[发明专利]一种路由器设备

说明书

技术领域

本发明涉及数据通信技术领域，尤其涉及一种路由器设备。

背景技术

近年来，多核处理器成为计算机和信息通信领域中一种主流的处理器技术，已经应用得非常普及，同时技术本身也在飞速发展之中。目前多核处理器具有下列特点：

(1)处理能力很强，单核处理能力很强，主频达到2GHz；

(2)集成CPU核越来越多，CPU核个数在2～100之间，乃至更多；

(2)伸缩特性很好，主频和核个数可以根据性能需求自由选择；

(3)高速的I/O接口，以太和PCIE等高速接口成为标准配置；

(4)集成网络加速和安全加速处理能力；

(5)价格下降很快，目前一个2/4核的多核处理器价格和2-3年前的单核处理器价格相当，但处理能力却2～3倍地增长。

正因为多核处理器具有这些技术优势，数据通信领域现在普遍使用多核处理器来实现路由器和各种安全设备，特别是高性能的多核分布式路由器和安全设备。

长期以来，业界在实现基于分布式转发的高端路由器设备时，绝大多数采用分布式数据转发以及分布式协议控制的系统架构。图1是现有业界典型的多核分布式路由器设备的硬件系统结构示意图。参见图1，该分布式路由器设备中包括两个互为备份的主控卡(MPU)、两个或多个互为备份的交换卡(SFU)、以及至少一个接口线卡(LPU)，其中所述两个MPU中一个为主用一个为备用，所述两个或多个SFU相互冗余备份和流量均衡。所述MPU中包括控制处理器和以太交换芯片，所述SFU中包括控制处理器和交换网络芯片(Fabric)，所述LPU包括多核处理器、接口ASIC以及三态内容寻址存储器(TCAM)和静止存取存储器(SRAM)。路由器设备中的其他部分如机箱管理部分在本图1中省略。图1中的“--------”为控制总线，“——”为数据总线，“…………”为高有效性(HA)通道。所述主用MPU和备用MPU中的控制处理器通过HA通道连接，用于完成主备切换；所述MPU的以太交换芯片通过控制总线与SFU的控制处理器以及LPU的多核处理器连接；所述SFU中的交换网络芯片通过数据总线与LPU中的多核处理器连接。

在图1的这种完全分布式架构的路由器设备中，数据平面通过内部高速数据总线连接LPU和SFU实现分布式数据交换；同时，控制平面通过内部以太控制总线连接MPU和LPU、SFU上的处理器组成一个分布式控制系统；为了节约成本，业界通常在LPU上采用一个多核处理器系统，通常分配一个核来实现协议控制功能，其它核来实现数据转发功能。从软件使用环境来看，当前业界多在MPU、SFU、和LPU上采用实时操作系统(RTOS)作为基础软件平台来实现分布式软件设计。从表面来看，这种结构是似乎合理，但事实上，这种多核路由器架构都会导致一个严重的性能问题，严重的情况下，实际数据转发性能达不到处理器处理能力指标的30％。

这个问题的根本原因是在LPU上的多核处理器的应用上。在这种架构中，LPU上多核处理器中的控制平面转发控制和数据平面数据转发两大功能上相互竞争，相互影响，最终导致严重的性能问题。当前大多数面向网络应用的多核处理器多采用共享内存架构实现，高速缓存(Cache)是所有处理器中宝贵的资源，所有处理器的内部Cache是有限的，层二/层三(L2/L3)Cache共享是所有多核处理器实现的技术选择，Cache的竞争和冲突都导致性能的下降，控制平面转发控制和数据平面数据转发的竞争和冲突主要表现在Cache的竞争。而在路由器应用中，数据平面转发性能是系统的关键指标，从系统的角度来看，要想达到良好的路由转发性能，首先要从物理上隔离控制平面的转发控制和数据平面的数据转发的相互影响，这需要通过新的硬件架构来实现。另外，软件架构也是影响处理器Cache性能的一个重要原因，其中Linux或实时操作系统(RTOS)对系统性能的影响也是很大的，事实上，同样是Cache共享的原因，导致在多核中一个核上运行Linux或RTOS都会对其它核的转发性能产生较大的影响，所以把路由器控制平面转发控制的功能从硬件和软件上都和数据平面数据转发分离出来，才可能得到一个高性能的数据转发性能。当然在软件架构时，也要充分考虑软件的并行性设计，才能充分利用提高多核处理器的并发处理能力。

图2是现有技术中的一种实现了控制平面转发控制和数据平面数据转发分离的路由器设备的结构示意图。在图2所示的结构中，其中LPU引入了一个独立的控制平面处理器系统即控制处理器，它和负责数据转发的多核处理器完全从物理上分离。