一种分布式路由管理器架构

彭 耘，蔡 浩，张立平

(武汉铁路职业技术学院，湖北武汉430205)

0 引言

随着Internet 应用和用户的快速增长，网络需要承载的信息流量也越来越大，对信息转发设备的性能要求也越来越高。支持大容量的新一代路由器是核心网络运营商的必然选择。新一代路由器需要达到Pbps 的吞吐量，这使得先阶段的单主控的集中式架构的路由器显然很难满足这个要求。基于主控与线卡之间的任务共享机制实现的分布式路由器是一种可行的解决方案。这种分布式路由器在具有满足现实应用要求的极强的扩展性外，还具有较高的可靠性。

路由管理器是路由器的一个核心软件组件。它连接不同的路由协议模块。在核心路由器中，路由管理器管理来自不同协议源头的优选路由。如来自OSPF、IS-IS、BGP 等协议维护的动态路由及用户配置的静态路由。路由管理器从这些路由中决策出最佳的优选路由指导路由器转发平面的分组数据的转发。

随着路由器之间的连接数量的增加，路由管理器模块需要管理的路由表的大小也增长迅速。这要求路由有更强的CPU处理能力和更大的存储空间。针对该问题，以前主要的解决方案是周期性的升级路由器的主控卡或路由器本身。但通常CPU 芯片的更新周期会长于互联网流量增长带来的CPU 处理能力更新周期。一种有效的替代解决方案是采用分布式的路由器体系架构［1］。但其集中式路由管理器实现方案还不能有效解决路由器主控卡CPU 处理能力增长压力需求。本文在分布式路由器体系结构的基础上，提出一种分布式路由管理器架构，充分利用线卡的CPU 处理能力，分散对主控CPU 的处理能力要求的方式解决上述问题。

1 新一代路由器

第一代和第二代IP 路由器基本上是采用单个集中处理器运行所有的路由协议模块，并通过总线互联多个线卡。路由器的性能主要依赖共享总线的吞吐量和中心处理器的处理能力。因此，这些路由器很难满足当前互联网的带宽要求。新一代的路由器的引入主要是为了解决上述互联网应用瓶颈［2］。其中，用交换矩阵替代共享总线，可以为线卡之间的数据交换提供足够的带宽。如图1 所示，新一代路由器体系架构一般由一组线卡、一组转发引擎和一个主控卡通过交换矩阵互联构成。

其中:

1)线卡提供多个GE 接口。入口网络处理器(iNP:Ingress network processor)是一个可编程处理器，执行分组转发、包分类及流控策略等功能。在iNP 中包含一个转发信息表(FIT:Forward Information Table)，指导数据分组的转发。同时提取接口输入数据中的信令分组转发到CPU 进行下一步的处理。线卡中的入口流量管理(iTM:ingress Traffic Manager)将iNP 传递过来的分组数据转发到交换矩阵，利用流量接入控制、缓存区管理及分组调度等手段维护流量的负载均衡。数据分组通过交换矩阵转发到线卡的出口流量管理模块(eTM:egress Traffic Manager)，而信令则发送到主控卡。eTM 接收到交换矩阵转发过来的数据分组后，进行分组排序和拥塞控制处理后，通过出口处理器(eNP:egress Network Processor)将分组发送出去。

图1 集中式路由管理器架构

2)控制卡主要执行路由协议处理功能，如BGP、OSPF 等协议处理。控制卡接口与线卡结构比较类似，只是处理器和内存容量的要求更高。

3)控制卡和线卡通过可扩展交换矩阵互连。交换矩阵由矩阵卡组成，提供数据交换功能。交换卡实现交换矩阵内的流调度、路径平衡及拥塞管理。每个线卡和控制卡都有一个入端口和出端口与交换矩阵互连。Benes 拓扑［3］因其无阻塞的特性是最常用的一种交换矩阵互连拓扑组织方案。

路由器中最重要的一个组件是路由管理器组件(RTM:Routing Table Manager)。该组件依据从不同协议学习到的路由数据库构建分组转发信息表，指导数据分组的转发。对于具有相同前缀的一组路由，路由管理器按照协议优选级设置选择其中最优的一条路由作为转发信息表条目。路由管理器还需要将路由信息变化、直连链路接口状态变化通告给路由协议。为了实现路由过滤，还需要与策略管理模块进行交互。

为了使路由器的控制平面具有更好的扩展性，一些研究将路由协议的部分功能分布到线卡中执行，将OSPF 的会话维护功能分布到线卡中执行。不过，目前还未见将路由管理器进行分布式实施的相关研究。

