一、用戶需求是帶寬增長的最終推動力
人類對溝通以及感官體驗的無止境追求是催生和促進及時通信、視頻、高清視頻、游戲等等業(yè)務應用的最終推動力。而業(yè)務和應用的不斷發(fā)展又進一步對網(wǎng)絡的帶寬提出了更高的要求。據(jù)Gartner預測：未來5年，用戶帶寬需求和網(wǎng)絡流量將增加10倍。來自cisco的預測則表明：IP流量每兩年翻一番。其中，視頻是IP業(yè)務增長的主要驅(qū)動力，2012年視頻流量接近internet流量的90％，在線視頻占50％；近期高清和On demand content是驅(qū)動流量主要因素；遠期交互視頻和移動數(shù)據(jù)業(yè)務是流量的主要驅(qū)動力，IPTV是固網(wǎng)運營商增量且增收的重要出路。由此可見，在未來的網(wǎng)絡中，互聯(lián)網(wǎng)應用和視頻業(yè)務的深入開展將是接入和承載網(wǎng)絡帶寬爆炸式增長的直接原因。
隨著用戶數(shù)量和接入帶寬的不同增長，IP骨干網(wǎng)也受到越來越大的壓力。當前，全球骨干網(wǎng)IP流量的分布為：北美約為600Tbps、西歐約為200Tbps、中國約為 80~100Tbps。未來全球IP流量會保持100％～115％年增長率。初步估算，未來5年我國干線流量年增長率高達56～80％，相當于5年帶寬增長10～20倍。
接入帶寬的增長雖然主要表現(xiàn)在寬帶網(wǎng)絡接入層面，但最終用戶所消費的信息量的飆升，對整個寬帶網(wǎng)絡提出了產(chǎn)生直接或間接的沖擊。這些沖擊主要表現(xiàn)在：
1）對寬帶網(wǎng)絡承載網(wǎng)絡能力的沖擊，從接入層、匯接層到骨干網(wǎng)絡的傳輸能力、調(diào)度能力和管理能力等各方面提出更高的要求；
2）對現(xiàn)有網(wǎng)絡結構的沖擊，為適應終端用戶帶寬的增長并切實利用這樣的增長所帶來的機會的新業(yè)務，對網(wǎng)絡結構的要求將明顯區(qū)別于傳統(tǒng)業(yè)務，為適應三網(wǎng)融合后業(yè)務形態(tài)的新變化，網(wǎng)絡結構必須做出相應的調(diào)整；
3）對現(xiàn)有網(wǎng)絡節(jié)點設備形態(tài)的沖擊，面對網(wǎng)絡的新變化，現(xiàn)有網(wǎng)絡節(jié)點形態(tài)存在著很大的優(yōu)化空間，新形態(tài)網(wǎng)絡節(jié)點設備的出現(xiàn)，將有力的促進現(xiàn)有網(wǎng)絡的扁平化和融合的趨勢，值得進行深入的研究。
應對“寬帶中國”背景下“城市和農(nóng)村家庭寬帶接入能力基本達到20Mbps和4Mbps，部分發(fā)達城市達到100Mbps”的帶寬需求，解決單機網(wǎng)絡設備的容量和端口密度已很難滿足大規(guī)模部署的需要，利用集群路由器在交換容量、端口速率和端口密度方面的技術優(yōu)勢，簡化網(wǎng)絡和路由組織，提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和性能，方便網(wǎng)絡維護管理和擴容，有著非常重要的現(xiàn)實意義。
二、用戶帶寬增長驅(qū)動核心路由器演進
1、超高交換容量需求
帶寬需求不斷攀升導致運營商對超大容量核心路由器需求越來越強烈，核心路由器容量擴展問題是IP骨干網(wǎng)擴展性最關鍵問題，隨著骨干網(wǎng)業(yè)務高速增長，IP網(wǎng)絡基礎設施每2年左右需要全面升級一次，運營商已無法忍受頻繁的網(wǎng)絡升級換代，迫切需要新一代可持續(xù)發(fā)展超大容量核心路由器，并在相當長時間內(nèi)保持設備穩(wěn)定平滑擴容，保護運營商投資和收益。目前大部份用戶的帶寬為2Mbps，大部分現(xiàn)網(wǎng)絡核心路由器單槽處理能力100Gbps，單機1.6Tbps-3.2Tbps，64臺整機堆疊的集群總容量約100Tbps。“十二五”期間，用戶帶寬提升到100Mbps，在不大幅度增加功耗的前提下，網(wǎng)絡核心路由器的處理能力也應該提升到單槽位1Tbps，單機16Tbps。
