CN1770743A - 软路由器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及软路由器。软路由器体系结构分离控制平面功能与分组转发功能的实施。在此体系结构中，所有的控制平面功能在被称为控制元件(CE)200、204的通用服务器上被实现，控制元件(CE)可能相距转发元件(FE)202、206多个跳跃。在CE和FE之间使用动态绑定形成网络元件(NE)或者路由器。在具有已布置并且坚固集成控制和转发功能的常规路由器上的软路由器体系结构的灵活性导致可靠性增加、可扩展性提高、安全性提高、容易增加新功能以及较低的成本。

Description

软路由器
交叉参考
本申请要求2004年11月1日申请的标题为″SoftRouter：RouterDisaggregation″(代理人档案号为No.Lakshman 35-2-23-62-31)的临时申请No.60/623,885的利益。另外，本申请与如下共同未决的申请相关：″SoftRouter Protocol Disaggregation″(代理人档案号为Ansari2-2-41-3-24-34)(LCNT/127305)、″SoftRouter Protocol Failovers″(代理人档案号为Ansari 3-42-4-25-35)(LCNT/127306)、″SoftRouterSeparate Control Network″(代理人档案号为Lakshman 43-64-36)(LCNT/127307)、″SoftRouter Feature Server″(代理人档案号为Lakshman 44-65-37)(LCNT/127308)、″SoftRouter Dynamic BindingProtocol″(代理人档案号为Ansari 4-3-45-5-26-38)(LCNT/127309)，它们在与本申请相同的日期被申请。临时申请的以及相关的申请在此通过参考被全部合并。
技术领域
本发明通常涉及网络互连技术领域，尤其涉及路由器分散(disaggregation)。
背景技术
在传统的路由器体系结构中，转发以及控制平面的实施是封闭集成化的。在一个典型的路由器中，一组转发元件和一个交换构造由运行在同一底架中或者在共处底架上的控制器插件上的控制平面软件控制。转发元件与运行控制平面软件的控制元件固定相关。实现控制平面功能的控制处理器与实现转发功能的线路卡共处并常常共享相同路由器底板。控制处理器和转发线路卡之间的通信不以任何基于标准的机制为基础，这使其不可能互相交换来自不同供应商的控制处理器和转发元件。这还导致转发元件和线路卡之间的固定绑定。路由器通常最多具有两个运行控制平面软件的控制器(工作控制器和故障转移控制器)。每个线路卡被固定绑定到这两个控制器。两个控制器、它们固定绑定的线路卡、以及交换构造一起构成路由器。
需要一种分散转发和控制平面并动态关联转发元件和控制元件的新路由器体系结构。
发明内容
具有多个实施例的本发明的网络和路由器体系结构解决了现有技术的各个不足之处。
网络和路由器体系结构的一个实施例包括路由控制器组件以及与路由控制器分开的传送和分组转发组件。绑定协议把路由控制器组件绑定到传送和分组转发组件。一旦绑定建立，则路由控制器组件经由控制协议与传送和分组转发组件通信。
另一实施例是网络和路由器体系结构，它包括多个用于分组转发的转发元件(FE)和多个与FE分开的控制元件(CE)。CE经由标准协议来配置、控制并提供路由信息给FE。每个CE控制多个FE，因此CE比FE少。
还有另一个实施例是网络和路由器体系结构，它包括控制平面空间、数据平面空间以及它们之间的控制/数据信道。控制平面空间用于运行多个控制元件和属性表管理器。数据平面空间用于运行多个转发元件。数据平面空间物理上和逻辑上与控制平面空间分开。
附图说明
通过结合附图考虑如下详细的说明，能够很容易理解本发明的教导，其中：
图1是示出可能的网络元件(NE)的图；
图2是示出了所有端口与转发元件(FE)连接的示例性软路由器体系结构的实施例的图；
图3是示出使用于示例性软路由器体系结构实施例中的协议的框图；
图4是示出示例性软路由器体系结构实施例中在CE和FE之间的示例性通信的框图；
图5是示出在示例性软路由器体系结构实施例中的转发元件(FE)与主要和辅助控制元件(CE)的框图；
图6A是示出现有技术中的一个大型自治系统(AS)中路由反射器的边界网关协议(BGP)的典型配置图；
图6B是示出示例性软路由器体系结构实施例中的BGP配置图；
