路由器分布式控制技術(shù)研究綜述

摘要：本文討論了傳統(tǒng)的路由器集中控制技術(shù)中存在的缺陷和問題，圍繞路由器分布式控制技術(shù)的若干個關(guān)鍵技術(shù)和問題進行了深入分析。

關(guān)鍵詞：路由器 分布式控制

隨著我國信息化建設(shè)進程的加快，網(wǎng)絡規(guī)模和網(wǎng)絡流量呈現(xiàn)出飛速擴展狀態(tài)。為滿足網(wǎng)絡規(guī)模和網(wǎng)絡流量的需求，路由器硬件在不斷的改進和升級，但是僅僅依靠硬件更新來提升路由器的數(shù)據(jù)傳輸流量已經(jīng)無法滿足互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的需求。因此，可以考慮對路由器進行分布式互連架構(gòu)來提升其轉(zhuǎn)發(fā)性能。但是該架構(gòu)方式只有一個控制單元對控制任務進行處理，因而很容易因數(shù)據(jù)平面規(guī)模擴大使得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流量超過控制單元的負載。為解決該問題，可以采用分布式控制方案對路由器進行架構(gòu)。

1 路由器分布式控制平面

路由器分布式控制平面主要存在兩種結(jié)構(gòu)，分別為集群路由結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離結(jié)構(gòu)。

1.1 集群路由結(jié)構(gòu) 集群路由器是有多個可獨立運行的、具有路由功能的節(jié)點使用某種通信方式連接而成的單映像路由器。其根據(jù)節(jié)點類型不同，又分為集群路由器和軟件集群路由器。其中，軟件集群路由器以單臺路由器為核心，在其外圍連接多個具有路由處理功能的計算機組成的。該種結(jié)構(gòu)可以按照使用需求向集群路由器中添加處理節(jié)點，軟件集群路由器中的多個路由處理計算機同時進行數(shù)據(jù)處理，分布式控制各單元間的負載分擔，進而提高和擴展路由器的性能。該分布式控制平面在處理節(jié)點方面具有非常靈活的擴展性能，部署方式簡單，但是無法支持數(shù)據(jù)平面層的擴展，一旦某一節(jié)點失效則會導致整個路由系統(tǒng)崩潰，系統(tǒng)可靠性較低。集群路由器則是由具有路由和轉(zhuǎn)發(fā)功能的多個節(jié)點組成，不同節(jié)點之間同時分擔數(shù)據(jù)負載，并行處理不同協(xié)議的分組，在數(shù)據(jù)平面的可擴展性好。但是由于集群路由器各節(jié)點均由路由器組成，故控制單元與轉(zhuǎn)發(fā)單元之間的連接均通過專用協(xié)議和接口實現(xiàn)，若更改節(jié)點屬性則需要對相應的路由器進行修改，這就增大了系統(tǒng)的復雜度，在部署和維護方面成本較高。

1.2 轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離體系結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)允許在單臺路由器的控制平面設(shè)置多個控制單元，每個控制單元之間由內(nèi)部高速網(wǎng)絡進行互聯(lián)，控制單元與轉(zhuǎn)發(fā)單元之間的連接方式為預先配置或者動態(tài)聯(lián)合。這種分布式路由架構(gòu)模式可以克服集群路由器架構(gòu)中控制單元和轉(zhuǎn)發(fā)單元無法分離的問題，對控制單元和轉(zhuǎn)發(fā)單元進行組件分離，增強單個組件的性能，提升路由組網(wǎng)的靈活性。

2 分布式路由控制平面的內(nèi)部通信協(xié)議

為保證分布式互聯(lián)的控制單元與轉(zhuǎn)發(fā)單元之間的協(xié)同工作，必須設(shè)計可用于該分布結(jié)構(gòu)的內(nèi)部通信協(xié)議。當前，應用在分布式路由控制平面的內(nèi)部通信協(xié)議分為集群路由器內(nèi)部通信協(xié)議和Forz協(xié)議兩種。