2、超大規(guī)模路由表項需求
隨著IPv6的大規(guī)模部署，無所不在的傳感器和智能設備的大量應用，以及企業(yè)VPN的廣泛使用，對網(wǎng)絡核心路由器路由表的容量提出了更高的要求。為滿足未來更大網(wǎng)絡大容量業(yè)務傳送要求，網(wǎng)絡核心路由器的路由表容量將要達到千萬條規(guī)模，如何實現(xiàn)大規(guī)模網(wǎng)絡的平滑演進，如何實現(xiàn)數(shù)百萬甚至千萬級路由的快速收斂、分發(fā)也是網(wǎng)絡核心路由器必須面臨的挑戰(zhàn)之一。
3、400Gbps/1Tbps高速網(wǎng)絡接口需求
網(wǎng)絡節(jié)點交換容量的加大，設備之間互聯(lián)的接口也必然隨之提高。目前100Gbps接口的核心路由器已開始廣泛應用于國內(nèi)骨干網(wǎng)中，下一代主流接口將在400Gbps/1Tbps之間產(chǎn)生。當前業(yè)界重點關注的是技術路線：客戶側 400GE。目前IEEE在啟動客戶側400GE以太網(wǎng)的研究， ITU-T SG15在進行OTN、FRAMER方面的標準研究，OIF論壇在進行電氣接口和模塊層的研究。
在網(wǎng)絡演進過程中，同時通過SDN（軟件定義網(wǎng)絡）技術提供面向網(wǎng)絡的編程接口以提高網(wǎng)絡虛擬化能力也成為核心路由器的技術方向之一。
隨著路由器和光傳輸的融合，100Gbps高速白光和彩光接口將是新型核心路由器實用化的必要條件。
4、IP+光協(xié)同組網(wǎng)需求：
路由器設備容量的提升在提高網(wǎng)絡帶寬的同時， 也大幅度增加了網(wǎng)絡的能源消耗。為了構建一個綠色節(jié)能網(wǎng)絡，一方面，需要設計能耗更優(yōu)的路由器設備；另一方面， 要從網(wǎng)絡架構方面著手， 通過路由器和光傳輸設備聯(lián)合組網(wǎng)來降低整個網(wǎng)絡的能耗。眾所周知，相同帶寬下光傳輸設備的能耗遠低于路由器。IP+光協(xié)同組網(wǎng)解決方案是指在骨干網(wǎng)絡中， 光網(wǎng)絡通過ASON技術實現(xiàn)光層以太網(wǎng)流量自動調(diào)整和長距離傳送，路由器按IP/MPLS等級提高差異化服務質(zhì)量保障，以IP+光協(xié)同實現(xiàn)網(wǎng)絡跨域的協(xié)同工作，提供高質(zhì)量、高可靠性、容易運維的網(wǎng)絡。
5、大容量可擴展集群網(wǎng)絡需求
在路由器單機容量有限和超級網(wǎng)絡節(jié)點環(huán)境下，需要對節(jié)點網(wǎng)絡進行橫向和縱向擴展，通過多級匯聚和負載均擔來減輕設備壓力，網(wǎng)絡結構將越來越復雜，運維管理難度加大。大容量、扁平化、少局所的建網(wǎng)思路要求進一步簡化網(wǎng)絡拓撲、減少分層網(wǎng)絡設備、降低接口和協(xié)議復雜性。為滿足不斷增長的業(yè)務需求，核心路由節(jié)點的部署必須考慮未來網(wǎng)絡的可擴展性、可靠性和扁平化需求，支持多機擴展的路由器集群技術通過集中化、一體化的控制管理，使集群系統(tǒng)各臺路由器單機之間能夠很好地協(xié)同工作，極大的擴展了路由器的容量，從而突破了單機在開發(fā)技術工藝上的限制。在成本方面，由于集群系統(tǒng)中各臺路由器通過高速光背板互連，節(jié)省了額外的內(nèi)部互聯(lián)端口，大大減少了投資。更為重要的是，由于集群路由器對外僅體現(xiàn)為一臺路由器，使得網(wǎng)絡拓撲和路由策略變得簡單和清晰，維護也更加方便快捷。