图7是示出示例性软路由器体系结构实施例的高层概述图；
图8是示出示例性软路由器体系结构实施例的图；
图9是示出示例性软路由器体系结构的示例性软件组织的图；和
图10是示出一台计算机的高级框图。
为了有助于理解，完全相同的附图标记已被使用来表示附图所共同的完全相同的元件。
具体实施方式
本发明将主要在一个示例性软路由器体系结构实施例的一般环境内被描述，然而，本领域的以及受到在此的教导所启发的技术人员将了解：分散(disaggregation)概念可用来产生各种其它网络体系结构实施例并且本发明适用于局域网(LAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)以及其它网络，比如使用开放式系统互连(OSI)层、桥接协议、许多其它协议、业务管理、光、边缘/核心路由、无线、电缆、数据中心、故障管理、配置管理、帐务管理、性能管理、安全性管理、其它网络管理、企业、政府、军队应用以及许多其它不同类型的网络特性和应用的那些网络。
用于网络互连的路由器硬件与使用基于开放式标准的协议路由器软件的分散有许多益处。分散概念实现了每个组件的供应商之间的分离，这降低了硬件厂商进入的障碍并且鼓励独立的软件厂商(ISV)投资于开发载体类路由软件来供应新硬件市场进入者。这种分散概念允许每个组件集中注意力在它自己的创新曲线上。硬件生产商能够以最低的成本集中注意力在每一密度的最高速度上，减少资本开支，并且软件生产商能够集中注意力在新应用程序和易管理性上，增加收入同时减少运行开支。分散的其它历史示例包括5类话音交换与软交换/媒体网关以及主机架与个人计算机(PC)。
定义
控制元件(CE)：CE是一个为了分组转发目的而提供层3控制功能的逻辑可寻址实体。CE控制属于同一网络元件(NE)的一个或多个转发元件(FE)。CE精确地与一个NE关联并且NE精确地具有一个CE。一个NE可以有多个分布式的冗余子组件来实现控制功能。CE利用一个或多个物理控制元件(PCE)。
转发元件(FE)：FE是一个提供层3分组转发功能的逻辑可寻址实体。FE由一个CE精确控制。在一个给定的时间点处，FE只能精确地与一个CE和NE关联。FE的控制可以被移往不同的CE。(这意味着FE将移动到不同的NE)。FE和CE可以相离多个跳跃。FE能够处理用于与它的CE通信以及用于FE发现的协议。NE路由器接口只精确地由一个FE服务。互联网协议实时(IP TTL)以及IP选项可以在每一FE粒度上被修改。
网络元件(NE)：NE是一个执行传统层3路由功能的逻辑实体。NE通常有一个CE和若干FE。同一NE的FE和CE相离多个跳跃。IP TTL和IP选项可以在每一FE粒度上被修改。这意味着数据平面把一个NE看作多个跳跃而控制平面把一个NE看作单个跳跃。
物理控制元件(PCE)：实现层3路由器控制功能的硬件平台。PCE可以主管局部的CE(CE子组件)或者多个CE。
物理转发元件(PFE)：PFE是实现层3分组转发功能的硬件平台。PFE可以主管多个FE，但是不主管局部的FE。
外部链路：外部链路是离开NE的分组转发平面以便与邻近的NE连接的层3分组转发链路。
内部链路：内部链路是互连同一NE的一些FE的层3分组转发链路。FE和CE之间的链路不是内部链路。
控制链路：控制链路把CE与FE互连。直接控制链路把CE与FE连接而不需要任何中间级FE或NE。间接控制链路间跨中间级FE和NE。
预关联阶段：预关联阶段是一个时间周期，在此期间分别建立FE和CE到PFE和PCE的关联并且确定哪些FE和CE属于一个NE。
后关联阶段：后关联阶段是一个时间周期，在此期间FE和CE知道它们相互的绑定并且建立通信。
软路由器体系结构
一个示例性软路由器体系结构是一个控制平面体系结构，其把控制平面功能与分组转发功能的实施分开(分散概念)。这里有许多具有各种特性组合的这种示例性软路由器体系结构的可能实施例。在示例性软路由器体系结构中，所有的控制平面功能在被称为控制元件(CE)的通用服务器(a/k/a控制器)上被实现。CE可以远离线路卡或FE多个跳跃。CE和FE之间没有固定的关联。每个FE当它启动时就发现一组CE和FE。FE把它自己动态地绑定到被发现的CE组中最佳的一个CE上。在示例性软路由器体系结构中，FE、它们的交换构造以及它们关联的CE的集合被称为网络元件(NE)并且逻辑上构成一个路由器。标准接口被使用在CE和FE之间。示例性软路由器体系结构的实施例包括若干不同的网络实体以及它们之间的协议。
示例性软路由器体系结构具有两个不同的视图：物理视图和路由视图。
