CN103503389A - 用于wan ip骨干的缩合核心能量高效架构 - Google Patents

Abstract

一种用于广域网（WAN）因特网协议（IP）骨干的能量高效架构，其中缩合核心装置对不同存在点（PoP）的接入路由器间的分组进行路由，其中，PoP不需要包括核心路由器。

Description

用于WAN IP骨干的缩合核心能量高效架构

技术领域

概括地，本发明涉及通信网络，并且更具体地而非限于，涉及用于路由分组的改进架构。 

背景技术

在通常部署的广域网（WAN）因特网互联协议（IP）骨干架构中，网络包括位置上邻近于各自区域网络的多个地理上分布的存在点（PoP）。每个PoP向客户区域网络（如，城域网或企业网）提供通信服务，并将这些区域网络连接到其它PoP。将PoP进行互联的骨干网络通常包括的长距离光链路的部分连接网状结构。每个PoP本身是包括核心和接入路由器的网状网。PoP接入路由器向客户提供连通性，并且核心路由器在接入路由器和其它PoP的核心/接入路由器之间提供连通性。 

由于形成WAN骨干网的光网状结构的部分连通性，源-目的地对之间的网络路径可能跨越多个PoP，并穿过多个核心路由器。例如，图1示出了PoP120-A的内部结构，以及PoP与其附着的区域网络110-S以及与其它PoP120的连通性。在该传统设置中，从由第一PoP120-A服务的区域网络行进到由第二PoP120-B服务的远程区域网络的数据分组穿过多个核心路由器：在每个PoP120-A和PoP120-B中的至少一个核心路由器，并且然后是几个中间PoP中的核心路由器，其中每个中间PoP有可能有多个核心路由器。 

发明内容

通过本发明的一种用于广域网（WAN）因特网协议（IP）骨干的能量 高效结构来解决现有技术的许多缺陷，其中缩合（condensed）核心设备对不同存在点（PoP，Points of presence）的接入路由器之间的分组进行路由，其中PoP不需要包含核心路由器。 

在一个实施例中，一种用于对不同存在点（PoP）的接入路由器之间的分组进行路由的缩合核心设备，所述设备包括多个入口路由器，每个入口路由器被配置为从一个或多个接入路由器接收分组，确定与每个接收的分组相关联的目的地地址，并且将每个分组映射到在与所述目的地地址相关联的接入路由器处终止的多条路径中的一条或多条路径；多个核心传输（transport）交换机，每个核心传输交换机支持多条路径；以及多个出口交换机，每个出口交换机被配置为经由出口交换机和一个或多个核心传输交换机所支持的路径将在出口交换机处接收的分组传递（convey）到一个或多个接入路由器。 

附图说明

通过结合附图来考虑下面的详细描述可以容易地理解本发明的启示，其中： 

图1示出通过现有核心路由系统路由的通信路径的高级框图； 

图2示出根据一个实施例配置的核心路由系统的高级框图； 

图3示出根据一个实施例的支持多个区域网络和缩合核心之间通信的PoP的高级框图； 

图4示出根据一个实施例的缩合核心的高级框图； 

图5示出根据一个实施例的提供故障恢复（fault resilient）的缩合核心的高级框图； 

图6示出根据一个实施例的一种方法的流程图； 

图7示出根据一个实施例的排队结构和基于链路的背压机制的流程图； 

图8示出根据一个实施例的包括多个互联网服务提供商（ISP）的网络的高级框图； 

图9示出根据一个实施例的缩合核心线卡（CCLC）的高级框图；以及 

图10示出根据一个实施例的核心传输交换机（CTS）的高级框图。 

为便于理解，在可能的地方使用相同的附图标记指代图中共有的相同元件。 

具体实施方式

将主要在适用于在PoP之间传递核心业务的缩合核心（CC）设备的上下文内来描述本发明，但是本领域的技术人员和受此处教导启示的技术人员会认识到本发明还可应用到业务路由拓扑、网络、方法以及受益于对传统路由结构的降低的依赖、降低的能量消耗、每条通路的确定数量的跳数、以及这里描述的其它特征的内容。 

本发明的一部分在于发明人对IP路由器的认识，其中所述IP路由器是分组网络的能量低效的构件。IP路由器中主要的能量消耗源包括（a）执行分组处理的数据路径硬件装置，（b）路由表的存储所需的片外存储器，（c）缓冲数据分组所需的片外存储器，以及（d）上述存储器和分组处理设备之间的互联线路。 

图2示出根据一个实施例配置的核心路由系统的高级框图。图2的核心路由系统示例性地提供用于WAN IP骨干的故障恢复、能量高效的结构。在各种实施例中，该结构可用于利用地理缩合分组交换核心替代典型的当前部署的部分连接的PoP网状结构（mesh）。即，不是使用部署在多个存在点中的每个存在点的核心路由器实现的核心，而是实现集中式的“缩合核心”（CC）。 

