一種新型的可重構路由交換通用平臺

摘 要：分析了當前網絡節點設備平臺化、開放架構以及構件技術的研究現狀。通過平臺化支持、構件化處理，提出一種新型的可重構路由交換通用平臺。通過兩個實例表明，該平臺能夠為今后電信網、廣電網、互聯網及其演進的各種先進網絡架構提供支持，為構建柔性網絡基礎設施提供平臺支撐。

關鍵詞：平臺；開放架構；可重構；構件；路由交換

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2009)06-2016-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2009.06.005

New reconfigurable general platform for routing/switching nodes

LI Peng，LAN Ju-long

(National Digital Switching System Engineering Technological Research Center， PLA Information Engineering University， Zhengzhou 450002， China)

Abstract:This paper analysed the current platform， open architecture and component technology of network nodes in detail，and proposed a new reconfigurable general platform for routing/switching nodes through platform supporting and component-based processing. Two examples show that this new platform can not only support various advanced network infrastructure of telecommunication network， broad electrical network and internet， but also provide platform supporting for construction of flexible network infrastructure.

Key words:platform; open architecture; reconfiguration; component; routing/switching

0 引言

多年來，網絡一直沿著面向業務支撐的技術體系發展，為承載特定業務構建網絡和融合新興業務改造網絡。網絡改造的重點在于其核心設備路由交換節點。在這一傳統的網絡技術體系框架下，依靠拓展鏈路傳輸帶寬，提高節點處理速度，增大節點處理容量，增加復雜控制算法和協議等系列技術，不僅難以滿足特性差異日益擴大的用戶業務承載需求，而且付出了網絡復雜度快速提高和傳送效率明顯降低的代價。面對大量差異化用戶業務的規?；瘧茫W絡無法適應的問題日趨凸現，國內外網絡技術的發展迷失了明確的方向。究其主要原因，其一，網絡是剛性的，改造只能依靠升級和擴展，無法實現重構；其二，節點是封閉的，節點的升級和擴展只能由原提供商實施，無法實現開放。針對上述問題，本文擺脫傳統網絡技術體系束縛，提出了一種新型的可重構路由交換通用平臺。

1 研究現狀與發展趨勢

當前，平臺化、開放架構以及構件技術成為網絡節點交換設備體系結構的研究熱點。

1.1 平臺化技術

平臺化技術旨在滿足設備制造商、網絡運營商和服務提供商對平臺的再利用、更低成本、更快更新速度和多元靈活性的要求。平臺化網絡技術包括軟件平臺和硬件平臺。軟件平臺體系架構一般易于實現且可擴展性強，因而在網絡設備體系結構研究中受到關注。典型應用有：麻省理工學院計算機科學實驗室在1999年提出的一種模塊化軟件體系架構^[1]；普林斯頓大學計算機科學系的S. Karlin等人^[2]于2001年提出的一種稱為VERA的虛擬路由器結構；Intel提出的IXA^[3]結構；Cisco基于GSMP開發的支持多服務交換的開放可編程交換機MGX 8200^[4]等。相對于以上的軟件體系架構，高性能網絡設備體系結構研究更注重硬件平臺化技術。最具代表性的硬件平臺技術是PICMG(PCI Industrial Computers Manufactures Group，PCI工業計算機制造組織)于2001年開始制定的ATCA(advanced telecommunications compute architecture)^[5]規范；另外，華盛頓大學應用研究實驗室的D. E.Taylor等人^[6]于2001年提出的基于動態硬件插件的體系結構，用于實現硬件可擴展的高性能路由器。

由于各體系沒有采用統一的接口標準，設備不能相互兼容，而且基于硬件模塊插件的網絡設備平臺技術僅在一定程度上實現了功能模塊級的可擴展性，這在很大程度上限制了網絡交換設備的技術進步。因而開放架構技術成為業界關注的焦點。

1.2 開放架構技術

開放架構技術基于接口標準化的思想，允許不同的服務提供商通過開放接口重新配置資源。這種思想由于其優越的可升級、可管理、可配置能力受到業界的廣泛關注，許多研究機構就此進行了研究。在路由交換技術方面形成了三種主流的開放架構技術路線：a）基于開放信令（OpenSig）的思想，如IEEE P1520^[7]、多服務交換論壇、IETF的GSMP^[8]、ForCES^[9]（forwarding and control elements seperation）和NPF(network processing forum)^[10]；b）基于動態代碼的主動網絡^[11]技術；c）基于資源預留的virtual network^[12]。

