可擴(kuò)展性”需求的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，比如IP骨干網(wǎng)、省網(wǎng)核心、城域網(wǎng)核心等節(jié)點(diǎn)。

表2 主流廠家高性能單機(jī)產(chǎn)品性能對(duì)比

3.1 骨干網(wǎng)核心

骨干網(wǎng)絡(luò)由于匯聚了大量的業(yè)務(wù)流量，鏈路數(shù)量和方向都非常大，對(duì)大容量、高性能設(shè)備的需求是最迫切的。同時(shí)，骨干網(wǎng)正向著大容量、少節(jié)點(diǎn)、扁平化的趨勢(shì)演進(jìn)，少節(jié)點(diǎn)、扁平化需求更加加劇了網(wǎng)絡(luò)單節(jié)點(diǎn)的大容量需求，所連接的鏈路數(shù)量成倍增加。100 Gbit/s端口的出現(xiàn)暫時(shí)緩解了鏈路數(shù)量的壓力，但是并不能滿足網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)期的發(fā)展；目前的技術(shù)條件下，采用400 Gbit/s或更高容量的高性能單機(jī)路由器，可以很好的解決這一問(wèn)題，提高骨干網(wǎng)的建網(wǎng)效率，使得網(wǎng)絡(luò)的扁平化成為可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

從中國(guó)移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展和預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，CMNet 5年內(nèi)流量大幅增長(zhǎng)，預(yù)測(cè)2018年CMNet骨干網(wǎng)需要疏通的流量應(yīng)該在100 Tbit/s左右。目前，中國(guó)移動(dòng)CMNet骨干網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有設(shè)備均已接近擴(kuò)容上限，且傳統(tǒng)10 Gbit/s POS鏈路較多，無(wú)法通過(guò)設(shè)備替換部署高性能單機(jī)路由器；且骨干網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)服務(wù)區(qū)域廣影響范圍大，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定至關(guān)重要。因此對(duì)于高性能單機(jī)路由器骨干網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)的部署，可以考慮兩種方式，如圖2所示。

圖2 高性能路由器在骨干網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

方式1：即骨干核心設(shè)置高性能單機(jī)路由器，新路由器之間采用100 Gbit/s或400 Gbit/s帶寬鏈路互聯(lián)，將原有核心節(jié)點(diǎn)的集群路由器通過(guò)大帶寬端口下掛到新增節(jié)點(diǎn)，根據(jù)流量情況可以選擇取消或保留原有核心節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)鏈路。將主要業(yè)務(wù)通過(guò)路由策略導(dǎo)入新的核心節(jié)點(diǎn)，部分低速業(yè)務(wù)可通過(guò)直連鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)了核心節(jié)點(diǎn)的設(shè)備替換。

方式2：即選擇省網(wǎng)出口流量較大的省份，如傳統(tǒng)業(yè)務(wù)量大省以及骨干IDC所在省份部署高性能單機(jī)路由器，構(gòu)建新的高速平面，從而達(dá)到新舊平面同時(shí)分擔(dān)流量的目的。在此過(guò)程中，還需考慮新平面與舊平面的流量分擔(dān)比例問(wèn)題。如圖3所示。

非均衡方案，即新平面與舊平面采用不同的比例分擔(dān)流量；均衡方案則是新平面與舊平面按照等比的方式分擔(dān)流量。均衡方案在路由策略和流量控制方面較非均衡方案要簡(jiǎn)單易行，但由于舊平面的設(shè)備擴(kuò)容能力有限，往往會(huì)制約新平面設(shè)備的能力發(fā)揮。非均衡方案可以充分發(fā)揮新平面大容量設(shè)備的能力，同時(shí)由于新平面承擔(dān)的業(yè)務(wù)流量更多，使得舊平面設(shè)備的使用周期向后延遲，從長(zhǎng)期來(lái)看，非均衡方案在投資上更加具有優(yōu)勢(shì)。

圖3 新舊平面流量分擔(dān)方案對(duì)比示意圖

在新舊平面過(guò)渡過(guò)程中，如果存在10 G POS、10 GE、40 G POS、100 GE等多種鏈路，面臨著不同的鏈路類型如何并行使用的問(wèn)題，常用的技術(shù)包括ECMP（等價(jià)路由）、鏈路捆綁、子端口、MPLS TE，以及非等價(jià)路由、多速率鏈路捆綁等。工程中應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景和設(shè)備廠家的支持情況選擇使用以上技術(shù)。

同類型同速率時(shí)：建議同廠家間采用鏈路捆綁，異廠家之間根據(jù)廠家支持情況和系統(tǒng)要求選擇使用鏈路捆綁或者ECMP；如果同局向鏈路超過(guò)4條，建議分多組捆綁以降低多條鏈路捆綁的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)受到鏈路捆綁數(shù)量限制時(shí)，使用ECMP在多條等速鏈路上均衡流量。

同類型不同速率時(shí)：即同方向存在10 GE和100 GE兩種鏈路類型，或10 G POS和40 G POS兩種鏈路類型；可以采用鏈路捆綁方式或者采用“鏈路捆綁+子端口”方式形成多條等速邏輯鏈路，然后采用ECMP實(shí)現(xiàn)多條等速邏輯鏈路的等價(jià)負(fù)載均衡；或者根據(jù)廠家支持情況采用多速率捆綁或者M(jìn)PLS TE方式實(shí)現(xiàn)鏈路的負(fù)載均衡。

