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思科7600光服务路由器参考体系结构与解决方--集成式PoP

Cisco 7600光服务路由器(OSR)是一种面向服务供应商的新型路由器,该产品以出色的线速分组服务提供了光联网功能。本文将介绍Cisco 7600 OSR在服务供应商市场的一种主要应用--集成式PoP。

集成PoP

一个POP体系结构具有三大功能区:接入汇聚、核心骨干网(包括Internet对等)以及本地服务器群。高层的服务供应商通常在其主要的PoP中部署一个各功能区彼此分立的体系结构,每个功能区各由一套不同的网络设备组成。即接入汇聚区使用一套路由器,核心骨干网使用另一套路由器,本地服务器群使用一套路由器。这种PoP体系结构对拥有大量接入与骨干网连接并计划进行大规模扩展的大型PoP来说非常适用。

但对那些对可扩展性没有太高要求的小型PoP来说,分立式的PoP体系结构也许并不是最经济有效的解决方案,原因是所需支持的连接数量较少,因此为每个功能区配备一套专用的网络设备显得有些浪费。但我们可以为这三个功能区配备一套网络设备,使每个设备同时支持多项功能,从而使设备得到充分利用并提高经济有效性。这种体系结构被称作集成式PoP。

一个具有出色设计的集成式PoP体系结构能够支持各种连接需求。该方案可从一个简单的单机解决方案扩展为一个多机体系,可以灵活地支持各种接口介质与速度,同时保留了保证网络平稳运作及模块化增长的基本体系结构。建立这样一种强大的解决方案的关键是正确选择产品。Cisco 7600 OSR就是一种非常适合构建高效、可扩展和高性能集成式PoP解决方案的独特产品。

本文介绍了一种采用Cisco 7600 OSR构建的集成式PoP体系结构。文章第一部分是Cisco 7600 OSR的配置概述,说明了产品的组成及配置情况,然后文章讨论了Cisco OSR解决方案在集成式PoP中的应用,以及该方案如何在一种系统化的高效互联体系结构基础上从一个单机解决方案扩展为双机和多机方案。最后文章讨论了流量规划以及衡量上行链路方面的原则。本文对这一体系结构进行了详细的技术分析与论证,旨在帮助读者根据其客户的联网要求合理使用体系结构组件与设计技术。

Cisco 7600 OSR配置概述

Cisco 7600 OSR是一种集成式的路由器解决方案,它采用了Catalyst 6500机箱和增强型核心组件,以及一套新的称作光服务模块(OSM)的高性能WAN线卡。以下是对Cisco 7600 OSR系统组件与配置选项的综述。

机箱

共有三种机箱,水平式插槽的6插槽机箱和9插槽机箱,以及垂直式插槽的9插槽机箱。6插槽机箱带有6个水平插槽以及并行的通风道和冗余电源。这些插槽从上到下按1到6的顺序排列。9插槽机箱带有9个水平插槽以及并行的通风道和冗余电源。其插槽从上到下按1到9的顺序排列。另外一咱9个插槽机箱带有9个垂直插槽以及前后通风道和冗余电源。这些插槽从右到左按1到9的顺序排列。在这三种机箱中,插槽1均用于Supervisor Engine 2(SUP2),其它所有的插槽则用于支持所有的线卡。此外,插槽2还可支持一个冗余SUP2,插槽5可支持一个纵横交换结构模块(Crossbar Switch Fabric Module),插槽6可持一个冗余的纵横交换结构模块。

核心组件

  • Supervisor Engine 2(SUP2)是处理器卡,带有两个嵌入式GE交换端口。机箱还支持一个冗余SUP2,而且冗余SUP2上的两个GE端口可以同时运行。
  • Policy Feature Card 2(PFC2)是SUP2上的子卡,它是第三层硬件交换引擎,此外还提供了基于硬件的接入列表检查、QoS分类以及输入控制功能。
  • Multilayer Switch Feature Card 2(MSFC2)是SUP2上的子卡,具有第三层路由与控制功能。MSFC2具有自己的CPU和内存,可以运行路由协议并建立CEF前传表,CEF前传表会被下载到PFC2中。MSFC2不是数据通道的一部分,也就是说它不执行对每个分组的查询。每分组查询由硬件中的PFC2执行。
  • Switch Fabric Module(交换结构模块)是一种纵横交换矩阵,它为机箱上的每个插槽提供了两个8Gbps全双工连接,实现了256Gbps的总交换容量。Switch Fabric Module是一种内部缓冲的非阻碍纵横交换矩阵。机箱支持一个冗余Switch Fabric Module。