通過以上分析，開放性和平臺化是目前網絡節點交換設備體系結構的發展趨勢，但還沒有形成一種標準健全、能靈活支持現有業務和未來新業務的新型網絡節點交換設備體系結構。

1.3 構件技術

Mcllroy在1968年的NATO軟件工程會議中首次提出了軟件組裝生產線的思想。近年來基于構件的軟/硬件設計技術在一些領域逐漸得到實際應用，如OMG的CCM、Sun的J2EE和Microsoft DNA 2000。然而在網絡設備制造領域，構件技術的應用還處在十分初級的階段。目前主流的網絡設備均不支持第三方構件的集成。Dave McDysan等人^[13]首次提出了基于構件的交換機和路由器體系結構思想。英國Lancaster大學于2000年研究提出一種基于構件的主動網絡節點體系結構LARA++^[14]。美國加州大學Berkeley分校的Handziski等人^[15]為在無線傳感設備中解決高效率和通用性的矛盾，提出硬件抽象體系結構（HAA）。面向硬件設計的構件技術是在軟件構件取得成功應用的背景下出現的。例如，在多處理器核SoC（MPSoC）設計領域中基于構件的設計思想得到體現，法國TIMA實驗室提出一種基于構件的MPSoC設計方法^[16]，使用該設計方法，實現一個VDSL Modem的時間可由60個人月縮短到4個人月。

可以預知，隨著互聯網的不斷發展，高性能網絡交換設備的構件化進程必將不斷加快，特別是在各種新型網絡應用不斷涌現的大趨勢下，只有構件化的網絡設備才能持續支持各種新型的網絡應用。

2 平臺化支撐構件化處理

平臺化支撐構件化處理的核心問題包括:a）為平臺化支撐構件化處理抽象出邏輯模型；b）研究平臺、組件和構件的開放性和可重構技術。

解決問題a）的技術思路是首先研究平臺、組件和構件集合間的關系，研究各自的功能定義、結構描述；其次研究根據服務需求，平臺需要為組件、組件需要為構件提供何種運行支撐環境。解決問題b)的技術思路是研究平臺、組件和構件標準化，實現平臺、組件、構件功能、結構和關系的開放性；其次通過設計構件實例，研究平臺化支撐下構件的重構方法。

研究平臺化支撐構件化處理的邏輯模型，可以參考傳統路由器、程控交換機、以太網交換機的體系結構，設計能包容技術和服務差異化的新型節點體系結構模型。在一定抽象基礎上，設計中并不固化平臺結構，而是根據具體服務提供要求，在邏輯模型的指導下，重構一定構件、組件來形成實現具體功能的平臺。圖1為平臺化支撐構件化處理的抽象模型。完成一定功能的組件包含處理不同任務的構件，不同的組件又構成平臺，通過組件間的拓撲改變、組件的加入或卸載、構件的處理能力變化，動態地進行不同粒度下資源的管理。

平臺化支撐構件處理的三個等級中，平臺為組件、組件為構件提供運行環境和處理資源，包括處理器、內存和操作系統等。不同的組件、軟/硬件構件需要不同的支撐環境，因此，運行支撐環境的研究所采取的技術路線主要是通過標準化環境支持，使組件和構件的開發面向業務和服務的需求，在統一的接口和運行環境中，管理和配置資源，運用如中間件等技術，屏蔽不同運行資源的差異化，對組件、構件的運行提供魯棒環境。

研究平臺、組件、構件的標準化，是規定平臺中組件間、構件間在標準約束下的通信協議和信息交換。標準化研究是基于ForCES的控制轉發分離思想，分析平臺中具體組件、構件的結構、功能和相互關系，根據服務提供的不同類別，研究平臺中組件間和構件間的數據格式、電氣特性、數據接口、時鐘接口、電源接口等，以及協議、連接拓撲的標準化設計，制定統一的控制信息協議標準、數據交換承載等標準。標準化封裝方法屏蔽業務的差異性，平滑支持任意第三方標準化構件的植入，實現組件功能和性能的擴展，完成平臺服務的柔性提供?？芍貥嫾夹g的研究按照分級研究思路可分為平臺級可重構、組件級可重構、構件級可重構。平臺級可重構指各個組件間的連接關系是可以重構的，通常由路由交換節點的可編程背板完成。 組件級可重構指單個功能組件是可以更換的，在不同的聚類業務特性需求下完成對差異化輸入數據進行功能替換。構件級可重構主要針對完成某個任務構件的功能、性能變化需求而進行的重構。

