“新一代互联网路由与交换理论”课题的一个主要目标是基于网络单元，建立新一代信息路由交换模型。该模型充分考虑互联网络体系结构多维可扩展这一基本的科学问题，为建立支持规模、功能、性能、服务和安全可扩展的网络单元模型提供理论基础。在此基础上建立适合多维可扩展网络体系结构的网络单元体系结构，并提出高性能的IPv6分组分类、转发、调度算法。本课题是整个项目中不可缺少的重要组成部分。

　　本课题提出了一种可扩展的开放路由器体系结构。在该体系结构下，提出了控制平面的BGP协议并行处理模型以及转发平面的一种新型交换结构。

　　提出了一种可扩展的开放路由器体系结构

　　路由器体系结构如何适应链路速度的快速增长和网络应用发展的需求，成为网络领域的研究热点。本课题提出了一种开放路由器体系结构OpenRouter、异构型集群路由器以及网络层次化协同模型，以应对路由器在控制开放性、功能可扩展性、规模可伸缩性、系统可用性等方面的挑战。

　　基于开放可编程网络设计思想的 “转发单元与控制单元分离结构”ForCES(Forwarding and Control Elements Separation)，作为新一代路由器体系结构设计方法，为本课题研究提供了新思路。

　　本课题从规模、性能、控制、服务和应用感知等多维开放可扩展的理念出发，提出一种结构灵活、开放可扩展的通用路由器体系结构—OpenRouter。OpenRouter将路由器分为转发实体和控制实体，其中控制实体进一步垂直划分为控制服务层和操作服务层。OpenRouter开放性来源于控制实体与转发实体之间，控制服务层与操作服务层之间，控制服务层与外部应用之间定义的三个层次的开放可编程接口。OpenRouter内部存在两个层次的协同：转发单元协同和控制单元协同。多个控制实体之间以及多个转发实体之间的对等层协同机制是OpenRouter中体现规模可扩展性的关键，也是OpenRouter集群特性的体现，通过多个实体的协同能够实现集群的单一映像和分布处理。OpenRouer能支持路由器控制协议在多控制实体间分布并行处理、多控制实体间的协同和冗余备份，以及由多个转发实体构成的转发集群功能。

　　为了验证OpenRouter可行性、可用性和可扩展性等，本课题设计实现了基于OpenRouter软件集群路由器SCR(Software Clustering Router)。SCR是通过多台通用PC机互连组成的“单映像”集群路由器，实现了分布控制与集群转发的有机结合，提高了系统功能和性能的可扩展性。

　　HCR异构型集群路由器

　　本课题进一步将路由器控制平面协同与转发平面协同的思想应用于集群路由器设计，提出异构型集群路由器HCR（Heterogeneous Cluster-based Router）。如图1所示，HCR是一种全新的集群路由器体系结构，每个组成节点都是可独立运行的常规路由器。已有的同构型集群路由器结构在扩展灵活性和实现代价等方面存在局限性，使得以常规路由器作为节点组成的HCR具有了广阔的发展空间。

　　“异构”是指相对于同构型集群路由器而言，组成HCR的节点可以来自不同厂商，可以是不同类型的路由器。在物理上，多个异构路由器可以根据应用需求灵活确定连接拓扑，采用开放的标准接口进行互连；在逻辑上，每个路由器都是HCR集群路由器中的一个节点，通过运行开放的标准路由器集群协议RCP（Router Clustering Protocol）协调各节点的处理流程，共同组合成“单映像”异构型集群路由器。

　　RCP协议对于构建HCR集群路由器具有非常重要的作用，在转发平面上，多个异构节点通过RCP协议的标准化接口及通信协议进行互连，并通过交互流控和拥塞信息协调各交换网络的交换策略及行为，将多个交换网络融合为一个整体的交换网络；在控制平面上，各异构节点通过RCP协议交互拓扑信息，形成统一的集群路由器管理视图和设备视图，并完成协同路由计算和协议处理、同步转发表等功能。

　　网络层次化协同模型HCM

　　针对网络管理功能弱和控制复杂的问题，本课题继续深化与拓宽路由器控制平面协同思想，提出网络层次化协同模型HCM(Hierarchical Coordination Model)，以增强网络控制平面协同能力。

　　通过分析网络数据平面和控制平面协议机制，确立以按需聚合、自主协同为HCM设计思想。网络节点根据相互关系通过实体聚合形成域，域内相互信任，共享网络拓扑和流量等信息，允许任务分布协同执行。域控制器作为域内成员代表对域内信息汇聚，然后通过与其他域控制器交换数据实现域间信息共享。

　　HCM成功地应用于真实IP地址访问体系结构中，有效地防止源IP地址欺骗。域的边界节点对从该域发出的报文用与报文目的域对应的连接标识进行标记，目的域边界节点根据报文标识和源域的相关信息对报文源IP地址有效性进行验证。域的边界节点验证了进入报文的源IP地址有效性，域内节点互相信任，则无需重复验证。