在物理视图中，示例性软路由器体系结构由通过链路互连的节点组成。有两种类型的节点：FE和CE。一个FE可以具有多个线路卡(每个线路卡进而又端接多个端口--物理的或者逻辑的)和一个底板(交换构造)，底板把数据业务从一个线路卡往返运送到另外一个。与传统的路由器不同，FE没有本地运行的复杂控制逻辑(例如，像开放式最短路径优先(OSPF)那样的路由程序)。相反，控制逻辑在包括通用服务器机器的CE处被主管。一条链路连接任意两个元件(FE/CE)。典型情况下，一个FE具有多个入射链路以使数据业务能够从一个链路路由到另外一个。一个CE被多归属于一个以上的FE，如果只是链路故障，它就不从网络中断开。示例性软路由器体系结构的物理视图包括一些多归属的CE。
FE在它的链路之间交换数据业务。交换功能的性质可以采用不同的形式。这些形式尤其包括分组转发、标记交换以及光交换。分组转发包括层2(基于媒体访问控制(MAC)的交换)以及层3(最长的前缀匹配)转发。标记交换的一个示例是多协议标记交换(MPLS)转发，在此，数据路径转发功能可以包括标记交换、推入以及弹出。对于光交换，业务可以在链路之中进行时间交换、波长交换或者空间交换。在这些情况的每一个中，交换功能由网络上的特定CE计算并安装的简单本地表格驱动。在某些实施例中，FE还不止完成交换。例如，FE能够执行诸如分组过滤和入侵检测之类的安全性功能。这些功能消除了位于远端CE中的具有管理信息的本地数据结构。例如，在分组过滤情况中，过滤逻辑只查阅本地过滤器表格。本地过滤器表格的管理(例如，过滤规则的插入和删除)在某些远端CE中被执行。
示例性软路由器体系结构的路由视图获得如路由控制逻辑所看到的网络拓扑。在一个高的级别处，NE是网络端口以及管理那些端口的各个CE的逻辑编组。一个端口不能属于一个以上的NE。通过对什么网络端口能够被归组在一起进行不同的限制，则可允许的NE不同。
图1是示出NE可能性的图。有二个能够进行限制的维度。垂直维度限制FE的选择。单个FE意味着在一个NE中的网络端口来自单个FE。相连的FE意味着可以从相连的一组FE中选择端口(即，这里存在从一个FE到另一FE的物理路径)。任意的FE组意味着端口可以出自任意的FE组。水平维度规定一个NE是必须包括相关的FE的所有端口，还是它可以只包括一个子集。这两个维度的任意组合都提供了一个NE的端口的可能定义。我们说：如果两个NE包含属于物理上相连的FE的端口，则它们逻辑上是相连的。
为了更好地说明这些定义，检查表示此定义有效的两个频谱极端的两个特定情况。
第一种情况是任意FE中的端口的子集。来自任意FE中的任意端口可以被归组为单个NE的一部分。路由视图很明显会不同于物理视图。这个定义能够有益于基于网络的虚拟专用网(VPN)应用。NE中的不同端口表示宽域VPN中的不同站点。通过在路由视图中在逻辑上把它们分裂为单个NE的一部分，这个视图提供VPN内路由与VPN间路由之间的分离。
第二种情况是单个FE中的所有端口。每个FE是一个NE的一部分。物理和路由视图变成完全相同。借此定义，传统的路由器体系结构和示例性软路由器体系结构之间的唯一区别是把路由逻辑卸载到远端CE上。
在相连的FE情况中的这些所有端口表示相邻FE群集成为单个NE并对应于在中心局中紧接相连的几个路由器的典型情况。从路由视图看，这能够提供显著的简化。首先，路由视图中的减少数量的NE减少了NE间路由的复杂性。其次，不同的(可能更简单的)路由协议能够被使用于NE内路由。
在示例性软路由器体系结构中，NE的路由控制与FE分散并且控制协议运行于CE上。FE和CE之间的绑定意味着CE代表FE正在执行特定控制功能。因为对于FE的操作可能需要多个协议(例如，内部网关协议(IGP)和外部网关协议(EGP)、乃至一个协议的多个实例)。FE可以具有多个CE绑定。
图2示出了所有端口与FE相连的示例性软路由器体系结构的实施例。在示例性软路由器体系结构的这个实施例中，有两个CE200、204和若干FE202、206。虚线表示CE200、204和FE202、206之间的绑定。在FE202、206和CE200、204之间也可以存在绑定，即使它们不是直接相连，例如：CE1 200和FE1 202。示例性软路由器体系结构因此实现连接所有CE的分开的(逻辑上和物理上)信令网络的创建。
协议
图3是示出使用于示例性软路由器体系结构实施例中的协议。这些协议300包括发现协议302、FE/CE控制协议、标准协议306和其它协议308。
