什么是集群路由器 集群路由器产生的原因
1.集群路由器产生的原因
集群就是当一个人/物解决不了时，必须集中一群人/物协同工作，集群的概念应用在许多领域。
集群路由技术的产生，主要有两个直接的原因：
首先，单机容量逐步发展到极限;
其次，超级节点的产生使得网络结构越趋复杂，运维管理难度加大。
(1)单机容量到达极限
近年来，路由器技术发展很快，容量有了大幅度的提升，具体表现为槽位数量的增多、每槽交换能力的提升以及板卡端口密度的不断提高。设备厂商每年推出的新路由器，都是朝着这个方向发展。单槽位处理能力从原有40g、100g到400g，目前主流的厂商均支持单槽位1t。
对于核心层路由器来说，除了具备快速转发的能力、高安全稳定性之外，更重要的是，容量足够大、可扩展强。然而，互联网流量的发展都是远远超过设备容量更新的速度。互联网流量每12个月增长1倍，而路由器的容量每18个月才增长1倍。对于单台路由器来说，其扩展是有一定限制的，需考虑光器件的发展成熟度，以及电源、散热、机房承重等方面，而且也无法超越流量增长的摩尔定律。目前单台路由器的开发技术已经逐步发展到极限，路由器的发展需寻求一个新的出路。
(2)网络结构越趋复杂
由于单台路由器的容量扩展性有限，因此，近年来不断提出了其他方案来缓解设备压力。主要有以下两种：
网络层次分布式，即部署多个网络层次，通过逐层汇聚，减轻设备压力。
节点内部署多台设备，即增加节点内设备数量，通过负载分担的方式减轻设备压力。
两者都是在单台路由器不能继续扩展的情况下，通过改变网络结构来适应流量的增长，主要差别在于网络分别在纵向和横向进行扩展。这两种方法都在一定程度上缓解了单台设备容量有限的局面，但随之而来的却是网络复杂度以及内部互联端口的增加。众所周知，内部端口是不产生实际经济效益的，相反还会增加不少投资。而网络结构的日趋复杂，也增加了运维部门的管理难度，同时也产生了多台路由器之间如何均衡流量的问题。超级节点就是这样诞生的，即一个城市同时存在多个网络层次，而每个网络层次都有多台设备(如图2所示)，网络连接的复杂程度可想而知。因此，此方案只是目前路由器容量无法继续扩展的替代方案，是暂时性的，互联网网络流量的飞速增长，新兴应用的不断呈现，都在呼唤容量更高，更具扩展性路由器-集群路由器。
2 集群路由器技术概述：
集群路由器：又称路由器矩阵或多机框互联(multi-chasis)，即通过采用并行交换技术(pps)，将两台或两台以上的普通核心路由器通过某种方式连接，共同组成一个多级多平面的交换矩阵系统，使其能够协同工作，并且对外只表现为一台逻辑路由器，从而突破单机箱在交换容量、功耗、散热等方面的限制，平滑扩展为更大容量的路由交换系统。
集群路由器根据组合方式不同，分别对应背对背和n(交换框)拖m(用户框)两种。背对背即是将两台路由器单机直接互联，无需通过交换矩阵。这种方法扩展性较差，属于过渡期的暂代方案。n拖m是指将m台路由器单机通过1台或n台交换矩阵机箱互联。集群系统内各台设备之间采用专门的光纤束进行互连。这种方式扩展性较好，是目前路由器集群技术的主流方式，也是未来的发展方向。用户框可作为一个独立系统运行， 独立运行的用户框即单机系统;多个用户框通过交换框级联形成一个逻辑上的系统，对外体现为单台路由器设备，逻辑系统中的用户框、交换框及级联部件统称为集群系统。
交换框级联，可行的配置方式包括但不限于：1+4(1个交换框和最多4个用户框), 2+8(2个交换框和最多8个用户框), 4+16(4个交换框和最多16个用户框)，16+64(16个交换框和最多64个用户框)等，集群路由器要求可以根据需要配置交换框和用户框数量，如实现2+4的产品形态，即2个交换框和4个用户框，用户框的数量根据用户的需要配置。上图所示为1+4产品形态的示意图，一个交换机框跟4 个用户框连接，用户框和交换机框之间通过级联专用接口实现数据平面和控制平面的级联。
3. 集群技术的交换机制
交换是路由器的核心，直接决定了整个系统的主要性能。在引入交换方式之前，路由器大多采用共享总线的分布式处理技术。共享总线的实现比较简单，但由于不能避免产生内部冲突，使得高速率总线的设计受到限制，难度也越来越大。交换技术借鉴了atm交换机的各种优势，很好地解决了共享总线的不足。一直以来，设备厂商和运用商都在研究和寻求更有效率的交换方案，以解决交换过程中的阻塞问题。
交换结构又分为单级交换和多级交换两种。
3.1 单级交换
目前使用较多的单级交换结构有共享内存和crossbar两种。
