路由器性能论文1Word格式.docx
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路由器是整个互联网设备中的枢纽，它是相互之间有差别的网络进行彼此联接的核心，路由器是Internet的全部框架的组成者，它的处理速度在网络快速发展中是一大制约因素。
因此，在未来整个因特网研究领域，路由器技术处于并且将长时间的出去要害地位，它的发展过程也将成为整个因特网研究的一个重要写照。
现今网络发展速度，不可小观。
随着网络快速成长，它在路由器的性能方面，提出了愈来愈高的要求。
为了适合于下一代网络的高速度的需求，路由器正在被挑衅。
为了对路由器的性能加以提升，许多先行者会有很多在路由器上研究。
对于路由器高速转发技术，他们是研究的方向之一。
高速转发技术中引入流水线技术。
这是现今提升路由器的一个重要探究方向。
流水线技术可谓是很好一种方法。
它将串行处理转变为并行处理。
简单在运行操作期间，多条指令一起执行。
流水技术能够提升指令的运行功效。
其利用的方法是对各个部件的使用来兑现的。
路由器是整个网络重要组成部分，流水技术在路由器中应用也将在提升路由器性能发挥巨大作用。
本文对路由器的工作原理、转发过程、体系结构等理论进行了简要的概述，对于流水线进行了基本概念的叙述和有关问题的说明，并且流水技术在路由器中的应用。
1路由器的概述
1.1路由器产生
网上的最重要的设备是路由器。
它用于连接不同的网络的。
传输控制协议/互联网络协议（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，简称TCP/IP）是在美国国防部ARAPNET基础上发展过来，时间为上世纪70年代。
美国军方期望能够在它帮助下，使得不同广域网和局域网能够互相通信。
让路由器称为一种不能够被交换机所替换的设备，这样可以确保网络即使在遭受战争打击后也能够相互连接通信。
在这种历史背景下，路由器的产生就称为了必然结果。
1.1．1路由器基本结构和发展历程
图1路由器基本结构图
据图1，路由器的基础构造能够从图1中看出，网络接口、引擎模块（包括转发和路由的引擎）和内部互换模块这四个功能模块构造了路由设备。
从图1中可以看到物理链路和网络接口。
它们是直接连接的。
处理互相对应的物理传输数据报文模块、将网络报文接收和发送任务完成，都是有网络接口实现的。
高速路由查找需要一种特种设备。
路由器转发引擎是其所需的。
转发引擎是具有数据包发送途径决策的任务。
路由设备由内部处理模块实现，其对高层协议操作。
路由引擎有很多工作。
它对高层协议进行操作，特别是路由协议。
整个路由设备稳定工作也是由路由器来负责。
整个路由器稳工作包括维护各个网络之间状态的一致性，监控系统状态等工作。
这些工作任务都是经由路由设备引擎来实现的。
路由引擎模块和网络接口连接。
它们之间进行的数据传输。
其传输过程中提供高速数据路径。
这是内部交换模块的任务。
另外，从图1中能够看出路由设备提供哪一种路径是依据网络报文来确定。
数据路径处理的目标地址是需要转发网络报文，路由器的整体性能都受到它的影响。
固然处理的目标地址（在控制路径上的）不处于路由器的要害途径，然而它在路由器报文转发时提供了准确讯息。
身为互联网关卡的路由器现在正向着运行速度不断增加、服务在质量的更好以及更便于管理的方向发展。
随着网络速度的不段发展，路由器也在几个方面快速发展着，这个几个方面主要是：
引擎模块划分为路由引擎和转发引擎，它们之间相互独立、在路由表上，对全局路由表和局部转发表的划分、硬件设备上，我在对于网络之间互连的协议（InternetProtocol，简称IP）的报文，要实现报头的快速处理、对于路径，要进行搜索和发送、转变中央处理器为中央处理控制器。
将接口卡模式转变为许多个单元。
这个单元是分布式的接口，这样，新的方式将上述的方式替换、提高数据通信速度使用的交换结构。
