什么是集群路由器 集群路由器产生的原因

 1.集群路由器产生的原因

集群就是当一个人/物解决不了时，必须集中一群人/物协同工作，集群的概念应用在许多领域。

集群路由技术的产生，主要有两个直接的原因：

首先，单机容量逐步发展到极限;

其次，超级节点的产生使得网络结构越趋复杂，运维管理难度加大。

(1)单机容量到达极限

近年来，路由器技术发展很快，容量有了大幅度的提升，具体表现为槽位数量的增多、每槽交换能力的提升以及板卡端口密度的不断提高。设备厂商每年推出的新路由器，都是朝着这个方向发展。单槽位处理能力从原有40G、100G到400G，目前主流的厂商均支持单槽位1T。

对于核心层路由器来说，除了具备快速转发的能力、高安全稳定性之外，更重要的是，容量足够大、可扩展强。然而，互联网流量的发展都是远远超过设备容量更新的速度。互联网流量每12个月增长1倍，而路由器的容量每18个月才增长1倍。对于单台路由器来说，其扩展是有一定限制的，需考虑光器件的发展成熟度，以及电源、散热、机房承重等方面，而且也无法超越流量增长的摩尔定律。目前单台路由器的开发技术已经逐步发展到极限，路由器的发展需寻求一个新的出路。

(2)网络结构越趋复杂

由于单台路由器的容量扩展性有限，因此，近年来不断提出了其他方案来缓解设备压力。主要有以下两种：

网络层次分布式，即部署多个网络层次，通过逐层汇聚，减轻设备压力。

节点内部署多台设备，即增加节点内设备数量，通过负载分担的方式减轻设备压力。

两者都是在单台路由器不能继续扩展的情况下，通过改变网络结构来适应流量的增长，主要差别在于网络分别在纵向和横向进行扩展。这两种方法都在一定程度上缓解了单台设备容量有限的局面，但随之而来的却是网络复杂度以及内部互联端口的增加。众所周知，内部端口是不产生实际经济效益的，相反还会增加不少投资。而网络结构的日趋复杂，也增加了运维部门的管理难度，同时也产生了多台路由器之间如何均衡流量的问题。超级节点就是这样诞生的，即一个城市同时存在多个网络层次，而每个网络层次都有多台设备(如图2所示)，网络连接的复杂程度可想而知。因此，此方案只是目前路由器容量无法继续扩展的替代方案，是暂时性的，互联网网络流量的飞速增长，新兴应用的不断呈现，都在呼唤容量更高，更具扩展性路由器-集群路由器。

2 集群路由器技术概述：

集群路由器：又称路由器矩阵或多机框互联(Multi-Chasis)，即通过采用并行交换技术(PPS)，将两台或两台以上的普通核心路由器通过某种方式连接，共同组成一个多级多平面的交换矩阵系统，使其能够协同工作，并且对外只表现为一台逻辑路由器，从而突破单机箱在交换容量、功耗、散热等方面的限制，平滑扩展为更大容量的路由交换系统。

集群路由器根据组合方式不同，分别对应背对背和n(交换框)拖m(用户框)两种。背对背即是将两台路由器单机直接互联，无需通过交换矩阵。这种方法扩展性较差，属于过渡期的暂代方案。n拖m是指将m台路由器单机通过1台或n台交换矩阵机箱互联。集群系统内各台设备之间采用专门的光纤束进行互连。这种方式扩展性较好，是目前路由器集群技术的主流方式，也是未来的发展方向。用户框可作为一个独立系统运行， 独立运行的用户框即单机系统;多个用户框通过交换框级联形成一个逻辑上的系统，对外体现为单台路由器设备，逻辑系统中的用户框、交换框及级联部件统称为集群系统。

交换框级联，可行的配置方式包括但不限于：1+4(1个交换框和最多4个用户框), 2+8(2个交换框和最多8个用户框), 4+16(4个交换框和最多16个用户框)，16+64(16个交换框和最多64个用户框)等，集群路由器要求可以根据需要配置交换框和用户框数量，如实现2+4的产品形态，即2个交换框和4个用户框，用户框的数量根据用户的需要配置。上图所示为1+4产品形态的示意图，一个交换机框跟4 个用户框连接，用户框和交换机框之间通过级联专用接口实现数据平面和控制平面的级联。

3. 集群技术的交换机制

交换是路由器的核心，直接决定了整个系统的主要性能。在引入交换方式之前，路由器大多采用共享总线的分布式处理技术。共享总线的实现比较简单，但由于不能避免产生内部冲突，使得高速率总线的设计受到限制，难度也越来越大。交换技术借鉴了ATM交换机的各种优势，很好地解决了共享总线的不足。一直以来，设备厂商和运用商都在研究和寻求更有效率的交换方案，以解决交换过程中的阻塞问题。

