如何用面向服务提供的可重构路由器？
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导读：本文提出的面向服务提供的新型网络技术体系及开放式可重构路由交换节点的目标要求，确定基本设计原则并对相关内容做出了详细的介绍。
多年来，网络一直沿着面向业务支撑的技术体系发展，为承载特定业务构建网络，为融合新兴业务改造网络。在这一传统的网络技术体系框架下，依靠拓展链路传输带宽，提高节点处理速度，增大节点处理容量，增加复杂控制算法和协议等系列技术，不仅难以满足特性差异日益扩大的用户业务承载需求，而且付出了网络复杂度快速提高和传送效率明显降低的代价，面对大量差异化用户业务的规模化应用，网络无法适应的问题日趋凸现，国内外网络技术的发展迷失了明确的方向。究其主要原因：其一网络是刚性的，改造只能依靠升级和扩展，无法实现重构；其二节点是封闭的，节点的升级和扩展只能由原提供商实施，无法实现开放。针对上述问题，我们摆脱传统网络技术体系束缚，提出了面向服务提供的新型网络技术体系。
面向服务提供的新型网络技术体系的基本思想是：1. 对现有和未来可能出现的用户业务进行科学聚类，针对用户业务聚类定义层次化网络服务；2. 通过用户业务聚类和分层网络服务隔离，将用户业务和网络服务间传统的紧耦合关系转变为松耦合关系；3. 将网络服务分为资源共享层、可重构边缘层和逻辑承载层；4. 资源共享层提供可重构的柔性网络服务，逻辑承载层根据用户业务类别特性需求，提供逻辑承载网络生成业务承载服务，可重构边缘层利用资源共享层提供的可重构柔性网络服务，构建逻辑承载层的逻辑承载网络。实现面向服务提供的新型网络技术体系的关键是：研究开放式可重构路由交换平台技术。
开放式可重构路由交换平台技术的基础是平台化支撑下的构件化处理技术。其特征体现在三个方面：1.平台为各种组件、组件为各种构件提供可重构的运行支撑环境，构件是基本处理模块；2.平台、组件和构件均服从统一的系列标准化规范：任意第三方提供的标准化组件可以在同一平台上参与完成给定任务，任意第三方提供的标准化构件可以在同一组件上参与完成特定功能；3.平台级和组件级均能实现功能升级重组、性能编程分配和管理分层配置，构件级具有较强的可维护性（如加载、卸载、升级和更新）。
根据上述提出的面向服务提供的新型网络技术体系及开放式可重构路由交换节点的目标要求，确定基本设计原则如下：
简单、透明原则
表现在以下几个方面：
用户对网络的使用符合简单、透明的原则。在此基础上，用户可以在自身定制服务的范围内动态的获得最大的效益而无需考虑服务的种类、网络的构造等问题。
网络的构建符合简单、透明的原则。在此基础上，网络运营商可以灵活的进行多种服务的网络配置，有效的实施网络的控制和管理。
网络设备的构建及接口标准符合简单、透明的原则。在此基础上，设备提供商可以有更大的空间进行设备的研发及改造。
可扩展的原则
网络体系架构设计应该面向变化，具有可扩展性，能够提供柔性的服务，支撑现有和未来大多数业务。所以网络必须能够脱离层出不穷的业务发展约束，能够聚类不同的处理任务和网络业务，构建具备规模可缩放、功能可重构、服务可定制等特性的网络体系架构。
网络节点设备体系架构应符合可扩展的原则，支持在其之上的不同提供商的升级和功能、性能扩展。当前网络节点设备的体系结构是紧耦合的，缺乏灵活性，采用专门设计的软/硬件。可重构路由交换平台采用开放标准和积木式模型，模块可互操作，软件可重用，则开发者可以在交换节点中集成不同厂商的软/硬件模块，方便地升级、扩展或重组交换平台的结构和服务。
模块化原则
模块化原则主要是指网络设备构建模块化方法。网络节点设备可以在功能及性能的基础上被划分为多个相互作用的功能模块，模块能实现功能升级重组、性能编程分配和管理分层配置，具有较强的可维护性（如加载、卸载、升级和更新）。
最小耦合度原则
模块的划分方面采用最小耦合度原则，使模块之间的关联性最小，便于模块单独的增删，便于重构的实现。最小耦合度原则将复杂的连接关系、依赖关系和控制关系趋于简单，使模块的变化对其它模块的影响降低，提高了路由交换平台不同粒度下重构的效率。
标准化原则
网络节点设备在支持模块化原则的基础上需要制定模块之间的标准化规范，使得任意第三方提供的标准化模块可以植入设备参与完成特定功能。
模块化和标准化是实现网络设备可扩展的必要条件。
系统设计
系统总体结构分为线路接口（LE）、转发处理（FE）、高速交换（SE）、控制（CE）四部分。LE是数据包进出物理链路的接口。FE是在转发表中查找输入包目的地址从而决定目的端口。SE实现报文的交换。内部通信模块是保证路由交换设备各个组件协调工作、主控组件(CE)对其他各个组件进行有效控制的模块。主控板上的主处理器负责运行路由协议、维护并更新路由表等工作。从处理器位于各个功能板上，通过内部通信网络与主处理器进行通信，从主控板获取路由信息、配置文件、控制信息。
