揭开路由器神秘面纱.docx
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揭开路由器神秘面纱
什么是路由器
路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。
路由器有两大典型功能，即数据通道功能和控制功能。
数据通道功能包括转发决定、背板转发以及输出链路调度等，一般由特定的硬件来完成；控制功能一般用软件来实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统管理等。
多少年来，路由器的发展有起有伏。
90年代中期，传统路由器成为制约因特网发展的瓶颈。
ATM交换机取而代之，成为IP骨干网的核心，路由器变成了配角。
进入90年代末期，Internet规模进一步扩大，流量每半年翻一番，ATM网又成为瓶颈，路由器东山再起，Gbps路由交换机在1997年面世后，人们又开始以Gbps路由交换机取代ATM交换机，架构以路由器为核心的骨干网。
路由器的原理与作用
路由器是一种典型的网络层设备。
它是两个局域网之间接帧传输数据，在OSI／RM之中被称之为中介系统，完成网络层中继或第三层中继的任务。
路由器负责在两个局域网的网络层间接帧传输数据，转发帧时需要改变帧中的地址。
它在OSI／RM中的位置如图1所示。
一、原理与作用
路由器（Router）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。
当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。
因此，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源 站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。
它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。
路由器分本地路由器和远程路由器，本地路由器是用来连接网络传输介质的，如光纤、同轴电缆、双绞线；远程路由器是用来连接远程传输介质，并要求相应的设备，如电话线要配调制解调器，无线要通过无线接收机、发射机。
一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。
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，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。
为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路径表（RoutingTable），供路由选择；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字等内容。
路径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。
1．静态路径表
由系统管理员事先设置好固定的路径表称之为静态（static）路径表，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。
2．动态路径表
动态（Dynamic）路径表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路径表。
路由器根据路由选择协议（RoutingProtocol）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。
二、路由器的优缺点
1．优点
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；
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。
2．缺点
它不支持非路由协议；
安装复杂；
价格高。
三、路由器的功能
（1）在网络间截获发送到远地网段的报文，起转发的作用。
（2）选择最合理的路由，引导通信。
为了实现这一功能，路由器要按照某种路由通信协议，查找路由表，路由表中列出整个互联网络中包含的各个节点，以及节点间的路径情况和与它们相联系的传输费用。
如果到特定的节点有一条以上路径，则基于预先确定的准则选择最优（最经济）的路径。
由于各种网络段和其相互连接情况可能发生变化，因此路由情况的信息需要及时更新，这是由所使用的路由信息协议规定的定时更新或者按变化情况更新来完成。
网络中的每个路由器按照这一规则动态地更新它所保持的路由表，以便保持有效的路由信息。
（3）路由器在转发报文的过程中，为了便于在网络间传送报文，按照预定的规则把大的数据包分解成适当大小的数据包，到达目的地后再把分解的数据包包装成原有形式。