3 開放式可重構路由交換節點平臺構建

開放式可重構路由交換節點平臺構建的關鍵問題是:a）如何設計能夠根據各種網絡節點任務進行系統重構的平臺化體系結構；b）如何劃分和定義標準化組件的功能，使網絡節點能夠針對不同的網絡服務進行功能剪裁或增加；c）如何提供可能的標準化構件種類，為典型構件實例研制提供理論支持。

解決問題a)的技術思路是，通過抽象網絡設備共有的基本特征，忽略差異性網絡服務，設計能夠提供統一處理模式的可規范接口的體系結構。解決問題b)的技術思路是，首先將功能單一、差異性較小的網絡設備通用基本功能抽象為同一種組件原型；其次，將差異性較大但實現難度較小的基本功能分別抽象為不同的組件原型；再次，將差異性較大、設計實現難度較大的基本功能通過其他組件原型的重新劃分和定義，達到縮小處理差異性的目的，從而抽象為同一種組件，實現資源共享。解決問題c)的技術思路是，基于標準化組件功能進行處理級任務劃分，可分割的處理級任務都可作為標準化構件種類的研究范圍。

平臺化體系結構的研究可通過總結歸納網絡處理節點的基本特征（如都具有路徑尋找和路徑選擇作用，并且都具有輸入/輸出接口等），并借鑒高性能路由器體系結構的思想來實現。目前，對于最復雜的互聯網交換節點設備進行基本功能的抽象定義和劃分可分為接入、轉發、交換、控制功能四大部分，涵蓋了現有網絡設備應包含的所有基本功能?？梢灶A見，未來可能出現的網絡交換設備也應包含這些基本功能。

按照控制和數據相分離的基本思想，可以構造出如圖2（a）所示的可重構通用平臺架構雛形。在此基礎上，結合各種網絡服務處理節點對各個基本功能的具體要求，將其中固定的組件間連接關系轉換為基于全交換網絡的松耦合關系，得到開放式可重構路由交換節點平臺體系結構，如圖2 （b）所示。 

針對組件功能和構建任務的劃分需要重點研究：a）如何根據網絡設備的基本功能模塊進行組件原型的抽象定義；b）如何針對處理差異性較大的組件原型（如電信網中根據時隙進行交換輸出，而互聯網根據報頭內容進行交換輸出）進行共性任務和個性任務的分割。共性任務可以通過組件功能實現，而個性任務則可以通過構件化的任務完成。

4 可植入應用于可重構路由交換通用平臺軟/硬件構件實例

依據平臺化支撐構件化處理的創新技術思想，在實踐中探索軟/硬件構件的設計方法，暫時還無法推翻傳統的路由交換系統的體系結構。面對現實，充分考慮當前國際、國內在網絡交換設備上的工程實現方法及現有的研究基礎，將目標鎖定在為實現三網融合的路由與交換節點平臺開發所必要的構件，以及可增值構件的實例研究上。通過構件的實例研究，擬達到以下目的：a）為在統一平臺上共享實現面向三網服務的獨立邏輯網絡的可重構節點設備，探索一種新的技術實現方法；b）為可重構網絡節點設備構件的研究，探索并驗證一種可行的實用設計方法，不斷總結經驗，最終為實現節點設備的構件化奠定設計方法方面的基礎。

可重構通用路由交換平臺中可能的軟/硬件構件主要有轉發組件中的構件（如差異化報頭處理構件、查表構件等）、交換組件中的構件（如分組交換構件、隊列管理構件等）、路徑發現組件中的構件（支持IPv4、IPv6及MPLS協議等的各種路徑發現構件，如RIP、BGP及7號信令等）、平臺管理組件中的構件（如配置管理構件、資源管理構件、設備及用戶狀態管理構件等）、其他可能的增值服務組件中的構件（如支持QoS的構件、支持無線接入構件等）。

