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白皮书T640路由节点和TX矩阵™平台：体系结构JuniperNetworks,Inc.1194NorthMathildaAvenueSunnyvale,CA94089USA4087452000or888JUNIPER文档编号：200089-001SCT640路由节点和TX矩阵™平台：体系结构Copyright©2004,JuniperNetworks,Inc.2介绍Juniper网络公司在2002年4月开始发售T640路由节点。T640路由节点是Juniper网络公司一个路由器新家族的第一个成员，该路由器家族旨在解决供应商网络中核心路由器的部署生命周期较短的问题。在2002年，核心路由器的部署生命周期通常为一年半至两年，但是服务供应商要求下一代路由器能够随着他们的网络灵活地增长，并且具有五年或更长的部署生命周期。为了满足这些要求，T640路由节点按照满足严格的带宽密度、数据包转发性能、易用性和高可用性要求进行设计。这些设计目标包括：•提供总计每秒6.4亿个数据包（pps）的数据包转发性能，用以支持在网络边缘提供的现有的业务，并为提供新的创收业务提供便利。•在半机架外形中提供32xOC-192／STM-64或128xOC-48／STM-16接口的带宽密度。这些特性将使供应商得到所需的足够的机架空间，支持以与线路可用性和用户要求相匹配的速率部署设备。•提供在硬件中实施的IP业务交付性能，用以在高速链路上支持汇聚的差分业务类别、数据包过滤、警管、速率限制和流量监控，同时不会降低数据包转发性能。•通过一致的用户界面中提供单一软件介质，以确保在所有平台和接口的硬件中支持所有的特性。•提供高可用的特性，确保系统不会发生单点故障。这种高可用性是由热插拔和冗余硬件组件以及基本系统体系结构和JUNOS™软件的可靠性来支持的。•提供全面一致的安全工具（过滤、速率限制、跟踪、日志记录、源地址验证等），用以支持从网络中的任何位置（核心或边缘）或接口（DS-1到OC-192／STM-64）管理安全性。除了满足供应商对于在单机箱系统中提高带宽密度和转发性能的要求之外，Juniper网络公司的T640路由节点战略的一个重要方面在于提供了一个可以轻松升级以扩展到采用多机箱路由器配置的太比特级带宽的平台。作为单一大路由器运行的多机箱路由器称为路由矩阵。路由矩阵使供应商能够按照预算和网络流量负荷的要求，以任意增长幅度来增加系统的规模，从而延长核心路由器设备的部署生命周期。T640路由节点由于免除了每隔一年就更换旧设备的成本，因而大幅度节约前期设备购置成本，由于无需每隔几年就验证和安装新设备，因而节约后期运维成本，此外，该路由节点通过避免侵入式升级周期，提供更高的网络可用性。T640路由节点和TX矩阵™平台：体系结构Copyright©2004,JuniperNetworks,Inc.3Juniper网络公司路由矩阵Juniper网络公司的路由矩阵（如图1所示）由三种主要部件组成：•四个T640路由节点，这些路由节点为路由矩阵提供网络接口，并执行分布式数据包转发决策。路由矩阵配置中的T640路由节点因为包含路由矩阵系统的网络接口卡有时也被称为线路卡机箱（LCC）。•一个TX矩阵™平台，该平台为路由矩阵执行路由协议，维护系统状态，并提供使单个T640路由节点互连的交换结构（switchfabric）的核心。TX矩阵平台有时也被称为交换卡机箱（SCC）。•一组线缆，这些线缆将各机箱的数据和控制板连接为统一的路由矩阵。图1：Juniper网络公司路由矩阵路由矩阵的主要应用如下：•避免路由器插槽耗尽，这是目前最为紧迫的任务。发生核心路由器插槽耗尽的情况包括部署大量的边缘路由器、必须为空前增长的客户提供服务以及将路由器交叉连接来提供物理路径冗余等。