为了实现路由交换平台的重构，设计了构件管理系统。服务器端部署在域服务器上。其中，面向构件的资源管理模块负责管理构件库；命令解析器解析管理者命令，基于重构策略，生成重构命令，并通过网络配置代理在全域内下达重构命令，实现设备中构件的加载、卸载，以及改变连接拓扑等功能；配置解析器解析来自外部系统的命令；构件库存放可执行构件；网络配置代理实现与设备端程序的交互。
在设备端，软件构件的重构发生在主控部分，软件构件代理首先判断重构命令是否合法，解析合法的重构命令，实现软件构件的增删，具体过程见下文对软件组件/构件重构机制的论述。硬件的构件的重构发生在单板部分，硬件构件代理首先判断重构命令是否合法，解析合法的重构命令，将合法命令的解析结果由主控传给单板，在单板上通过单板资源管控实现硬件的重构。重构结束，软件构件重构的反馈信息由软件构件代理向网络配置代理返回，硬件构件重构的反馈信息由硬件构件代理向网络配置代理返回。
1.硬件体系结构框架
开放式可重构路由交换平台总体结构的特点是：统一接口、三网融合（电信、广电和互联网）、功能扩展、灵活组件级重构、统一IP承载、统一交换。
平台体系结构分为两个平面：数据平面和控制平面。
LE与FE对插， FE、SE通过背板拓扑结构相连构成数据平面，进行平台数据转发及处理功能。数据平面总线接口统一为：XAUI。
LE、FE、SE通过内部通信与CE相连构成控制平面，形成以CE为核心的平台控制体系。CE为主备冗余设计，控制平面总线分为监控总线、管理总线。各板卡通过监控总线与Monitor相连。监控总线接口统一为：I2C；管理总线接口统一为：Ethernet。
2. 软件体系结构框架
（1）开放式可重构路由交换平台软件体系结构
开放式可重构路由交换平台软件体系结构分为主控部分和单板部分。主控部分和单板部分使用ForCES协议通过内部通信网络交互信息。
主控部分负责路由交换平台的业务配置、运行管理、状态监控、路由计算、路由下发、软件组（构）件重构。
单板部分负责数据报文转发、路由协议报文处理、路由表更新、单板组（构）件重构。
业务重构机制
1.业务处理基本流程
业务重构主要指通过对网络内可重构路由交换平台的重构实现对不同基于分组的网络体制的支持。为此设计了分层的一体化承载网络，包括3层，分别由路由节点、域和区组成。多个路由交换节点(Router Node, RN)组成一个域（Domain），多个域组成一个区(Region)，全网由多个区组成。根节点服务器（Root Server，RS）负责区内跨域的逻辑承载网的管理，跨区的逻辑承载网的管理由相关Root Server负责协调完成。域内逻辑承载网的管理由域服务器（Domain Server, DS）通过网络配置代理（Network Configure Broker，NCB）完成。
当有业务重构需求时，域服务器通过对相关信息的分析，基于特定算法，生成重构命令，并通过网络配置代理在全域内下达重构命令。可重构路由交换平台将得到软件构件重构和硬件构件重构两种命令。前者由路由交换平台主控部分的软件构件代理接收、解析并执行。后者由路由交换平台主控部分的硬件构件代理接收、解析并执行。
业务重构流程的重构发生在主控部分，具体过程可参见软件组件/构件重构机制。硬件构件的重构发生在单板部分，硬件构件代理首先判断重构命令是否合法，解析合法的重构命令，通过ForCES将合法命令的解析结果由主控传给单板，在单板上通过单板资源管控实现硬件构件的重构，具体过程可参见硬件组件/构件重构机制。软件构件重构的反馈信息由软件构件代理传回NCB，硬件构件重构的反馈信息由硬件构件代理传回NCB。
2. 电信业务处理流程
开放式可重构路由交换平台具体很大的灵活性，可以通过重构满足各种业务的需求。本文以电信业务处理为例，对可重构过程进行分析。
电信业务处理包括数据处理和信令处理两个部分。
信令处理考虑软交换信令处理。信令通过可重构平台的互联，构成了一个虚拟信令网络。
信令经LE打成IP包，送往SS，SS负责解析，在此基础上产生新的信令经交换送往被叫方，同时指导数据业务打包处理。
业务数据到达LE后，SS依据之前收到的信令，查询号码路由表，指导LE将其加上合适的目的IP地址并打成IP包送至FE，而FE通过查询转发表，将该包转发至相应端口。
国内外对路由器为代表的关键网络设备的研究，已经从单纯追求提高设备性能发展到同步研究提高性能和扩展功能，这是实现多网融合、业务融合的迫切需要。本文提出了可重构路由器中体系结构和业务重构机制。这些研究是建立在面向新型网络应用的可重构性、可复用性研究之上的，后期我们将围绕提高可重构路由器性能，将部分软件构件功能硬件化、相关标准的制定进行更多详细研究。