路由器在成长的历程中，走过了两个过渡阶段。
一个是历经了单个处理器阶段向并行处理器的过渡阶段。
另外一个由总线的同享向结构的交换的过渡阶段。
目前路由器又提出在大规模并行工作处理技术的结构体系基础上，路由器性能在路由器结构体系的发展下不断提高。
1.1．2路由器研究现状
现有的高性能路由器技术基快速发展。
高端路由器的成长方向和探究方向基本上都关注在四个方面：
首先是硬件将在并行工作处理技能中广泛采用的；
第二方面是协议处理将专注于分布式处理技术；
第三方面是在网络骨干节点多粒度路由提供流量控制和管理技术。
最后的是路由协议在算法的改进。
而且智能路由技术（这种技术有约束条件）将基于距离准则替代。
思科，Juniper，华为，上海贝尔艾尔卡特、中兴等企业是目前的高水准路由器的来源。
主流的高端设备都有很强的能力。
例如，高于360G的交换能力、G比特每秒单端口速率等。
许多制造商走的是中低端路由器路线。
在上文中提到的制造商之外，比威，神州数码，迈普等制造商也从事制作中低端路由器。
具有强大的适用范围中低端设备，在定位和功能形态上都各有不同，差距很大，这里也不再对它们详细阐述了。
1.2路由器体系结构
（1）从上文所述的路由器的发展历程，我们可以看出路由器体系机构的变化。
一般路由器的结构体系可以分为三种类型：
在同享总线方面，单个处理设备的体系结构和多个处理设备结构以及互换机制的多个处理设备体系结构。
下面对于上文中提到体系结构进行详细阐述
（2）单个处理总线体系结构
图2单个处理器结构体系
图2呈现的是经典的路由器结构系统。
它是基于总线的路由器结构体制。
整个数据报文转发过程是：
数据报文首先抵达接口卡，然后将报文发送给中央处理器（CentralProcessingUnit，简称CPU），CPU对路由表进行搜索，然后根据搜索结果做出下一步的地址的选择，最后通过其他的接口卡将报文转发出去。
从上述报文转发过程中，可以看要通过两次才能将数据转发出去。
这成为了制约整个系统因素。
在路由器的传统总线结构中央处理器是要完成很多工作的。
例如包的转发、路由协议等。
整个系统都依赖于路由器的CPU，从而可以得出这种系统的缺点有：
1）路由设备的报文都由中央处理设备来进行执行操作，中央处理设备成为制约因素。
2）报文转发涉及存储器访问，CPU处理不能成线性处理，访问存储器时间成为主要的制约者；
3）总线结构的交换方式对高速转发无法支持。
（3）多个处理共享总线体系结构
图3多个处理共享总线结构
这种体系结构是在传统的路由器结构中的改进，其主要的理论是用多个处理部件来分解处理报文转发。
如图3所展示的一样，图中有在多处理共享总线体系结构有存在两种。
其分别为分布体系结构和并行式体系结构。
其中，分布式体系结构的工作原理是一个线卡上报文要由对应其线卡的处理器来进行操作。
另一种的原理是将相互独立的线卡和转发处理器在共享总线的上连接。
并行体系结构已经初步有了流水线操作的模式，它在处理过程同时对数据报文进行路由查找和数据缓存的操作，完成报文的更新和发送报文数据部分。
从总线带宽上看，这种方法节约了花费。
（4）多个处理互换机构结构体系
图4多处理互换机构结构体系
这种体系结构在第二代路由器的基础上，使用了交换机构方式作为背板传输的方式，而且使用集成电路（ApplicationSpecificIntegratedCircuit,简称ASIC）替换了通用CPU，使得路由器的性能大大提高。
通过对路由体系研究与分析，我们可以看出传统路由工作模式依然是串行模式，路由器的转发性能的不到提高，因此，本文中将引入流水线机制，在路由转发的过程中改变传统路由器的工作模式，使得路由器作业流水化、并行化，从而提高路由器性能。
本次论文将论文的第二部分和第三部分对流水技术和如何使用流水技术提升路由器性能做详细阐述。
1.3路由器的工作原理