光服务模块

这些采用Ciso并行快速转发(PXF)专利技术的高性能固定配置光接口卡专门支持高级线速分组服务,如以目的地为区别的记帐/计费与QoS。PXF IP服务处理器是一个带有4(4 CPU核心阵列的ASIC,可采用并行与管道方式执行每分组服务任务。PXF技术使提供的特性如同在硬件中执行一样,同时通过软件提供了特性升级灵活性。所提供的OSM包括:

  • 8端口OC-3c/STM-1cPOS,带4个GE交换端口
  • 16端口OC-3c/STM-1cPOS1cPOS,带4个GE交换端口
  • 2端口OC-12c/STM-4cPOS,带4个GE交换端口
  • 4端口OC-12c/STM-4cPOS,带4个GE交换端口
  • 1端口OC-48c/STM-16cPOS,带4个GE交换端口
  • 2端口OC-12c/STM-4cATM,带4个GE交换端口
  • 4端口千兆位以太网WAN

其它Cisco 7600 组件

Cisco 7600 OSR支持Catalyst 6000系列的所有现有接口模块,如FlexWAN模块(带两个插槽,用于支持Cisco 7500 /7200路由器系列的两个端口适配器)、10/100以太网模块、GE模块、ATM LANE/MPOA模块以及语音模块。

Cisco 7600 OSR配置说明

以下是关于Cisco 7600 OSR配置与运行方面的基本指南。

  • 带PFC2与MSFC2的SUP2是Cisco 7600 OSR的必备组件,冗余SUP2则是可选的。冗余SUP2上的两个GE交换端口的功能与机箱上任何GE交换端口相同。
  • 纵横交换结构模块是可选的,但我们强烈建议安装这一模块。Cisco 7600 OSR带有两个背板连接--即容量为256Gbps的纵横交换模块以及容量为32Gbps的数据总线。如果没有交换结构模块,则没有纵横结构,所有的线卡将使用总线。有了交换结构模块,结构支持的线卡将使用纵横结构,而非结构支持的线卡将继续使用总线。也就是说,从一个结构支持的线卡到另一个结构支持的线卡的分组将使用纵横结构,而从一个非结构支持的线卡的分组将使用数据总线。目前结构支持的线卡是所有的OSM以及新的16端口结构支持型GE交换模块。WAN端口以及OSM上的GE交换端口均使用纵横结构。SUP2上的两个GE交换端口也使用这一纵横结构。
  • Cisco 7600 OSR上的三种组件带有GE交换端口,即OSM、GE交换模块以及SRP2。OSM上的GE交换端口、SUP2以及新的16端口结构支持型GE交换模块使用纵横结构,而非结构支持型模块上的GE交换端口使用数据总线。不管使用何种背板连接,Cisco 7600 OSR上的所有GE交换端口均是一样的,不管它们是位于SUP2、OSM还是GE交换模块上。GE交换端口是L2端口,通过VLAN支持L3。不管插槽的位置如何,Cisco 7600 OSR上的所有GE交换端口均可一起使用,形成VLAN和千兆位以太通道。
  • 每个OSM均拥有高达6Mpps全双工的基于PXF的性能,可实现QoS等高级分组服务。PXF只为OSM上的WAN端口提供分组服务,包括4端口GE WAN OSM上的4个GE WAN端口,但不包括OSM上的4个GE交换端口。
  • 除PXF服务外,GE WAN端口与GE交换端口之间的另一个主要区别是GE WAN端口是第三层端口,在GE交换端口上不支持桥接(VLAN)等第二层功能。也就是说,Cisco 7600 OSR上的一组GE交换端口可被配置为一个VLAN,但GE WAN端口则不能作为任何VLAN的一部分。OSM WAN端口(包括GE WAN端口)由MSFC2控制并配置,而所有的GE交换端口(不管位于OSM、GE交换模块或SUP2)由SUP2控制和配置。
  • 目前OSM不执行分组交换;所有的分组交换均由PFC2执行。
  • Cisco 7600 OSR的性能取决于使用哪些线卡。如果所有的线卡均为结构支持型,而且有交换结构模块,那么Cisco 7600 OSR的性能容量是30Mpps。如果一个或多个线卡不是结构支持型,那么不管有没有交换结构模块,性能容量均为15Mpps。这些性能数字指的是SUP2/PFC2的分组交换性能。某些GE交换模块(不是本文所列的OSM)支持分布式转发,这样Cisco 7600 OSR的总体性能容量将得到提高。为了简单说明如何测出给定配置的性能要求,下表列出了不同接口的线速PPS。线速PPS指的是一个将接口进行100%加载的给定分组的分组速率。因此这些是"最差"的参考值,因为在实际情况中网络的平均使用率远远低于100%。从表中可看出,30Mpps可以支持带64字节分组的20 GE接口或带256字节分组的66GE接口。
表1
接口 64字节*pkts 线速PPS(单向)128字节*pkts 256字节*pkts
GE 1,488Kpps 844Kpps 453Kpps
POS OC3c/STM-1c 353Kpps 160Kpps 76Kpps
POS OC12c/STM4c 1,413Kpps 640Kpps 306Kpps
POS OC48c/STM-16c 5,651Kpps 2,560Kpps 1,223Kpps
ATM OC3c/STM-1c 177Kpps 118Kpps 59Kpps
ATM OC12c/STM-4c 706Kpps 471Kpps 235Kpps

