路由器需要多大内存？

作者 黄 岩 | 2008-12-16 15:34

 

计算机需要多大内存？当然是越大越好了，这是用户的想法。但是计算机的设计者则必须在成本、实现难度、和取悦客户等几个因素之间进行折中，选取一个最佳平衡点。对计算机来说，其主要依据是产品的市场定位，高端商务PC至少配2G内存，低端学生机配256M就够了。如果用256M RAM的学生机来作复杂的大规模FPGA仿真，可能会发现硬盘的灯一直是亮的，这说明内存已经不够用了，操作系统正在不停的在内存和硬盘之间兑换数据，用大容量的低速硬盘来弥补内存太小的不足，但是代价是计算时间延长了很多倍。路由器是不是也向PC一样，主要依据售价来决定内存配置的大小呢？会不会也是内存越大越好呢？路由器的设计者依据哪些因素来决定内存配置的大小？一般来说，路由器的内存主要用于一下这些方面：

（1）用于存储路由器软件指令和静态数据，路由器跟PC不同，PC是只把当前运行的程序装到RAM中，但多数路由器都是一开机就把全部程序都装到RAM中，一般来说，路由器的程序也不大（几兆到几十兆）；（注：此处主要指控制平面的程序，也就是Cisco和Juniper的路由引擎）

（2）用于存储动态数据，例如：路由表、OSPF的链路状态数据库等。假如某路由器需要支持最多10万条路由，按照每条路由256字节计算，那么大约需要200M左右内存。

（3）用于缓冲数据报文，路由器的工作原理是存储转发。极端情况下，路由器的每个接口，至少需要缓冲一个报文，否则路由器根本不能工作。下面重点讨论这个问题。

一般来说，路由器配置的报文缓冲区都不止一个报文。因为这样也就意味着当有新报文到达的时候，如果前面一个报文正在发送，这个报文缓冲区尚未处于空闲状态，那么新的报文势必将会被丢掉。等前面一个报文发送完了，链路处于空闲状态，但是由于刚才报文已经被丢掉了，也无法利用链路空闲状态。如果被丢掉的报文是TCP报文，那么主机势必将重传这个报文（在该路由器前面的一段线路上传输两次同样的报文），并缩小自己的发送窗口，降低了TCP连接的速率。

也就是说，如果接口的报文缓冲区太小，将导致丢包率高，数据链路利用率低，TCP传输效率低。那么是不是报文缓冲区越大越好呢？也不是，因为报文缓冲区大到一定程度，就不能继续提高数据链路利用率和降低丢包率了。如果这台路由器处于拥塞状态，接收报文的速率远远大于接口的发送带宽，无论多大的报文缓冲区都会被填满，而报文缓冲区大了，那么也就意味着拥塞状态的时候，报文的转发延迟时间会很长。延迟时间太长的报文，对于接收方来说，已经没有意义了。以TCP连接为例，当报文大于发送方的重传时间的时候，发送方就会重传该报文，也就是说，大于TCP的重传时间的到达的报文，是没有意义的。对VoIP等应用来说，对网络延时更加敏感。

一般来说，路由器的接口缓冲区的大小有一个经验法则（rule-of-thumb）：B = C * RTT，C是链路速率，RTT是平均报文往返之间。至于这个经验法则源自哪里，我没有认真考证。但这个经验法则的主要依据是最大化TCP效率，最大化网络接口带宽利用率。如果依据这个法则来设计路由器，对中低端路由器来说，问题不大。但是对于高端路由器，是有挑战的。一般中高端Internet骨干路由器上会假设RTT为250ms，那么对于个10GE接口，需要的内存是(10G bit/s * 0.25 s) / 8 约为300MB。也许大家会说，300M不大么，但是可以预见，最近两年核心路由器的容量必将发展到单槽位80 - 160G，也就是说单大约需要2.5G - 5G内存。虽然不是完全不可实现，但还是有一定难度。从Juniper的一个白皮书（Characteristics of Switches and Routers）可以看出，Juniper也是按照这个经验法则设计的。

但是最近的一些研究认为（sizing router buffers, Guido Appenzler, Isaac Keslassy, Nick McKeown），其实路由器不需要那么大的内存，每个端口只需要缓冲几十个报文就足够了，这样用NP或ASIC内嵌的RAM就够了，不用配置外部RAM。他主要依据是以前的经验法则是根据单TCP流来推算的，作者认为这个模型不对，实际的骨干路由器上是有很多TCP流的，因此应该按照B = C * RTT / sqrt(N)来计算，N是TCP流数量。但是另外一些研究则认为这个结论不对，路由器上不能只考虑TCP，还有很多急于UDP的语音和视频应用。反正在教授们之间，这个问题至今仍然没有一致的意见。工程师已经不再争论这个问题了，就按照B = C * RTT来设计，成本可以接受，而且也比较安全:）