IP路由器技术的现状及未来

2019-11-03 10:16:43

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供稿：网友

　　摘要：路由器是构筑未来网络的核心设备，路由器技术也已成为融合现代通信技术、计算机技术、网络技术、微电子芯片技术、大规模集成电路技术、光电子技术及光通信技术的核心技术。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。按路由器在网络环境中的功能可将之分为核心层、分发层和访问层路由器。从体系结构上看，路由器已经经历了多代的发展。

　　关键词：路由器　因特网　路由表

　　当拥挤的信道使网上冲浪变得更像凿冰取鱼，当实时业务对服务质量的呼声日渐高涨，当ip与ATM之间的竞争演变为一场“信仰之战”，当电信、计算机和有线电视公司的兼并潮一浪高过一浪，越来越多的人意识到，作为信息产业发展引擎的因特网，在不断改造传统观念的同时，自身也必然会经历一场巨大的变革。IP正在迈向一个崭新的时代。

　　在这个崭新的IP网络时代，路由器成为构筑未来网络的核心设备。路由器技术也已成为融合现代通信技术、计算机技术、网络技术、微电子芯片技术、大规模集成电路技术、光电子技术及光通信技术的核心技术。路由器已成为现代高科技技术结晶和衡量一个国家科学技术水平的重要标志。

　　一、路由器简介

　　传统路由器工作于OSI七层协议的第三层，其主要任务是接收来自于一个网络接口的数据包，根据其中亿含的目的地址，决定转发下一个目的地址。因此，路由器首先得在转发器由表中查找它的目的地址，若找到了目的地址，就在数据包的帧格前添加下一个MAC（Medium access Control）地址，同时IP数据包头的TTL（Time To Live）域也开始减数，并计算新的校验名。当数据包被送到输出端口时，它需要按顺序等待，以便被传送到输出链路上。

　　路由器在工作时能够按照某种路由通信协议查找设备中的路由表。如果到某一特定节点有一条以上的路径，那么一般预先确定的路由准则是选择最优（或最经济）的传输路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能会因环境变化而变化，因此路由情况的信息也需要及时更新，所幸的是，这些信息一般是由所使用的路由信息协议规定的定时更新或者按变化发问（事件触发）更新来自动完成的。

　　网络中，每个路由器的基本功能都是按照一定的规则来动态地更新它所保持的路由表，以便保持路由信息有效。为了便于在网络间传送报文，路由器总是先按照预定的规则把较大的数据分解成适当大小的数据包，再将这些数据包分别通过相同或不同路径发送出去。当这些数据包按先后顺序达目的地后，再把分解的数据包按顺序包装成原有的报文形式。路由器的分层寻址功能是路由器的重要功能之一，该功能可以帮助具有很多节点站的网络来存储寻址信息，同时还能在网络间截获发送到远地网段的报文，起转发作用。选择最合理的路由，引导通信也是路由器基本功能。多协议路由器还可以连接使用不同通信协议的网络段，成为不同通信协议网络段之间的通信连接平台。

　　1.路由器的主要功能

　　1）在网络间截获发送到远地网络段的网络数据报文，并转发出去。

　　2）为不同网络之间的用户提供最佳的通信途径。

　　3）子网隔离，抑制广播风暴。

　　4）维护路由表，并与其它路由器交换路由信息，这是网络层数据报文转发的基础。

　　5）实现对数据报的过滤和记帐。

　　6）利用网际协议，可以为网络管理员提供整个网络的有关信息和工作情况，以便于对网络进行有效管理。　　7）可进行数据包格式的转换，实现不同协议、不同体系结构网络的互连能力。

　　2.路由器的优缺点

　　路由器的优点有：适用于大规模的网络；复杂的网络拓扑结构，负载共享和最优路径；能更好地处理多媒体数据；安全性高；隔离不需要的通信量；节省局域网的频宽；减少主机负担、其缺点是：不支持非路由协议；安装复杂；价格高。

　　二、路由器的工作原理

　　当路由器收到一个网络层数据报时，路由器便要决定是直接转发给与自己相连的网络还是发往另一个路由器，或者丢弃该数据报。路由器利用网络层的源和目的地址信息来确定信息发往哪一个网络，如果源和目的网络号在同一个网络中则送到该网络的指定主机。一个信息包到达路由器后先进入队列，然后路由器依次进行如下处理：提取信息包的目的地址，查看路由表，如果到达目的地的路径不止一个，则选择一条最佳路径。另外，路由器在进行选择时还综合了互联网上网络负载、延时、数据报长度、数据报头中规定的服务类型等因素来选择出最优路径。