包括发现协议和FE/CE控制协议在内的若干不同协议被使用于示例性软路由器体系结构的操作实施例中。一个协议是发现协议。为了FE与CE建立绑定，它首先必须知道该CE的存在并且能够使用一些路由到达它那里。发现协议找出什么CE可用并且为FE布置到达这些CE的路径，这在下面将更详细地描述。另一协议是FE/CE控制协议。一旦绑定被建立，则FE和CE使用FE/CE控制协议进行通信。在上行链路(FE到CE)方向上，FE/CE控制协议通过在FE中的任意端口中接收到的任意控制分组(例如，如果CE为FE正在运行OSPF，则是所有的OSPF协议分组)并且向CE提供链路状态信息(例如，上/下行链路信号)。在下行链路方向上，FE/CE控制协议传送配置和控制信息(例如，启用/禁用链路，转发信息库(FIB))。FE/CE控制协议的设计涉及频率的发布、FE/CE通信的带宽和延迟需求。可以使用ForCES协议或者解决这些问题的任何其它类型的协议来设计FE/CE控制协议。
在任意给定的NE中，FE被强连接(与同一基础的拓扑结构)并且CE能够远离相应的转发组多个跳跃。这种分离导致许多在现有网络中通常不出现的新方案和技术挑战。集成的NE是现有网络中的路由器，其中，CE和相应的FE是单个物理设备的一部分。
引导进程(Bootstrapping)
在集成的NE中，属于那个NE的配置在启动后被获得，因为箱体上的控制卡通过总线/互连处于与转发引擎的直接联系之中。一旦路由器(NE)开动，转发引擎就知道如何立刻从控制处理器获得配置信息。
在示例性软路由器体系结构的实施例中，在启动后，转发引擎从位于服务器上的远端CE中获得它的配置信息，此配置信息包括其接口的IP地址。这形成一个潜在的悖论。为了发现CE并把分组发送给它，则FE需要路由信息；可是，却设想路由信息出自CE。解决这个问题的一种方法是具有一个独立的协议，其通过FE启用CE的发现，反之亦然。这个协议的目的是让FE知道网络中的可用CE并确保一个FE始终具有一条到达其对应CE的路径--如果可用的话。
发现协议被设计为很简单，因为每个FE首先是一个转发引擎，用最小的软件来更新其FIB并保持与其CE的关联。此外，FE甚至可以不必具有它自己的层3地址。在一个实施例中，一个唯一的字串被指定作为FE的标识符(FEID)。虽然在启动后CE知道其配置，但是为了兼容性目的，在一个实施例中，CE也以与FE同样的方式具有唯一字串标识符(CEID)。在一个实施例中，唯一的字串类似对于NE特定的一个随机选择的专用IP地址。与CE相距一个跳跃的任何FE通过收听来自该CE的状态广播信息来发现该CE。此FE然后传送这个信息和一个到特定CE的源路由给其邻点，该源路由根据唯一字串标识符来规定。因此，每个CE的能达到性信息以一种类似波的形式被传播给全体NE。当FE接收到一组CE的路由时，该FE选择一个CE并使用被通知的源路由把CE与它的本地容量信息联系。CE为FE配置使FE能够开始分组转发的相关编址和FIB数据库信息。
图4示出了示例性软路由器体系结构实施例中在CE和FE之间的示例性通信。CE400配置FE402，CE400把它自己通知给FE402，FE402发现CE400，并且CE400与FE402共享路由信息。
示例性软路由器体系结构的一个实施例包括如下假设。给定NE中的任意CE能够为任意FE配置NE。CE几乎始终代表NE中的给定FE来处理路由功能，而不管系统负载和拥塞级别。CE几乎始终可用；换言之，CE根本很少(如果有过的话)出故障。对特定CE的源路由在CE配置一个FE正在进行时的全部时间可用。CE信赖FE，反之亦然。发现协议分组可能被那些相邻但不在该NE内的节点串音，而不会对示例性软路由器体系结构实施例的功能引起无可挽救的损害。
在示例性软路由器体系结构的各个其它实施例中，可以放松需要更多的特征以及协议消息增加到发现协议的复杂性上的这些假设中的一个或多个。可是，这些不是禁用假设，并且可以在保持发现协议足够简单的同时提出。
路由和转发
因为FE简单到最小控制板上，所以CE负责维护同一NE内的链路状态的消息。另外，CE还整合NE内的拓扑变化与外部(NE间)路由变化并且相应地更新个体FE的FIB。
由于物理视图和路由视图之间的差别，IP TTL和IP选项特点可能偏离传统的路由器体系结构，传统的路由器体系结构假定控制和转发平面的地理密闭。在示例性软路由器体系结构的实施例中，给定的NE的FE分布在大的地理区域上，使得在每一FE的基础上(而不是每一NE的基础上)方便递减TTL和处理IP选项。对于具有共处FE的NE，人们能够类似地认识到这个特点或者模仿传统的路由器特点。
