IP路由器技術的現狀及未來

2019-11-03 10:16:43

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供稿：網友

　　摘要：路由器是構筑未來網絡的核心設備，路由器技術也已成為融合現代通信技術、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。路由器的主要工作就是為經過路由器的每個數據幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到目的站點。按路由器在網絡環境中的功能可將之分為核心層、分發層和訪問層路由器。從體系結構上看，路由器已經經歷了多代的發展。

　　關鍵詞：路由器　因特網　路由表

　　當擁擠的信道使網上沖浪變得更像鑿冰取魚，當實時業務對服務質量的呼聲日漸高漲，當ip與ATM之間的競爭演變為一場“信仰之戰”，當電信、計算機和有線電視公司的兼并潮一浪高過一浪，越來越多的人意識到，作為信息產業發展引擎的因特網，在不斷改造傳統觀念的同時，自身也必然會經歷一場巨大的變革。IP正在邁向一個嶄新的時代。

　　在這個嶄新的IP網絡時代，路由器成為構筑未來網絡的核心設備。路由器技術也已成為融合現代通信技術、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。路由器已成為現代高科技技術結晶和衡量一個國家科學技術水平的重要標志。

　　一、路由器簡介

　　傳統路由器工作于OSI七層協議的第三層，其主要任務是接收來自于一個網絡接口的數據包，根據其中億含的目的地址，決定轉發下一個目的地址。因此，路由器首先得在轉發器由表中查找它的目的地址，若找到了目的地址，就在數據包的幀格前添加下一個MAC（Medium access Control）地址，同時IP數據包頭的TTL（Time To Live）域也開始減數，并計算新的校驗名。當數據包被送到輸出端口時，它需要按順序等待，以便被傳送到輸出鏈路上。

　　路由器在工作時能夠按照某種路由通信協議查找設備中的路由表。如果到某一特定節點有一條以上的路徑，那么一般預先確定的路由準則是選擇最優（或最經濟）的傳輸路徑。由于各種網絡段和其相互連接情況可能會因環境變化而變化，因此路由情況的信息也需要及時更新，所幸的是，這些信息一般是由所使用的路由信息協議規定的定時更新或者按變化發問（事件觸發）更新來自動完成的。

　　網絡中，每個路由器的基本功能都是按照一定的規則來動態地更新它所保持的路由表，以便保持路由信息有效。為了便于在網絡間傳送報文，路由器總是先按照預定的規則把較大的數據分解成適當大小的數據包，再將這些數據包分別通過相同或不同路徑發送出去。當這些數據包按先后順序達目的地后，再把分解的數據包按順序包裝成原有的報文形式。路由器的分層尋址功能是路由器的重要功能之一，該功能可以幫助具有很多節點站的網絡來存儲尋址信息，同時還能在網絡間截獲發送到遠地網段的報文，起轉發作用。選擇最合理的路由，引導通信也是路由器基本功能。多協議路由器還可以連接使用不同通信協議的網絡段，成為不同通信協議網絡段之間的通信連接平臺。

　　1.路由器的主要功能

　　1）在網絡間截獲發送到遠地網絡段的網絡數據報文，并轉發出去。

　　2）為不同網絡之間的用戶提供最佳的通信途徑。

　　3）子網隔離，抑制廣播風暴。

　　4）維護路由表，并與其它路由器交換路由信息，這是網絡層數據報文轉發的基礎。

　　5）實現對數據報的過濾和記帳。

　　6）利用網際協議，可以為網絡管理員提供整個網絡的有關信息和工作情況，以便于對網絡進行有效管理。　　7）可進行數據包格式的轉換，實現不同協議、不同體系結構網絡的互連能力。

　　2.路由器的優缺點

　　路由器的優點有：適用于大規模的網絡；復雜的網絡拓撲結構，負載共享和最優路徑；能更好地處理多媒體數據；安全性高；隔離不需要的通信量；節省局域網的頻寬；減少主機負擔、其缺點是：不支持非路由協議；安裝復雜；價格高。