共享内存结构通过共享输入和输出端口存储器件，减少了对总体存储空间的需求。分组交换通过指针调度实现，提高了交换容量。共享内存结构相对简单，交换效率可根据需求不断优化。共享内存交换结构的交换性能取决于共享内存的存取速率，可扩展性较差，尤其当板卡端口数量较多时，交换效率有所下降。另外，并且共享内存的稳定一般，也直接影响了整个交换体系。
crossbar是一种严格的非阻塞交换结构，输入输出之间可建立多条通路。crossbar交换结构又分为集中式(输入>输出)、扩展式(输入=2n-1，其中m是第二级的交换单元数，n是***级单元的入线数和第三级单元的出线数。典型的clos结构有3级。
clos的优点在于网络结构清晰，传输时延较低。但是，为了增加容量和降低阻塞，需大量上调m和n的数量，将导致技术成本和实现复杂度的增加。clos适合于在大型网络设计中使用，通过使用较小的交换结构简化网络层次，另外可大大减少构建无阻塞交换结构所需要的交叉点，降低构建大型交换网络的成本。
除了思科外的厂家如hw、zte、juniper均采用的clos交换网络做数据平面的集群。
4.集成路由器部署带来的好处
路由器集群技术通过集中化、一体化的控制管理，使集群系统各台路由器单机之间能够很好地协同工作，极大的扩展了路由器的容量，从而突破了单机在开发技术工艺上的限制。在成本方面，由于集群系统中各台路由器通过高速光纤互连，节省了额外的内部互联端口，大大减少了投资。更为重要的是，由于集群路由器对外仅体现为一台路由器，使得网络拓扑和路由策略变得简单和清晰，维护也更加方便快捷。
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(1)单机容量到达极限
近年来，路由器技术发展很快，容量有了大幅度的提升，具体表现为槽位数量的增多、每槽交换能力的提升以及板卡端口密度的不断提高。设备厂商每年推出的新路由器，都是朝着这个方向发展。单槽位处理能力从原有40g、100g到400g，目前主流的厂商均支持单槽位1t。
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(2)网络结构越趋复杂
由于单台路由器的容量扩展性有限，因此，近年来不断提出了其他方案来缓解设备压力。主要有以下两种：
网络层次分布式，即部署多个网络层次，通过逐层汇聚，减轻设备压力。
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两者都是在单台路由器不能继续扩展的情况下，通过改变网络结构来适应流量的增长，主要差别在于网络分别在纵向和横向进行扩展。这两种方法都在一定程度上缓解了单台设备容量有限的局面，但随之而来的却是网络复杂度以及内部互联端口的增加。众所周知，内部端口是不产生实际经济效益的，相反还会增加不少投资。而网络结构的日趋复杂，也增加了运维部门的管理难度，同时也产生了多台路由器之间如何均衡流量的问题。超级节点就是这样诞生的，即一个城市同时存在多个网络层次，而每个网络层次都有多台设备(如图2所示)，网络连接的复杂程度可想而知。因此，此方案只是目前路由器容量无法继续扩展的替代方案，是暂时性的，互联网网络流量的飞速增长，新兴应用的不断呈现，都在呼唤容量更高，更具扩展性路由器-集群路由器。
2 集群路由器技术概述：
集群路由器：又称路由器矩阵或多机框互联(multi-chasis)，即通过采用并行交换技术(pps)，将两台或两台以上的普通核心路由器通过某种方式连接，共同组成一个多级多平面的交换矩阵系统，使其能够协同工作，并且对外只表现为一台逻辑路由器，从而突破单机箱在交换容量、功耗、散热等方面的限制，平滑扩展为更大容量的路由交换系统。
集群路由器根据组合方式不同，分别对应背对背和n(交换框)拖m(用户框)两种。背对背即是将两台路由器单机直接互联，无需通过交换矩阵。这种方法扩展性较差，属于过渡期的暂代方案。n拖m是指将m台路由器单机通过1台或n台交换矩阵机箱互联。集群系统内各台设备之间采用专门的光纤束进行互连。这种方式扩展性较好，是目前路由器集群技术的主流方式，也是未来的发展方向。用户框可作为一个独立系统运行， 独立运行的用户框即单机系统;多个用户框通过交换框级联形成一个逻辑上的系统，对外体现为单台路由器设备，逻辑系统中的用户框、交换框及级联部件统称为集群系统。
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