此外，NE选择适当地反映NE内的拓扑结构的适当外部路由度量。NE内的拓扑变化不仅由链路上升或下降引起，而且由FE改变与可能位于不同NE中的不同CE的关联所引起。因此，控制平面看到的跳跃计数不同于数据平面所经历的。控制平面看到在每一NE的基础上的跳跃，而转发平面可能看到在每一FE的基础上的跳跃。
协议划分和优化
在标准互联网路由协议中，有履行不同功能的各种消息。例如，OSPF具有探测链路状态的问候分组(hello分组)和把链路状态通知给网络其余部分的各种链路状态通知(LSA)消息。在示例性软路由器体系结构的实施例中，这些消息根据它们的目的而被区分。在一些实施例中，FE把全部接收到的路由协议分组转发给它的CE，而在其它实施例中，FE本身处理协议分组的子集而不把它转发给CE，因此减少了网络中的响应时间和控制业务。
把OSPF路由协议设想为一个示例。问候消息用来发现邻近FE的OSPF对等状态。代替让CE始发问候消息，FE也可在它们自己之间交换这些消息(代价是违反问候消息的严格的语义)并且仅仅当FE对等状态的状态之中存在改变时通知它们各自的CE。另一方面，LSA消息用来把连接信息通知给网络其余部分，并且因此，这些LSA消息起源于CE并且在CE之间被交换。
在示例性软路由器体系结构的一个实施例中，路由协议根据消息开销而被优化。例如在运行OSPF的传统路由器网络中，来自每个FE的LSA消息遍布整个网络。在本实施例中，LSA只遍布CE的网络。假定CE和FE的幅值差，这减少了在网络上发送的OSPF消息数目。其它实施例包括示例性软路由器体系结构启用的各种其它协议的进一步优化。
故障和负载平衡
图5示出了示例性软路由器体系结构实施例中在主要和辅助的CE之间的FE。FE402具有主要CE500，以及在故障的情况下的辅助(a/k/a备份)CE502。
通过分开CE，为CE提供更多选择来控制给定的FE。除了故障或者CE本身之外，由于中间链路与节点故障，此选择在出现CE连接损失的危险时进行。CE的集合使CE故障的问题恶化，因为没有路由控制器，所以大量的FE被遗弃。
示例性软路由器体系结构的一些实施例通过为备份CE使用标准服务器机制来解决此问题。每个FE具有主要CE和辅助CE组。当发现协议或者控制协议用信号通知与主要CE的关联遗失时，FE从辅助的CE组中选择一个候选者变成它的主要CE。使用用于引导进程的同一发现协议实行重新关联。
除了CE故障以外，为了负载平衡的目的，CE能够自动地放弃FE的控制。在所述方案中，CE或者询问FE找到另一CE来管理它；或者把FE引导到新的CE。前者中，新的CE为FE重启路由器实例；而后者中，旧的CE把FE的状态传送给新的CE，导致一个热故障转移(failover)。负载平衡和从控制故障中快速恢复的能力是示例性软路由器体系结构的一些实施例的特征。
当CE和FE之间的关联遗失时，只要NE中没有其它拓扑变化，则FE使用它现有的FIB继续转发分组。发现协议在此期间发现另一CE，从而从控制遗失中恢复。
这些故障恢复过程不限制为如现有网络中那样选择单个物理箱作为NE。示例性软路由器体系结构的实施例根据CE的可用性允许更多的灵活性。
益处
示例性软路由器体系结构的实施例有许多益处，包括这五个方面：1)可靠性提高，2)扩展性提高，3)控制平面安全性提高，4)更容易增加新功能，和5)成本降低。可靠性提高，因为FE中的软件减少使得元件更强健。关于CE，可以合并协议特定并且独立的机制来增强可靠性。扩展性提高，因为可以在通用服务器上实现CE，并且因此可以使用沿用已久的服务器扩展技术而被放大。控制平面安全性提高，因为较少的管理点使得易于在CE周围管理和提供坚强的防护，因此使得整个网络更安全。更容易增加新功能，因为在分开的控制服务器上增加在通用处理器和操作系统上执行的新功能更容易。成本降低，因为示例性软路由器体系结构实现了控制和FE之间的分离，使得因经营规模扩大而得到的经济节约的成本降低。在下面更详细地讨论这些益处的每一个。
可靠性
示例性软路由器体系结构中控制和FE的分离提供了几个可靠性益处。首先，FE中的软件减少意味更容易使得所述元件强健。在控制平面服务器一端上，诸如自动故障转移以及热或冷待机的使用(在下面讨论)之类的复杂的可靠性增强机制在示例性软路由器体系结构的各个实施例中被实现。在一些实施例中，服务器具有较高的冗余容量，比如1:N故障转移容量而不是现有路由器有限的1:1控制叶片故障转移容量。最后，主管在不同CE上的不同协议的能力意味一个CE的故障不致使相应的FE无用(例如，主管边界网关协议(BGP)的CE的故障将仍然允许FE处理OSPF协议消息)。除了这些导致较高可用性的一般益处以外，我们关于两个示例性协议：BGP和OSPF来描述协议特定的优化。然而，本发明不限制为这些协议。