具体地，图2示出表示为区域R1到R14（即210-1到210-14）的多个区域210，其中，存在点（PoP）220支持每个区域。具体地，被表示为PoP A到H（即220-A到220-H）的多个PoP220中的每个，与一个或多个区域210关联或支持一个或多个区域210。每个PoP220用于支持位于一个或多个各自支持的区域210内的网络元件和位于其它区域的网络元件 之间（即，其它PoPs支持的区域中的网络元件）的业务。PoP220中的每一个经由至少两个节点不相交的远程或长距的传送路径230和240连接到缩合核心（CC）250。 

注意的是，图2示出的核心路由系统200的PoP220只包括接入路由器而不包括IP核心路由器。在此种方式中，核心路由系统200内的每个端到端网络路径由确定数目的IP路由元件支持。例如，在一个实施例中，三个IP路由元件用于支持核心路由系统200中任意的端到端网络路径；即，位于源PoP的IP路由元件（接入路由器）、位于目的地PoP的IP路由元件（接入路由器），以及位于缩合核心250边界的IP路由元件（缩合核心入口路由器）。 

缩合核心（CC）250提供用于连接各种PoP220的故障恢复、能量高效的WAN骨干架构。如图3和图4所示，CC250有利地使PoP220通过用直接连接到每个PoP的接入路由器的单个虚拟IP核心路由器替换典型的全部或部分光PoP互联网状结构以避免使用IP核心路由器成为可能。 

图3示出根据一个实施例的支持在多个区域网络和缩合核心之间的通信的PoP的高级框图，例如上面关于图2所描述的。 

具体地，PoP320示例性地包括三个表示为AR-1，AR-2和AR-3的接入路由器AR。每个接入路由器AR经由各自的短程或长距离通信链路与一个或多个区域网络310通信。接入路由器AR还经由短距离通信链路互相通信。每个接入路由器AR-1到AR-3经由各自的上行和下行长距离通信链路330/340与缩合核心（CC）350的各自端口351通信。 

在各种实施例中，缩合核心是地理上邻近和/或与POP中的一个相集成的。 

图4示出根据一个实施例的缩合核心的高级框图，例如上面关于图2-3所描述的。具体地，缩合核心400包括：多个用于接收来自输入长距离连接的数据的入口设备451，多个用于传送数据至输出长距离连接的出口设备452，以及多个用于在入口设备451和出口设备452之间选择性地交换数据的交换设备453。在各种实施例中，入口设备451、出口设备452和交 换设备453均在位置上相互邻近以形成本地连接区域，使得上述设备之间的互联路径可由短距离通信链路来支持。 

在一个实施例中，缩合核心包括缩合核心线卡（CCLC）的周界，其通过表示为核心传输交换机（CTS）的交换设备的网络进行互联。可以按功能上类似于路由器线卡的方式实现CCLC，其中每个CCLC包括分组处理器、具有分组缓冲器的业务管理器等。 

对入口设备451（例如，CCLC）从PoP接收的每个分组进行分类并且与隧道的标签相关联，以形成被称为缩合核心帧的数据单元。隧道指定从入口设备或CCLC的输入端口到出口设备或CCLC的输出端口的通过缩合核心的帧路径。出口设备或CCLC剥除帧的标签并将得到的分组转发到其目的地接入路由器。在入口设备或CCLC处，可以检查分组，并且该分组的目的地接入路由器的身份可有助于对所分配的隧道标签的选择。分组的目的地地址可构成用于选择所分配的隧道的唯一标准或用于选择所分配的隧道的多个标准中的一个。 

每个入口/出口设备或CCLC连接到至少一个CTS；例如出于冗余的目的，各种实施例使用多个CTS。CTS形成互联所有入口/出口设备或CCLC的网状网络。 

在一个实施例中，每个CCLC充当缩合核心隧道的起始端的具有IP路由能力的入口CCLC，并且充当缩合核心隧道的终止端的没有IP路由能力的出口CCLC。 

在一个实施例中，每个CTS包括高容量的单芯片交换机，其基于包含在数据帧报头的隧道标签来转发数据帧。在本实施例中，可使用已知的隧道技术，例如多协议标签交换（MPLS）。可选地，私有方案也可用于定义标签的格式和用于标签分配和分发的信令机制。依据实施例，帧格式可要求所有的帧具有相同的大小或可允许不同的大小。 

在各种实施例中，缩合核心适应于被网络管理系统定义为分布式路由器并且作为分布式路由器进行管理。 

图5示出根据一个实施例的提供故障恢复的缩合核心的高级框图，如 上面关于图2-4所描述的。具体地，缩合核心500类似于上面关于图4所描述的缩合核心400，除了缩合核心500通过在每对入口和出口设备或CCLC之间使用至少两条节点不相交的路径来提供故障恢复。 

具体地，参照图5，出于这种讨论的目的，假定在多个入口设备451中的任意一个处接收的数据指定经由特定的出口设备进行传输；即出口设备452-3。可以看出的是，任意入口设备451接收的业务经由各自的主用路径P或各自的备用路径B中的一个或两个通过形成缩合核心500的各种核心传输交换机453被路由到出口设备452-3。 

