路由器技術概述

2019-11-03 10:14:27

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

路由器技術概述（劉春寧張宏科）路由器技術是融合現代通信技術、計算機技術、網絡技術、微電子芯片技術、大規模集成電路技術，光電子技術及光通信技術的核心技術，是衡量一個國家科學技術水平的重要標志。路由器的分類和應用分析在網絡環境中，路由器成功地實現離不開正確的布局和配置，每臺路由器都擔負著一種特定的職責功能。按這些功能將路由器分為核心層（骨干級）路由器，分發層（企業級）路由器和訪問層（接入級）路由器。骨干級路由器：骨干級路由器是實現企業級網絡互連的關鍵設備，它數據吞坦量較大，非常重要。對骨干級路由器的基本性能要求是高速度和高可靠性。為了獲得高可靠性，網絡系統普遍采用諸如熱備份、雙電源、雙數據通路等傳統冗余技術，從而使得骨干路由器的可靠性一般不成問題。骨干級路由器的瓶在轉發表中查找某個路由器中，常將一些訪問頻率較高的目的端口放到Cache中，從而達到提高路由查找效率的目的。企業級路由器：企業或校園級路由器連接許多終端系統，連接對象較多，但系統相對簡單，且數據流量較小，對這類路由器的要求是以盡量便宜的方法實現盡可能多的端點互連，同時還要求能夠支持不同的服務質量。用路由器連接的網絡系統因能夠將機器分成多個碰撞域，所以可以方便的控制一個網絡的大小。此外，路由器還可以支持一定的服務等級，至少允許將網絡分成多個優先級別。當然，路由器的每端口造價要貴些，在使用之前要求用戶進行大量的配置工作。因此，企業級路由器的成敗就在于是否可提供大量端口且每端口造價很低，是否容易配置，是否支持QoS，是否支持廣播和組播等多項功能。接入級路由器：接入級路由器主要應用于連接家庭或ISP內的小型企業客戶群體。接入路由器在不久的將來不得不支持許多異構和高速端口，并能在各個端口運行多種協議。路由器的發展過程及趨勢路由器本質上還是一臺特殊的專門執行協議處理的計算機。從功能上看，路由器與計算機還是有較大的區別。這種區別雖然大低檔路由器或在路由器的初期發展階段表現得并不突出，但到了網絡系統的規模、速度、種類、應用都已發生巨大變化的今天，這些網絡系統本身的變化當然要導致作為網絡核心的路由器的體系結構發生巨大變化。特別是在最新的高檔路由器上，這些技術表現得尤為突出。新一代路由器普遍采用交換方法來充分利用公共通信鏈路設備，不但有效地提高了整個鏈路的利用率，其交換還為各結點間通信的并行傳輸提供了可能性，這類路由器也就是具有交換功能的路由器。一個性能和功能優秀的路由器，不但要有科學的路由計算法則，有足夠的傳輸帶寬和高速率，還要有較強的信息流量控制能力。目前，路由器主要有三種發展趨勢：一是越來越多的功能以硬件方式來實現，具體表現為ASIC芯片使用得越來越廣泛；二是放棄使用共享總線，而使用交換背板，即開始普遍采用交換式路由技術；三是并行處理技術在路由器中運行，極大地提高了路由器的路由處理能力和速度。第一代單總線單CPU結構路由器：最初的路由器采用了傳統計算機體系結構，包括共享中央總線、中央CPU、內存及掛在共享總線上的多個網絡物理接口。如Cisco2501路由器就是第一代路由器的典型代表，其中CPU是Motorola的68302處理器，具有一個AUI以太網接口和兩個廣域網接口。中央CPU完成除所有物理接口之外的其他所有功能，數據包從一個物理接口接收進來，經總線送到中央CPU中做到轉發決定處理，然后又經總線送到另一個物理接口發送出去。這種單總線單CPU的主要局限是處理速度慢，一個CPU完成所有的任務，從而限制了系統的吞吐量。另外，系統容錯性也不好，CPU若出現故障容易導致系統完全癱瘓。但該結構的優點是系統價格低。目前的邊緣路由器基本上都是這種結構。第二代單總線主從CPU結構路由器：采用主從兩個CPU代替了原來僅一個CPU結構，因而較大地降低了CPU的負荷，提高了處理速度。第二代路由器的兩個CPU為非對稱主從式關系結構，其中一個CPU負責通信鏈路層的協議處理，另一個CPU則作為主CPU負責網絡層以上的處理，主要包括轉發決定、路由算法和配置控制等計算工作。總之，第二代體系結構實際上是第一代體系結構的簡單延伸，對系統的容錯性能沒有多大提高，速度的提高也非常有限。像這種單總線主從CPU結構的典型設備有3Com公司的NetBuilder2路由器等。