Juniper网络公司的路由矩阵通过以下途径解决这一问题：使每个路由器支持的前端插槽的数量增加四倍；允许利用后端带宽实施路由矩阵内部的交叉连接；以及提供一种占用资源规模适度的解决方案，支持在现有POP中的部署，并避免物理设施的升级。网络网络网络网络T640路由节点T640路由节点T640路由节点T640路由节点线缆系列TX矩阵平台T640路由节点和TX矩阵™平台：体系结构Copyright©2004,JuniperNetworks,Inc.4•支持部署ATM、帧中继、话音及其他数据包业务在IP／MPLS基础设施上传输的融合式Infranet。Infranet在容量、时延、抖动和高可用性方面对核心路由器要求严格。Juniper网络公司路由矩阵解决这一问题的途径是：在硬件中执行所有的数据包处理和转发；实施无阻塞的交换结构；通过面向高优先级流量的结构提供低时延；以及提供高度冗余的系统，确保不会发生单点故障。•整合POP层，这些分层中使用逻辑路由器来简化网络的物理拓扑，将大型系统分解为独立的控制和管理领域，并对核心、汇聚和边缘/分布功能进行垂直整合。尽管路由矩阵能够成功地支持这些任务，然而由于供应商永远都需要节点级的冗余性来确保网络的高可用性，因此路由矩阵不应被视为一种“POPinabox”解决方案。路由矩阵的设计目标路由矩阵通过达到以下设计目标，延长核心路由器的部署生命周期：•将四个T640路由节点和TX矩阵平台的数据、管理和控制板相结合，使路由矩阵看上去是一个具有统一的数据、管理和控制板的单一路由器。•提供一种在数据包转发性能、数据包处理特性和带宽密度方面四倍于单台T640容量的，作为单一路由节点运行的多机箱解决方案。•一个路由矩阵包含32个灵活的PIC集中器（FPC）插槽，每个插槽支持40-Gbps的吞吐量（4x8FPC／T640路由节点）。•一个路由矩阵提供的总吞吐量为2.56Tbps（4x640Gbps）。•利用已经在世界上最大的服务供应商网络中成功部署的现有Juniper网络公司的技术。•模块化JUNOS软件架构，该架构支持Juniper网络公司首创的单一源和版本串（releasetrain）模型•T640芯片组•T640路由节点机箱组件•T640路由节点物理接口卡（PIC）和灵活的PIC集中器（FPC），以保护客户的现有投资T640路由节点和TX矩阵™平台：体系结构Copyright©2004,JuniperNetworks,Inc.5T640路由节点数据包转发体系结构路由矩阵的数据包转发体系结构是对单独的T640路由节点的数据包转发体系结构的直接扩展，因此，在全面了解路由矩阵的体系结构之前，您需要首先了解T640路由节点的体系结构。T640路由节点体系结构的组件T640路由节点包括两种基本的体系结构组件（如图2所示）：•控制板负责执行路由协议，维护路由表，管理控制系统接口的软件流程，以及管理用户对T640路由节点的访问。控制板是由在系统的路由引擎上运行的JUNOS软件实施。•数据板负责在通过交换结构将数据包从入口接口转发到出口接口之前，在硬件中处理数据包。数据板是由Juniper网络公司定制的一组分布式ASIC实施，这些电路位于T640路由节点机箱中的各个电路板上。图2：T640路由节点控制板和数据板体系结构控制板和数据板独立执行它们各自的功能，同时，它们通过一条专用100-Mbps链路持续通信。路由引擎执行路由协议，并维护一个或多个路由表。路由引擎从路由表中获得一个主用路由表，这个表被称为转发表。JUNOS内核向T640路由节点中的所有数据包转发引擎（PFE）复制转发表，并由T640路由节点做出转发决定。这种独特的设计允许更新PFE中的转发表，同时不妨碍数据包转发性能。路由引擎入口PFE（输入处理）出口PFE（输入处理）交换结构（互连PFE）控制板数据板100Mbps链路输入的数据包输出的数据包T640路由节点T640路由节点和TX矩阵™平台：体系结构Copyright©2004,JuniperNetworks,Inc.6T640路由节点的组成部件T640路由节点包括三种主要部件：数据包转发引擎（PFE）、交换结构以及一两个路由引擎（见图3）。