路由器分布式控制研究综述

Survey on Distributed Control in a Router
XU Ming Wei1, JIANG Xue Zhi1, 2, CHEN Wen Long3
( 1. Department of Computer Science and Technology , Tsi nghua University, Beijing 100084, China ; 2. Shiji azhuang Mechanized Inf antry Institute, Shij iazhuang , H ebei 050083, Chi na ;
路由器控制平面 分布式 互连和多 实例并 行可 有效
地避免单一硬件或软件失效导致的网络振荡, 提高网络 稳定性和路由器容错能力. 分布式控制能够支持性能和 功能的灵活扩展, 提高 路由器 的可扩 展性. 控 制单 元之 间和控制单元与转发单元之间分担负载, 可克服单一硬 件的性能 瓶 颈, 减 少控 制 单 元 过 载, 提 高路 由 器 的 可
各路由器厂 商都 采 用私 有技 术, 分 别 设计 各自 专 用的部件、接口和通信协 议. 不同 生产厂商 的路由 器部 件之间不能互 换和 通信. 因 此, 在 网络 中, 这些 路由 器 只能作为独 立的网 络设 备互 连, 而 不能 通 过互 连扩 展 为一台更高 性能和 更多 功能 的路 由器. 技 术封 闭私 有 和集中控制严重影响了路由器的可扩展性.
目前对路由器的研究大部分集中在数据平面[ 5] , 对
于逐渐成为路由器性 能瓶颈 的控制平 面缺乏 成体 系的 研究. 为了解决现有路由器控制平面基于单一控制单元 的集中式控制所面临的问题, 研究人员提出了路由器分 布式控制方案.
为了更好地了解路 由器集中 控制 与分布 式控 制的 特点, 我们从可靠性、可 扩展性 和部署 代价等 方面 对它 们进行了比较, 如表 1 所示.
本文深入 剖析 了路 由 器集 中控 制存 在 的局 限性, 总结出路由器控制平面从集中 式向分 布式发展 需要解 决三个关键 问题: ( 1) 分布 式控 制平 面. 由 多 个控 制单 元分布式互连而成的分布式控 制平面 可有效克 服单一 控制单元的 性能 瓶颈 和可 扩展 性差 等不 足, 为控 制平 面的性能和功能灵活 扩展提供 支持; ( 2) 分布式 控制平 面内部通信. 物理 上分 布的 控制 单元 和软 件 功能 模块 要形成一个 整体, 需要 分布 式控 制平 面内 部 通信 协议 实现硬件和 软件 的透 明通 信; ( 3 ) 分 布式 路由 协 议. 为 适应分布式 控制 平面 体系 结构, 路由 协议 和 算法 应分 布式实现, 充分利用系 统的计 算和存储 资源, 提 高路由 器的性能. 本 文重 点围 绕这 三个 关键 问题 综 述了 这一 领域的最新 研究 进展, 并对 各种 方案 进行 了 分析 和比 较.
内部通信和分布式路由协议和算法这三个关键问题, 综述和比较了现有的路由器分布式控制方案. 最后 对下一步工作
进行了展望.
关键词: 路由器; 分布式控制; 内部通信; 分布式路由协议和算法
中图分类号: TP393 05
文献标识 码: A
文章编号: 0372 2112 ( 2010) 08 1892 08
现有路由协 议大 部 分集 中在 主控 制 单元 上运 行, 很容易因硬件或软件局部 功能失 效或代码 错误导 致整 个协议失效, 例如: 邻居建 立与维 护功能失 效将导 致整 个协议失效. 虽然现有路 由器控 制平面采 用主、从 备份 方式, 但是主、从备份 的 失效 恢复 速度 相 对较 慢, 影 响 了网络的可用性. 为提高 网络可 用性, 目前 通过向 网络 中增 加 路 由 器 和 运 行 虚 拟 路 由 器 冗 余 协 议 ( Virtual Router Redundancy Protocol, 简 称 VRRP) 实 现 冗余 备 份. 这提高了网 络的运 营成 本, 增 加了 网络 连 接的 复杂 度 和网络管理的难度. 2 3 可扩展性差
信 令 功能 分 布在 转 发 单 元 和并 行 处理 减 小 了信令消息排队时间 分 布 式并 行 减少 了 硬 件 或 软件 故 障引 发 的 网络振荡
高
内部通信开销
小
较大
维护管理
简单
较复杂
能量消耗
低
高
文献[ 5] 虽 然按 照分 层模 型综 述了可 扩 展路 由器 目前的研究 进展, 但它 重点 分析 和比 较了 数 据平 面的 扩展方案, 而对 控制 平 面 这 个 制约 路由 器 可扩 展的 瓶颈和关键问题缺少系统和针对性分析.
第 8期 2010 年 8 月
电子学报 ACTA ELECTRONICA SINICA
Vol . 38 No. 8 Aug. 2010
路由器分布式控制研究综述
徐明伟1, 江学智1, 2, 陈文龙3
( 1. 清华大学计算机科学与技术系, 北京 100084; 2. 石家庄机械化步兵学院, 河北石家庄 050083;
3 1 CR CR 是多个可独立 运行的、具 有路 由功能 的节 点通
过某种互连结构( 例如: 高 速以太 网) 连接 成性能、功能 可扩展的单 映像路 由器. 集群 路由 器根 据 内部 节点 的 类型可分为软件集群路由器和集群路由器.
