一、用戶需求是帶寬增長(zhǎng)的最終推動(dòng)力
人類對(duì)溝通以及感官體驗(yàn)的無(wú)止境追求是催生和促進(jìn)及時(shí)通信、視頻、高清視頻、游戲等等業(yè)務(wù)應(yīng)用的最終推動(dòng)力。而業(yè)務(wù)和應(yīng)用的不斷發(fā)展又進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了更高的要求。據(jù)Gartner預(yù)測(cè)：未來(lái)5年，用戶帶寬需求和網(wǎng)絡(luò)流量將增加10倍。來(lái)自cisco的預(yù)測(cè)則表明：IP流量每?jī)赡攴环Ｆ渲�，視頻是IP業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力，2012年視頻流量接近internet流量的90％，在線視頻占50％；近期高清和On demand content是驅(qū)動(dòng)流量主要因素；遠(yuǎn)期交互視頻和移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是流量的主要驅(qū)動(dòng)力，IPTV是固網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商增量且增收的重要出路。由此可見(jiàn)，在未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和視頻業(yè)務(wù)的深入開(kāi)展將是接入和承載網(wǎng)絡(luò)帶寬爆炸式增長(zhǎng)的直接原因。
隨著用戶數(shù)量和接入帶寬的不同增長(zhǎng)，IP骨干網(wǎng)也受到越來(lái)越大的壓力。當(dāng)前，全球骨干網(wǎng)IP流量的分布為：北美約為600Tbps、西歐約為200Tbps、中國(guó)約為 80~100Tbps。未來(lái)全球IP流量會(huì)保持100％～115％年增長(zhǎng)率。初步估算，未來(lái)5年我國(guó)干線流量年增長(zhǎng)率高達(dá)56～80％，相當(dāng)于5年帶寬增長(zhǎng)10～20倍。
接入帶寬的增長(zhǎng)雖然主要表現(xiàn)在寬帶網(wǎng)絡(luò)接入層面，但最終用戶所消費(fèi)的信息量的飆升，對(duì)整個(gè)寬帶網(wǎng)絡(luò)提出了產(chǎn)生直接或間接的沖擊。這些沖擊主要表現(xiàn)在：
1）對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)承載網(wǎng)絡(luò)能力的沖擊，從接入層、匯接層到骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力、調(diào)度能力和管理能力等各方面提出更高的要求；
2）對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的沖擊，為適應(yīng)終端用戶帶寬的增長(zhǎng)并切實(shí)利用這樣的增長(zhǎng)所帶來(lái)的機(jī)會(huì)的新業(yè)務(wù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的要求將明顯區(qū)別于傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，為適應(yīng)三網(wǎng)融合后業(yè)務(wù)形態(tài)的新變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)必須做出相應(yīng)的調(diào)整；
3）對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備形態(tài)的沖擊，面對(duì)網(wǎng)絡(luò)的新變化，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)形態(tài)存在著很大的優(yōu)化空間，新形態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的出現(xiàn)，將有力的促進(jìn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的扁平化和融合的趨勢(shì)，值得進(jìn)行深入的研究。
應(yīng)對(duì)“寬帶中國(guó)”背景下“城市和農(nóng)村家庭寬帶接入能力基本達(dá)到20Mbps和4Mbps，部分發(fā)達(dá)城市達(dá)到100Mbps”的帶寬需求，解決單機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的容量和端口密度已很難滿足大規(guī)模部署的需要，利用集群路由器在交換容量、端口速率和端口密度方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)和路由組織，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和性能，方便網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理和擴(kuò)容，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
二、用戶帶寬增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)核心路由器演進(jìn)
1、超高交換容量需求