　　下面以IP路由器为例说明路由选择的方法。

　　路由器把需到达的网络的网络号保存在路由表中，当一个IP数据报被路由器接收到时，路由器先从该IP数据报中取出目的站点的IP地址，根据IP地址计算出目的站点所在网络的网络号，然后用网络号去查找路由表以决定通过哪一个接口（线路）转发该IP数据报。

　　根据TCP/IP协议，路由器的数据包转发具体过程是：网络接口接收数据包，这一步由网络物理层处理，即把经编码调制后的数据信号还原为数据。根据网络物理接口，路由器调用相应的链路层功能模块，以解释处理此数据包的链路协议报头。这一步处理比较简单，主要是对完整性的验证，如CRC校验、帧长度检查。在链路导层完成对数据帧的完整性验证后，路由器开始处理此数据帧的IP层。这一过程是路由器功能的核心。根据数据帧IP包头的目的的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳的IP地址，IP数据包头的TTL域开始减数，并计算新校验和（Check-sum）。根据路由表中所查到的下一跳IP地址，将IP数据包送往相应的输出链路层，封装上相应的链路层包头，最后经输出网络物理接口发送出去。

　　中低档路由器的体系结构。多个交换端口通过数据总线与共享内存、CPU相连。共享内存完成交换数据的存储转发功能，其中包缓冲用于存储最近发送到达的数据，而系统缓冲用于存储没有及时交换的数据包。CPU为交换数据包选择路径，具体选路的依据是路由表和快速缓存。快速缓存是路由表中使用频率很高的路由条目。

　　数据在由某个交换端口向目的端发送时，由于端口所连接的网络拓扑结构及其网络类型存在的差异，例如由以太网交换端口向FDDI交换端口进行数据发送，因此要求对数据包帧结构、长度进行重组。针对一个数据包由端口A向端口B转发，具体的数据包路由交换步骤如下：

　　1）数据包进入端口A，去掉数据包的前导码和物理层源、目的MAC地址，CRC校验码。

　　2）三层以上数据通过数据总线D-BUS进入共享内存中的数据包缓存。

　　3）共享式缓存取出数据包的目的网络地址，通过D-BUS送CPU进行选路处理。

　　4）由CPU在交换式缓存中检索匹配的网络/主机地址，如果检索到，进入第7步。

　　5）CPU在路由表中检索匹配的网络/主机地址，得到目的交换端口。

　　6）将检索到的信息追加入快速缓存，或者替换高速缓存中的原有数据。

　　7）检索到的目的交换端口经D-BUS传回共享内存。

　　8）共享内存通过交换技术将数据包发往目的端口，目的端口接到数据包后，重新按照目的网络的类型重写帧，加入相应的第二层地址，重新计算CRC数值。

　　简单地说，路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径策略或叫选择最佳路由算法是路由器的关键所在。

　　为了完成这项工作，在路由器保存着各种传输路径的相关数据----路由表，供选择路由时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名称等内容。路由表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改；可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。路由器根据路由选择协议（Routing PRotocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。

　　三、路由器的分类

　　在网络环境中，路由器成功的实现离不开正确的布局和配置，每台路由器都担负着一种特定的职责功能。按这些功能将路由器分为核心层（骨干级）路由器、分发层（企业级）路由器和访问层（接入级）路由器。

　　1.骨干级路由器

　　骨干级路由器是实现企业级网络互连的关键设备，它数据吞吐量较大，非常重要。对骨干级路由器的基本性能要求是高速度和高可靠性。为了获得高可靠性，网络系统普遍采用诸如热备份、双电源、双数据通路超级等传统冗余技术，从而使得骨干路由器的可靠性一般不成问题。骨干级路由器的主要性能瓶颈是在转发表中查找某个路由所耗的时间过长，为此在骨干级路由器中，常将一些访问频率较高的目的端口放到缓存中，从而达到提高路由查找效率的目的。

　　2.企业级路由器

　　企业或校园级路由器连接许多终端系统，连接对象较多，但系统相对简单，且数据流量较小。对这类路由器的要求是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互连，同时还要求能够支持不同的服务质量。用路由器连接的网络系统因能够将机器分成多个碰撞域，所以可以方便地控制一个网络的大小。此外，路由器还可以支持一定的服务等级，允许将网络分成多个优先级别。当然，路由器的每端口造价要贵些，在使用之前要求用户进行大量的配置工作。因此，企业级路由器的成败就在于是否可提供大量端口且每端口的造价很低，是否容易配置，是否支持QOS，是否支持广播和组播等多项功能。

　　3.接入级路由器

　　接入级路由器主要应用于连接家庭或ISP内的小型企业客户群体。接入路由器在不久的将来不得不支持许多异构和高速端口，并能在各个端口运行多种协议，同时还要避开电话交换网。