参照图5，主用路径P用实线箭头示出，而备用路径B用虚线箭头示出。具体地，与入口设备451-1相关联的主用路径包括CTS453-1，-2和-4，而备用路径包括CTS453-8，-9和-4；与入口设备451-2相关联的主用路径包括CTS453-8，-9和-4，而备用路径包括CTS453-7，-6和-5；与入口设备451-3相关联的主用路径包括CTS453-8，-9和-4，而备用路径包括CTS453-7，-6和-5；以及与入口设备451-4相关联的主用路径包括CTS453-7，-9和-4，而备用路径包括CTS453-6和-5（即，两跳的备用路径）。 

在上面所描述的实施例的上下文内，仅使用接入路由器来实现每个PoP，而将CC实现为由CTS网状结构互联的入口路由器的周界。因此，所有的PoP经由一个入口路由器和CC内的核心传输交换机的网状结构进行互联，其中，核心传输交换机自身使用短距离通信链路互联。 

通常来说，在缩合核心内部，CTS基于其隧道标签来交换每个帧。每个隧道起始于面向核心的入口CCLC的接口，其中，根据缩合核心所采用的格式来描述并封装所述帧，并且每个隧道终止于面向PoP的出口CCLC的接口，其中，剥除帧的封装并恢复原始的IP分组。由于每个隧道终接在直接面向PoP接入路由器的网络接口，因此出口CCLC不执行任何IP功能（即，不需检查或检验各个IP分组的IP报头），并且由于这个原因，在逻辑上称出口CCLC为出口交换机。因此，利用根据各种实施例配置的WAN骨干，PoP之间的数据分组穿越不超过三个IP路由器（网络节点，其中该节点对分组进行处理，并且根据他们的IP报头的内容对分组进行路 由）；即，源PoP的接入路由器，缩合核心边缘的入口CCLC，以及目的地POP的接入路由器。这种条件保证用于支撑PoP之间业务的整体负载所需的IP转发能力的最小化，从而大大减少运行WAN骨干所需的能量。 

在各种实施例中，至少一些隧道终止在目的地PoP接入路由器而非面向PoP的出口CCLC的接口。在这些实施例中，支持隧道CTS可以在合适时经由长距离链路或短距离链路耦合到目的地PoP。 

缩合核心中的隧道和数据格式

在各种实施例中，在CC中的CTS不执行IP路由功能；相反，每个CTS根据帧报头中携带的隧道标签来转发每个数据帧。在给定的CTS中，每个不同的标签识别不同的隧道，该标签最后在通过WAN骨干互联的PoP中的一个POP处映射到目的地接入路由器。映射该标签的目的地接入路由器通过光通路直接连接到出口缩合核心线卡（CCLC）的输出接口。不直接连接到CCLC的接入路由器在缩合核心中没有相应的标签。 

图6示出根据一个实施例的方法的流程图。具体地，图6的方法600涉及根据一个实施例的针对入口路由设备或CCLC的分组处理。 

在步骤610，入口路由设备或CCLC检查新接收的分组，并且在步骤620，识别分组的目的地地址或目的地PoP。即，参照框625，可以检查新接收的分组内的报头信息或有效载荷信息或与新接收的分组相关联的报头信息或有效载荷信息，以识别危险数据、分组标识数据、业务流数据和/或其它数据。 

在步骤630，响应于所识别的目的地地址或PoP，将分组映射到合适的隧道标签。即，参照框635，获取存储在本地CCLC标签数据库或其它标签数据库中的信息，以识别合适的隧道和/或与目的地地址或PoP相关联的标签。 

在步骤640，该分组被单独地或与其它分组一起以帧的格式封装，以便经由一个或多个隧道递送到目的地地址或PoP。参照框645，帧格式可包括固定帧大小格式、可变帧大小格式、包含单个分组的帧、包含多个分 组的帧、包含部分分组的多个帧和/或任意其它适合穿越缩合核心CTS网络的帧格式中的任意一种。 

在步骤650，在缩合核心内，CCLC根据合适的路径、标签和/或隧道信息传送一个或多个帧至一个或多个CTS。 

通常来说，入口路由设备或CCLC使用它的IP路由能力来识别每个进入分组的目的地接入路由器，并且因此将每个分组映射到合适的隧道标签。入口路由设备或CCLC包括将进入分组封装成参考帧格式所需要的分组排队和处理设备。 

缩合核心所采用的帧格式定义：帧可以由单个分组组成或可以包括多个分组，例如最多为固定或最大帧大小。将多个分组汇聚成更大的帧具有优点和缺点。主要是能量节省和根据时延和吞吐量的网络性能（由于在形成完整帧和准备好离开入口CCLC传输前需要等待更多分组，单个分组可能经受他们排队时延的延长）之间的权衡，其中，可通过降低必须执行帧处理操作所处的频率来获得能量节省。 

出口设备或CCLC示例性地根据帧报头中的隧道标签将每个进入帧映射到其输出端口中的一个。在识别输出端口后，出口CCLC剥除帧的报头，剥去在多分组帧的情况下，在输出端口前面单独地对原始IP分组进行排队。 