2 分布式路由管理器架构设计

2.1 分布式路由管理器组成

如图2 所示，我们建议的分布式路由管理器体系架构中，路由管理器负责管理路由表和路由策略处理功能，并向路由协议提供API 接口，以交换路由更新信息并执行路由转发路径的决策处理。

图2 分布式路由管理器架构

分布式路由管理器由两个部分组成:

1)线卡中的路由管理器(LC-RTM)。LC-路由管理器从本地路由协议实例中获取路由信息，并基于线卡端口进行局部转发路径决策计算处理。线卡可以根据网络区域的划分以集群的方式组成。服务于同一个网络区域的线卡构成一个线卡集群。

2)主控卡中的主路由管理器(G-RTM)从LC-RTM 收集的路由信息，并进行路由表更新和转发表更新的处理。G-RTM 也处理用户配置的静态路由，以及基于路由的流量工程等功能。

2.2 分布式管理器的主要功能实现

RTM 模块的功能主要涉及到链路状态通告、路由分布、转发路径计，QoS 及流量工程相关的处理过程。在本文建议的分布式路由管理器体系架构中，上述路由管理器的主要功能的实现过程如下:

1)链路状态通告:在分布式路由管理器架构下，链路状态数据库存储在线卡中。在分布式架构下，同一个网络域中的线卡中的链路状态数据库必须保持同步。这个可以在集群中选择一个线卡作为主线卡的方式实现。当一个线卡收到链路状态通告信息，它将该信息转发到该线卡集群的主卡，主卡进行链路状态数据的更新以及与集群中其他线卡同步。

2)路由发布:当线卡检测到一个物理链路状态的改变，LCRTM 会向路由器中的所有线卡通告该变化。并进行路由的重新计算，并将路由更新通告发送给邻居路由器。

3)转发路径计算:转发路径的处理时基于路由协议，对于链路状态路由协议(如OSPF、IS-IS)，路径计算可以在线卡集群中的主线卡中执行。而基于距离向量协议将路由更新信息发送给主控卡执行转发路径计算。具体路径计算过程是:路由协议模块从邻居接收到路由更新信息后，相同线卡上的LC-RTM接收到该通告后，根据协议类型的不同分别发送到主控G-RTM和线卡集群中的主线卡LC-RTM 处理。G-RTM 或主LC-RTM通过执行路由算法生成最优路由。该路由通过G-RTM 或LCRTM 注入到转发表中。

3 可扩展性评估分析

为了比较分布式路由管理器架构和集中式路由管理器架构的扩展能力，从以下几个方面进行了对比分析。

1)交换矩阵中的消息数量:分布式架构和集中式架构中，通过交换矩阵的消息数量基本相同。在集中式架构中，所有线卡的链路状态通告消息都要通告给主控的G-RTM。在分布式架构中，链路状态通告需要发送到主线卡，只有最优路由会发送到G-RTM。因此，建议分布式路由管理架构未增加交换矩阵中消息流量。

2)在集中式架构中，所有的可用路由都存储在主控卡的G-RTM 中，因此主控卡需要大量的存储空间。在分布式架构中，可用路由存储在线卡集群中的主线卡LC-RTM 中。通过这种分布式处理，有效降低了主控卡的大存储容量要求。

3)在集中式架构下，路由管理器功能集中在主控卡上，对主控卡的CPU 要求极高。在分布式架构中，一部分路由管理器处理功能分布到线卡集群中的主线卡执行。由于集群主线卡管理的路由容量与集中式主控卡管理的路由容量下，对CPU的处理要求降低。当集群线卡数量增加后导致主线卡的CPU处理能力不能满足要求时，可以通过进一步的按层次分布式实施，降低主线卡的CPU 处理能力要求。

4 结语

路由管理器是路由器软件体系架构中的核心关键组件。它对路由器的性能起着关键作用。在路由器中，通过对该组件的分布式实施，充分利用线卡的计算和存储资源，提高路由器的可扩展能力。

［1］O. Hagsand，M. Hidell，and P. Sjodin. Design and Implementation of a DistributedRouter［C］. Proc. 5th IEEE Int’l.Symp. Signal Processing and Info.Tech.，2005:227-232.

［2］A. Csaszar et al. Converging the Evolution of Router Architectures and IPNetworks［J］. IEEE Network Mag.，2007，21(4):731 -736.

［3］H. J. Chao and B. Liu. High Performance Switches and Routers［J］. Wiley-Interscience，2007:453 -460.

［4］M. Leelanivas，Y. Rekhter，and R. Aggarwal. Graceful Restart Mechanismfor Label Distribution Protocol［S］. IETF RFC 3478，2003.