2.1 集群路由器內(nèi)部通信協(xié)議 該協(xié)議將集群路由器內(nèi)部的節(jié)點數(shù)量、編號、相鄰節(jié)點的性能、內(nèi)外部端口號等信息進行共享，集群內(nèi)的節(jié)點均可以獲得這些信息，故所有節(jié)點可以形成一致的內(nèi)部拓撲視圖。集群路由器內(nèi)部通信協(xié)議在進行內(nèi)部通信時其物理層的通信技術(shù)為高速光互連技術(shù)，鏈路層的通信技術(shù)為高級數(shù)據(jù)鏈路控制技術(shù)。該協(xié)議方式可以在路由器內(nèi)部設(shè)定多個通信速率，以應對不同環(huán)境或情況下的不同速率互聯(lián)需求。在通信時，數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)信元和流控信元兩部分組成，其中數(shù)據(jù)信元主要用于傳輸通信報文，流控信元主要用于傳輸不同交換網(wǎng)絡中的流量控制信息。在控制層面，集群路由器內(nèi)部通信協(xié)議對控制單元之間的拓撲信息在統(tǒng)一層面進行控制和管理，不同節(jié)點之間可以對數(shù)據(jù)進行并行處理、計算或轉(zhuǎn)發(fā)等。

2.2 Forz協(xié)議 該協(xié)議是在ForCES協(xié)議框架基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，其對ForCES協(xié)議框架下的內(nèi)部通信進行了擴展，其通信機制可以分為聯(lián)合、配置以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)?個階段。聯(lián)合階段主要用于對控制單元和轉(zhuǎn)發(fā)單元進行身份確認。當一個新的單元接入分布系統(tǒng)時，其需要向內(nèi)部控制流發(fā)送自身的屬性信息，內(nèi)部各單元收到該信息后將該新單元接入自身數(shù)據(jù)庫進行設(shè)備擴充，同時各單元向該新單元發(fā)送自身的屬性信息，該新單元接收后組建自身數(shù)據(jù)庫，完成聯(lián)合操作。同樣，當一個現(xiàn)有的單元要脫離網(wǎng)絡時，需要向網(wǎng)絡中各單元發(fā)送一個離開報文，各單元接收到報文后將其從自身數(shù)據(jù)庫中刪除。配置階段主要用于對網(wǎng)絡接口、IP地址、路由信息等進行配置，建立一個統(tǒng)一的路由表。

數(shù)據(jù)傳輸階段則是根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)對所需要傳輸或者轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進行打包封裝，然后通過內(nèi)部網(wǎng)絡傳遞到所需要使用的輸出端口進行數(shù)據(jù)傳輸。

3 分布式路由算法

為適應分布式路由結(jié)構(gòu)，充分利用控制平面內(nèi)的控制單元資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速路由，必須設(shè)計適當?shù)穆酚伤惴ā．斍暗姆植际铰酚伤惴ㄓ袃深悾活愂遣⑿蠴SPF路由算法如PDSPT算法，一類是并行BGP路由算法如FDHP算法。PDSPT算法并行使用控制平面內(nèi)的多個處理器進行數(shù)據(jù)計算和處理，該算法的理論基礎(chǔ)為SPT，故其在算法迭代次數(shù)方面具有較強的競爭優(yōu)勢，尤其是網(wǎng)絡拓撲規(guī)模較大，且鏈路故障對原SPT樹上節(jié)點影響較多時，該算法可以發(fā)揮出較高的并行運算優(yōu)勢。但是該算法在負載分布比較均勻時所需的內(nèi)部通信開銷較大。FDHP算法則是充分利用路由器集群中各節(jié)點的計算資源，將其臨近的路由節(jié)點作為其本地信息計算的最優(yōu)路由，實現(xiàn)負載的多路由節(jié)點分擔，進而提升路由效果和性能。但是該方式同時利用多個路由節(jié)點進行信息處理時需要以廣播的方式進行數(shù)據(jù)通信，同樣增加了內(nèi)部通信的開銷。

4 總結(jié)

路由器控制平面向分布式方向發(fā)展是一種主流趨勢，該分布方式可以利用標準化接口和通信機制實現(xiàn)高速路由功能，還能夠增強系統(tǒng)的擴展性，但是在實現(xiàn)中，仍然需要對一些關(guān)鍵問題進行分析和解決。

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