下面分別從面向單一組件及面向服務提供兩個方面舉例，闡述所涉及構件的研究方法及思路，探索支持三網服務的核心路由交換通用平臺的可重構構件的組成問題，使得具有標準化規范調用接口的構件能夠有機構成相關的組件，構造出支持三網服務及未來增值服務的構件體系。

實例1 面向組件的構件類實例——轉發組件中的構件

如圖3所示，為了支持三網業務，轉發組件主要涉及：a）面向不同服務的差異化報頭預處理構件。主要是根據接入的不同報文進行差異化預處理，如IP服務需要針對IPv4/IPv6報頭的預先處理，MPLS報文需要單獨處理等。b）查表構件。該構件對除廣電服務外的其他服務可以作為共用構件進行研究。c）IP報文轉發構件、MPLS報文轉發構件以及電信局向路由構件。針對不同類型的報文，生成相應的具有統一內部標簽的交換報文，在電信局向路由構件中，主要是針對電信業務數據生成適合于電路交換的局向選擇數據。d）廣電服務通道構件。針對廣電用戶的特殊需求，在核心節點提供按需復制及滿足業務帶寬需求的數據分發通道。

各種構件根據可重構邊緣層對服務類型和需求的感知及相應的重構參數約束，按照平臺的重構機制，構建面向不同網絡服務的轉發組件，支持不同類型服務所需的轉發功能。

實例2 面向服務的構件類實例——支持多制式無線接入構件

下面以支持多制式無線接入服務為例，闡述可重構路由交換通用平臺支持面向服務提供的構件化處理技術。

在路由與交換上，無線接入服務與電信及IP服務具有統一繼承性。但在接入方式上，具有明顯的便捷接入優勢，會成為多業務泛在化接入的重要手段。

在開放式可重構路由交換通用平臺上完成多制式無線接入服務，所涉及的構件主要分布在平臺中的統一鏈路層處理組件（LE）以及路徑發現組件上，如圖4所示。在轉發組件（FE）、交換組件（SE）以及平臺管理組件上，所涉及的構件與有線接入方式一致，無須專門構建面向該服務的構件，體現了構件化處理技術的優點。

可重構支持多制式無線接入服務所涉及的構件在邏輯上可以分為如下兩類：

a）多制式無線空中接口低層協議差異性功能構件類。這類構件完成各種無線接入制式低層的信令數據解析與處理，在接入邊緣屏蔽由不同制式帶來的信令及數據格式方面的差異，處于LE組件中，為FE及SE組件形成統一的數據格式奠定基礎。這類構件主要有針對WCDMA的Iub、CDMA2000的Abis、WiMAX等的低層協議處理構件、面向共性功能協議單元的消息執行構件以及多制式數據統一封裝構件等。其中，共性功能協議單元的消息執行構件處理由空中接口高層協議共性功能構件所生成的消息。在此基礎上，由多制式數據統一封裝構件向FE及SE提供統一格式的數據報文，其余構件完成各種制式低層差異化的數據解析與處理。

b）多制式無線空中接口高層協議共性功能構件類。所涉及的構件主要有多制式無線資源統一管理構件、node-B的狀態管理與維護構件、層3協議共性功能構件以及面向高層協議的支撐構件等。這類構件主要實現各種制式高層協議的共性功能，形成統一的控制消息，為多制式無線接入服務提供統一的無線資源管理。Node-B的狀態維護等功能，處于CE上的路徑發現組件中。

5 結束語

下一代網絡技術向著開放可編程、性能可擴展、功能可重構、服務動態部署、多網多業務融合、靈活智能的方向發展。作為網絡構建平臺的路由交換節點，需要在功能和性能上滿足動態擴展可重構的結構，才能更好地滿足下一代網絡的發展要求。本文提出的可重構路由交換通用平臺順應了目前國際網絡技術主流發展方向，通過兩個實例表明該平臺支持三網服務及未來增值服務的構件體系，能夠為今后電信網、廣電網、互聯網及其演進的各種先進網絡架構提供支持，為構建柔性網絡基礎設施提供平臺支撐。

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