第三代單總線對稱式多CPU結構路由器：第三代路由器可以說改善了在第二代體系結構中主要限制，因為它開始采用了簡單的并行處理技術，即做到在每個接口處都有一個獨立CPU，專門單獨負責接收和發送本接口數據包，管理接收發送隊列、查詢路由表做到出轉發決定等。而主控CPU僅完成路由器配置控制管理等非實時功能。這種體系結構的優點是本地轉發/過濾數據包的決定由每個接口處理的專用CPU來完成，對數據包的處理被分散到每塊接口卡上。第三代路由器的主要代表有北電的Bay BCN系列，其中大部分接口CPU采用的是性能并不算高的Motorola 60MHz的MC68060或33MHz的MC68040。第四代多總線多CPU結構路由器：第四代路由器至少包括三類以上總線和三類以上CPU。顯然，這種路由器的結構非常復雜，性能和功能也非常強大。這完全可以從該類路由器的典型之作Cisco7000系列中看出。在Cisco7000中共有3類CPU和3條總線，分別是接口CPU、交換CPU、路由CPU、CxBUS、dBUS、SxBUS。第五代共享內存式結構路由器：在共享存儲器結構路由器中，使用了大量的高速RAM來存儲輸入數據，并可實現向輸出端的轉發。在這種體系結構中，由于數據首先從輸入端口存入共享存儲器，再從共享存儲器結構路由器的交換帶寬主要由存儲器的帶寬決定。為了提高帶寬，必須增大存儲器的帶寬，并采用較多存儲模塊。顯然，當規模較小時，這類結構還比較容易實現，但當系統升級擴展時，設備所需要的連線將會大量增加，控制也會變得越來越復雜。這種結構不適應向更高水平發展。第六代交叉開關體系結構路由器：與共享內存式結構路由器相比，基于交叉開關設計則有更好的可擴展性能，并且省去了控制大量存儲模塊的復雜性和高成本。在交叉開關體系結構路由器中，數據直接從輸入端經過交叉開關流向輸出端。它采用交叉開關結構替代共享總線，這樣就允許多個數據包同時通過不同的線路進行傳送，從而極大地提高了系統的吞吐量，使得系統性能得到了顯著提高。系統的最終交換帶寬僅取決于中央交叉陣列和各模塊的能力，而不是取決于互連線自身。就目前來看，這種方案是高速核心路由器的最佳方案。實際上，ip路由器速度的快速提高，還應該歸功于如下幾個方面的析技術：硬件體系結構到現在，高速IP路由器多借鑒ATM方法，采用交叉開關方式實現各端口之間的線速無阻塞互連。高速交叉開關技術已經十分成熟，在ATM交換機和高速交行計算機中廣泛應用，市場上可直接買到高速交叉開關速率就高達50Gbps的設備。 ASIC技術由于廠商需要降低成本，ASIC技術在路由器中得到了越來越廣泛的應用。在路由器中，要極大地提高速度，首先想到的是ASIC，有的用ASIC做包轉發，有的用ASIC查路由，并且已經有專門用來查找IPv4路由的ASIC芯片商用。一般來說，ASIC只用于已完全標準化的處理，而網絡的結構和協議變化頻繁，因此相應地在網絡設備這一領域，出現了“可編程ASIC”。目前，有兩種類型的“可編程ASIC”，一種以3Com公司為主的FIRE（Flexible Intelligent Routing Engine）芯片為代表。另一種以Vertex Networks的HISC專用芯片為代表，這顆芯片是一顆專門為通信協議處理而設計的CPU，通過改寫微碼，可使這顆專用芯片具有同協議的能力。三層交換這是協議處理過程的一次革命性突破，也是現在GSR和TSR名稱的來源。自從Ipsilon在1994年推出一次路由再交換IP Switching技術之后，各大公司紛紛推出了各自專有的三層交換技術，在綜合所有三層交換技術優勢之后，IETF終于在1998年推出了性能優越的多協議標記交換（MPLS）。與“一次路由再交換”技術相比，MPLS多網絡結構這一更高層次來考慮三層交換技術，力圖一舉解決三層交換網絡流量管理問題，目前這一技術的研究仍在進行中。結論在老式路由器中，進入輸入接口的IP分組需要經過總線傳遞到中央處理器（既保存路由表的地方），然后再次經過總線傳遞到輸出接口，這種方式效率不很高。在新的路由器中采用的技術于此不同，把路由表的一部分或全部緩存在適配器接口的特殊硬件中；此外，用于適配器之間數據傳輸的共享總線也已被一個高性能的交換機所代替。毫無疑問，未來網絡的飛速發展為路由器技術的不斷創新提供了無限的空間和巨大的挑戰。網絡設備也將趨于統一化和簡單化：即由路由器和終端（PC）構成網絡。路由器技術已成為未來網絡技術中最核心的技術，是下一代Internet/Intranet發展的支柱。摘自《郵電商情》

上一篇：綜合業務傳輸與分類中的問題

下一篇：新網絡經濟中的獲勝法寶－多業務交換網絡