BGP可靠性的提高
图6A示出了现有技术中的一个大型自治系统(AS)中路由反射器的BGP的典型配置。这个配置有两个主要缺点。具体地说，在某种情况下，网络会进入持久的路由振荡，其中，路由器的一个子集可以交换路由信息而永远未到达稳定的路由状态。路由反射器体系结构的另一问题是内部BGP(IBGP)可靠性。虽然在全网孔IBGP体系结构情况下，一个IBGP会话的故障只影响两个路由器，但是两个路由器反射器之间的会话的同一故障可能会隔开网络，导致较低的可靠性。
图6B示出了示例性软路由器体系结构实施例中的BGP配置。运行BGP的CE数目通常比路由器(FE)数目小至少一个数量级。因此，一个全IBGP网孔能够很容易地被保持在CE之中。CE然后使用诸如ForCES协议之类的标准协议下载适当的转发表给所有的FE。从而，在示例性软路由器体系结构的本实施例中解决了持久的路由器振荡问题，因为这里没有路由反射器。这提高了网络的可用性。
另外，在示例性软路由器体系结构的本实施例中，IBGP网孔在能够使用诸如1:N(N＞1)之类的较高冗余度(与路由器的控制处理器上的1:1冗余相比)的服务器之间。因此，在示例性软路由器体系结构的本实施例中的BGP可靠性在CE被多归属并且在网络上为了故障转移而存在多个CE的现有技术的BGP配置之上被改善。
在示例性软路由器体系结构的本实施例中，BGP的实施与现有技术的路由器控制平台(RCP)不同。与RCP不同，IGP协议也在服务器中执行。此实施例使用诸如ForCES之类的标准协议而不是象RCP中的情况那样使用IGP和IBGP来与FE通信。这简化了FE上的软件。此实施例在单个AS内部的CE服务器之间使用一个IBGP网孔。
更快的OSPF收敛
现今在大型网络中，已知在故障存在时OSPF收敛要花几十秒。这个延迟会对网络的可用性有显著影响，特别是对诸如IP上的语音(VOIP)之类的服务。与电话网的59秒可用性(一年大约3分钟的停机时间)相比，当今的数据网络在它的可用性下降低于99.999％可用性目标之前会负担不起超过两个链路故障。示例性软路由器体系结构的一个实施例通过如下几个补充的技术实现更快的OSPF收敛。对于相同数量的FE有一个幅度较少的CE次序，这导致较小的OSPF控制网络和更快的收敛。这假定从FE到CE的传播延迟比由计时器控制的在秒级上的OSPF更新的传播延迟小得多。上述实施例特定的控制平面优化允许更快收敛。在该实施例中更快的处理器导致诸如最短路径计算之类的更快计算。因此，OSPF收敛时间以几十秒降低，导致一个非常可用的数据网。
可扩展性
在现有体系结构中的可扩展路由协议中的某些限制是控制处理器容量和板上存储器。由示例性软路由器体系结构提供的分离使得更容易升级基于通用服务器的控制硬件。这与从需要适应诸如功率可用性、插槽可用性等等之类的其它约束的升级的路由器生产商那里获得升级控制处理器卡的困难相比，本发明更容易。
此可扩展性优势在具有高度可升级的移动IP归属代理应用的特定示例实施例中很突出。由于蜂窝载体引入了无线数据，移动IP归属代理需要增加的可扩展性。在工业中有两个现有的归属代理扩展性方法：只使用路由器以及只使用通用处理器。然而，这两个方法都有缺陷。
来自主要路由器厂商的路由器支持几十万的归属代理，但是信令可扩展性由于控制处理器的局限性而被限制为大约一百个绑定/秒(或者每一用户每小时小于两次更新)。由于通过移动以及周期性的刷新机制产生的更新很可能超过每一用户每小时两次，所以这存在着明显的限制。移动IP通常在一堆通用处理器上被实现。信令可扩展性在这里不是问题。可是，扩展归属代理的数目变得困难，因为IP安全性(IPSec)处理(对于每个代理)是中央处理单元(CPU)集中的并且没有专门的硬件将不能有效率地扩展几十万的归属代理。
示例性软路由器体系结构的实施例包括这两个方法的一个互补组合。它实现基于服务器的信令可扩展性，同时保持基于硬件的传送可扩展性。因此，仍然由使用常规路由器叶片的具有IPSec硬件支持的FE来处理传送，而信令容量无疑利用多个服务器叶片来扩展。
安全性
示例性软路由器体系结构使得为安全性采用多防护方法，每个防护增加一层安全性。这些包括现用的与特定用途的操作系统、多叶片服务器平台与一个或两个控制、较少的CE以及单独的信令网。专门的操作系统没有为安全性漏洞进行广泛测验。由于恶意业务的过载可能会在大量的处理器上分发并且可以配置复杂的计算集中的入侵检测机制。管理较少的CE更容易(例如，频繁改变安全性密钥)并且在一些实施例中，与很多的FE相比，这些少数的元件处于更安全的环境中(物理上或者逻辑上被防火墙防护)。使用物理上或者逻辑上与互联网分开的信令网能够减少对控制平面协议消息的攻击。