（4）多协议的路由器可以连接使用不同通信协议的网络段，作为不同通信协议网络段通信连接的平台。
（5）路由器的主要任务是把通信引导到目的地网络，然后到达特定的节点站地址。
后一个功能是通过网络地址分解完成的。
例如，把网络地址部分的分配指定成网络、子网和区域的一组节点，其余的用来指明子网中的特别站。
分层寻址允许路由器对有很多个节点站的网络存储寻址信息。
在广域网范围内的路由器按其转发报文的性能可以分为两种类型，即中间节点路由器和边界路由器。
尽管在不断改进的各种路由协议中，对这两类路由器所使用的名称可能有很大的差别，但所发挥的作用却是一样的。
中间节点路由器在网络中传输时，提供报文的存储和转发。
同时根据当前的路由表所保持的路由信息情况，选择最好的路径传送报文。
由多个互连的LAN组成的公司或企业网络一侧和外界广域网相连接的路由器，就是这个企业网络的边界路由器。
它从外部广域网收集向本企业网络寻址的信息，转发到企业网络中有关的网络段；另一方面集中企业网络中各个LAN段向外部广域网发送的报文，对相关的报文确定最好的传输路径。
我们通过一个例子来说明路由器工作原理。
例：
工作站A需要向工作站B传送信息（并假定工作站B的IP地址为120.0.5），它们之间需要通过多个路由器的接力传递，路由器的分布如图2所示。
其工作原理如下：
（1）工作站A将工作站B的地址120.0.5连同数据信息以数据帧的形式发送给路由器1。
（2）路由器1收到工作站A的数据帧后，先从报头中取出地址120.0.5，并根据路径表计算出发往工作站B的最佳路径：
R1->R2->R5->B；并将数据帧发往路由器2。
（3）路由器2重复路由器1的工作，并将数据帧转发给路由器5。
（4）路由器5同样取出目的地址，发现120.0.5就在该路由器所连接的网段上，于是将该数据帧直接交给工作站B。
（5）工作站B收到工作站A的数据帧，一次通信过程宣告结束。
事实上，路由器除了上述的路由选择这一主要功能外，还具有网络流量控制功能。
有的路由器仅支持单一协议，但大部分路由器可以支持多种协议的传输，即多协议路由器。
由于每一种协议都有自己的规则，要在一个路由器中完成多种协议的算法，势必会降低路由器的性能。
因此，我们以为，支持多协议的路由器性能相对较低。
用户购买路由器时，需要根据自己的实际情况，选择自己需要的网络协议的路由器。
近年来出现了交换路由器产品，从本质上来说它不是什么新技术，而是为了提高通信能力，把交换机的原理组合到路由器中，使数据传输能力更快、更好。
路由器技术的变革
作为核心的设备，路由器在IP网上处于至关重要的位置。
随着因特网应用的普及，网络带宽的迅速增加，用户对服务质量要求的提高，路由器技术也面临着新的变革。
交换式路由技术就是这一领域的热门话题，它不仅解决了通信流量问题，而且具有更高的网络控制能力和管理能力。
80/20规则的演变
基于软件的路由器的缺点已是众所周知。
当网络流量主要是在工作组内部进行时，基于软件的路由器是够用的。
因为主要的网络流量不是跨路由边界的，路由器缓慢的转发性能不会过于影响路由协议的实施。
这就是所谓的80/20规则，即80％的网络流量发生在工作组内部，20％的网络流量跨工作组进行。
但是现在网络环境已经发生巨变，具体表现在Web应用呈爆炸性增长，网络流量的分布模式已变得无法预测，用户数量呈指数曲线增长等等。
但控制网络流量仍然是一项重要的网络要求，人们再也无法接受基于软件的路由器的性能缺陷了。
现在，80/20的规则已转换为20/80。
在业界对交换式路由器的热烈讨论中，性能占据了中心位置。
基于软件的路由器以每秒数十万包的速率转发数据包，而交换式路由器转发数据包的速率则达到了每秒数千万包。
这种在性能上数百倍的提高是通过体系结构变化而实现的：
传统路由器采用运行于微处理器上的软件来转发数据包；而交换式路由器使用的则是硬件，如专用集成电路（ASICs）。
尽管包转发技术的基础已经发生了变化，但需要完成的任务却是相同的：
检查进入的数据包，将其目标地址与路由表中的项目相比较，然后从正确的接口发送出去。
在这一过程中，数据包还接受一些额外处理任务。
网络控制能力的提高
传统路由器无法同时保证性能和控制功能。
控制功能是由一系列规则所提供的，举例来说可能是优先权、拒绝访问或提供记账数据。
当数据包进入路由器时，这些相关的规则也同样作用于数据包。
在基于软件的路由器中，这些规则被存储于一个软件数据库内，每个数据包通过时都必须与该数据库进行核对。
这正是问题的根源：
处理路由功能的微处理器还必须查询数据库，此时数据包不会被发送，因而路由器的转发能力较低。
新一代交换式路由器不会遇到这种问题，因为查询和控制功能都是在硬件中实现的。
交换式路由器性能与控制功能结合起来的关键在于ASIC能够读阅每一数据包内容的多少。
