用了這么多年的路由器，你真的了解路由器了嗎？

zsok 2016-08-16

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一百多年前，如果你問當(dāng)時的人類，你最離不開的東西是什么，或許他給你的答案是食物。時間回到現(xiàn)在，很多人表示，沒有手機(jī)、電腦已經(jīng)活不下去了....

事實(shí)上，手機(jī)、電腦并是活不下去的主要原因，網(wǎng)絡(luò)才是。試想家里沒有路由器的恐怖生活....雖然有4G網(wǎng)、但肯定沒Wi-Fi爽啦~

既然路由器如此重要，偏偏我們對它卻知之甚少，本篇小編將和大家一起進(jìn)入路由器的內(nèi)部世界，一起來給大腦充充電吧。

一、路由器的硬件構(gòu)成

路由器主要由以下幾個部分組成：輸入/輸出接口部分、包轉(zhuǎn)發(fā)或交換結(jié)構(gòu)部分(switching fabric)、路由計(jì)算或處理部分。如圖所示

圖1 路由器的基本組成

輸入端口是物理鏈路和輸入包的進(jìn)口處。端口通常由線卡提供，一塊線卡一般支持4、8或16個端口，一個輸入端口具有許多功能。第一個功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層的封裝和解封裝。第二個功能是在轉(zhuǎn)發(fā)表中查找輸入包目的地址從而決定目的端口(稱為路由查找)，路由查找可以使用一般的硬件來實(shí)現(xiàn)，或者通過在每塊線卡上嵌入一個微處理器來完成。第三，為了提供QoS(服務(wù)質(zhì)量)，端口要對收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行業(yè)務(wù)分類，分成幾個預(yù)定義的服務(wù)級別。第四，端口可能需要運(yùn)行諸如SLIP(串行線網(wǎng)際協(xié)議)和PPP(點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議)這樣的數(shù)據(jù)鏈路級協(xié)議或者諸如PPTP(點(diǎn)對點(diǎn)隧道協(xié)議)這樣的網(wǎng)絡(luò)級協(xié)議。一旦路由查找完成，必須用交換開關(guān)將包送到其輸出端口。如果路由器是輸入端加隊(duì)列的，則有幾個輸入端共享同一個交換開關(guān)。這樣輸入端口的最后一項(xiàng)功能是參加對公共資源(如交換開關(guān))的仲裁協(xié)議。普通路由器中該部分的功能完全由路由器的中央處理器來執(zhí)行，制約了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)速率(每秒幾千到幾萬個數(shù)據(jù)包)。高端路由器中普遍實(shí)現(xiàn)了分布式硬件處理，接口部分有強(qiáng)大的CPU處理器和大容量的高速緩存，使接口數(shù)據(jù)速率達(dá)到10Gbps，滿足了高速骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。

路由器的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制對路由器的性能影響很大，常見的轉(zhuǎn)發(fā)方式有：進(jìn)程轉(zhuǎn)發(fā)、快速轉(zhuǎn)發(fā)、優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)、分布式快速轉(zhuǎn)發(fā)。進(jìn)程轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)包從接口緩存拷貝到處理器的緩存中進(jìn)行處理，先查看路由表再查看ARP表，重新封裝數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)包拷貝到接口緩存中準(zhǔn)備傳送出去，兩次查表和拷貝數(shù)據(jù)極大的占用CPU的處理時間，所以這是最慢的交換方式，只在低檔路由器中使用。快速交換將兩次查表的結(jié)果作了緩存，無需拷貝數(shù)據(jù)，所以CPU處理數(shù)據(jù)包的時間縮短了。優(yōu)化交換在快速交換的基礎(chǔ)上略作改進(jìn)，將緩存表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作了改變，用深度為4的256叉樹代替了深度為32的2叉樹或哈希表(hash)，CPU的查找時間進(jìn)一步縮短。這兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式在中高檔路由器中普遍加以應(yīng)用。在骨干路由器中由于路由表?xiàng)l目的成倍增加，路由表或ARP表的任何變化都會引起大部分路由緩沖失效，以前的交換方式都不再適用，最新的交換方式是分布式快速交換，它在每個接口處理板上構(gòu)建一個鏡像(mirror)路由表和MAC地址表相結(jié)合的轉(zhuǎn)發(fā)表，該表是深度為4的256叉樹，但每個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)部分是指向另一個稱為鄰接表的指針，鄰接表中含有路由器成幀所需要的全部信息。這種結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)發(fā)表完全由路由表和ARP表來同步更新，本身不再需要額外的老化進(jìn)程，克服了其它交換方式需要不斷對緩存表進(jìn)行老化的缺陷。

交換結(jié)構(gòu)最常見的有總線型、共享內(nèi)存型、Cross-bar空分結(jié)構(gòu)型?？偩€型結(jié)構(gòu)最簡單，所有輸入和輸出接口掛在一個總線上，同一時間只有兩個接口通過總線交換數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是其交換容量受限于總線的容量以及為共享總線仲裁所帶來的額外開銷。在調(diào)度共享數(shù)據(jù)傳輸通道上必須花費(fèi)一定的開銷，而且總線帶寬的擴(kuò)展受到限制，制約了交換容量的擴(kuò)張，一般在中檔路由器中使用這種結(jié)構(gòu)。共享內(nèi)存型結(jié)構(gòu)中，進(jìn)來的包被存貯在共享存貯器中，所交換的僅是包的指針，這提高了交換容量，但它受限于內(nèi)存的訪問速度和存儲器的管理效率，盡管存貯器容量每18個月能夠翻一番，但存貯器的存取時間每年僅降低5%，這是共享存貯器交換開關(guān)的一個固有限制。共享內(nèi)存型結(jié)構(gòu)在早期的中低檔路由器中普遍應(yīng)用。

