在计算机网络中的的链路容量、交换节点中的缓存和处理机等, 都是网络的资源。在某段时间, 若对网络中某一资源的需求超过了该资源所能提供的可用部分, 网络的性能就要变坏。若网络中有许多资源同时呈现供应不足, 网络的性能就要明显变坏, 整个网络的吞吐量将随输入负荷的增大而下降。所以, 路由器缓存的设置对网络性能有很大的影响。但是, 路由器缓存容量太大会增加报文在行列中排队等待的时间, 产生时延, 从而降低网络利用率;而缓存容量过小则会降低吞吐率, 以致于丢包。故路由器的缓存设置有很多因素要考虑。文章对目前存在的路由缓存进行了分析研究, 并提出了新的缓存设置方法。
1 现有缓存技术分析
现存的路由器缓存方法主要有:经验法则, 较小缓存法则, 极小缓存法则等。下面分别介绍一下这些技术的优劣。
1.1 经验法则
1994年, C.Vinamizar等人提出了著名的路由器缓存设置法则——“经验法则 (ruleof-thumb) , 指出缓存的大小应与带宽时延积相等 (bandwidthdelayproduct, BDP) , 即B=RTTXC, 其中B为拥塞路由器所需的缓存, RTT (RoundTripTime) 为一个TCP连接的平均往返时间, C为拥塞链路的带宽 (图1) 。
这一设置原则对路由器缓存的设置一直都有旗帜性的指导作用。但是随着传输技术和光网络的快速发展, 经验法则已不能满足网络的要求。它会增加核心路由器的结构复杂度, 占用大量路由器空间;同时发生拥塞时, 也会增大端到端的延迟。
1.2 较小缓存法则
如今多条TCP流同时共享一条骨干链路的情况已极为普遍, 所以在经验法则的基础上出现了“较小缓存法则”。较小缓存法则主要目的是尽量少的使用路由器的缓存, 从而减少队列时延, 从这个角度来达到链路100%的利用率。较小缓存法则公式为:B=RTTXC N代表拥塞链路上共享的长TCP流数目。然而在实际试验研究中发现, 当缓存数量大于B=RTTXC/N, 链路利用率无损失发生, 但当缓存数量接近B=RTTXC/N时, 链路利用率降低。于此同时, 这个方案忽视了对丢包率产生的影响, 造成丢包率明显上升。
1.3 极小缓存法则
此方法建立在牺牲小数量的吞吐率指标基础上, 核心路由器仅需要几十个包即可满足缓存要求。它着眼于未来全光路由器中缓存问题, 也为其做了初步的理论研究。世界上几家著名的通讯公司如SPRINT等对极小缓存法则在较为常见的商用核心路由器中进行了实测, 结果却表明, 依此法则设置的路由器缓会使路由器的性能下降。
2 路由缓存设置优化设计
由上述提出的几种有代表性的路由器缓存设置方案都有其固有的缺陷, 究其原因, 互联网的非对称性有逃不掉的责任。面对这种局面, 我们可以这样考虑, 如果有一个路由器, 其缓存不是采用固定形式的, 而是多片路由单元互联, 各个路由单元再支持多个高速率 (如10Gbps) 端口, 每个端口再根据需要灵活配置各类线卡。即路由器采用全分布式结构, 整个系统由一台控制机架和多个路由单元组成。这里, 我们考虑到“T比特传输、T比特交换、T比特路由即3T”技术在互联网中是一种完全意义上得对称宽带技术, 所以我们假设每个路由单元的吞吐率达到160G, 这样当路由单元达到8个时, 就能提供1.28Tbps的吞吐率。
在具体的设计中, 每个路由单元的输入交换模块和输出交换模块实现路由单元之间的互连, 两个路由单元互联构成无阻塞、全互联的吞吐量为320G, 以此类推, 8个路由单元互联构成总吞吐量为1.28T的路由器。每个路由单元最大可支持8个10G的转发端口, 单元内转发端口中得数据流通过8个平面的8×8端口交换来实现模块互通。到其他路由单元的用户数据流通过8个平面的8×7输出交换模块实现, 来自其他路由单元的用户数据流通过8个平面的7×8输入交换模块交换至路由单元内相应端口。在每个路由单元的端口交换部分设置缓存。路由器可根据TCP流情况选择合适的路由单元及其转发端口, 在一定程度上改善现有的路由缓存技术, 增大链路利用率, 减小丢包率。
3 结语
本文对现有路由缓存技术进行了较客观的分析, 并结合刚刚兴起的3T概念, 提出了一个T比特传输路由器方案, 对现存问题有了一定的改善。但是该方案仍然存在一定的问题, 在以后的研究中有待完善。
摘要：路由器 (Router) 是互联网的主要节点设备。路由器通过路由决定数据的转发。作为不同网络之间互相连接的枢纽, 路由器构成了Internet的骨架。它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一, 它的可靠性则直接影响着网络互连的质量。除此之外, 路由器对网络流量也有控制作用, 其内部的缓存容量是制约此性能的关键因素。本文将对现存的缓存技术进行分析, 并对提出一种新方案来优化现有的路由缓存技术。
关键词：路由器,网络流量,缓存容量
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