集群路由器研究论文

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从2004年6月思科第一台集群路由器产品CRS-1，将集群技术引入核心路由器领域至今，业界对集群路由器技术经历了一个漫长的认知过程，种种原因使得这一复杂而高端的技术并没有成为主流，但目前这种情况却正在悄然发生改变。

从近期中国电信核心网络设备的集采不难发现，集群路由器已越来越受到运营商的关注。中国电信最近的一次核心网络设备集采规定，A类设备必须支持多机(Multi-Chassis，即集群)，B类设备则要可升级到多机。这无疑是一个明确的信号，集群路由器设备未来在中国电信核心网和超级节点中的规模应用已势不可挡。

“按照中国电信目前的业务发展和网络建设思路，集群路由器的需求会很大。3年后，超过1/3的骨干网节点需要采用集群路由器，1/4左右的城域网核心需要集群路由器。”中国电信广州研究院副总工徐建锋表示。

与此同时，来自设备厂商的销售数据显示，集群路由器的出货量也在快速增长。“从2007年开始，思科CRS-1集群产品的出货量明显增加，2008年上半年的增速更加明显。”思科电信事业部技术总监金鑫对记者表示。

而以准确把握运营商市场需求为自豪的华为，也于今年3月份正式推出了高端核心路由器NE5000E集群系统。华为网络产品线副总裁陈俊华表示，在全IP时代，集群将是网络核心节点路由器的必然形态。

流量压力激发集群潜能

一直以来，核心路由都是网络中最关键的技术。对于核心层路由器来说，除了必须具备快速转发能力、高安全稳定性之外，更重要的是容量大、扩展性强，而核心路由器的容量基本每18个月就会提升1倍，具体表现为槽位数量的增多、每槽交换能力的提升以及板卡端口密度不断提高。但近年来，在网络流量每12个月增长1倍的情况之下，这样的提升速度已远不能满足网络扩容的需求。

虽然，目前支持40G接口的16槽思科CRS-12000的容量高达1.28T，而JuniperT1600则可以在单个机箱中提供1.6T的容量。但即便是这样的设备也远不能够满足一些网络核心节点的容量需要。

据了解，目前中国电信163网络核心节点对设备容量的需求已达2.5T～5T，而且这个数字还在不断增长，预计到2011年少量核心节点的容量将达到10T。

而受光器件和半导体的发展成熟度，以及电源、散热、机房承重等因素的制约，单机箱核心路由器的开发技术已接近极限。虽然业界提出了增加网络层次以及扩展节点内设备等方式缓解流量增长的压力，提高节点容量，这两种方法在一定程度上缓解了单台设备容量提升的压力，但也导致了网络复杂度以及内部互联端口的增加。

“网络同时存在多个层次，而每个层次有多台设备，其连接的复杂程度可想而知。”据Juni-per北方区技术经理王栋介绍，每增加一台核心路由器，就意味着IP地址、路由协议邻居数量、路由表条目、路由收敛时间等都会随之增加；而业界对如何均衡多台设备之间的流量没有很好的解决方法。此外，采用多台路由器互联方式提高节点容量，会有30%左右的接口用于设备间互联，这无异于提高了设备的成本。

“集群路由器采用内部互联方式，可以看做为一台设备，不但可节省端口数量，还能够降低网络设计、管理及维护的复杂度，简化路由配置。”王栋表示，通过路由器集群不但能够将核心设备容量平滑地升级到原来的数倍，且不会增加路由的复杂度，解决了核心层“大容量、可扩展”的问题。

目前，中国电信IP网络业务在宽带用户数，用户平均上网时长，用户上网并发率、用户上网平均流量四个方面出现了全面增长，加上视频、P2P等应用的普及，网络流量年增70%以上。2008年163网的省间链路总带宽就达到6T，部分PoP节点的交换容量超过1T，每个POP节点超过10台路由器，汇聚了100条多条10G链路。采用集群路由器无疑可以让网络变得简化。

运营商的需求

显然，单机容量逐步发展到极限，加上超级节点的产生使得网络结构越趋复杂，运维管理难度加大，使得集群路由器终于迎来了规模商用的商机。

实际上，电信业对于集群技术并不陌生，电信程控交换机经历的从小程控交换机到“万门机”的发展演变，就是采用基于设备内部的连接来扩充设备容量和能力的集群技术。但作为最终用户的运营商是否认可集群路由器这种产品形态呢？

“集群路由器最大的贡献是提升了单个网络的扩展能力，为宽带业务的普及、高带宽应用的普及创造了物质基础。”徐建锋认为。按照目前的业务发展和网络建设思路，集群路由器的需求会很大。“预计3年后，超过1/3的骨干网节点需要采用集群路由器，约1/4城域网核心需要集群路由器。2011年少量核心节点就需要10T容量的集群路由器，所以现在建设时就要采用容量能够扩展到10T(双向计算)的集群路由器。”

在产品的选择上，徐建锋表示，集群路由器本质还是路由器，所以电信要求集群路由器从业务功能、网络功能、管理功能、安全功能等方面不差于单机路由器，在各项标准上保持一致。