ASIC能够收集到的关于每一数据包流量的信息越多，可作用于该数据包流的控制水平就越精细。
每一次的客户机/服务器对话都会在客户机与服务器之间产生一串数据包。
这些数据包构成的数据流可分别在OSI第二、三或四层进行识别。
每层都会提供关于该流的更为详细的信息。
管理一个网络的最基本的工作就是控制这些网络流量。
在第2层，数据流中的每个数据包通过源站点和目的站点的MAC地址加以识别。
在第3层，数据流通过源和目的网络地址被识别，控制数据流的能力仅限于源/目的地址对，如现在市场上的被称为第3层交换机的交换式路由器。
如果一台客户机正在同时使用同一服务器上的多个应用程序，则第3层信息就不会对每一应用程序流作出详细描述，这样就无法为每个数据流逐一实施不同的控制规则了。
——传统路由器都具有阅读第4层报头信息的能力。
实际上，传统路由器中的大部分高级控制特性都是在第4层上实现的。
例如，在基于软件的路由器中，第4层信息被用来建立安全过滤器，这在控制网络流量的过程中是一个重要组成部分。
但是对于基于软件的路由器来说，由于前面所述的理由，对数据包的深入阅读将会极大地牺牲性能。
的确，在许多基于软件的路由器中，当启用安全过滤器时，性能最多可下降70％。
——将第4层报头的端口号信息和第3层报头的源/目标信息结合使用可以实现真正的精确控制。
具体应用程序对话流可以在客户机与服务器间控制，如果交换式路由器是全功能的，则所有这些工作都可以以线速完成。
通过阅读第4层报头信息，第4层交换机可在执行路由决策时区分应用程序。
应用程序可被分配不同的转发规则，从而保证不同的服务质量，或者使用安全过滤器以提供对网络的应用层控制。
进军主干IP网络
——无论是在大型的企业IP网，还是运营服务商的IP网，智能交换式路由器都可以找到用武之地。
这些网络上往往运行着成千上万的应用程序，每秒均有上百万的数据流通过主干交换设备。
在这种环境下，提供与地理位置无关的持续的网络访问是非常必要的。
智能交换路由器能满足大型网络主干设备的需求，并在价格、性能、路由能力和路由表存储容量等方面具有较大的优势；除此之外，智能交换路由器实现了IP/IPX协议的全部路由功能，具有与现有设备较高的互连能力，并带有直观的网管软件。
这一切使得在大型网络中采用智能交换式路由器来管理和控制主干链路是一种理想的解决方案。
——目前，市场上已经出现成熟的交换式路由器产品，其功能已经很完善。
例如Cabletron的智能交换式路由器产品实现的功能超过了传统路由器和第三层交换机的功能，能提供在所有端口上以每秒千兆位速率进行第二、三、四层交换的符合标准的解决方案。
高速的专用ASIC芯片通过对数据包第二、三、四层报头的查找实现数据包的转发。
除了能完成第二、三层交换功能外，Cabletron公司的智能交换式路由器SSR可通过在第四层交换数据包实现带宽分配，故障诊断和对TCP/IP应用程序数据流进行访问控制的功能。
它提供详细的流量统计信息和记账信息、应用层QoS策略和访问控制等能力。
路由器发展趋势
向阳朝
联想研究院中国科学院计算技术研究所（1999年8月）
芯片速度每18个月翻一翻，而因特网的流量是每六个月翻一翻。
作为因特网的枢纽，路由器正在朝速度更快、服务质量更好和更易于综合化管理的三个方向发展。
路由器的功能在具体分析路由器的发展趋势之前，我们先简单介绍一下路由器的功能。
传统上路由器工作于所谓网络7层协议的第三层，其主要任务是接收来自一个网络接口的数据包，根据其中所含的目的地址，决定转发到哪一个下一个目的地（可能是路由器也可能就是最终目的点），并决定从哪个网络接口转发出去。
这是路由器的最基本功能——数据包转发功能。
为了维护和使用路由器，路由器还需要有配置或者说控制功能。
根据TCP/IP协议，路由器的数据包转发具体过程是：
∙络接口接收数据包；这一步负责网络物理层处理，即把经编码调制后的数据信号还原为数据。
不同的物理网络介质决定了不同的网络接口，如对应于10Base-T以太网，路由器有10Base-T以太网接口，对应于SDH，路由器有SDH接口，对应于DDN，路由器有V.35接口
∙根据网络物理接口，路由器调用相应的链路层（网络7层协议中的第二层）功能模块以解释处理此数据包的链路层协议报头。
这一步处理比较简单，主要是对数据完整性的验证，如CRC校验、帧长度检查。
近年来，IPoversomething的趋势非常明显，特别是光纤网络技术的迅速发展和IP作为事实标准的确立，使得在DWDM（密集波分复用）光纤上，IP（处于网络层——网络7层协议中的第三层）跳过链路层而被直接加载在物理层之上。
∙在链路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。
根据数据帧中IP包头的目的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（TimetoLive）域开始减数，并计算新的校验和（checksum）。
