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2021/4/1 17:06

华为骨干路由器集群系统架构设计创新之路

厂商供稿  

十四五规划和2035年远景目标纲要提及“创新”161次,“创新”成为高频词。创新驱动发展已经成为国家战略,是科技强国的根基。创新也是华为发展的根本,华为将每年10%以上的销售收入投入到研发,为公司的早期发展注入了强大的创新动力,创新成果得到业界的高度认可。华为NetEngine 5000E骨干路由器集群系统的架构设计,是众多创新成果的典型代表。

1999年,当时正处于从64K拨号上网过渡到1M ADSL宽带上网之际,业界最先进路由器最大可以支持40G带宽,大家觉得已足够今后使用了。华为却提出要研发带宽达160G,还可以通过堆叠级联方式,线性扩大路由器容量的架构设计。到2014年,由于缺乏前瞻性的架构设计,业界知名的骨干路由器厂家逐渐退出历史舞台。得益于先进架构设计,华为骨干路由器的带宽容量可以平滑演进,满足数据流量爆炸性增长的需求,而成为业界骨干路由器架构设计的主流方向。

2020年新冠疫情爆发,居家隔离的生活及工作方式使网络流量暴增,这需要仰仗互联网数据调度和转发的顶层“交通枢纽”——骨干路由器。一个14亿人口大国的互联网骨干网,因为部署了华为NetEngine 5000E骨干路由器,在疫情期间得以稳定应对超大数据洪流,不禁让人好奇,架构设计需要多先进、吞吐量要多大、性能和可靠性要多高,才能完成这样的“Mission Impossible”呢?

眼界决定格局

时间回到1998年,其时华为正在研发一款路由器NE08,想通过增加设备的槽位数扩大设备的带宽能力,但这款小路由器最多只能支持6个槽位、共享1G带宽的架构。为了突破这个难题,时任项目经理邓抄军想到了通过交换式总线代替共享式总线的方法,可以大量增加槽位,让带宽线性增长。

方向有了,还得能实现,接下来就面临两个难题:第一,要在PCB印刷电路板上传输高速的数据信号;第二,要有一个支持大容量高速数据交换的芯片。公司将这个研发项目取名代号1011,由此掀开了华为骨干路由器研发的大幕。在1011项目之前,传统共享式总线信号在印刷电路板上跑得很慢,传输速度很难突破33Mbps,研发人员想到是否可以在印刷电路板上使用差分信号,在当时,还没有厂家做过类似的验证,这算是业界首创了。实验的结果令研发人员喜出望外,传输速率竟达到了1.25Gbps!首先运用这项技术的是另一款ATM交换产品Radium 8750,当时这款产品的研发工作也是受制于传统传输信号不稳定而濒临失败,而这项在NE08产品研发过程中冒出来的idea,恰似仙女挥舞了魔法棒,让8750产品起死回生,成为业界第一个用高速信号传输的印刷电路板做系统开发的产品。

千禧年作为互联网发展的一个关键阶段,随着上网的人越来越多,业界普遍认识到数据流量带宽的增长趋势。中国10几亿人口, 即使50%中国人上网,数据流量就非常巨大了。尽管这一点成为共识,但并没有人能想到今后将需要设备支持100G、400G、T级这么巨大的带宽容量——当时,思科的单机容量最大可以支持40G 带宽, 用户觉得已经足够用了。然而华为基于对中国人口国情和对行业发展趋势的分析,希望提前进行技术布局,不惧做前无古人之事:研发一颗带宽达160G 的高速交换芯片, 并且同步开展堆叠级联式路由器架构的研究,以应对未来容量进一步扩大的需求。“不管以后用不用得上,都先做起来”,这是当时华为高层对1011项目的坚定信念。大容量高速数据交换芯片的研发几经波折,在2002年研发成功,是对其时业界主流技术的革新,对华为骨干路由器集群系统的开发具有里程碑的意义。