CTS是入口和出口CCLC之间的互联网络的单个构件。为将来自入口设备或CCLC的分组转发到出口设备或CCLC，CTS使用较小的表来将隧道标签映射到输出接口。由CTS处理的隧道标签的数量，也是穿越单个CTS的隧道数量，通常无需超过直接连接到缩合核心的接入路由器的数量N。 

减少的存储器的实施例

在各种实施例中，为最大化CTS的能量效率，片外分组缓冲存储器从CTS中完全移除。为帮助使得缓冲存储器的移除而不会过度地损害穿过缩合核心的业务吞吐量，CTS与它邻近的CTS和CCLC实例交换背压 （backpressure）信号。邻近节点间背压信号的传播时延定义CTS为了避免分组丢失所必须提供的缓冲区的数量。相反地，在CTS中可在片上实现的缓冲存储器的最大尺寸，以及CTS的汇聚转发能力定义CTS与其邻近的CTS和CCLS实例之间的最大接受距离。 

为示例的目的，假定片上缓冲存储器的尺寸选为B_Max=32MB，其中，一半的缓冲空间被分配用于减轻背压传播延迟的影响（ΔB_Max=16MB），其中汇聚转发能力为C=1Tbps，以及在互联链路中数据信号传播速度为v=2·10⁸m/s，那么与背压传播的延迟相兼容的CTS输入链路的最大长度由以下公式给出： 

$L_{\mathrm{Max}}=v\·\frac{{\mathrm{\ΔB}}_{\mathrm{Max}}}{C}={2\·10}^8\·\frac{{128\·10}^6}{{10}^{12}}=25.6\mathrm{km}$     （公式1） 

由于L_Max的值较小（就典型的WAN骨干的地理覆盖范围来说较小），WAN骨干的核心必须缩合在集中的地理区域中（覆盖区域的实际范围随着片上缓冲存储器的尺寸线性地扩展，并随着CTS的汇聚转发能力反向地扩展）。 

也可以在尺寸上限制缩合核心的周界，导致集群中空间上分离的CCLC的聚集，但是需在与CTS转发能力和缓冲尺寸相兼容的距离内。在一个实施例中，该集群方法可适用于部署CTS元件。具体地，在出现大部分类型的灾难事件和设备故障的情况下，将CCLC和CTS的细分填充到空间上分离的集群中适用于在缩合核心内提供故障恢复。 

CTS中的排队和业务管理

CTS通过采用限制从CTS和入口CCLC直接上游实例接收的数据帧的到达速率的流控机制（背压），来移除对片外缓冲存储器的需求。在一个实施例中，将基于链路的背压机制用于保证进入CTS互联网络的每个帧不会在到其达目的地接入路由器的途中被丢弃。在其它实施例中，使用更加复杂的流控框架以在背压目标的识别上提供更细粒度，以便可以实施更严格的服务质量（QoS）保证。 

图7示出根据一个实施例的排队结构和基于链路的背压机制的流程 图。 

参照步骤710，表示为CTSi并且具有K个接口的CTS，维护K个组，其中，每个组有K个队列。 

在步骤720，每个组与CTSi中的输出端口相关联，并且因此具有各自的下行CTS。例如，CTSi的队列组j与输出端口j和被称为CTSj的相应下行CTS相关联。 

在步骤730，在每个组中的每个队列与CTS直接下行的相应输出端口相关联。例如，CTSi的队列组j中每个队列Qjp与CTSj的输出端口p相关联。 

在步骤740，该方法等待将被CTS接收的下一个帧。 

在步骤750，当下一个帧被CTS接收时，该帧被添加到队列，其中该队列映射到与该帧相关联的隧道标签。例如，当CTSi接收到帧时，它将该帧添加到队列，其中该队列映射到该帧的隧道标签（该映射考虑到该隧道穿越的CTSj的输出端口）。 

在步骤760，如果该队列没有被阻塞，则可将帧从队列转发到其相应的输出端口。例如，在任意给定的时间，依据从CTSj接收的最新通知中的各自背压比特的值，队列Qjp的状态可以是阻塞的或活动的。当阻塞时，不允许队列Qjp向CTSj转发分组，直到来自CTSj的随后通知中的背压比特的清除所致的队列状态变成活动的为止。 

在步骤770，在CTSi中，为每个输出端口保持变量Rj。参照框775，可以计算变量、经验地确定或使用其它机制确定Rj。例如，对每个输出端口j，CTSi维护变量Rj并运行调度器，其中，Rj代表队列组j的所有队列的总长度，其中调度器根据选择的调度策略从活动队列的头部提取帧，例如，加权轮询（WRR）调度算法的实例。虽然输出端口j的调度可能以端口容量内的速率来耗尽组j的队列，但是相同的队列可以按更高的速率被填充，这是因为他们可从多至K个输入端口接收帧。 