　　应用HCM有利于域内和域间信息共享，增强网络控制平面能力，同时能够实现任务分布式协同处理，简化域内节点处理流程。HCM能够满足更广范围的网络控制功能需求，对路由器的可扩展性提供更为广泛的支持。

　　建立了BGP协议并行处理体系结构

　　Internet规模的迅速扩张以及可扩展路由器的快速发展使得传统路由协议软件结构无法满足计算资源、存储资源以及系统可靠性等多方面的需求，而BGP协议作为Internet基础设施的核心，矛盾尤为突出。

　　现有集群路由器中BGP协议的实现仍然沿用单进程或者单线程方式，没有真正实现软件意义上的可扩展性。为了充分利用集群路由器的分布式计算资源，本课题提出了一种全新的基于邻居会话的BGP协议并行处理体系结构。

　　该体系结构实现了BGP协议并行处理模型和路由存储、计算任务的划分方法。如图2所示，BGP协议并行处理模型由BGP实体集合及C-BGP协议两部分组成。其中BGP实体作为模型的基本功能模块，可以驻留在集群路由器各个路由节点的控制平面上，执行路由更新计算和路由信息存储任务。C-BGP协议提供了BGP实体间的同步和通讯接口。根据多BGP实体的分布式特点，以BGP邻居会话为基本划分单元，将邻居会话分配到多个BGP实体上并行执行，充分利用集群路由器多处理器的计算资源来加速BGP协议运行。该模型在系统可靠性、降低管理维护成本、提高协议可扩展性、简化BGP网络设计等方面具有很大优势，并解决了传统路由协议存在的单点失效问题，降低了路由器故障对Internet域间路由稳定性的冲击。

　　课题还利用随机回报Petri网作为性能分析工具，分析BGP协议的路由更新处理过程，建立了能够反映路由更新报文负载和协议配置情况对协议处理性能影响的BGP协议性能模型，也为BGP协议并行实现问题的研究提供了分析、评价的基础。

　　对BGP并行处理模型的性能评价表明，并行处理模型支持的BGP邻居会话数量，可以随着集群路由器规模的扩展而迅速增加，并能够有效地降低对每个节点控制平面计算资源的消耗。BGP协议体系结构的提出，提高了BGP协议的性能可扩展性和支持邻居会话规模的可扩展性，对简化BGP网络设计，降低BGP网络的管理维护成本也有重要意义。

　　建立了一种可扩展的交换设备模型

　　Internet链路速率和IP前缀数目的不断增长，对路由器的转发交换能力提出了严峻挑战。

　　从研究趋势来看，交换技术已经成为决定路由器性能的核心技术。目前高速交换技术均采用精确转发、集中式交换的体系结构，即首先由转发部件对报文进行精确查表确定其转发决策，然后由集中式的交换网络将报文交换至目的端口。在这种交换结构中，转发部件难以满足大规模路由转发表的存储需求和线速查表的速度需求，而集中式的交换网络难以满足端口速率和端口数目的需求。

　　由于存储器和逻辑部件的发展速度远远落后于链路速率的增长速度，仅仅依靠器件工艺水平进步或者改进转发查表算法和交换算法，已经难以满足未来路由器设计的需要，必须要从路由器的整体体系结构方面寻求创新和突破。

　　本课题研究提出了一种FIS（Forwarding in Switch）新型交换结构，在交换的同时执行查表操作。如图3所示，FIS交换部件由多个结点构成，每个结点都是独立的具有一定转发和交换能力的功能模块，我们称之为转发交换结点FSN（Forwarding and Switching Node）。每个FSN结点仅存储转发表的一部分，完成报文的部分转发操作，直至出口结点才能得到报文的最终转发决策；多个FSN结点组成多级流水线结构，对报文交换执行流水操作。FIS交换结构通过开发转发和交换操作的并行度，以流水的方式执行报文转发和交换，提高路由器的整体转发和交换能力。

　　FIS交换结构将原有路由器转发平面由3部分（交换网络、转发引擎和线卡）变成2部分（转发交换部件和线卡），大大降低了路由器硬件复杂度。FSN结点直接对变长报文进行交换，消除了对报文的分割和重组操作；报文调度过程简单，消除了系统加速的必要性。FIS流水线的深度、资源复用度（每一级FSN结点的个数）、FSN结点端口数目均可自由配置，因而具有很好的灵活度和可扩展性。在该体系结构下，目前制约高性能路由器性能提升的存储器带宽，TCAM容量，crossbar矩阵复杂度等问题都将得以解决。

　　FIS交换结构缓解了高链路速率和大容量转发表在路由器体系结构设计中的矛盾，对研制具有线速转发能力和大容量交换能力的下一代高性能核心路由器具有重要意义。