在开放式系统互联（OpenSystemInterconnection，简称OSI）七层协议中，它位于网络层，并且在其中工作。
每当一个网络层发送的数据报，路由器对其接收和做直线前进，给自己连接到网络或转发到另一个路由器或丢弃该数据报的决定。
路由器使用的源地址和目的地址的网络层的信息进行转发的信息。
据此确定将信息转发到哪个网络。
假如同一个网络中包含了源网络和目的网络号，则传递到该网络所指定主机。
。
一个信息包在抵达路由器以后立即进入队列，然后路由器遵从以下顺序进行处理：
获取数据信息包的目标地址，对路由表进行检查，若是抵达目标地有超过一条以上途径，那么路由设备在对选择道路途径的中，他会选择最佳路径，路由器的选择时除了上面说的，在互联网上的路由器的延长时间，分组长度和指定的服务类型等因素来综合分析的数据集，然后根据这些做出决定，在道路途径上选择最优的一个的决定。
下面对路由设备对于路由的选择算法说明（以IP路由器为例）：
保存目的地网络号码于路由表中，当路由器接收到IP数据信息报文之时，首先找到IP数据信息报文的目标站点的地址（即IP地址），由IP路由设备将其获取，计算出目的站点的网络号（网络号是属于目标站点所在的网），然后依据计算出的网络号查找路由，最后决定该IP数据报要通过哪个接口发送出去。
在TCP/IP协议控制下，数据包到达路由器后，对于数据包，路由器将进行拆除报头（报头属于数据链路层）操作，查找到目标地址（其属于网络层）。
当目的地址被获取。
路由器就会对路由表进行查看。
通过路由表搜索到目标地址。
最后获取目标地址的路由。
整个数据包的转发过程为：
第一：
数据包的报头先进入路由器的入站口，通过多路访问控制（MultipleAccessControl,简称MAC）过程找到可用的硬件的目的地址，如若MAC过程中找到目的地址，就会使用循环冗余校验（CyclicalRedundancyCheck，简称CRC）来对数据信息包的帧来确认这个帧没有被破坏。
通过CRC校验，拆包，丢弃该帧。
在由路由设备的内存中将数据信息包保存后结束。
第二：
路由器运行搜索的操作。
这个操作在路由表中运行。
其后获取匹配地址（该地址为最长的数据信息包报头的目标地址）。
如若符合，该路由将由路由器为其搜索到下一跳的地址或者是直连的接口上（其中，若是存在一个直接连接的接口，它被指向路由，我们可以就可以跳过下一步而没有执行递归查找）。
反之，匹配不符，路由也未发现默认网关，数据包会被丢弃，并且会发送网络控制信息协议（InternetControlMessageProtocol，简称ICMP）不可达到的消息给原设备。
第三：
当下一跳地址被获取，递归查找操作被路由器执行。
这么做的目的便于直连的接口（在路由器上），找到表项（位于流出接口的），然后把数据包转发出去。
如若递归操作被运行后未获取到IP地址（在表项的上的），也没有默许的网关，那么路由器会出现两种操作：
一是将该数据包扔掉，二是利用ICMP发消息给数据包源。
第四：
出站口缓冲器有自己的作用。
它接收被交换的数据包。
其交换过程主要通过ARP技术实现。
第五：
路由器根据直连接口和下一跳的连接类型。
将合适的数据链路帧封包装入数据包。
在传输线上有出站接口。
其放置携带下一跳地址的帧（该帧属于数据链路层）。
在数据信息包到达目标地之前，这个包的转而发送过程都要被路由设备控制运行。
1.4路由器的基本功能和特点
路由器有一个最重要的功能。
它就是“路由”的作用。
简单的来说就是“方向导航”功用，基本上是用来对数据信息包的转而发送时为其指清楚方向的功能。
若是详细的划分，路由器的“路由”作用可以区别为以下两个方面：
（1）路由选择
根据地址（由网络层提供的），使用路由表为IP数据包选择到达目标地的最好途径，换句话说就是通过路由器的选择算法选择一条最佳的途径到目的地。
为了目标的完成，每个路由设备都会建成并保护路由表，在路由表中，其包涵盖了能够被本地连接的所有的网络。