　　二、路由器的工作原理

　　當路由器收到一個網絡層數據報時，路由器便要決定是直接轉發給與自己相連的網絡還是發往另一個路由器，或者丟棄該數據報。路由器利用網絡層的源和目的地址信息來確定信息發往哪一個網絡，如果源和目的網絡號在同一個網絡中則送到該網絡的指定主機。一個信息包到達路由器后先進入隊列，然后路由器依次進行如下處理：提取信息包的目的地址，查看路由表，如果到達目的地的路徑不止一個，則選擇一條最佳路徑。另外，路由器在進行選擇時還綜合了互聯網上網絡負載、延時、數據報長度、數據報頭中規定的服務類型等因素來選擇出最優路徑。

　　下面以IP路由器為例說明路由選擇的方法。

　　路由器把需到達的網絡的網絡號保存在路由表中，當一個IP數據報被路由器接收到時，路由器先從該IP數據報中取出目的站點的IP地址，根據IP地址計算出目的站點所在網絡的網絡號，然后用網絡號去查找路由表以決定通過哪一個接口（線路）轉發該IP數據報。

　　根據TCP/IP協議，路由器的數據包轉發具體過程是：網絡接口接收數據包，這一步由網絡物理層處理，即把經編碼調制后的數據信號還原為數據。根據網絡物理接口，路由器調用相應的鏈路層功能模塊，以解釋處理此數據包的鏈路協議報頭。這一步處理比較簡單，主要是對完整性的驗證，如CRC校驗、幀長度檢查。在鏈路導層完成對數據幀的完整性驗證后，路由器開始處理此數據幀的IP層。這一過程是路由器功能的核心。根據數據幀IP包頭的目的的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳的IP地址，IP數據包頭的TTL域開始減數，并計算新校驗和（Check-sum）。根據路由表中所查到的下一跳IP地址，將IP數據包送往相應的輸出鏈路層，封裝上相應的鏈路層包頭，最后經輸出網絡物理接口發送出去。

　　中低檔路由器的體系結構。多個交換端口通過數據總線與共享內存、CPU相連。共享內存完成交換數據的存儲轉發功能，其中包緩沖用于存儲最近發送到達的數據，而系統緩沖用于存儲沒有及時交換的數據包。CPU為交換數據包選擇路徑，具體選路的依據是路由表和快速緩存。快速緩存是路由表中使用頻率很高的路由條目。

　　數據在由某個交換端口向目的端發送時，由于端口所連接的網絡拓撲結構及其網絡類型存在的差異，例如由以太網交換端口向FDDI交換端口進行數據發送，因此要求對數據包幀結構、長度進行重組。針對一個數據包由端口A向端口B轉發，具體的數據包路由交換步驟如下：

　　1）數據包進入端口A，去掉數據包的前導碼和物理層源、目的MAC地址，CRC校驗碼。

　　2）三層以上數據通過數據總線D-BUS進入共享內存中的數據包緩存。

　　3）共享式緩存取出數據包的目的網絡地址，通過D-BUS送CPU進行選路處理。

　　4）由CPU在交換式緩存中檢索匹配的網絡/主機地址，如果檢索到，進入第7步。

　　5）CPU在路由表中檢索匹配的網絡/主機地址，得到目的交換端口。

　　6）將檢索到的信息追加入快速緩存，或者替換高速緩存中的原有數據。

　　7）檢索到的目的交換端口經D-BUS傳回共享內存。

　　8）共享內存通過交換技術將數據包發往目的端口，目的端口接到數據包后，重新按照目的網絡的類型重寫幀，加入相應的第二層地址，重新計算CRC數值。

　　簡單地說，路由器的主要工作就是為經過路由器的每個數據幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到目的站點。由此可見，選擇最佳路徑策略或叫選擇最佳路由算法是路由器的關鍵所在。

　　為了完成這項工作，在路由器保存著各種傳輸路徑的相關數據----路由表，供選擇路由時使用。路徑表中保存著子網的標志信息、網上路由器的個數和下一個路由器的名稱等內容。路由表可以是由系統管理員固定設置好的，也可以由系統動態修改；可以由路由器自動調整，也可以由主機控制。路由器根據路由選擇協議（Routing PRotocol）提供的功能，自動學習和記憶網絡運行情況，在需要時自動計算數據傳輸的最佳路徑。

　　三、路由器的分類

　　在網絡環境中，路由器成功的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。

　　1.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，它數據吞吐量較大，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、雙數據通路超級等傳統冗余技術，從而使得骨干路由器的可靠性一般不成問題。骨干級路由器的主要性能瓶頸是在轉發表中查找某個路由所耗的時間過長，為此在骨干級路由器中，常將一些訪問頻率較高的目的端口放到緩存中，從而達到提高路由查找效率的目的。