在示例性软路由器体系结构的实施例中，控制和FE的分开以及使用一些通用服务器来主管控制处理使得更容易引入新的基于网络的功能，比如服务质量支持、通信业务工程、基于网络的VPN支持等等。在使用BGP/MPLS的具有基于网络的VPN服务的应用中，VPN服务器动态地创建在供应商边缘路由器之间的MPLS或者IPSec隧道。在现有技术体系结构中，VPN服务器在路由器控制板上执行。在示例性软路由器体系结构的实施例中，把VPN服务器功能移入CE中具有一些超过现有技术的益处。独立地执行VPN服务器升级而不影响诸如转发之类的基本网路操作。执行VPN控制服务器的遍及网络的故障转移而不影响现有的或者新的VPN会话。配置连接到VPN客户站点的供应商边缘路由器的BGP策略在VPN服务器处的中央单元中进行，而不是在多个路由器处(例如在VPN中涉及的边缘路由器和路由反射器)进行。以一种集中的方式制作MPLS隧道以满足客户需求。使用通用服务器扩展技术很容易处理支持大量VPN的可扩展性。
成本
在示例性软路由器体系结构中，FE主要是基于硬件的并且需要很少的管理。这使得因经营规模扩大而得到的经济节约帮助降低每个FE的成本。在一个实施例中，单个路由器CE被统一成为一些专用的控制平面服务器。这些CE运行于一般的计算服务器上而不是象现有技术中那样运行于路由器中的专门的控制处理器卡上。这允许控制处理器资源的共享，导致比现有技术中采用的分区方法更好的效率。另外，因为控制平面服务器只是一般计算服务器的另一应用，所以示例性软路由器体系结构平衡了这些服务器平台的CPU性价比。最后，较少的控制平面元件意味着较少的管理箱体，因此降低了运转开支。
总之，示例性软路由器体系结构分开了控制平面功能与分组转发功能的实施。FE是具有很少智能的简单硬件设备并且由可能相离多个跳跃的CE控制。示例性软路由器体系结构提供许多益处，包括：可靠性增加、可扩展性增加、安全性提高、增加新功能容易并且成本降低。随着数据网络变得越来越多地在数据网络上配置，这些益处将变得更有价值。
图7示出了示例性软路由器体系结构实施例的高层概述。控制平面700与传送平面702分开。控制平面700包括CE704和任选特性服务器(FS)706。FS706执行诸如通信业务工程、增强的VPN支持以及安全性之类的服务。传送平面702包括FE706。CE704、FS706以及FE706通过标准协议相连。
图8示出了示例性软路由器体系结构的实施例。两个CE804、FS806以及若干FE806形成网络。
图9示出了示例性软路由器体系结构的示例性软件组织。具有控制平面空间900、元件抽象层902、CE-FE控制协议抽象904、控制/数据信道906以及数据平面空间908。
在控制平面空间900中，具有一些应用910，比如单播协议(例如，OSPF、BGP、路由信息协议(RIP)、内部交换接口系统(ISIS)以及MPLS)912、管理处理(例如主叫线路识别(CLI)和信令网管理协议(SNMP))914、以及多播协议(例如Internet组管理协议(IGMP)和协议独立的多播、稀疏模式(PIM-SM))916。控制平面空间900还包括特性服务器应用918，比如通信业务工程920、VPN922以及其它应用924。控制平面空间900还包括诸如路由、滤波器、分类器等等之类的属性表管理器926。
元件抽象层902包括转发元件抽象(FIB)928和操作系统抽象层930。
CE-FE控制协议抽象904包括CE-FE接口932。
数据平面空间908包括若干FE931。每个FE931包括CE-FE接口932、动态绑定和发现协议934、FIB/滤波器936、诸如加密之类的硬件协助服务938和转发引擎935。动态绑定和发现协议934还间跨控制平面空间900、元件抽象层902和CE-FE控制协议抽象904。
图10示出一台计算机的高级框图。计算机1000可以被使用来实现本发明的实施例。计算机1000包括处理器1030以及用于存储各种程序1044和数据1046的存储器1040。存储器1040也可以存储支持程序1044的操作系统1042。
