ch4-1(路由器体系结构与关键技术)

24
第二代路由器(单机分布式共享总线结构)
CPU
Route Table Buffer Memory
Line Card Buffer Memory Fwding Cache
MAC
Line Card Buffer Memory Fwding Cache
MAC
Line Card Buffer Memory Fwding Cache
B C
E
R2
R5
F
7
路由器基本结构
控制路径 （Control Path) 路由引擎 (Routing Engine) 控制路径 （Control Path)
•
•
•
路由更新 （Update) 路由表 （Routing Table) 路由查找 （Search) 转发引擎 (Forwarding Engine) 内部交换 （Switching) 网络接口 （Interface) 数据路径 （Data Path)
-
Switching.
路由器的发展趋势 国内路由器研究现状
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第一代路由器(单机集中式总线结构)
Shared Backplane CPU
Route Table Buffer Memory
Line Interface
MAC
Line Interface
MAC
Line Interface
MAC
Typically <0.5Gb/s aggregate capacity
B C
E
R2
Destination D E F Next Hop R3 R3 R5
R5
F
5
What is Routing?
R3 A
1 4
R1
16
R4
32 Total Packet Length
Flags Fragment Offset
D
Ver
HLen
T.Service
20 bytes
B C
Fragment ID
Buffer
Data Hdr
Header Processing
Lookup IP Address Update Header
Buffer Manager
Buffer Memory
Address Table
15
Why do we Need Faster Routers?
• 路由器正日渐成为互联网瓶颈.
•
增加POP能力，降低价格、数量和功率等.
16
Why we Need Faster Routers
1: To prevent routers from being the bottleneck
Packet processing Power
10000
Spec95Int CPU results
Link Speed
Buffer Manager
Buffer Memory
Data Hdr
Address Table
Data Hdr
Header Processing
Lookup IP Address Update Header
Buffer Manager
Data Hdr
Address Table
Data Hdr Memory
• 路由器提供了两种不同的报文处理 路径： 数据路径：处理目的地址不是 本路由器而需要转发的报文， 因此数据路径是整个路由器的 关键路径，它的实现好坏直接 影响着路由器的整体性能。 控制路径：处理目的地址是本 路由器的高层协议报文，特别 是各种路由协议报文。虽然控 制路径不是路由器的关键路径 ，但是它负责完成路由信息的 交互，从而保证了数据路径上 的报文沿着最优的路径转发。
Moore’s Law 2x / 18 months
-
10 1 0.1 0.01
0.001
20
Why are Fast Routers Difficult to Make?
1. It’s hard to keep up with Moore’s Law:
2.
The bottleneck is memory speed. Memory speed is not keeping up with Moore’s Law.
22
Outline
背景知识
What is a router? Why do we need faster routers? Why are they hard to build?
路由器体系结构与关键技术
The evolution of router architecture. IP address lookup. Packet buffering.
- Capacity 1992 ~ 2Gb/s
- Capacity 1995 ~ 10Gb/s - Capacity 1998 ~ 40Gb/s
- Capacity 2001 ~ 160Gb/s
- Capacity 2003 ~ 640Gb/s Average growth rate: 2.2x / 18 months.
Fwding Table
MAC
Typically <50Gb/s aggregate capacity
MAC
Typically <5Gb/s aggregate capacity
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第三代路由器(单机分布式Crossbar结构)
Switched Backplane
Line Card Local Buffer Memory
Fwding Table
MAC
CPU Card
Routing Table
Line Card Local Buffer Memory
IP address lookup. Packet buffering. Switching.
路由器的发展趋势 国内路由器研究现状
2
Outline
背景知识
What is a router? Why do we need faster routers? Why are they hard to build?
• 从近几年来的路由器研究看，内部交换问题已经得到了较好的解决， 因此路由查找问题成为路由器设计的关键问题。
10
Points of Presence (POPs)
POP2 A POP1
POP3
POP4 D
B C POP6
POP5
E
POP7
POP8
F
11
Where High Performance Routers are Used
Moore’s Law is too slow:
-
Routers need to improve faster than Moore’s Law.
21
Router Performance Exceeds Moore’s Law
Growth in capacity of commercial routers:
2x / 7 months
Why we Need Faster Routers
2: To reduce cost, power & complexity of POPs
POP with large routers POP with smaller routers

