路由器技术概述

来源： 作者： 出处：Vlan9.com 2007-10-24 进入论坛

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　　路由器技术概述（刘春宁 张宏科） 路由器技术是融合现代通信技术、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，是衡量一个国家科学技术 水平的重要标志。 路由器的分类和应用分析 在网络环境中，路由器成功地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。 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，它数据吞坦量 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。骨干级路由器的瓶在转发表中查找某个路由 器中，常将一些访问频率较高的目的端口放到Cache中，从而达到提高路由查找效率 的目的。 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，所以可以方便的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，至少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。 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。 路由器的发展过程及趋势 路由器本质上还是一台特殊的专门执行协议处理的计算机。从功能上看，路由器 与计算机还是有较大的区别。 这种区别虽然大低档路由器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、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 器也就是具有交换功能的路由器。一个性能和功能优秀的路由器，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运行，极大地提高了路 由器的路由处理能力和速度。 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路由器就是第一代路由器的典型代 表，其中CPU是Motorola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所有功能，数据包从一个物理接口接收进 来，经总线送到中央CPU中做到转发决定处理，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，一个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。 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。第二代路由器的两个CPU为非对称主从式关系结构，其中一个CPU负责通 信链路层的协议处理，另一个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。 总之，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NetBuilder2路由器等。 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在第二代体系结构中主要限制，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，性能和功能也非常强大。这完全可以从该类路由器的典型之作Cisco7000系列中看 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、SxBUS。 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。这种结构不适应向更高水平发展。 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 得到了显着提高。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。就目前来看，这种方案是高速核心路由器的最佳方案。 实际上，IP路由器速度的快速提高，还应该归功于如下几个方面的析技术： 硬件体系结构 到现在，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交换机和高速交行计算机中广泛 应用，市场上可直接买到高速交叉开关速率就高达50Gbps的设备。 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，首先想到的是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化频繁，因此相应地在网络设备这一领域 ，出现了“可编程ASIC”。目前，有两种类型的“可编程ASIC”，一种以3Com公司为 主的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，可使这颗专用芯片具有同协议的能力。 三层交换 这是协议处理过程的一次革命性突破，也是现在GSR和TSR名称的来源。自从 Ipsilon在1994年推出一次路由再交换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 网络结构这一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仍在进行中。 结论 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（既保 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于此不同，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：即由路由器和终端（PC）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Internet/Intranet发展 的支柱。 摘自《邮电商情》 更多请看Cisco与华为技术网（Vlan9.com）路由器配置、交换机与路由器密码恢复、路由故障处理专题，或进入论坛讨论。