不同類型時(shí)：即同方向存在POS和以太兩種鏈路類型，可以采用鏈路捆綁方式或者采用“鏈路捆綁+子端口”分式形成多條等速邏輯鏈路，然后采用ECMP實(shí)現(xiàn)多條等速邏輯鏈路的等價(jià)負(fù)載均衡。

3.2 省網(wǎng)及城域網(wǎng)核心

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用，使得省網(wǎng)/城域網(wǎng)核心設(shè)備的容量需求大增，特別是城域核心路由器，承擔(dān)著城域內(nèi)以及跨城域網(wǎng)的流量疏通。

省網(wǎng)/城域出口節(jié)點(diǎn)路由器對(duì)于高性能單機(jī)路由器的需求強(qiáng)烈。在城域網(wǎng)出口部署高性能單機(jī)路由器，增加城域網(wǎng)出口帶寬，同時(shí)減少城域網(wǎng)層級(jí)，從而為用戶高速上網(wǎng)、4G LTE等業(yè)務(wù)提供了有力支撐。根據(jù)CMNet城域網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)狀況，高性能單機(jī)路由器的應(yīng)用可以分為現(xiàn)有設(shè)備直接替換和組建新的配對(duì)組合兩種方式。對(duì)于CMNet中大部分省網(wǎng)/城域網(wǎng)而言，目前已經(jīng)在使用10 GE端口進(jìn)行業(yè)務(wù)承載，因此采用設(shè)備替換方案可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)網(wǎng)的平滑過(guò)渡，一次性解決網(wǎng)絡(luò)容量的問(wèn)題。而少量省網(wǎng)/城域網(wǎng)目前還在使用POS端口，此類節(jié)點(diǎn)則建議在保護(hù)現(xiàn)有投資的前提下，采用新增組合的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)容，待原有設(shè)備折舊期過(guò)后再考慮退網(wǎng)或下沉。

3.3 IDC網(wǎng)絡(luò)

隨著云技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)移動(dòng)數(shù)據(jù)中心IDC業(yè)務(wù)急速增長(zhǎng)，用戶數(shù)和流量快速上升，正成為新的流量中心。目前大數(shù)據(jù)IDC流量疏通主要由骨干網(wǎng)承擔(dān)，不僅極大的占用了骨干網(wǎng)帶寬，而且由于IDC流量的流向與用戶發(fā)生的流量流向不同，導(dǎo)致骨干網(wǎng)的疏導(dǎo)策略復(fù)雜，降低了疏通效率。

若采用高性能單機(jī)路由器為5大直管IDC（北京、上海、廣東、哈爾濱、呼和浩特）新建核心設(shè)備，組建IDC互聯(lián)平面，則可通過(guò)傳輸直接建立Full Mash全連接，來(lái)進(jìn)行IDC間互聯(lián)和數(shù)據(jù)調(diào)度。用戶訪問(wèn)IDC時(shí)通過(guò)城域網(wǎng)再接入新建的IDC網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單，可形成對(duì)CMNet的分流，大大減輕骨干網(wǎng)流量壓力。通過(guò)在IDC互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中部署SDN技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)施調(diào)度，極大提高鏈路利用率。

3.4 部署中需要考慮的其他問(wèn)題

由于高性能單機(jī)路由器剛剛開(kāi)始商用，需要逐漸積累應(yīng)用、管理及維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)。

首先，由于采用高性能單機(jī)路由器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中都處于非常關(guān)鍵的位置，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備而言，一旦出現(xiàn)故障導(dǎo)致業(yè)務(wù)中斷，將致使上百萬(wàn)用戶受到影響，良好的容災(zāi)設(shè)計(jì)對(duì)于高性能單機(jī)路由器來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

其次，由于高性能單機(jī)路由器由于容量大，也同樣有著一些不可避免的缺點(diǎn)，比如：?jiǎn)螜C(jī)設(shè)備對(duì)空調(diào)的需求較大。受制于能效比，風(fēng)冷技術(shù)的實(shí)際天花板是每機(jī)柜25 kW，超過(guò)這個(gè)數(shù)值后能效比嚴(yán)重劣化。目前業(yè)界的高性能路由器多使用新型風(fēng)扇散熱，后續(xù)待功耗增加到一定程度則需要通過(guò)板級(jí)/柜級(jí)的液冷技術(shù)來(lái)提供散熱。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要選擇空調(diào)、承重等條件比較好的機(jī)房，同時(shí)充分考慮預(yù)留足夠的空間，以便于后續(xù)的節(jié)點(diǎn)升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

高性能單機(jī)路由器并不是集群路由器的終結(jié)，只是另一種集群路由器的表現(xiàn)形式。它打破了目前集群路由器所達(dá)到的容量上限，在同等功耗或同等容量的前提下，擁有更小的體積；不排除這種設(shè)備仍將支持集群技術(shù)，如此循環(huán)往復(fù)。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)的興起，高清視頻產(chǎn)業(yè)鏈的成熟，數(shù)字洪水給中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)有骨干網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。未來(lái)的路由器平臺(tái)作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，將逐步向更大容量、更接近光傳輸網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展。

[1]CNNIC.中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展統(tǒng)計(jì)報(bào)告.2014（6).