Ports: Price >$100k, Power > 400W. It is common for 50-60% of ports to be for interconnection.
R2
R5 (2.5 Gb/s)
(2.5 Gb/s)
R1
R6
R3 R8
R9
R4 R10
R7 R11 R16 (2.5 Gb/s) 12
R13 (2.5 Gb/s) R15
R14
R12
What a Router Looks Like
Cisco GSR 12416
19”
Juniper M160
19”
Capacity: 160Gb/s Power: 4.2kW 6ft 3ft
1.
1000
It’s hard to keep up with Moore’s Law:
1980
1983
1986
1989
1992
1995
1998
2001
Access Time (ns)
100
The bottleneck is memory speed. Memory speed is not keeping up with Moore’s Law. 1.1x / 18 months
•
•
网络接口 （Interface)
网络接口 完成网络报文的接收和发送。 转发引擎 负责决定报文的转发路径。 内部交换 为多个网络接口以及路由引擎模块 之间的报文数据传送提供高速的数 据通路。 路由引擎 由运行高层协议（特别是路由协议 ）的内部处理模块组成。 路由表 路由表包含了能够完成网络报文正 确转发的所有路由信息，它在整个 路由器系统中起着承上启下的作用 。
8
报文处理路径
控制路径 （Control Path) 路由引擎 (Routing Engine) 控制路径 （Control Path)
路由更新 （Update) 路由表 （Routing Table) 路由查找 （Search) 转发引擎 (Forwarding Engine) 内部交换 （Switching) 网络接口 （Interface) 数据路径 （Data Path) 网络接口 （Interface)
第四章 路由器体系结构与关键技术
1
Outline
背景知识 What is a router? Why do we need faster routers? Why are they hard to build?
路由器体系结构与关键技术
-
The evolution of router architecture.
路由器体系结构与关键技术
The evolution of router architecture. IP address lookup. Packet buffering.
-
Switching.
路由器的发展趋势 国内路由器研究现状
3
4
What is Routing?
R3 A R1 R4 D
18
Why are Fast Routers Difficult to Make?
1. 跟不上Moore’s Law:
-
瓶颈在于内存速度. 内存速度跟不上Moore’s Law.
19
Why are Fast Routers Difficult to Make?
Speed of Commercial DRAM
9
数据路径的工作流程
转发报文 决定报文应该转 发的目的地址以 及相关接口 通过交换结构将 报文转发到输出 端口
路由查找
接口卡
内部交换
交换结构
• RFC1812规定IP路由器必须完成两个基本功能：


首先路由器必须能够对每个到达本路由器的报文做出正确的转发决策， 决定报文向哪一个下一跳路由器转发。为了进行正确的转发决策，路由 器需要在转发表中查找能够与转发报文目的地址最佳匹配的表项，这个 查找过程被称为路由查找（Route Lookup）。 其次路由器在得到了正确的转发决策之后必须能够将报文从输入接口向 相应的输出接口传送，这个过程被称为内部交换过程（Switching）。
Capacity: 80Gb/s Power: 2.6kW
2ft
2.5ft
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Generic Router Architecture
Header Processing
Data Hdr
Lookup Update IP Address Header
IP Address Next Hop
Queue Packet
Data
Hdr
1M prefixes Off-chip DRAM

Address Table
Buffer Memory
1M packets Off-chip DRAM
14
Generic Router Architecture
Data Hdr
Header Processing
Lookup IP Address Update Header
E
TTL
Protocol
Header Checksum
Source Address R2 Destination Address Destination Next Hop D Options (if any) R3 E F
R5
F
Data
R3 R5
6
What is Routing?
R3 A R1 R4 D
10000 1000 100 10
100
10
1
1
1985
0,1
1990
1995
2000
1985
1990
1995
2000 0,1
TDM
Source: SPEC95Int & David Miller, Stanford.
DWDM
17
Fiber Capacity (Gbit/s)
1000
2x / 18 months