在路由表的基础上路由设备查找数据信息包所要选取的最好的途径。
路由表中包括路由的有关信息。
路由器利用这些信息转发数据包使达到非直连远程网络。
一条路由蕴含了目标网络地址、掩码、网关或者接口地址、路由开销或度量等讯息。
（2）存储转发
路由设备首先让自己的以连接端口获取一个IP包，然后，在经由路由设备另一个连接端口发送出去。
如果我们想区分关于路由的算法是动态算法和静态算法，我们可以通过网的拓扑结构和通信的应变能力来判断。
静态路由算法又称为非自适应路由选择算法。
其特征是更加简洁，花费少，结构简单，但无法立即适应网络的状态的改变。
动态路由算法又称为自适应路由选择算法，其优点是迅速在网络状态的变化并做出相应的反应，缺点是更复杂的完成，成本也比较大。
路由器的主要特点是：
（1）路由器，不一样的MAC协议，不一样的传输介质，不相同的拓扑结构和不一样的网络不同的传输速率是相互连接的，具有很强的异构网络互联能力。
（2）路由器是一种设备。
它的功能体现在存储转发上。
它在相互连通的远程网上，有着很强大的使用性。
在远程网上，它具有强大相互连接能力。
它被较大范围的使用在远网和局域网之间互联互接情况里。
（3）在逻辑上相互不相同的的子网络可以凭借路由器连接在一起，其中每个子网络全部看一个单一的子网广播域，因此在子网网络与子网路之间，广播信息在路由器中不会流通。
因此，路由器有这个能力。
它可以去阻隔广播信息。
（4）路由器具备很多能力，例如流量控制、拥塞控制的能力，可以对异种速率网络之间进行速度匹配，用来确保数据包可以准确地进行传输。
（5）路由器忙碌于OSI的第三层。
OSI第三层也就是网络层。
它是与网络层的各种协议都有着紧密联系。
多种协议路由设备可以支撑许多不同种网络层的协议（例如：
IPX，DECnet，TCP/IP协议），数据包转发在异种网络的协议之间。
（6）路由设备对于网络层面的地址进行检查，从而发送数据的分组（Packet）。
当然，该该数据分组来自网络层。
出于这个原因，路由设备能够根据网络协议地址来进行数据包的过滤,路由设备使用访问控制列表（AccessControlList,简称ACL）根据各种协议封包装入的数据信息包并且对封包装入过程加以掌控。
同样，TCP、UDP端口号也会被实施数据过滤。
（7）首先对较大规模的网络划分为微小段化，然后将划分为微小段后的网段运用路由设备互连在一起。
这方法不仅达到在网络上提高性能，提升网络的带宽的目标。
另外，这种方法有利于管理网络和维护网络。
其亦是一个网络同享的方法通常是带宽问题解决方案。
（8）路由设备即可以在中、小规模分级集中网中进行运用。
同样适合在大规模、情况多变的互联网络环境。
（9）路由器有很好的分离效果。
它具体体现冲突域和广播域中。
2流水技术的研究
2.1流水技术的基本概念
2.1.1什么是流水线技术
流水线（pipelining）是一种将串行工作的方式转变为并行工作的技术，在程序运行期间，若干条指令在时间上重叠进行并行操作的。
关于计算机的系统结构性能上，流水线技术是一种十分好方法。
它可以提高计算机系统性能。
重复的过程，它将流程进行了重新规划，把原本该是顺序执行的流程，重新划分成相对独立的流程，但在耗时上却相当步骤，提高资源途径等方法来，在时间方面或者资源方面，让这些步骤之间相关性解除，这样他们就可以实现并行到一定程度，从而达到优化性能的目的。
在最初的时，CPU的内部结构中最先运用到流水线技术，它被分为两种：
一是部件级别的流水，二是处理设备级别的流水。
2.1.2流水线的特点
在处理器方面，让两种方式进行对比，这二者是：
一是传统的串行方式，二是流水线方式。
它们特征如下：
（1）持续不断地操作是流水线处理的前提。
在这种前提下，才能将流水线的效率发挥出来。
若断流，则会效率会变差。
（2）在流水线过程中，运行一个操作过程可以分解成多个子操作（它们之间有互联关系），并分别让专门的功能组件运行。