如果接收数据帧的网络接口类型与转发数据帧的网络接口类型不同，则IP数据包还可能因为最大帧长度的规定而分段或重组。
∙根据在路由表中所查到的下一跳IP地址，IP数据包送往相应的输出链路层，被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。
下面详细介绍路由器的发展趋势。
速度更快
传统意义上，路由器通常被认为是网络速度的瓶颈。
在局域网速度早已达到上百兆时，路由器的处理速度至多只到几十兆比特率。
这几年伴随着因特网的爆炸性增长，大家对路由器的研究也重点体现在提高路由器的处理速度上。
96，97年间，美国出现了一批极具创新精神的小公司，如Nexabit、Juniper、Avici等，把路由器的处理速度提高到了登峰造极的地步，在很快的时间内相继推出了吉位路由器。
连Cisco公司在速度这一方面都只能望其项背。
由于这些高速路由器无一例外地都引入了交换的结构，这些路由器也被称千兆位交换路由器（GSR-GigabitSwitchRouter）和太位交换路由器（TSR）。
这些路由器的光接口速度也很快从OC-12（622Mbps）跳到OC-48（2.5Gbps）再到OC-192（10Gbps），这样的速度早已把ATM交换机远远地甩在身后。
从此，ATM在核心网络中的不可代替的地位彻底发生了动摇。
旷日持久的IP——ATM技术之争终于以IP占据压倒性的优势结束。
不过，从以下的分析，我们也可以看出，IP路由器速度的提高是直接得益于ATM的概念和技术的，在IP领域中提出的许多新概念和新技术也有相当一部分是直接或间接来源于ATM，两种优秀的技术逐渐开始融合。
事实上，许多公司从事高速IP路由器研发的技术人员正是过去研究ATM技术的研发人员。
具体来说，IP路由器速度的急剧提高来源于以下四个方面的技术进展。
∙件体系结构。
路由器的硬件体系结构大致经历了6次变化（《路由器的体系结构》中将详细讨论），从最早期的单总线、单CPU结构发展到单总线、多CPU再到多总线多CPU。
到现在，高速IP路由器中多借鉴ATM的方法，采用交叉开关方式实现各端口之间的线速无阻塞互连。
高速交叉开关的技术已经十分成熟，在ATM和高速并行计算机中早已得到广泛应用，市场上可直接购买到的高速交叉开关的速率就高达50Gbps。
伴随着高速交叉开关的引入，也同时引入了一些相应的技术问题，特别是针对IP多播，广播以及服务质量（QoS），采用成熟的调度策略和算法，这些问题都得到了很好的解决。
∙ASIC技术。
这些年，出于成本和性能的考虑，ASIC应用得越来越广泛，几乎是言必称ASIC。
在路由器中要极大地提高速度，首先想到的也是ASIC。
有的用ASIC做包转发，有的用ASIC查路由，并且查找IPV4路由的ASIC芯片已经开始上市销售。
在ASIC蓬勃发展、大量应用的潮流中，有一动向值得注意，这就是所谓可编程ASIC的出现，这恐怕也是网络本身日新月异所导致的一种结果。
由于ASIC的设计生产的投入相当大，一般来说，AISC只用于已完全标准化的过程，而网络的结构和协议又变化相当快，因此相应地在网络设备这一领域，出现了奇特的“可编程ASIC”。
目前，有两种类型的所谓“可编程ASIC”，一种以3COM公司FIRE（FlexibleIntelligentRoutingEngine）芯片为代表，这颗ASIC芯片中内嵌了一颗CPU，因此具有一定程度的灵活性；另一种以VertexNetworks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的CPU，CPU体系结构设计专门化的适应协议处理，通过改写微码，可使这颗专用芯片具有处理不同协议的能力以适应类似从IPV4到IPV6的变化。
∙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。
自从名不见经传的Ipsilon公司在1994年推出“一次路由，然后交换”的IPSwitch技术之后，各大公司纷纷推出自己专有的三层交换技术。
如Cisco的TagSwitch、3Com的LabelSwitch等。
综合这些专有技术的优点，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，然后交换”的最初思想相比，MPLS从网络结构这一更高的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的问题。
与最初的Ipswitch技术不同，MPLS协议要对IP协议包做改动，在网络边缘，MPLS路由器对每个进来的IP数据包加上标签（Label），在其后的传输中，核心路由交换设备将只依据这个标签决定转发路径，这种做法已经十分类似ATM世界中的虚电路概念。
目前这一方面的研究仍在进行中，主要技术难点在于如何在网络自治系统中确定网络边缘路由器上的标签分配方案，以及如何根据网络负载和故障情况动态自适应调整这个方案。