可擴展集群路由器系統(tǒng)在簡化網(wǎng)絡的復雜性的同時，大大提升了集群系統(tǒng)自身的復雜性。交換結構方面，單機系統(tǒng)一般采用共享緩存、Crossbar結構，容量有限，集群路由器需要采用復雜的Clos、Banyan、Butterfly或Benes多級多平面交換矩陣，每個平面配置獨立的仲裁器，避免了仲裁器瓶頸問題。
6、穩(wěn)定的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)需求
可擴展路由器集群系統(tǒng)涉及到的設備個體較多，多框級聯(lián)的管理、同步、協(xié)同處理是一套極其復雜的多級分布式系統(tǒng)，軟件處理的難度不亞于硬件，優(yōu)秀的軟件架構和路由操作系統(tǒng)是集群路由器系統(tǒng)的重點和難點。目前來說，主要有兩種主流的系統(tǒng)控制方式：集中式和分布式。
網(wǎng)絡核心路由器系統(tǒng)處在網(wǎng)絡的骨干、核心位置，對可靠性要求非常高，要求做到NSF（Non Stop Forwarding）、NSR（Non Stop Routing）和ISSU(In Service Software Upgrade)。NSF是指主控故障時，轉(zhuǎn)發(fā)不中斷，具體處理就是線卡的轉(zhuǎn)發(fā)相關的表項不會因為主控板故障而立刻失效，而是等待主控的主備倒換或者故障恢復；NSR是指主控做完全的熱備份，包括所有的控制層面的session，不需要鄰居配合，完全是自主行為，并且是0丟包，實現(xiàn)難度很高；ISSU實惠在線無損軟件升級，軟件升級的時候，沒有任何業(yè)務中斷，這個具體實現(xiàn)中，經(jīng)常要利用上面NSF/NSR的技術，技術實現(xiàn)難度很大。
穩(wěn)定的網(wǎng)絡操作系統(tǒng)能改保證核心路由器系統(tǒng)運行穩(wěn)定，具有很強的防錯、抗錯能力，具有很強的故障恢復和應急措施，保證系統(tǒng)的高可用性和可靠性。
7、綠色節(jié)能需求
傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備關注的是性能、成本的二維優(yōu)化，網(wǎng)絡核心路由器體積龐大、單機最高能耗達10000W，為實現(xiàn)高效節(jié)能，核心路由器必須從性能、成本和功耗三維角度進行綜合設計和優(yōu)化，解決性能、成本和功耗之間的矛盾，重點解決傳統(tǒng)設備多框集群方式核心路由器能耗過大問題，實現(xiàn)從單框平滑演進到背靠背兩框集群，后續(xù)可平滑演進到多框集群；減少耗電，耗材與占地面積。
作者介紹:
石友康 教授級高級工程師，1990年畢業(yè)于郵電科學研究院。中國通信標準化協(xié)會網(wǎng)絡與交換技術工作委員會副主席，科技部“十二五”中國云國家科技重點專項專家組成員，云計算電子政務國家標準工作組秘書長。負責或參加國家攻關項目、863項目以及國標、行標等各類項目近百項, 內(nèi)容涉及云計算、未來網(wǎng)絡、現(xiàn)代服務業(yè)、下一代網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、IP電話、接入網(wǎng)、ISDN技術等。目前主要從事有關云計算、寬帶、信息服務業(yè)等研究工作。 