在步骤780，响应于超过门限水平的变量Rj，上行发送背压通知消息。参照框785，该背压通知可包括以下内容中的任意一种：指示一个或多个 阻塞状态队列的位图、指示特定阻塞状态队列的通用消息、控制器消息或一些其它类型的消息或指示一个或多个阻塞状态队列的信号。例如，为避免拥塞和帧溢出事件，CTSi为每个输出端口监视变量Rj。当Rj超过特定门限（下面计算的）时，CTSi向它的所有上行邻居发送背压通知消息，以停止目的地为端口j的帧的传送。被发送到上行CTS或CCLC的背压通知可由K比特的位图组成，其中，每个比特代表CTSi的不同输出端口。当设置位图中的比特时，上行CTS或CCLC中的相应队列进入阻塞状态。 

背压门限和地理覆盖

在向上行CTS或CCLC实例声明背压后，背压门限的大小调整受避免缓冲溢出条件和帧丢失的目标所驱动。例如，假定CTSi当组的总长度（表示为Rj）超过门限T时为队列组j声明背压，我们可以预期在背压指示于上行CTS或CCLC起作用之前，最多b_Max=c·L_Max/v的更多比特到达CTS，其中c为输入链路的容量（如，c=100Gbps），并且v为沿输入链路的信号传播速度（近似的，v=2·10⁸m/s）。在最差情况下，至多K个目的地为组j的帧突发，在上行节点通过停止帧的传输来响应背压声明前，可从全部的K个入端口到达。在背压在所有的上行节点变成有效前，CTSi可为组j接收的最大数量的比特为ΔB_Max=C·L_Max/v，其中C=K·c为CTS的汇聚转发能力。给定全部的缓冲大小B_Max以及CTS和其上行节点中任意一个之间的最大距离L_Max，可以按如下公式计算背压门限T： 

$T=\frac{B_{\mathrm{Max}}-{\mathrm{\ΔB}}_{\mathrm{Max}}}{K}=\frac{B_{\mathrm{Max}}-{C\·L}_{\mathrm{Max}}/v}{K}$     （公式2） 

作为例子，C=1Tbps，B_Max=32MB，L_Max=10km并且K=10，背压门限为T=2.6MB。 

在知道所有其它参数的值后（包括背压门限，其是随意的），定义每个队列组背压门限的公式可反向定义邻近节点之间所允许的最大物理距离： 

$L_{\mathrm{Max}}=v\·\frac{{\mathrm{\ΔB}}_{\mathrm{Max}}}{C}=v\·\frac{B_{\mathrm{Max}}-K\·T}{C}$     （公式3） 

例如，当ΔB_Max=B_Max/2，两个CTS之间（以及CTS和CCLC之间）的最大距离是L_Max=25.6km。在选择背压门限T的值时，权衡是在每个队列的高吞吐量（更高的T值）和低排队时延（更低的T值）之间。 

在上述数值示例中分配给参数的值反映存储器的大小和特定大小的存储器技术可获得的速度。在本实施例中，如果邻近节点之间的最大距离不超过几公里，那么在缩合核心内CTS元件可完全避免分组丢失。因此，在各种实施例中，CTS元件和CCLC集中在通常远小于整个WAN骨干所覆盖的地理区域的地理区域中。然而，在各种使用改进的具有更大尺寸和/或速度的存储器技术的其它实施例中，缩合核心的地理跨度可以扩展。 

各种实施例设想使用出口交换机，该出口交换机用于帧的解封装并且不需响应来自路径上的下一个元件的背压。即，出口交换机是背压停止使用以及帧的解封装发生的点。通过将这两种概念聚合在被定义为出口交换机的功能体内，该出口交换机可被实现成其自身的设备、与CTS共址的设备、和/或与CCLC共址的设备。缩合核心的此种修改可被设想为在缩合核心安排中单独使用或结合使用。 

如前所述，出口交换机不需理解或响应来自下一个节点的背压，下一个节点通常是目的地PoP的接入路由器。然而，在某些实施例中，支持在出口交换机和目的地PoP间的通信的长距离链路可提供供由出口交换机使用的背压指示。 

缩合核心互联网络的属性

由CTS元件形成的互联网络的拓扑可被调整为适应入口和出口CCLC之间的业务需求的演进。通常，所需的CTS元件的数量随着业务矩阵均匀性进行增加。为故障恢复的目的，可增加互联网络的汇聚交换能力以容纳冗余路径。一种用于故障恢复的方法定义CTS元件网络应该提供的路径冗余的程度。 

一般来说，CTS的排队结构不依赖于穿越它的隧道的数量。这个属性消除了CTS可扩展性和WAN骨干尺寸之间的任何依赖性。 

长距离部分

相对小的地理区域（例如，在几十公里半径内）中的WAN骨干核心的集中会在广域网（WAN）的整体架构中引入新的部分。网络的该部分将PoP连接到缩合核心，并且网络的该部分被表示为长距离部分。在一个实施例中，WAN骨干的长距离部分被配置为避免使用IP路由器。在各种实施例中，使用无源光网络来实现长距离部分。 