“作为集群路由器最重要的应该是容量的扩展性，其次是稳定性，再次是可维护性。”在徐建锋看来，网络的发展是必然的，所以扩展性是最重要的，而稳定永远是相对的。互联网有较好的自愈机制，可以通过科学的网络组织和路由组织来提升网络的可靠性，网络的可靠性可以超过单个设备的可靠性。随着集群路由器的普及，稳定性也将快速提升。近期中国电信网络扩容选择思科CRS-1集群路由器的主要原因就是其良好的扩展性。

徐建锋强调，路由器是软件和硬件的集合体，两者都很重要，而且软件的重要性和复杂度已逐渐超过了硬件的重要性和复杂度。所以评价集群路由器的时候，不但要看其硬件方面的能力，更要看软件的在线升级能力、容灾能力、故障自动监测和报警能力，运行数据采集能力。尤其是无中断在线升级和良好的容灾设计。

对此，王栋表示，采用集群设备的网络节点在运营商网络中都处于非常关键的位置，必须在不间断业务的情况下完成设备的交割和升级，对设备提出了很高的要求。而由于集群路由器的复杂度远高于单机箱设备，运营商在现网中实际使用较少，需要逐渐积累应用、管理及维护方面的经验。

新一轮容量竞赛展开

尽管目前市场对集群路由器的需求已逐渐显现出来，但真正掌握集群技术的设备厂商却不多，到目前为止，只有思科、Juniper和华为三家正式了集群路由器产品。

“从硬件上实现多台路由设备的互联所涉及的技术非常尖端，目前只有少数厂商掌握；而从软件方面看，集群设备的虚拟路由、协同、ISSU(在线升级)等功能实现起来也十分复杂，并不是所有路由设备提供商都具备研发集群路由器的能力。”在王栋看来，相对于单设备，集群路由器无论是在硬件还是软件方面，复杂度都更高。

华为中国区网络营销经营彭昆成认为，路由器集群产品研发最大的难点就在于要在多台设备间，实现数据交换平面和系统控制平面的信息同步和协同工作。

“除了要集成所有单设备的功能以外，集群还要处理多机箱带来的变化，在设计上比单设备复杂得多。”金鑫表示。

值得注意的是，作为国产设备厂商的华为，率先在今年3月了容量高达10T的NE5000E，对思科和Juniper发起了强有力的挑战，由此也拉开了设备厂商新一轮容量升级竞赛的序幕。目前，思科CRS-1的最大容量能够达到2.56T，而思科今年还将推出8个线卡机箱+4个矩阵机箱的集群，并有可能在明年推出最高速率为100G的接口。

金鑫表示，思科的集群路由器是根据市场的需求，按照清晰的路线图演进的。根据CRS-1多机箱系统的设计，最大可支持72个交换机箱+8个矩阵机箱架构的集群，其最高容量可达92T以上，这是目前各家厂商集群设备宣称所能够达到的最高容量。不难预见，随着单接口容量提升到100G，这样一台集群的容量将更加可观。

而Juniper方面也表示，在需求比较明确的情况下，也会迅速推出更高容量的集群产品。

仍有变数？

值得注意的是，尽管集群路由器的使用是一种趋势，但并不是惟一的选择。

“网络的扩展性也可以通过科学的网络组织结构实现。如一个单平面的10T网络可以设计为两个平面的5T网络，甚至4个平面的2.5T网络，这样每个平面只要采用大容量的单机路由器就可以了。”徐建锋认为，可以给与不同的平面不同的角色，实现客户和业务的差异化。虽然采用集群路由器能够实现网络的扩展，但是太大容量的、同时承载各种业务的IP网络，维护管理起来是很挑战的，实现业务和客户的差异化很困难，不同客户和业务之间的干扰难以避免。这就相当于一个企业，需要100层楼才能够满足需求，可以采用多种方案，单独建设一栋100层的，也可以建设2栋50层的，一栋做行政楼，一栋做科研楼。不能说100层的方案一定比50层的好。”

徐建锋表示，现在大家都在谈IP/MPLS统一融合承载网，但是存在一些误区。IP统一融合承载网是统一于IP技术，但不一定是物理上的一张IP网络，而融合是指语音、数据、图像和视频应用的融合。如果个别业务在客户群和业务量达到一定规模后，不排除按照客户群、不同的业务建设不同的物理承载网络，关键是规模能否达到投资与维护成本的边界。而如果按照这种思路，集群路由器的使用量会减少。

据介绍，中国电信广州研究院最近正在研究不同网络组织形式的扩展性，投资效益、对业务的支撑能力以及对设备的要求。

链接路由集群

路由器集群又称路由器矩阵或多机框互联(Multi-Chassis)，即通过采用并行交换技术(PPS)，将两台或两台以上普通核心路由器通过某种方式连接，共同组成一个多级多平面的交换矩阵系统，使其能够协同工作，并且对外只表现为一台逻辑路由器，从而突破单机箱在交换容量、功耗、散热等方面的限制，平滑扩展为更大容量的路由交换系统。