图3：T640路由节点的组成部件数据包转发引擎（PFE）数据包转发引擎（PFE）执行第2层和第3层的数据包处理，并执行转发表的查询。T640路由节点中的每个PFE是由Juniper网络公司的定制ASIC实施，这些电路位于物理接口卡（PIC）和灵活的PIC集中器（FPC）上。每个PFE包含以下ASIC组件：•位于每个PIC上的介质特定的ASIC执行与特定的PIC介质类型（SONET、ATM、以太网）相关联的第2层功能。•第2层／第3层数据包处理ASIC除去第2层数据包头，将输入的数据包分解到数据包单元进行内部处理，在数据包传输到出口网络接口之前将数据包单元重组到第3层的数据包中，并执行第2层出口数据包封装。•T系列互联网处理器ASIC执行转发表查询。•排队和内存接口ASIC管理系统内存中的数据包单元的缓冲，以及出口数据包通知的排队。•交换机接口ASIC管理穿过T640路由节点交换结构的数据包单元的转发。由于每个第3类FPC支持2个PFE，一个T640路由节点有8个FPC插槽，因此一个完全配置的T640路由节点包含16个PFE。每个PFE能够支持相当于2xOC-192/STM-64接口的带宽。路由引擎内部以太网局域网网络网络网络网络网络网络网络网络FPCFPCPFEPFEFPEFPEPICPICPICPICPICPICPICPIC交换结构T640路由节点和TX矩阵™平台：体系结构Copyright©2004,JuniperNetworks,Inc.7交换结构在单独的T640路由节点中，交换结构在驻留于机箱中的所有PFE之间提供数据板连接。在多机箱路由矩阵中，交换结构在驻留于路由矩阵中的所有PFE之间提供数据板连接。路由引擎路由引擎执行JUNOS软件。该软件实施路由协议，创建路由表，获得下载到每个PFE中的转发表，并支持用户界面。路由引擎通过内部以太网控制路径与T640路由节点的其他子系统通信。T640路由节点数据包转发体系结构T640路由节点采用一种分布式体系结构进行实施（如图4所示）。当数据包从网络中进入一个T640节点的时候，入口PFE创建数据包通知，并将数据包分解到包含64字节的数据包单元中。接下来，数据包单元被写入入口内存，执行转发表查询，进行入口数据包过滤，代表数据包的数据包单元通过交换结构被转发到出口PFE中。当数据包单元到达出口PFE时，它们被写入出口内存，再次执行转发表查询，进行出口数据包过滤，代表数据包的数据包单元被重组成最初的数据包。然后，数据包在输出接口上传输到网络中。图4：T640数据包转发体系结构T640路由节点交换结构在单独的T640路由节点（如图5所示）中，交换结构是用四个独立运行但相同的交换板实施，这四个交换板同为主用，并由另一个相同的交换板作为热备用，以提供冗余性。T640路由节点机箱中安装的每个交换接口板（SIB）利用Juniper网络公司单一16端口FabricASIC实施其中一个交换板，该ASIC以纵横交换的模式运行。16端口FabricASIC为可以驻留在单独的T640路由节点中的16PFE提供无阻塞的连接。网络网络网络网络PICPICPICPIC入口PFE出口PFE交换结构T640路由节点和TX矩阵™平台：体系结构Copyright©2004,JuniperNetworks,Inc.8图5：T640交换结构板每个PFE连接到四个主用交换板，每个交换板负责提供一部分所需要的结构带宽。为了确保所有主用交换板之间从一个FPC到另一个的流量负载均衡，每个PFE都在四个交换板之间逐单元分发数据包单元，而不是逐数据包分发。交换结构的特性T640路由节点交换结构专门设计为提供以下特性：•无阻塞连接•公平的带宽分配•保持数据包的顺序•为高优先级流量提供低时延和低抖动•提供分布式控制•提供交换板冗余性和适度降低性能需要指出的是，多机箱路由矩阵的交换结构也设计为具有所有这些特性。无阻塞连接如果定向到两个不同输出端