帶寬需求不斷攀升導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)商對(duì)超大容量核心路由器需求越來(lái)越強(qiáng)烈，核心路由器容量擴(kuò)展問(wèn)題是IP骨干網(wǎng)擴(kuò)展性最關(guān)鍵問(wèn)題，隨著骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)高速增長(zhǎng)，IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施每2年左右需要全面升級(jí)一次，運(yùn)營(yíng)商已無(wú)法忍受頻繁的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)換代，迫切需要新一代可持續(xù)發(fā)展超大容量核心路由器，并在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持設(shè)備穩(wěn)定平滑擴(kuò)容，保護(hù)運(yùn)營(yíng)商投資和收益。目前大部份用戶的帶寬為2Mbps，大部分現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)核心路由器單槽處理能力100Gbps，單機(jī)1.6Tbps-3.2Tbps，64臺(tái)整機(jī)堆疊的集群總?cè)萘考s100Tbps。“十二五”期間，用戶帶寬提升到100Mbps，在不大幅度增加功耗的前提下，網(wǎng)絡(luò)核心路由器的處理能力也應(yīng)該提升到單槽位1Tbps，單機(jī)16Tbps。
2、超大規(guī)模路由表項(xiàng)需求
隨著IPv6的大規(guī)模部署，無(wú)所不在的傳感器和智能設(shè)備的大量應(yīng)用，以及企業(yè)VPN的廣泛使用，對(duì)網(wǎng)絡(luò)核心路由器路由表的容量提出了更高的要求。為滿足未來(lái)更大網(wǎng)絡(luò)大容量業(yè)務(wù)傳送要求，網(wǎng)絡(luò)核心路由器的路由表容量將要達(dá)到千萬(wàn)條規(guī)模，如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的平滑演進(jìn)，如何實(shí)現(xiàn)數(shù)百萬(wàn)甚至千萬(wàn)級(jí)路由的快速收斂、分發(fā)也是網(wǎng)絡(luò)核心路由器必須面臨的挑戰(zhàn)之一。
3、400Gbps/1Tbps高速網(wǎng)絡(luò)接口需求
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)交換容量的加大，設(shè)備之間互聯(lián)的接口也必然隨之提高。目前100Gbps接口的核心路由器已開(kāi)始廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)骨干網(wǎng)中，下一代主流接口將在400Gbps/1Tbps之間產(chǎn)生。當(dāng)前業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注的是技術(shù)路線：客戶側(cè) 400GE。目前IEEE在啟動(dòng)客戶側(cè)400GE以太網(wǎng)的研究， ITU-T SG15在進(jìn)行OTN、FRAMER方面的標(biāo)準(zhǔn)研究，OIF論壇在進(jìn)行電氣接口和模塊層的研究。
在網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)過(guò)程中，同時(shí)通過(guò)SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)提供面向網(wǎng)絡(luò)的編程接口以提高網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力也成為核心路由器的技術(shù)方向之一。
隨著路由器和光傳輸的融合，100Gbps高速白光和彩光接口將是新型核心路由器實(shí)用化的必要條件。
4、IP+光協(xié)同組網(wǎng)需求：
路由器設(shè)備容量的提升在提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的同時(shí)， 也大幅度增加了網(wǎng)絡(luò)的能源消耗。為了構(gòu)建一個(gè)綠色節(jié)能網(wǎng)絡(luò)，一方面，需要設(shè)計(jì)能耗更優(yōu)的路由器設(shè)備；另一方面， 要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面著手， 通過(guò)路由器和光傳輸設(shè)備聯(lián)合組網(wǎng)來(lái)降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗。眾所周知，相同帶寬下光傳輸設(shè)備的能耗遠(yuǎn)低于路由器。IP+光協(xié)同組網(wǎng)解決方案是指在骨干網(wǎng)絡(luò)中， 光網(wǎng)絡(luò)通過(guò)ASON技術(shù)實(shí)現(xiàn)光層以太網(wǎng)流量自動(dòng)調(diào)整和長(zhǎng)距離傳送，路由器按IP/MPLS等級(jí)提高差異化服務(wù)質(zhì)量保障，以IP+光協(xié)同實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跨域的協(xié)同工作，提供高質(zhì)量、高可靠性、容易運(yùn)維的網(wǎng)絡(luò)。
5、大容量可擴(kuò)展集群網(wǎng)絡(luò)需求
在路由器單機(jī)容量有限和超級(jí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)環(huán)境下，需要對(duì)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行橫向和縱向擴(kuò)展，通過(guò)多級(jí)匯聚和負(fù)載均擔(dān)來(lái)減輕設(shè)備壓力，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將越來(lái)越復(fù)雜，運(yùn)維管理難度加大。大容量、扁平化、少局所的建網(wǎng)思路要求進(jìn)一步簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、減少分層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、降低接口和協(xié)議復(fù)雜性。