在一个实施例中，长距离部分包括松散连接的光路径网状结构，其中，节点之间的连通性程度足够在缩合核心和每个PoP之间定义至少两条节点不相交的路径。在此种方式中，每个PoP可依靠去往缩合核心的主用光路径，以及用于冗余的备用路径。 

在一个实施例中，出于故障恢复的目的，将PoP连接到缩合核心的路径终止在位于缩合核心边缘的不同CCLC处，以及在PoP内的不同的接入路由器。 

一般来说，此处描述的缩合核心网络架构有利地提供在PoP行进的分组必须穿越的确定数量的路由器。另外，目前对WAN骨干的边界进行互联的长距离光链路网状结构可由由具有最小缓冲空间的商用交换元件（CTS）组成的模块互联网络所替代。此外，在各种实施例中，PoP通过全部构建在光组件上的长距离光路径连接到缩合核心。 

由于所有的PoP间业务通过缩合核心，因此缩合核心优选地汇聚所有来自/去往每个PoP的业务，并通过可能的最小数量的光（第二层）连接来传递该业务。另外，缩合核心的尺寸标注可以只通过考虑PoP间业务的需求来驱动，并且没有来自PoP地理布置的任何限制。在分布式WAN骨干架构中，与业务需求所需的最小数目相比，PoP的布置在增加部署的连通性资源的数量上起作用。缩合核心的该属性有助于具有更好能量效率的精简网络。 

示例性CCLC 

图8示出根据一个实施例的缩合核心线卡（CCLC）的高级框图。具体地，图8示出多个输入链路终止在输入链路适配器810的CCLC。图8的CCLC与此处关于多个图中描述的CCLC以实质上相同的方式运行。 

传递到输入链路适配器810的分组被提供至分组处理器820，其中，分组处理器820检查分组以确定各种源地址、目的地地址和/或其它与接收的分组相关联的参数。分组处理器820与用于存储与各种IP地址相关联的路径相关信息的IP查询表825协作。例如，如上述根据图1-7所讨论的，与被检查的分组相关联的所识别的目的地地址或目的地存在点被用于将该分组映射到合适的隧道标签。 

成帧和业务管理器830与分组缓冲器835协作，以便按帧的格式封装一个或多个分组，以用于递送至合适的目的地IP地址或目的地存在点地址。在各种实施例中，分组缓冲器835包括与定义的路径或隧道的标签相关联的各种缓冲，其中，在根据一种帧格式封装并经由合适的标签定义路径或隧道传输前，分组被短暂地缓冲在该缓缓冲器中。 

在各种实施例中，由选定帧格式所指定的帧可包括一个或多个共享相同目的地接入路由器的连续分组。可由帧报头字段和帧尾部字段来界定所述帧，其中帧报头字段包括去往目的地接入路由器的路径的标签，标签帧尾部字段可包括用于保护帧数据内容完整性的信息。帧的有效载荷字段可具有固定大小或可变大小，并可包括不完整分组的开始或最后部分。当帧的有效载荷被分组完全填满时，或当帧构建开始后已经过预设的时间量时，成帧器可完成帧的构建。 

输出链路适配器840接收包括已封装的分组的帧，并经由一个或多个通向一个或多个各自的下一网络元件的合适的输出链路传递或传送该帧，其中，下一网络元件支持合适的标签定义路径或隧道（例如，缩合核心内的一个或多个核心传输交换机）。 

示例性CTS 

图10示出根据一个实施例的核心传输交换机（CTS）的高级框图。具 体地，图9示出CTS的简化视图，其中，在第一输入端口IN_j（905_j）和第二输入端口IN_k（905_k）中的每一个处接收的业务经由多个队列Q_j1、Q_j2、Q_k1和Q_k2（910_j1、910_j2、910_k1和910_k2）中的一个或多个被路由至第一输出端口OUT_j（920_j）和第二输出端口OUT_k（920_k）中的一个或全部。图10的CTS与此处关于多个图中所描述的CTS以本质上相同的方式运行。 

多个队列Q_j1、Q_j2、Q_k1和Q_k2中的每个队列的使用水平由与队列和/或控制器940相关联的控制电路来监测。如上面关于图1-7所讨论的，响应于超过各种门限水平的队列使用水平，CTS900经由输入端口IN向那些传送业务至CTS的网络元件提供相应的背压指示信号。 

例如，参照图9示出的多个队列910，可以看出，第一队列910_j1被示出为全部是阴影的（指示全部使用），第二队列910_j2和第三队列910_k1被示出为部分阴影（指示部分使用），以及第四队列910_k2被示出为无阴影（指示低使用或未使用）。由于第一队列910_j1和第二队列910_j2与第一输出端口OUT_j关联，并且它们的联合使用水平超过相应的门限R_j，与第一输出端口BP（i，j）相关联的背压信号被设置为逻辑“1”以指示拥塞条件。注意的是，从输入端口905_j和905_k中的每一个向朝这些输入端口传播业务的网络元件传播与第一输出端口BP（i，j）相关联的背压信号。 

