路由器分布式控制技术研究综述

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摘要：本文讨论了传统的路由器集中控制技术中存在的缺陷和问题，围绕路由器分布式控制技术的若干个关键技术和问题进行了深入分析。

关键词：路由器 分布式控制

随着我国信息化建设进程的加快，网络规模和网络流量呈现出飞速扩展状态。为满足网络规模和网络流量的需求，路由器硬件在不断的改进和升级，但是仅仅依靠硬件更新来提升路由器的数据传输流量已经无法满足互联网快速发展的需求。因此，可以考虑对路由器进行分布式互连架构来提升其转发性能。但是该架构方式只有一个控制单元对控制任务进行处理，因而很容易因数据平面规模扩大使得数据转发流量超过控制单元的负载。为解决该问题，可以采用分布式控制方案对路由器进行架构。

1 路由器分布式控制平面

路由器分布式控制平面主要存在两种结构，分别为集群路由结构和转发与控制分离结构。

1.1 集群路由结构 集群路由器是有多个可独立运行的、具有路由功能的节点使用某种通信方式连接而成的单映像路由器。其根据节点类型不同，又分为集群路由器和软件集群路由器。其中，软件集群路由器以单台路由器为核心，在其连接多个具有路由处理功能的计算机组成的。该种结构可以按照使用需求向集群路由器中添加处理节点，软件集群路由器中的多个路由处理计算机同时进行数据处理，分布式控制各单元间的负载分担，进而提高和扩展路由器的性能。该分布式控制平面在处理节点方面具有非常灵活的扩展性能，部署方式简单，但是无法支持数据平面层的扩展，一旦某一节点失效则会导致整个路由系统崩溃，系统可靠性较低。集群路由器则是由具有路由和转发功能的多个节点组成，不同节点之间同时分担数据负载，并行处理不同协议的分组，在数据平面的可扩展性好。但是由于集群路由器各节点均由路由器组成，故控制单元与转发单元之间的连接均通过专用协议和接口实现，若更改节点属性则需要对相应的路由器进行修改，这就增大了系统的复杂度，在部署和维护方面成本较高。

1.2 转发与控制分离体系结构 该结构允许在单台路由器的控制平面设置多个控制单元，每个控制单元之间由内部高速网络进行互联，控制单元与转发单元之间的连接方式为预先配置或者动态联合。这种分布式路由架构模式可以克服集群路由器架构中控制单元和转发单元无法分离的问题，对控制单元和转发单元进行组件分离，增强单个组件的性能，提升路由组网的灵活性。

2 分布式路由控制平面的内部通信协议

为保证分布式互联的控制单元与转发单元之间的协同工作，必须设计可用于该分布结构的内部通信协议。当前，应用在分布式路由控制平面的内部通信协议分为集群路由器内部通信协议和Forz协议两种。

2.1 集群路由器内部通信协议 该协议将集群路由器内部的节点数量、编号、相邻节点的性能、内外部端口号等信息进行共享，集群内的节点均可以获得这些信息，故所有节点可以形成一致的内部拓扑视图。集群路由器内部通信协议在进行内部通信时其物理层的通信技术为高速光互连技术，链路层的通信技术为高级数据链路控制技术。该协议方式可以在路由器内部设定多个通信速率，以应对不同环境或情况下的不同速率互联需求。在通信时，数据帧由数据信元和流控信元两部分组成，其中数据信元主要用于传输通信报文，流控信元主要用于传输不同交换网络中的流量控制信息。在控制层面，集群路由器内部通信协议对控制单元之间的拓扑信息在统一层面进行控制和管理，不同节点之间可以对数据进行并行处理、计算或转发等。

2.2 Forz协议 该协议是在ForCES协议框架基础上实现的，其对ForCES协议框架下的内部通信进行了扩展，其通信机制可以分为联合、配置以及数据传输等3个阶段。联合阶段主要用于对控制单元和转发单元进行身份确认。当一个新的单元接入分布系统时，其需要向内部控制流发送自身的属性信息，内部各单元收到该信息后将该新单元接入自身数据库进行设备扩充，同时各单元向该新单元发送自身的属性信息，该新单元接收后组建自身数据库，完成联合操作。同样，当一个现有的单元要脱离网络时，需要向网络中各单元发送一个离开报文，各单元接收到报文后将其从自身数据库中删除。配置阶段主要用于对网络接口、IP地址、路由信息等进行配置，建立一个统一的路由表。

数据传输阶段则是根据协议数据帧结构对所需要传输或者转发的数据进行打包封装，然后通过内部网络传递到所需要使用的输出端口进行数据传输。

3 分布式路由算法

为适应分布式路由结构，充分利用控制平面内的控制单元资源，实现数据的高速路由，必须设计适当的路由算法。当前的分布式路由算法有两类，一类是并行OSPF路由算法如PDSPT算法，一类是并行BGP路由算法如FDHP算法。PDSPT算法并行使用控制平面内的多个处理器进行数据计算和处理，该算法的理论基础为SPT，故其在算法迭代次数方面具有较强的竞争优势，尤其是网络拓扑规模较大，且链路故障对原SPT树上节点影响较多时，该算法可以发挥出较高的并行运算优势。但是该算法在负载分布比较均匀时所需的内部通信开销较大。FDHP算法则是充分利用路由器集群中各节点的计算资源，将其临近的路由节点作为其本地信息计算的最优路由，实现负载的多路由节点分担，进而提升路由效果和性能。但是该方式同时利用多个路由节点进行信息处理时需要以广播的方式进行数据通信，同样增加了内部通信的开销。

4 总结

路由器控制平面向分布式方向发展是一种主流趋势，该分布方式可以利用标准化接口和通信机制实现高速路由功能，还能够增强系统的扩展性，但是在实现中，仍然需要对一些关键问题进行分析和解决。

参考文献：

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[2]徐明伟，江学智，陈文龙.路由器分布式控制研究综述[J].电子学报，2010，38（8）.

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