*分组大小取决于以太网封装。例如,一个64字节以太网帧有46字节的IP有效负载,在封 装进PPP并通过POS传输时则变成一个53字节的分组。该表中的POP PPS反映了这种情况。由于ATM开销的缘故,同样46字节的IP有效负载将变成两个53字节的ATM信元,这就是该表中的STM PPS数量约是64字节分组相应POS PPS数量的一半的原因。

采用Cisco 7600 OSR的集成式POP--单机解决方案

Cisco 7600 OSR及其POS与ATM OSM、FlexWAM模块、GE与FE交换模块可支持所有的WAN连接与LAN交换要求,从而充许通守一个设备建立集成式POP。POS与ATM OSM以OC3与OC12的速率(针对POS OSM最高可达OC48)提供了高带宽、高性能特性以及多功能的连接,可以支持核心骨干网/对等以及接入连通性。GE WAN OSM提供了高性能与多功能GE连接,用于在城区支持裸光纤GE传输。对于低速接入,FlexWAN与Cisco 7000路由器系列的各种WAN端口适配器共同支持速度高达OC3的T3/E3与T1/E1连接(完全的信道与信道化型)以及POS与ATM连接。GE与FE交换模块无需外部交换机即可将本地服务器直接连接到Cisco 7600 OSR。VLAN可按需进行配置。

通过使用Flex WAN(非结构支持型模块),Cisco 7600 OSR的交换容量可达15Mpps。这种性能容量足以支持以上配置,因为Flex WAN模块的存在意味着机箱上的高带宽(如OC-12与GE)接口较少,因此需要较低的总性能容量。一个机箱所需的性能容量可从表1估算得出。例如,15Mpps可支持40多个带有64字节分组的OC3接口,或50个带有256字节分组的OC12接口。

图1表示的是Cisco 7600 OSR在一个单机集成式POP配置中的应用。

表示的是Cisco 7600 OSR在一个单机集成式POP配置中的应用。

采用Cisco 7600 OSR的集成式POP--双机解决方案

同时使用两个Cisco 7600 OSR是提高集成式POP总体容量的自然选择,同时这也能够提,高解决方案的冗余性。根据带宽要求,两个Cisco 7600 OSR可通过一个GE链路或一个千兆以太通道(Gigabit Ether Channel)相连。实现以上连接只需使用OSM上的GE交换端口即可,无需另外购买接口模块。

两个路由器均支持骨干网和对等连接,以及接入连接与本地服务器。这是集成式POP的一个特点,即所有的路由器执行同一套功能。在前面的配置概述一节中已提到,在使用非结构支持型模块时(如Flex WAN),Cisco 7600 OSR的交换容量为15Mpps,如果机箱中只使用结构支持型模块,则交换容量为30Mpps。因此,为了使另外一个路由器具有30Mpps的交换容量以支持更多的高带宽连接,可以只在一个路由器中使用非结构支持型模块。