图10示出根据一个实施例的包括多个互联网服务提供商（ISP）的网络的高级框图。具体地，多个（示例性地，示出的五个ISP）中的每个服务于各自区域1010内的用户或订户的各自群体。实际上，虽然从逻辑视角看每个ISP形成了不同的存在点，但是与ISP关联的如此大规模或数量的网络元件使得从物理视角来看是可方便地使用此处讨论的缩合核心拓扑。 

对每个ISP，在ISP各自的区域1010内，与用户或订户关联的数据业务经由一个或多个接入路由器（未示出）递送到各自的缩合核心1050。另外，每个ISP与缓存1060和数据中心1070关联。缓存1060可包括内容缓存或适合在ISP上下文内使用的其它缓存。数据中心1070可包括网络运营中心（NOC）或其它适合在ISP上下文内使用的管理系统。 

与各自ISP关联的每个缩合核心1050与至少一个与邻居ISP关联的 其它缩合核心1050进行通信。因此，在各种实施例中，代表一个或多个存在点的ISP与代表一个或多个存在点的其它ISP进行通信。在各种其它实施例中，与使用本文所述的缩合核心拓扑的ISP相关联的网络拓扑为单个ISP提供各种管理、能量、服务质量以及其它益处。 

虽然图10的网络示为包括使用相似缩合核心拓扑的五个ISP，但是应理解的是，不是所有的ISP都需要使用缩合核心拓扑。即，在各种实施例中，ISP的缩合核心可与另一个ISP的缩合核心和/或与同使用传统拓扑的ISP相关联的多个核心路由器通信。 

在各种实施例中，对通过缩合核心互联网络递送的数据单元的格式进行优化以避免在各种交换元件中要求大排队缓冲，从而节省能量并且保持服务质量（QoS）水平。 

在一个实施例中，促使缩合核心进行调整以适应每个最终目的地的业务需求的时间变化，如此可避免至任意一个目的地的带宽资源的过度分配。在此种方式中，实现为缩合核心馈电的长距离光链路所需要的供给带宽的总数会减少。 

在各种实施例中，缩合核心拓扑实现WAN骨干的控制、管理、以及维护平面的简化。在多个实施例中，存在多数关键网络元件（即，缩合核心的CCLC和CTS）地理上的共同位置，其可方便地使几个运营中心内的维护和检修人员的集中成为可能。 

在各种实施例中，缩合核心拓扑使响应于增长的业务需求的WAN骨干的汇聚转发能力扩张的低成本选择成为可能。此外，由于缩合核心可以被逐步地部署，因此服务提供商能够逐步地升级已经存在的WAN骨干基础设施而不扰乱其运营。即，缩合核心可被部署并连接到一些PoP，而其它PoP仍可以通过已经存在的基础设施连接。 

在各种实施例中，缩合核心拓扑由于缩合核心架构的以下属性来简化用于容错和故障恢复的框架：（1）更简单的故障隔离，其通过在地理上集中的实体内（如，缩合核心和PoP）局部化多数的故障事件；并且（2）再次通过减少他们的地理运行范围，减少在自动恢复机制中涉及的信令时延。 

在各种实施例中，WAN IP骨干网络的减少的能量消耗是通过用被称为核心传输交换机（CTS）的单芯片交换元件的实例替代传统骨干架构的核心IP路由器来获得的。CTS比具有相同转发能力的IP路由器消耗更少的功率，这是因为CTS移除了所有的IP路由功能并且因为CTS保证它的分组缓冲存储器的尺寸足够小以使得完全在芯片上实现。所有IP路由功能的移除消除复杂的分组处理设备和用于IP查询表的大功耗的外部存储器，其中，IP查询表是典型的IP路由器设计。实现分组缓冲的存储器片上集成消除了通常在IP路由器中使用的用于缓冲分组的较大的外部存储器的，以及与分组处理设备连接的功率消耗。 

在本文描述的核心路由系统的各种实施例的上下文内，能量高效的WAN骨干可通过将其的大部分转发能力从大功耗的IP路由器转移到被称为核心传输交换机（CTS）的轻能量的分组交换元件来改进。CTS的功耗是低于IP路由器的功耗的数量级，这是因为CTS最小化分组处理，并消除所有的片外存储器。这些能量节省的简化是通过消除所有的IP路由功能并且通过在用于保证WAN骨干无损失运行的分组缓冲的最大尺寸上实施严格的界限成为可能的。 

本发明的一个实施例提供一种缩合核心设备，在网络骨干中，接入路由器之间的路径使用不超过一个路由节点。具体地，一种用于在接入路由器之间路由分组的缩合核心，包括多个入口路由器，每个入口路由器被配置为接收来自一个或多个接入路由器的分组，确定与每个接收的分组相关联的目的地地址，并且将每个分组映射到在与目的地地址相关联的接入路由器处终止的多条路径中的一条或多条路径；多个核心传输交换机，每个核心传输交换机支持多条路径，以及多个出口交换机，每个出口交换机被配置为经由该出口交换机和一个或多个核心传输交换机所支持的路径将在该出口交换机接收的分组传递到一个或多个接入路由器。 