交换结构又分为单级交换和多级交换两种。

3.1　单级交换

目前使用较多的单级交换结构有共享内存和Crossbar两种。

共享内存结构通过共享输入和输出端口存储器件，减少了对总体存储空间的需求。分组交换通过指针调度实现，提高了交换容量。共享内存结构相对简单，交换效率可根据需求不断优化。共享内存交换结构的交换性能取决于共享内存的存取速率，可扩展性较差，尤其当板卡端口数量较多时，交换效率有所下降。另外，并且共享内存的稳定一般，也直接影响了整个交换体系。

Crossbar是一种严格的非阻塞交换结构，输入输出之间可建立多条通路。Crossbar交换结构又分为集中式(输入>输出)、扩展式(输入<输出)和连接式(输入=输出)3种。典型的Crossbar采用连接式，即N×N的交叉矩阵。Crossbar使用调度器，根据各输入点相关的信息，运算调度算法得到输入和输出之间的一个匹配，并配置相应交叉点。调度器的效率非常关键，决定了Crossbar的交换速率，因此调度算法必须高度完善。

但Crossbar同样存在扩展性的问题，即交换矩阵的交叉点会随着输入输出数量的增多呈指数增长。为维持无阻塞交换，需不断完善和改进调度算法，代价是开发的技术成本越来越高。另外，Crossbar也同样不能避免排队仲裁，传输效率受到一定影响和限制。但相比共享内存结构，Crossbar效率和扩展性都比较好，目前大部分高端路由器都使用Crossbar交换结构。

共享内存和Crossbar都属于单级交换结构的范畴。单级交换结构由于受到技术上的各种限制，可扩展性毕竟不够完善，而且由于无法避免仲裁机制，容易形成瓶颈。因此，单级交换结构不是未来大容量路由器的发展方向，需逐步扩展至多级交换结构。

3.2　多级交换

多级交换通过多个独立的交换矩阵，组成一个多级多平面交换矩阵。每个平面配置独立的仲裁器，避免了仲裁器瓶颈问题。多级交换大大增强了系统扩展能力，目前路由器集群都是采用多级交换结构。

多级交换结构的基本组成单位叫交换单元，每个交换单元具有输入和输出功能。各个交换单元通过一定的逻辑顺序相互连接，形成一个巨大的、可扩展的交换网络。多级交换结构的形式有很多种，包括Clos、Banyan、Butterfly和Benes等，各种交换结构的不同主要在于交换单元的互联方式。多级交换结构又可分为有阻塞和无阻塞两种，其中无阻塞交换又分为严格无阻塞、可重排无阻塞和广义无阻塞3种。

严格无阻塞交换是指只要这个连接的起点和终点是空闲的，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接;

可重排无阻塞网络是指只要某个连接的起点、终点是空闲的，任何时刻都可以在交换网络中直接或间接对已有的连接重新选路来建立一个连接;

广义无阻塞网络是指在顺序建立连接时按照一定的规则选路，那么也可以在任何时刻建立连接。

Benes属于可重排无阻塞网络。Benes使用方形交换单元(输入输出端口数相同)。一个典型的3级Benes N*N交换结构可以在每个输入端和每个输出端之间形成n个可能的通路。Benes输出可以扩展至任意奇数级。Benes的主要优点是实现简单，缺点是建立连接时需要重新选路，会增加数据传输时延。目前Cisco的CRS集群路由器系统采用此方案。

Clos属于严格无阻塞方式，是Benes的延伸，由非方形交换单元组成。Clos交换结构在任一输入与输出之间存在多条可达路径。要保证严格的无阻塞，Clos必须满足以下条件，即m>=2n-1，其中m是第二级的交换单元数，n是***级单元的入线数和第三级单元的出线数。典型的Clos结构有3级。

Clos的优点在于网络结构清晰，传输时延较低。但是，为了增加容量和降低阻塞，需大量上调m和n的数量，将导致技术成本和实现复杂度的增加。Clos适合于在大型网络设计中使用，通过使用较小的交换结构简化网络层次，另外可大大减少构建无阻塞交换结构所需要的交叉点，降低构建大型交换网络的成本。

除了思科外的厂家如HW、ZTE、Juniper均采用的CLOS交换网络做数据平面的集群。

4.集成路由器部署带来的好处

路由器集群技术通过集中化、一体化的控制管理，使集群系统各台路由器单机之间能够很好地协同工作，极大的扩展了路由器的容量，从而突破了单机在开发技术工艺上的限制。在成本方面，由于集群系统中各台路由器通过高速光纤互连，节省了额外的内部互联端口，大大减少了投资。更为重要的是，由于集群路由器对外仅体现为一台路由器，使得网络拓扑和路由策略变得简单和清晰，维护也更加方便快捷。