两个Cisco 7600 OSR之间本地服务器的分配可通过跨越两个路由器的单个VLAN进行,每个路由器与所有服务器中的一半相连接。为了提高可用性,每个服务器可通过两个VLAN(每个路由器一个)或HSRP双归到两个路由器。

图2表示了两个Cisco 7600 OSR在一个双机集成式POP配置中的应用。

表示了两个Cisco 7600 OSR在一个双机集成式POP配置中的应用。

采用Cisco 7600 OSR的集成式POP--多机解决方案

本文描述的集成式POP体系结构可随着POP规模的逐渐扩大轻松扩展为多个Cisco 7600 OSR的配置。每个路由器仍将终结接入与骨干网/对等连接,并与本地服务器相连。如同双机解决方案一节中所述,在只配有结构支持型模块时,Cisco 7600 OSR的交换容量较高。因此,建议只在一个或少数几个路由器上配备FlexWAN模块,这样其它路由器就会获得更多的交换容量,以支持更多的高带宽(GE、OC12以及更高速度)接口。

采用Cisco 7600 OSR的集成式POP--多机解决方案 在多机集成式POP解决方案中,为了实现高性能、可扩展性、运作效率与模块化增长,必须用一个系统化的高效体系结构将这些路由器相互连接起来。图3表示了在Cisco 7600 OSR的OSM上使用了GE交换端口的互联体系结构。前两个Cisco 7600 OSR(即A与B)将作为两个VLSN的基础(图3中带实线的VLSN-A和带虚线的VLSN-B)。其它的Cisco 7600 OSR相第之间最多只相隔两个交换跳转的距离,即使两个基础OSR中有一个失效也是如此。每个有效GE链路至少与其所连接路由器中的一个互相传输流量,因此不会将带宽浪费在纯发送流量的传输上。在为了优化系统资源利用率而进行的高性价比设计中,这是一个重要因素。由于通过两个VLAN将由器互相连接在一起,POP内的流量(如从路由器C到路由器D的流量)可在A路径(图3中的实线)与路径B(图3中的虚线)之间实现负载均衡,从而使这一配置中不会出现闲置链路。

为了优化性能,可在基础路由器A和B上采用带有分布式转发卡的新GE模块,以支持互联VLAN,而且两个基础路由器不应该配备FlexWAN。如想获得更多的互联带宽,可以用千兆位以太通道代替GE链路。

本地服务器可通过与多个路由器连接的一个或更多的VLAN(根据需要)分配给各个Cisco 7600 OSR。为了提高可用性,每个服务器可通过独立的VLAN(每个路由器上一个)或HSRP双归(或多归)到两个或多个路由器。也可以在每个路由器上采用服务器负载均衡功能,这样可以向直接连接的服务器发送尽可能多的流量,从而减少了POP中的路由器内流量,使性能得到优化。

集成式POP中的流量规划

集成式POP中的每个路由器均执行多种功能,其中一个是接入汇聚。在有接入汇聚功能时,就会有"上行链路",而有了上行链路,就会出现超额使用的问题。上行链路包括POP间链路(每个路由器上的骨干网/对等连接)以及POP内链路(集成式POP中从每个路由器到其它路由器的GE交换链路)。

超额使用是指使上行链路带宽总量低于接入带宽总量,以降低总体网络成本。这样做的前提是接入链路未得到100%的充分利用,因此总上行链路带宽会低于总接入带宽。例如,如果总接入带宽为10Gbps,平均使用率为50%,那么需要5Gbps的上行链路带宽。5Gbps的上行链路带宽被来自10Gbps总接入带宽的流量完全占用。

超额使用方面的一个常见错误是双重超额使用。如果被汇聚的接入链路中有一些已经是下游的上行链路,那么这些"中间上行链路"就不应再被超额使用。原因很简单,因为这些"中间上行链路"已被来自下游的接入流量超额使用,因此拥有很高的负载。