　　核心层路由器通常被称为骨干路由器，这些路由器与其它核心层路由器相连，为目的地之间提供穿越骨干的多条路径，并承担着分发层路由器之间广域网流量的大部分。核心路由器通常通过几个高速接口进行配置，其所支持的终端系统往往不能直接被访问，但却能担负起来连接长距离骨干网络上的ISP和企业网络的重要作用，是连接一个校园或企业成千上成台计算机的中心设备；分发层路由器和职责是作为一个本地到核心的导管，管理核心层和访问层之间的数据传输。分层结构的最外层是访问层，在这一层，终端用户获得对路由器连接的网络资源的访问权，可以使得以家庭和小型企业为主的接入网络连接到某个ISP。

　　四、路由器的发展过程及趋势

　　路由器的逻辑体系结构已经历了多代，其本质上是一台特殊的专门执行协议处理的计算机。但从功能上看，路由器与计算机还是有较大的区别。

　　这种区别虽然在低档路由器上或在路由器的初期发展阶段表现得并不突出，但到了网络系统的规模、速度、种类和应用都已发生巨大变化的今天，这些网络系统本身的变化当然要导致作为网络核心的路由器的体系结构发生巨大变化。特别是在最新的高档路由器上，这些技术表现得尤为突出。

　　新一代路由器普遍采用交换方法来充分利用公共通信链路设备，不但有效地提高了整个链路的利用率，其交换还会为各结点间通信的并行传输提供了可能性，这类路由器也就成为具有交换功能的路由器。一个性能优秀和功能强大的路由器，不但要有科学的路由计算法则，有足够的传输带宽和高速率，还要有较强的信息流量控制能力。

　　目前，路由器主要有三种发展趋势：一是越来越多的功能以硬件方式来实现，具体表现为ASIC芯片使用得越来越广泛；二是放弃使用共享总线，而使用交换背板，即开始普遍采用交换式路由技术；三是并行处理技术在路由器中采用，极大地提高了路由器的路由处理能力和速度。

　　1.第一代单总线单CPU结构路由器

　　最初的路由器采用了传统计算机体系结构，包括共享中央总线、中央CPU、内存及挂在共享总线上的多个网络物理接口。如Cisco2501路在就是第一代路由器的典型代表，其中CPU是摩托罗拉的68302处理器，具有一个AUI以太网接口和两个广域网接口。

　　中央CPU完成除所有物理接口之外的其他功能，数据包从一个物理接口接收进来，经总线送到中央CPU中做转发决定处理，然后又经总线送到另一个物理接口发送出去。这种单总线单CPU的主要局限是处理速度慢，一颗CPU完成所有的任务，从而限制了系统的吞吐量。另外，系统容错性也不好，CPU若出现故障容易导致系统完全瘫痪，但该结构的优点是系统价格低。目前的边缘路由器基本上都是这种结构。

　　2.第二代单总线主从CPU结构路由器

　　采用主从两个CPU代替了原来仅一个CPU结构，因而较大地降低了CPU的负荷，提高了处理速度。第二代路由器的两颗CPU为非对称主从式关系结构，其中一颗CPU负责通信链路层的协议处理，另一颗CPU则作为主CPU负责网络层以上的处理，主要包括转发决定、路由算法和配置控制等计算工作。

　　第二代体系结构实际上是第一代体系结构的简单延伸，对系统的容错性能没有多大提高，速度的提高也非常有限。像这种单总线主从CPU结构的典型设备有3Com公司的NetBulider2路由器等。

　　3.第三代单总线对称式多CPU结构路由器

　　第三代路由器可以说改善了第二代体系结构中的主要限制，因为它开始采用了简单的并行处理技术，即做到在每个接口处都有一个独立CPU，专门单独负责接收和发送本接口数据包，管理接收发送队列、查询路由表做到出转发决定等。而主控CPU仅完成路由器配置控制管理等非实时功能。

　　这种体系结构的优点是本地转发/过滤数据包的决定由每个接口处理的专用CPU来完成，对数据包的处理被分散到每块接口卡上。第三代路由器的主要代表有北电网络的BayBcn系列，其中大部分接口CPU采用的是性能并不算高的摩托罗闰60MHZ的MC68060或33MHz的MC68040。

　　4.第四代多总线多CPU结构路由器

　　第四代路由器至少包括三类以上总线和三类以上CPU。显然，这种路由器的结构非常复杂，功能也非常强大。这完全可以从该类路由器的典型之作Cisco7000系列中地出。在Cisco7000中共有3类CPU和3条总线，分别是接口CPU，交换CPU，路由CPU，CxBUS，dBUS和SxBUS。