Biblioteka Baidu 89 4
电子学报
2010 年
软件集群路由器由一台路 由器与 多台具有 路由处
基于路由器 集中 控 制所 面临 的问 题, 研究 人员 提 出了路由器分布式控制 方案. 通 过分布式 互连、并 行处 理和冗余备 份等技 术提 高路 由器 的性 能、可靠 性和 可 扩展性.
虽然路由器 分布 控 制是 一种 发展 趋 势, 但 是随 着 硬件处理能力 的不 断提 高, 集 中式 还将 长期 存在. Bal lani, Hitesh 等人[ 7] 研 究表 明两 种 控制 方 式相 结 合将 有 效延长现有路由器的生存周期, 改进网络性能.
2 路由器集中控制面临的主要问题
2 1 性能瓶颈 目前路由器控制平面 只有一 个控制单 元处理 协议
分组. Iannaccone. G 等人[ 6] 通过网络测量得出, 50% 的网 络故障可能因路由器控制平 面过载 丢失! 心 跳∀ 消 息引 起. 根据目前互联网的 发展速度 和硬件 技术发展 速度, 基于单一控制单元的集中 式控制 平面很难 满足互 联网 快速增长的需求. 2 2 单点失效
低
开放、标准
分 布式、模 块 化, 可 灵 活 地 扩展 控 制平 面 功 能和性能
分 布 式多 实 例并 行 和 冗 余 备份 提 高了 可 靠 性
不同任务并 行; 同一 任 务不同功能并行
可 灵 活 对 软、硬 件 升 级, 支持不 中断服务 升 级
分布式多实 例并行, 单 一 硬 件和 软 件模 块 失 效对系统 功能影响 小, 可实现无缝恢复
Key words: router; distributed control plane; internal communication; distributed routing proto col and algorithm
1 引言
光传输技术飞 速发展 和核心路 由表快 速增长 对路 由器性能提出了更高的需求. 互联网快速发展要求路由 器随着网络规模和流量增长不断扩展自身性能. 虽然通 过硬件升级在短期内能够提高路由器的性能, 但受硬件 性能限制, 仅依靠硬件升级无法满足互联网快速发展的 需要. 为了克 服硬件 的性 能束缚, 一些路 由器[ 1~ 3] 在数 据平面采用多机柜 分布式 互连的集 群体系 结构提 高转 发性能. 但目前路由器控制平面只有一个控制单元处理 控制任务, 数据平面规模扩 展将增 加控制 平面 的负载, 容易造成控制单元过载[ 4] .
3. School of Inf ormati on Engineering , University of Science and Technology Beijing , Beijing 100083, China )
Abstract: The rapid development of optical transmission and fast growth of Internet traffics require higher performance routers. The overload of control plane often causes the oscillation of network. In a serious case, it results in router crashing. T o over come the problems of the monolithic contro l plane, some schemes of distributed contro l in a router have been propo sed. In this pa per, we thoroughly analyzed the problems of centralized control plane. Based on the critical obstacles in realizing ro uter s distributed contro l, we made summary and comparison of existing schemes from three aspects: distributed control plane, internal communication of distributed control plane and distributed implementation of routing protocol and algorithm. Finally, the future trend is discussed.
控制类型 内容
集中式
分布式
内部通信协议 可扩展性
可靠性 并行性 可用性
失效恢复
网络变化 感知速度 网络稳定性 部署代价
专用、私有
软、硬件升级
单 点失 效 影 响可 靠 性
无
不支持动态升 级, 影 响可用性
硬 件修 复 或 软件 重 启时间相对较长
信 令消 息 传 输到 控 制 平面 和 单 进程 增 加了排队时间 单 一控 制 单 元过 载 和 故障 容 易 引起 网 络振荡
收稿日期: 2009 07 14; 修回日期: 2010 03 05 基金项目: 国家重点基础研究发展计划( 973) ( No. 2009CB320502) ; 国家高技术研究发展计划( 863) ( No. 2007AA01Z2A2, No. 2009AA01Z251) ; 国家科 技支撑计划( No. 2008BAH37B03)
第 8期
徐明伟: 路由器分布式控制研究综述
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靠性. 硬件分布式互连 和软件 功能分布 式、模块 化设计 和实现可实现不中断服务升 级, 提高 路由器的 可用性. 但与集中式 控制 相比, 分布 式控 制存 在内 部 通信 开销 大和能耗高、管理和维护复杂等不足.
表 1 路由器集中式控制与分布式控制比较
3. 北京科技大学信息工程学院, 北京 100083)
摘 要: 光传输技术飞速发展和互联网流量 快速增长对路由器性能提出了更高的需求. 路由器经 常因控制平面
过载导致网络振荡, 甚至路由器失效. 为了克服路由器集中控制存在的问题, 研究人员提出了路由器分布式控制方案.
本文深入分析了路由器集中控制面临的问题, 围绕 路由器实现分布式控制需要解决分布式控制平面、分 布式控制平面
3 分布式控制平面
路由器 分布式控 制平面主 要分为集 群路 由器 ( Cluster Router, 简 称 CR) [ 8~ 11] 和 转发 与 控制 分 离( For warding and Control Elements Separation, 简称 ForCES) [ 12, 13] 两种结构.