衡量上链路负载大小的第一步是了解有多少接入带宽正被汇聚。表2显示了每个OSM的总接口带宽,其中只把WAN端口考虑在内(OSM上的GE交换端口不被考虑在内)。例如,一个16端口OC3 POS OSM有16(0.155Gbps=2.5Gbps。如果将一个Cisco 7600 OSR上所有OSM的每OSM WAM带宽加起来就会得出需要进上行链接的接入带宽总量。例如,一个带4个16端口OC3 POS OSM的机箱将拥有10Gbps的总接入带宽。在没有超额使用的情况下,需要10Gbps的总上行链路逞宽。如果超额使用率为2:1那么需要5Gbps的总上行链路带宽;超额使用率为4:1时,需要2.5Gbps的总上行链路带宽。要确定合适的超额使用率,必须了解接入流量负载特点,同时查看是否有任何接入电路是下游的上行链路也很重要。流量模式不时会变,因此监控信息流数量在网络运作中是一项重要的任务。

表2
光服务模块 总WAN接口BW*(约计)
8端口OC3c/STM-1cPOS 1.25Gbps
16端口OC3c/STM-1cPOS 2.5GObps
2端口OC12c/STM-4cPOS 1.25OGbps
4端口OC12c/STM-4cPOS 2.5OGbps
1端口OC48c/STM-16cPOS 2.50Gbps
2端口OC12c/STM-4cATM 1.00Gbps
4端口GE WAN 4.00Gbps

*为了简单起见,次处带宽是象征性的接口带宽,不包括全双工,因为接入链路与上行链路均为全双工。对ATM接口来说,计算ATM信元开销时将20%的调整率考虑在内。

在本文描述的集成式POP中,每个路由器均有一套需汇聚的接入链路,上行链路由POP间链路(骨干网/对等连接)与POP内链路(POP中与其它路由器相连的GE交换链路)组成。对上行链路进行大小衡量时需衡量对等/骨干网连接以及GE交换链路。为了方便以后的说明,我们用(表示集成式POP中所有路由器上的骨干网/对等带宽。如果对流量模式没有任何了解,我们一般会认为从某个接入链路进入POP的分组很有可能会到达POP中的任何一个骨干网/对等链路(取决于这些骨干网/对等链路的相对带宽)。根据这种假设,来自某个路由器的接入流量的x/y将使用其POP间骨干网/对竺链路,剩余的(1-x/y)接入流量使用POP内GE交换链路,以到达其骨干网/对等链路的其它路径。

以上的假设与评估并未考虑POP所有接入链路的本地流量以及本地服务器和高速缓存引擎在降低POP间流量方面所起的作用。如果某一比率的流量被认为是本地(POP内),那么在对上行链路进行大小衡量时,这些流量应与其它的POP间流量分开处理。因此,对骨干网/对等连接的衡量是根据POP向流量进行的,而对POP内GE链路的衡量是根据POP间以及POP内流量进行的。在确定POP中每个路由器所需的上行链路带宽时也相应地考虑超额使用因素与冗余性。

这一体系结构中的POP内GE链路在OSM上使用了GE交换端口,因此我们必须确保每种机箱配置中有足够数量的GE交换端口,以支持GE上行链路。从表2可以很容易看出,POS与ATM OSM有足够的用于上行链路的GE交换端口,而4端口GE WAN OSM没有GE交换端口。适当组合的OSM应拥有足够的POS与ATM OSM GE交换端口,以便满足上行链路对GE WAN的要求,并提供GE服务器群连通性。例如,配有5个4端口GE WAN OSM及4个16端口OC3 POS OSM的Cisco 7600 OSR拥有30Gbps的总接入带宽。假设超额使用率为2:1,需要15GE上行链路,那么4个POS OSM的16个GE交换端口完全能满足上述要求。如果需要更多的GE交换端口,可在Cisco 7590 OSR中增加16端口的GE交换模块。如果某种配置中有大量的GE交换端口,那么POP内GE链路上超额使用的压力就会降低。这是Cisco 7600 OSR解决方案的一大优点。

总结

Cisco 7600 OSR是面向集成式POP的一种理想解决方案。它通过一种简单、可扩展的体系结构支持接入汇聚、核心骨干网/对等以及本地服务器群连接。本文介绍了集成式POP的体系结构与设计原则。该体系结构运用Cisco 7600 OSR的独特功能与特性提供了一种高效、可扩展的高性能解决方案。Cisco 7600 OSR还非常适用于另一种服务供应商解决方案,即城域网汇聚,这种方案将在另一份白皮书中介绍。

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