　　2.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，所以可以方便地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，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的造價很低，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。

　　3.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，同時還要避開電話交換網。

　　核心層路由器通常被稱為骨干路由器，這些路由器與其它核心層路由器相連，為目的地之間提供穿越骨干的多條路徑，并承擔著分發層路由器之間廣域網流量的大部分。核心路由器通常通過幾個高速接口進行配置，其所支持的終端系統往往不能直接被訪問，但卻能擔負起來連接長距離骨干網絡上的ISP和企業網絡的重要作用，是連接一個校園或企業成千上成臺計算機的中心設備；分發層路由器和職責是作為一個本地到核心的導管，管理核心層和訪問層之間的數據傳輸。分層結構的最外層是訪問層，在這一層，終端用戶獲得對路由器連接的網絡資源的訪問權，可以使得以家庭和小型企業為主的接入網絡連接到某個ISP。

　　四、路由器的發展過程及趨勢

　　路由器的邏輯體系結構已經歷了多代，其本質上是一臺特殊的專門執行協議處理的計算機。但從功能上看，路由器與計算機還是有較大的區別。

　　這種區別雖然在低檔路由器上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、種類和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，其交換還會為各結點間通信的并行傳輸提供了可能性，這類路由器也就成為具有交換功能的路由器。一個性能優秀和功能強大的路由器，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采用，極大地提高了路由器的路由處理能力和速度。

　　1.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路在就是第一代路由器的典型代表，其中CPU是摩托羅拉的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，一顆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。

　　2.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。第二代路由器的兩顆CPU為非對稱主從式關系結構，其中一顆CPU負責通信鏈路層的協議處理，另一顆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。

　　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NetBulider2路由器等。

　　3.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第二代體系結構中的主要限制，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網絡的BayBcn系列，其中大部分接口CPU采用的是性能并不算高的摩托羅閏60MHZ的MC68060或33MHz的MC68040。

　　4.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，功能也非常強大。這完全可以從該類路由器的典型之作Cisco7000系列中地出。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和SxBUS。

　　5.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，再從共享存儲器傳輸到輸出端口，所以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。這種結構不適于向更高水平發展。

　　6.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。目前，這種方案是高速核心路由器的最佳方案。

　　五、相關新技術

　　1.硬件體系結構

　　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交換機和高速并行計算機中廣泛應用，市場上可直接買到的高速交叉開關速率就高達50Gbit/s。

　　2.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，首無想到的是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經頻繁，因此相應地網絡設備這一領域，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，使芯片具有處理不同協議的能力。

　　3.三層交換

　　這是協議處理過程的一次革命性突破，也是現在CSR和TSR名稱的來源。自從Ipsilon在1994年推出一次路由再交換的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多網絡結構從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工作仍在進行中。

　　4.IP over SDH和IP over DWDM

　　該技術源于光纖通信技術，隨著IP的核心地位逐漸被認同，IP over ATM over SDH的方式被IP over SDH方式所取代。SDH采用時分復用的方式承載多路數據。DWDM技術是實現TSR交換路由中太比特超高速系統的重要技術之一。DWDM使得在一要光纖上可用不同的波長傳送多路信號，在現有光纖線路的基礎上以點對點方式實現高速率通信。由于采用波分復用技術，數據在光纖上的傳送變得相當簡單，光通信技術上的傳送變得相當簡單，光通信技術的進步使得光信號可以在800km長的范圍內直接傳輸而無需任何光/電或光/光再生放大器。采用DWDM技術使得路由傳輸速率得到了空前提高，朗訊公司已經實現了10Gbit/s速率的商業通信，而在實驗室中的DWDM速率已達到了400Gbit/s。專家們還認為，DWDM技術不僅可以應用于遠距離廣域網的超高速網絡通信，也可以用于局域網。數據包直接調制在某個波長上，無需再經過復用/解復用。甚至可以在核心網中，直接采用波長信息作為IP數據流的路徑信息。

　　六、結語

　　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（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與此不同，新設計將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，即路由器和終端構成網絡。路由器技術已成為未來網絡技術中最核心的技術，是下一代因特網發展的支柱。

摘自《現代電信科技》2000.12

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