在本实施例中，在穿越CTS元件的网络后，由分组找到的下一个路由节点是该分组的目的地接入路由器。在本实施例中，在缩合核心的CTS元件和目的地接入路由器之间没有“出口路由器”。分组可穿越组成“入 口路由器”的相同硬件，但是逻辑上该硬件针对分组的功能与CTS元件的功能是相同的，这是因为在该元件上没有IP报头查询。在本实施例中，最后的逻辑元件被认为是“出口交换机”，其可在物理上与入口路由器共址。 

在又一实施例中，使用各种核心和出口交换机，并且长距链路或短距链路可用于部分或所有的连接。具体地，在一个实施例中，入口路由器经由长距离连接或短距离链路被耦合到各自的接入路由器，入口路由器和出口交换机通过短程链路被耦合到核心传输交换机，核心传输交换机通过短程链路被耦合到其它核心传输交换机，并且出口交换机通过长距离连接或短程链路被耦合到各自的接入路由器。 

在又一实施例中，从入口路由器至接入路由器的每个路径被预定数目的核心传输交换机支持。 

在又一实施例中，提供各种流控制适配器以最小化缓冲存储器的大小。例如，在一个实施例中，至少一些核心传输交换机能够将流控制信息派送到入口路由器和其它核心传输交换机。在另一实施例中，一些或全部的出口交换机能够将流控制信息派送到入口路由器和核心传输交换机。在另一实施例中，入口路由器和核心传输交换机能够利用流控制信息来调整他们向外递送分组至各自路径的顺序。 

在另一实施例中，将用于实现一个或多个核心传输交换机和/或一个或多个出口交换机的分组缓冲的存储器与分组处理逻辑一起集成在单个电子组件中。 

虽然前述内容与本发明的各种实施例直接相关，但是在不背离本发明的基本范围前提下，可设想本发明的其它的和进一步的实施例。因此，根据所附权利要求来限定本发明的适当范围。 

Claims (10)

1.一种用于对接入路由器间的分组进行路由的缩合核心装置，包括：

至少一个入口路由器，每个入口路由器被配置为从一个或多个接入路由器接收分组，确定与每个接收分组关联的目的地地址，并且将每个分组映射到在与所述目的地地址相关联的接入路由器处终止的多条路径中的一条或多条路径；以及

多个地理上邻近的核心传输交换机，每个核心传输交换机支持多条路径。

2.根据权利要求12所述的缩合核心装置，还包括多个出口交换机，每个出口交换机被配置为经由所述出口交换机和一个或多个核心传输交换机所支持的路径向一个或多个接入路由器传递在所述出口交换机处接收的分组；

其中，所述入口路由器经由长距离连接与各自的接入路由器进行通信，所述入口路由器经由短程链路与所述核心传输交换机进行通信，所述核心传输交换机经由短程链路与其它核心传输交换机进行通信并且经由短程链路与所述出口交换机进行通信，以及所述出口交换机经由长距离连接与目的地接入路由器进行通信。

3.根据权利要求1所述的缩合核心装置，其中每个接入路由器支持与公共存在点（PoP）相关联的一个或多个区域网络。

4.根据权利要求1所述的缩合核心装置，其中仅由所述入口路由器来检查到达入口路由器的每个分组的IP报头，并且其中所述路径包括标签交换路径或安全隧道中的任意一个。

5.根据权利要求1所述的缩合核心装置，其中所述装置适用于由网络管理系统当做分布式路由器来管理。

6.根据权利要求1所述的缩合核心装置，其中至少一些分组经由主用路径和备用路径中的一个或两者通过所述缩合核心来传递。

7.根据权利要求12所述的缩合核心装置，其中所述核心传输交换机向所述入口路由器提供流控制信息，所述入口路由器和核心传输交换机使用所述流控制信息以调整将分组递送到各自路径的顺序。

8.根据权利要求1所述的缩合核心装置，其中实现所述核心传输交换机的分组缓冲的存储器与分组处理逻辑集成在单个电子组件中。

9.用于对接入路由器间的分组进行路由的缩合核心装置，包括：

至少一个入口路由器，每个入口路由器被配置为从一个或多个接入路由器接收分组，确定与每个接收分组相关联的目的地地址，并且将每个分组映射到在与所述目的地地址相关联的接入路由器处终止的多条路径中的一条或多条路径；

多个核心传输交换机，每个核心传输交换机支持多条路径；以及

至少一个出口交换机，每个出口交换机被配置为经由所述出口交换机和一个或多个核心传输交换机所支持的路径向一个或多个接入路由器传递在所述出口交换机处接收的分组。

10.一种用于对接入路由器间的分组进行路由的方法，包括：

在一个或多个入口路由器接收与源接入路由器相关联的分组；

确定与每个接收分组相关联的目的地地址；

将每个分组映射至在与所述目的地地址相关联的接入路由器处终止的多条路径中的一条或多条路径；以及

将每个分组传送至支持每个映射路径的预定数量的地理上邻近的核心传输交换机中相应的第一个核心传输交换机。

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