首先,它开创了未来大容量骨干路由器集群系统将采用宽带多机框级联的技术发展方向,避免带宽容量的增长被传统级联方式束缚了手脚。研发人员非常重视这些研究成果,将多机框级联的大容量集群方案申请了专利【1】,在中国和美国都获得授权,成为一项业界首创。该发明为华为骨干路由器支持大带宽演进的发展打下了坚实基础。后来的行业发展也证实了基于传统单机架构的骨干路由器,由于难以满足流量带宽增长需求,逐步退出了历史舞台。

其次,1011项目确立了大容量骨干路由器的硬件架构,用性能更优的上下行对称的数据流处理架构,取代了当时业界主流的上下行不对称架构。上下行对称的处理架构通过软件提升数据传输的服务质量QoS,同时具有性能更强、功耗更低、容易扩展等优点,至此,1011 项目把骨干路由器需要解决的几大技术难题,包括多机框级联方式、硬件架构和高速交换网芯片,都已基本解决。

从平凡到不平凡之路

2003年,华为正式启动骨干路由器产品开发,2006年,华为发布了业界第一款40G平台背靠背骨干路由器NetEngine 5000E。该方案为华为首创,只需通过光纤就可以直接将两个单机连接成为一个容量扩大一倍的系统,快速高效地满足了运营商容量扩展的需求。2008年,华为将NetEngine 5000E从40G平台的背靠背升级到100G平台的2+8(2个中央框+8个业务机框)。每个业务框需要通过1000多芯光纤与中央交换框互连,8个业务框就有约10000芯光纤需要连接,连接非常复杂,且可维护性差。为了解决这个问题,创新地将可灵活插拔的AOC光纤带引入到骨干路由器集群系统框间互联系统中,每根光纤带集成2个CXP光模块及24芯光纤,这样每个业务框只需要约50根光纤带就可以跟中央交换网之间的互联,大大简化了多机框的光纤连接,提升了安装维护效率,也极大提高了系统的可靠性。基于中国人口大国的国情,华为把握了大容量需求的发展趋势,结合对骨干路由器业务特点的深刻理解,前瞻性地设计出了平滑演进的产品架构。2013年,骨干路由器NetEngine 5000E又从100G升级到400G,支持2+8集群,产品性能保持业界领先。此后,又相继升级到800G,在2019年达到1.6T,持续引领业界发展。

除了先进架构和超强的数据处理能力外,骨干路由器集群系统还必须具备超强的纠错容错和自愈功能,提升全网业务可靠性。因此,华为的骨干路由器集群系统里还注入了高可靠性防御系统,代码占据整机代码量的80%。华为骨干路由器集群系统第一次在中国电信测试时,光测试设备就测了一个月,光纤一根一根拔,拔到最后一根流量仍不断;交换网板一块一块拆,拆到最后一块单板流量还不断。满流量测试72小时0丢包,不管怎么折腾、测试,都不出问题,华为骨干路由器集群系统经受住了严苛的测试,高稳定性能让客户大为震惊。

华为从1998年开始骨干路由器技术预研,到2013年产品性能业界领先,十五年时间过去了。华为持续研发投入,在系统架构、芯片、可靠性、整机工艺等方面持续创新,创造了多个业界第一:业界第一个将高速交换网应用到路由器产品设计(1999年)、首个推出背靠背集群解决方案(2006年)、率先推出400G(2013年)、800G(2016年)和1.6T(2019年)骨干路由器,不断突破极限,持续引领IP网络“交通枢纽”骨干路由器集群系统发展。

1 华为骨干路由器集群系统架构专利举例

CN1120599C 可平滑扩容的数据通信系统

US7936776B2 SMOOTH CAPACITY EXPANSION METHOD AND SYSTEM FOR DATA COMMUNICATION PRODUCTS

US7602804B2 SMOOTH CAPACITY EXPANSION METHOD AND SYSTEM FOR DATA COMMUNICATION PRODUCTS

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