（3）缓冲寄存器位于在每个功能组件之后，作用是缓冲本步骤的执行之后所得到结果的，这是因为在每一段间延迟不平等，因此必须使用缓冲寄存器解决。
（4）同时有多个操作在执行。
每一个子操作的功能组件工作在并行状态，但各个功能组件上正在运行的是不一样的操作。
（5）各个子任务执行的时间应尽量相等，如果延时过长将造成“断流”问题。
2.2流水技术的主要性能指标
与许多其他的计算机技术一样，流水技术作为计算机的技术也有着自己的性能指标。
流水技术的性能指标不仅仅关系着流水技术的好坏，而且对于使用流水技术的路由器也有着十分重要的影响，所以下面我们来对流水技术的性能指标加以分析。
指标一：
吞吐率
流水线的吞吐量是单位时间内其流水线处理指令数，或者说是从流水线中，我们能够获取输出的结果数量。
流水线的最大吞吐率是一个关于吞吐的数量。
这个吞吐量仅仅当流水线来到一个稳定状态后，才会发生。
若各个功能阶段的时间相等，那么Δti=Δt0TPmax=1/Δt0，若各功能段时间不相等，TPmax=1/max（Δti）由花费时间最多的功能段所决定。
计算吞吐率的公式为：
在这个公式中，操作数是n，
是完成全部操作的时间。
为了对流水线的最大吞吐率进行提升，首先要找出阻碍吞吐率的制约因素，然后想办法解除制约因素。
解除这种因素有两种方案：
一是将制约因素子过程再次逐一划分，二是多次设立多个制约因素区让它们并联在一起，允许它们交叉进行。
第二种方法，首先要把在各并行子过程之间的任务分配合同步控制解决好，其与把制约因素子过程再细分控制过程相比，它更加要复杂、需要的设备量更多。
指标二：
加速比
有一条流水线采用串行模式。
然后将它更改为流水模式，流水速度两者比值被称为加速比。
加速比通常用来衡量流水线的工作安排合理程度。
则流水线的加速比为：
公式中是在顺序执行期间所要花费的时间，是采用用流水线方式后执行花费的时间，其就是加速比的公式。
指标三：
效率
在时间上，流水线中的设备实际使用的花费和整体运行的花费比称为流水线效率。
简单来说流水线效率就是流水线中设备的使用率。
如图5所示，流水线的效率是在时空区进行定义的，具体来说：
n个操作任务在现实中使用的时空区和多个（公式中用k表示）功能阶段的总的数量的的比值。
一个段线效率用公式表示为：
它就是是计算流水线的效率的基本公式。
图5流水线的各区间构成和时空图
2.3流水线技术的相关问题
流水线中会出现流水相关现象。
造成这种现象的原因是指令流（流水线上的工作），受到某种缘故的影响，在指令的一个时钟内，流水部件无法完成应该完成的的操作，这种现象我们就称为流水线相关。
流水线相关现象促使了流水线性能滑落，使得加速比大大的小于理想情况。
下面就流水线相关的三个方面开始分个讨论。
2.2.1资源相关
多指令进入流水线，在同一个机器周期，在对相同的组件资源的竞争引起冲突。
有一些不能够完全流水化生产功能部件的根本原因就是造成了资源相关。
流水冲突产生的另一个关键原因就在于系统中，对流水线中的组合所有指令的情况分析，使硬件资源数量充足。
解决的方法有1）完全流水化功能部件；
2）根据流水线中指令组合，设置足够多的资源。
2.2.2数据相关
数据相关就是指在一个程序中，在前面的一条条指令执行完成情况下，后面的一条的指令才能被执行，因此，我们可以知道这两条指令就是数据相关。
数据相关可以划分三种，它们是指令相关、主存空间数相关和通用寄存器组相关。
解决数据相关的方案有：
一就是退后分析法，在碰到数据冲突时候，暂不对本条指令进行分析，等到本条指令所需数据写入，才开始分析本条指令的操作。
二是建立一个专门的路径，原理是操作必要数据直接从专用路径中获取，不需要再等待操作需要的数据写入该指令存储单元中。
2.2.3控制相关
由于程序在
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