　　5.第五代共享内存式结构路由器

　　在共享存储器结构路由器中，使用了大量的高速RAM来存储输入数据，并可实现向输出端的转发。在这种体系结构中，由于数据首先从输入端口存入共享存储器，再从共享存储器传输到输出端口，所以共享存储器结构路由器的交换带宽主要由存储器的带宽决定。为了提高带宽，必须增大存储器的带宽，并采用较多存储模块。　　显然，当规模较小时，这类结构还比较容易实现，但当系统升级扩展时，设备所需要的连线将会大量增加，控制也会变得越来越复杂。这种结构不适于向更高水平发展。

　　6.第六代交叉开关体系结构路由器

　　与共享内存式结构路由器相比，基于交叉开关设计则有更好的可扩展性能，并且省去了控制大量存储模块的复杂性和高成本。在交叉开关体系结构路由器中，数据直接从输入端经过交叉开关流向输出端。它采用交叉开关结构替代共享总线，这样就允许多个数据包同时通过不同的线路进行传送，从而极大地提高了系统的吞吐量，使得系统性能得到了显著提高。系统的最终交换带宽仅取决于中央交叉阵列和各模块的能力，而不是取决于互连线自身。目前，这种方案是高速核心路由器的最佳方案。

　　五、相关新技术

　　1.硬件体系结构

　　现在高速IP路由器多借鉴ATM方法，采用交叉开关方式实现各端口之间的线速无阻塞互连。高速交叉开关技术已经十分成熟，在ATM交换机和高速并行计算机中广泛应用，市场上可直接买到的高速交叉开关速率就高达50Gbit/s。

　　2.ASIC技术

　　由于厂商需要降低成本，ASIC技术在路由器中得到了越来越广泛的应用。在路由器中，要极大地提高速度，首无想到的是ASIC，有的用ASIC做包转发，有的用ASIC查路由，并且已经有专门用来查找IPV4路由的ASIC芯片商用。一般来说，ASIC只用于已完全标准化的处理，而网络的结构和协议变经频繁，因此相应地网络设备这一领域，出现了可编程ASIC。目前，有两种类型的可编程ASIC：一种以3Com公司的FIRE（Flexible Intelligent Routing Engine）芯片为代表；另一种以Vertex Networks的HISC专用芯片为代表，这颗芯片是一颗专门为通信协议处理而设计的CPU，通过改写微码，使芯片具有处理不同协议的能力。

　　3.三层交换

　　这是协议处理过程的一次革命性突破，也是现在CSR和TSR名称的来源。自从Ipsilon在1994年推出一次路由再交换的IP Switching技术之后，各大公司纷纷推出了各自专有的三层交换技术，在综合所有三层交换技术优势之后，IETF终于在1998年推出了性能优越的多协议标记交换（MPLS）。与一次路由再交换技术相比，MPLS多网络结构从更高层次来考虑三层交换技术，力图一举解决三层交换网络流量管理问题，目前这一技术的研究工作仍在进行中。

　　4.IP over SDH和IP over DWDM

　　该技术源于光纤通信技术，随着IP的核心地位逐渐被认同，IP over ATM over SDH的方式被IP over SDH方式所取代。SDH采用时分复用的方式承载多路数据。DWDM技术是实现TSR交换路由中太比特超高速系统的重要技术之一。DWDM使得在一要光纤上可用不同的波长传送多路信号，在现有光纤线路的基础上以点对点方式实现高速率通信。由于采用波分复用技术，数据在光纤上的传送变得相当简单，光通信技术上的传送变得相当简单，光通信技术的进步使得光信号可以在800km长的范围内直接传输而无需任何光/电或光/光再生放大器。采用DWDM技术使得路由传输速率得到了空前提高，朗讯公司已经实现了10Gbit/s速率的商业通信，而在实验室中的DWDM速率已达到了400Gbit/s。专家们还认为，DWDM技术不仅可以应用于远距离广域网的超高速网络通信，也可以用于局域网。数据包直接调制在某个波长上，无需再经过复用/解复用。甚至可以在核心网中，直接采用波长信息作为IP数据流的路径信息。

　　六、结语

　　在老式路由器中，进入输入接口的IP分组需要经过总线传递到中央处理器（保存路由表的地方），然后再次经过总线传递到输出接口，这种方式效率不很高。在新的路由器中采用的技术与此不同，新设计将把路由表的一部分或全部缓存在适配器接口的特殊硬件中；此外，用于适配器之间数据传输的共享总线也已被一个高性能的交换机所代替。

　　毫无疑问，未来网络的飞速发展为路由器技术的不断创新提供了无限的空间和巨大的挑战。网络设备也将趋于统一化和简单化，即路由器和终端构成网络。路由器技术已成为未来网络技术中最核心的技术，是下一代因特网发展的支柱。

摘自《现代电信科技》2000.12

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