為滿足不斷增長(zhǎng)的業(yè)務(wù)需求，核心路由節(jié)點(diǎn)的部署必須考慮未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、可靠性和扁平化需求，支持多機(jī)擴(kuò)展的路由器集群技術(shù)通過(guò)集中化、一體化的控制管理，使集群系統(tǒng)各臺(tái)路由器單機(jī)之間能夠很好地協(xié)同工作，極大的擴(kuò)展了路由器的容量，從而突破了單機(jī)在開(kāi)發(fā)技術(shù)工藝上的限制。在成本方面，由于集群系統(tǒng)中各臺(tái)路由器通過(guò)高速光背板互連，節(jié)省了額外的內(nèi)部互聯(lián)端口，大大減少了投資。更為重要的是，由于集群路由器對(duì)外僅體現(xiàn)為一臺(tái)路由器，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚刹呗宰兊煤?jiǎn)單和清晰，維護(hù)也更加方便快捷。
可擴(kuò)展集群路由器系統(tǒng)在簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性的同時(shí)，大大提升了集群系統(tǒng)自身的復(fù)雜性。交換結(jié)構(gòu)方面，單機(jī)系統(tǒng)一般采用共享緩存、Crossbar結(jié)構(gòu)，容量有限，集群路由器需要采用復(fù)雜的Clos、Banyan、Butterfly或Benes多級(jí)多平面交換矩陣，每個(gè)平面配置獨(dú)立的仲裁器，避免了仲裁器瓶頸問(wèn)題。
6、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)需求
可擴(kuò)展路由器集群系統(tǒng)涉及到的設(shè)備個(gè)體較多，多框級(jí)聯(lián)的管理、同步、協(xié)同處理是一套極其復(fù)雜的多級(jí)分布式系統(tǒng)，軟件處理的難度不亞于硬件，優(yōu)秀的軟件架構(gòu)和路由操作系統(tǒng)是集群路由器系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前來(lái)說(shuō)，主要有兩種主流的系統(tǒng)控制方式：集中式和分布式。
網(wǎng)絡(luò)核心路由器系統(tǒng)處在網(wǎng)絡(luò)的骨干、核心位置，對(duì)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是指主控故障時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)不中斷，具體處理就是線卡的轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)的表項(xiàng)不會(huì)因?yàn)橹骺匕骞收隙⒖淌�，而是等待主控的主備倒換或者故障恢復(fù)；NSR是指主控做完全的熱備份，包括所有的控制層面的session，不需要鄰居配合，完全是自主行為，并且是0丟包，實(shí)現(xiàn)難度很高；ISSU實(shí)惠在線無(wú)損軟件升級(jí)，軟件升級(jí)的時(shí)候，沒(méi)有任何業(yè)務(wù)中斷，這個(gè)具體實(shí)現(xiàn)中，經(jīng)常要利用上面NSF/NSR的技術(shù)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度很大。
穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)能改保證核心路由器系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的防錯(cuò)、抗錯(cuò)能力，具有很強(qiáng)的故障恢復(fù)和應(yīng)急措施，保證系統(tǒng)的高可用性和可靠性。
7、綠色節(jié)能需求
傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備關(guān)注的是性能、成本的二維優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)核心路由器體積龐大、單機(jī)最高能耗達(dá)10000W，為實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能，核心路由器必須從性能、成本和功耗三維角度進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)和優(yōu)化，解決性能、成本和功耗之間的矛盾，重點(diǎn)解決傳統(tǒng)設(shè)備多框集群方式核心路由器能耗過(guò)大問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從單框平滑演進(jìn)到背靠背兩框集群，后續(xù)可平滑演進(jìn)到多框集群；減少耗電，耗材與占地面積。
作者介紹:
石友康 教授級(jí)高級(jí)工程師，1990年畢業(yè)于郵電科學(xué)研究院。中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)工作委員會(huì)副主席，科技部“十二五”中國(guó)云國(guó)家科技重點(diǎn)專項(xiàng)專家組成員，云計(jì)算電子政務(wù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)工作組秘書長(zhǎng)。負(fù)責(zé)或參加國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目、863項(xiàng)目以及國(guó)標(biāo)、行標(biāo)等各類項(xiàng)目近百項(xiàng), 內(nèi)容涉及云計(jì)算、未來(lái)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)、下一代網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、IP電話、接入網(wǎng)、ISDN技術(shù)等。目前主要從事有關(guān)云計(jì)算、寬帶、信息服務(wù)業(yè)等研究工作。 