处理器1030与诸如电源、时钟电路、高速缓存等等之类的传统的支持电路以及在执行存储在存储器1040中的软件例程时进行协助的那些电路协作。如此，可以预期：作为软件方法在此讨论的一些步骤例如可以作为与处理器1030协作来执行各个方法步骤的电路在硬件内被实现。计算机1000还包括输入/输出(I/O)电路，其在与计算机1000通信的各个功能元件之间形成一个接口。
虽然计算机1000被描述为被编程来执行根据本发明的各种功能的通用计算机，但是本发明例如可以作为专用集成电路(ASIC)或者现场可编程门阵列(FPGA)以硬件的形式被实现。如此，在此所述的处理步骤意指概括地解释为由软件、硬件或者它们的组合同等地执行。
本发明可以被实现为一种计算机程序产品，其中，计算机指令在被计算机处理时适配计算机的操作，以调用或提供本发明的方法和/或技术；用于调用本发明方法的指令可以被存储在固定或者可移动的介质中，经由广播介质或者其它信号承载介质中的数据流而被发射，和/或被存储在根据指令操作的计算设备内的工作存储器内。
本发明的前述实施例具有许多优点。转发和控制之间的路由器分散包含至少三个有益方面：分离、多个服务器以及一个标准接口。首先，分离分开了复杂的控制平面处理功能(例如，路由协议处理)与分组转发平面。其次，控制平面处理功能在专用外部控制平面服务器上被执行。第三，为控制平面服务器定义一个标准接口来接口到FE。
路由器分散的概念激励了竞争，导致成本降低以及创新提高。传统的路由器可以被替换成可调用的控制平面服务器和便宜的FE。另外的益处包括运转开支降低、容易增加新的基于网络的功能、可扩展性提高、可靠性提高、并且控制平面安全性增加。
运转开支较低，因为在分散的体系结构的一个实施例中，FE主要是基于硬件的并且需要很少的管理。单个路由器控制平面管理被统一到一些专用的控制平面服务器中。较少的控制平面元件意味着较少的管理箱，因此降低了运转开支。
容易增加新的基于网络的功能，因为分离控制平面服务器有助于基于引入网络的功能。这些示例中的一些是：服务质量(QoS)的支持、BGP路由器反射的扩展、VPN支持以及Internet协议版本6(IPv6)配置。
可扩展性提高，因为控制平面服务器能够在常规计算机服务器上被实现，并且因此使用沿用已久的服务器可扩展技术很容易地进行扩展。
可靠性提高，因为FE中的软件减少意味着更容易使其强健。在控制平面服务器一端，能够合并诸如自动故障转移和过载控制之类的复杂的可靠性增强机制。
控制平面安全性提高，因为管理点较少。更容易在管理点周围提供坚固的防护，使得整个网络更安全。
虽然上文是针对本发明的各个实施例，但是本发明的其它以及另外的实施例可以被设计而没有偏离本发明的基本范围。因此，本发明的适当范围按照随后的权利要求来确定。

Claims (10)

1、一种网络和路由器体系结构，包括：
路由控制器组件；和
与路由控制器分离的传送和分组转发组件；
其中，绑定协议把路由控制器组件绑定到基于硬件的传送和分组转发组件，并且一旦建立绑定，则路由控制器组件经由控制协议与基于硬件的传送和分组转发组件通信。
2、权利要求1的网络和路由器体系结构，其中：路由控制器组件还包括多个控制元件(CE)。
3、权利要求1的网络和路由器体系结构，其中：基于硬件的传送和分组转发组件还包括多个转发元件(FE)。
4、权利要求1的网络和路由器体系结构，还包括：
用于执行业务管理的特征服务器。
5、一种网络和路由器体系结构，包括：
用于分组转发的多个转发元件(FE)；和
与FE分离的多个控制元件(CE)，用于经由标准协议配置、控制并提供路由信息给FE；
其中，每个CE控制多个FE，以使CE比FE少。
6、权利要求5的网络和路由器体系结构，其中：至少一个CE相距至少一个FE多个跳跃。
7、权利要求5的网络和路由器体系结构，其中：在CE和FE之间使用动态绑定形成网络元件。
8、一种网络和路由器体系结构，包括：
控制平面空间，用于运行多个控制元件和属性表管理器；
数据平面空间，用于运行多个转发元件，数据平面空间物理上以及逻辑上与控制平面空间分离；和
在控制平面空间和数据平面空间之间的控制/数据信道。
9、一种网络和路由器体系结构，包括：
数据平面空间，用于运行多个转发元件，数据平面空间逻辑上与控制平面空间分离，控制平面空间用于运行多个控制元件和属性表管理器；和
从数据平面空间到控制平面空间的通信信道。
10、一种网络和路由器体系结构，包括：
控制平面空间，用于运行多个控制元件和属性表管理器，控制平面空间逻辑上与数据平面空间分离，数据平面空间用于运行多个转发元件；和
从控制平面空间到数据平面空间的通信信道。
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