∙IPoverSDH，IPoverDWDM。
这方面的技术进展完全源于光纤通信技术的进展。
随着IP的核心地位逐渐被认同，IPoverATM、然后ATMoverSDH的方式被IP直接overSDH的方式取代。
SDH采用时分复用的方式承载多路数据。
因此在核心网中需大量采用复用器交叉连接器。
DWDM（密集波分复用）使得一根光纤上可用不同的波长传送多路信号。
一般一根光纤上同时跑4个波长即可称为DWDM。
自从1996年16个波长的DWDM光纤通信产品问世以来，到现在40个波长的DWDM技术已经实用化，80乃至于96个波长的DWDM产品也将在2000年内推出，我国也已经具备开发8个波长的DWDM技术。
由于采用波分复用技术，数据在光纤上时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800公里长的范围内直接传输而无需任何光电或光光再生放大器。
IP数据包直接调制在某个波长上，无需再经过复用、解复用。
甚至在核心网中，直接采用波长信息作为IP数据流的路径信息。
服务质量更好
前面所述的路由器在速度上的提高仍只不过是为了适应数据流量的急剧增加。
而路由器发展趋势更本质、更深刻的变化是：
以IP为基础的包交换数据将在未来几年内迅速取代已发展了近百年的电路交换通信方式，成为通信业务模式的主流。
这意味着，IP路由器不仅要提供更快的速度以适应急剧增长的传统的计算机数据流量，而且，IP路由器也将逐步提供原电信网络所提供的种种业务。
但是传统的IP路由器并不关心也不知道IP包的业务类型，一般只是按先进、先出的原则转发数据包，语音电话数据、实时视频数据、因特网浏览数据等等各种业务类型的数据都被不加区分的对待。
由此可见，IP路由器要想提供包括电信广播在内的所有业务，提高服务质量（QOS）是其关键。
这也正是目前各大网络设备厂商（包括Cisco，3Com，Nortel等）所努力推进的方向。
各大厂商新推出的高、中、低档路由器中都不同程度地支持QoS，如Cisco的最高档12000系列，从硬件和软件协议两方面都对QoS有很强的支持，而其新推出的低端产品2600系列也支持语音电话这样的新业务应用。
事实上，QoS不仅是路由器的一个发展趋势，以路由器为核心的整个IP网络都在朝这个方向发展。
“三网合一”这样一个概念便是这个方向的产物。
然而以传统IP路由器为核心的网络已经不能适应”三网合一”的趋势，以美国为首的各个国家都在推进能提供更好，更快的服务质量的网络技术的研发。
其中路由器的研发又是其中的关键，公司成为推动这项技术的主要动力。
对QoS的支持来自软件和硬件两个方面。
从硬件方面说，更快的转发速度和更宽的带宽是基本前提。
从软件协议方面来说，近年来的努力，表现在以下几个结果：
∙PV4包头服务类型字段。
IPV4包头中有一个3位的区域用以标识此IP包的优先级。
据此优先级，IP路由器可以决定不同IP包的转发优先顺序。
可以说，自IP协议制定之日起，就已经为日后提供更好的QoS预留了机制的保证。
但由于IP网络在蓬勃发展的初期并不注重QoS。
因此，一般这个人3位区域并没有被使用。
不过，如我们下面分析所能看到，仅仅在IP包中定义服务类型是绝对不够的，通过信令在整个网络的各个环节都必须保证支持所要求的服务质量。
∙RSVP（资源预留协议）及相应的系列协议。
这是IP路由器为提供更好的服务质量向前迈进的具有深刻意义的一步。
传统上IP路由器只负责包转发，通过路由协议知道临近路由器的地址。
而RSVP则类似于电路交换系统的信令协议一样，为一个数据流通知其所经过的每个节点（IP路由器），与端点协商为此数据流提供质量保证。
RSVP协议一出现，立刻获得广泛的认同，基本上被任为较好地解决了资源预留的问题。
但随着时间的推移，网络的爆炸性增长，RSVP所暴露出来的问题越来越多，主要体现在以下几个方面：
o最根本的是，RSVP是以每一个数据流为协商服务对象，在网络流量爆炸性增长的情况下，路由器转发的数据流个数急剧增长，为提高转发速度，路由器中做了大量专门设计，已经根本不可能再为每个数据流进行复杂的资源预留协议。
o其次，当由于线路繁忙或路由器故障等原因，路由修改时，需要重新进行一次相对耗时RSVP过程。
∙出于以上两个原因，IETF又新推出另一种QoS策略——DiffServ（DifferentiatedService）。
目前DiffServ的框架已基本确定，美国的internet2也选择DiffServ作为其QoS策略。
与DiffServ相比，RSVP是一种IntegratedService，集中控制策略，而DiffServ则是一种分散控制策略，其精髓是仅控制路径中每一跳（perhop）的行为。
终端应用设备通过SLA（
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