Cross-bar空分結(jié)構(gòu)相當(dāng)于多條并行工作的總線，具有N×N個交叉點(diǎn)的交叉開關(guān)可以被認(rèn)為具有2N條總線。如果一個交叉是閉合，輸入總線上的數(shù)據(jù)在輸出總線上可用，否則不可用。對流經(jīng)它的數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行開關(guān)切換，可見開關(guān)速度決定了交換容量，隨著各種高速器件的不斷涌現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的交換容量普遍達(dá)到幾十Gbps以上，成為目前高端路由器和交換機(jī)的首選交換結(jié)構(gòu)。

路由計(jì)算或處理部分主要是運(yùn)行動態(tài)路由協(xié)議。接收和發(fā)送路由信息，計(jì)算出路由表，為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)提供依據(jù)。各種檔次的路由器的路由表?xiàng)l目的大小存在很大差異，從幾千條到幾百萬條不等，因此高端路由器的路由表的構(gòu)造對路由查找速度影響很大，其路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)常采用二叉樹的形式，查找與更新的速度都比較快。

輸出端口在包被發(fā)送到輸出鏈路之前對包存貯，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)度算法以支持優(yōu)先等級要求。與輸入端口一樣，輸出端口同樣要能支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層的封裝和解封裝，以及許多較高級協(xié)議。

一般而言，路由器對一個數(shù)據(jù)包的交換要經(jīng)過一系列的復(fù)雜處理，主要有以下幾個方面：

“

1)壓縮和解壓縮

2)加密和解密

3)用輸入/輸出訪問列表進(jìn)行報文過濾

4)輸入速率限制

5)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址翻譯(NAT)

6)處理影響本報文的任何策略路由

7)應(yīng)用防火墻特性對包進(jìn)行檢查

8)處理Web頁緩沖的重定向

9)物理廣播處理，如幫助性地址(ip help address)

10)利用啟用的QoS機(jī)制對數(shù)據(jù)包排隊(duì)

11)TTL值的處理

12)處理IP頭部中的任選項(xiàng)

13)檢查數(shù)據(jù)包的完整性

二、路由器的軟件體系

路由器是在軟件控制下進(jìn)行工作的，與普通操作系統(tǒng)相比，其軟件系統(tǒng)是比較簡潔、全部駐留在存儲器當(dāng)中且受限于原始平臺的一種操作系統(tǒng)。在商用實(shí)時操作系統(tǒng)的內(nèi)核基礎(chǔ)上開發(fā)一個包含TCP/IP協(xié)議棧的接口平臺，輔以各種功能模塊，形成完整的軟件系統(tǒng)。為最大限度地提高路由器快速交換報文的能力，該操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為具有最小的操作性開銷，同時允許CPU使用最大的帶寬進(jìn)行報文交換。其體系結(jié)構(gòu)如圖所示。

圖2 路由器軟件體系結(jié)構(gòu)

路由器的軟件系統(tǒng)主要有五個組成部分：

1、進(jìn)程：由執(zhí)行特定任務(wù)的獨(dú)立線程和相關(guān)的數(shù)據(jù)組成，如系統(tǒng)配置維護(hù)的telnet守護(hù)進(jìn)程、客戶端進(jìn)程，F(xiàn)TP進(jìn)程、TFTP進(jìn)程，SNMP進(jìn)程，各種協(xié)議進(jìn)程：IP、TCP、UDP、RIP、OSPF、BGP、ARP、ICMP、IGMP，其它有加解密進(jìn)程、報文過濾進(jìn)程、NAT進(jìn)程等。

2、內(nèi)核：為系統(tǒng)的其它部分提供基本的系統(tǒng)服務(wù)，如存儲器管理、進(jìn)程調(diào)度、定時器和時鐘管理。它為進(jìn)程提供了硬件(CPU和存儲器)資源的管理。

3、報文緩沖：用來存放將要被交換的報文。

4、設(shè)備驅(qū)動程序：控制網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)備及其它外圍設(shè)備(如Flash)。設(shè)備驅(qū)動程序接口位于進(jìn)程、內(nèi)核、硬件之間，同時與交換控制軟件有接口。

5、交換控制軟件：根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式控制報文的交換，在高端線速路由器中該部分功能由硬件實(shí)現(xiàn)。

三、網(wǎng)絡(luò)層的幾個基本概念

路由器工作在OSI參考模型第三層——網(wǎng)絡(luò)層，是一種實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的設(shè)備，它以不同的速度為大量鏈路和子網(wǎng)提供接口。路由器是有源的且具有智能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而能夠參與網(wǎng)絡(luò)管理。

1、被動路由協(xié)議與路由選擇協(xié)議

被動路由協(xié)議(routed protocols)：指任何在網(wǎng)絡(luò)層地址中提供了足夠信息的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議允許將數(shù)據(jù)包從一個主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到以尋址方案為基礎(chǔ)的另一個主機(jī)。被動路由協(xié)議定義了數(shù)據(jù)包內(nèi)各字段的格式和用途。數(shù)據(jù)包一般都從一個端系統(tǒng)傳動到另一個端系統(tǒng)。IP協(xié)議就是一個被動路由協(xié)議。

路由選擇協(xié)議(routing protocol)：通過提供共享路由選擇信息機(jī)制來支持被動路由協(xié)議。路由選擇協(xié)議消息在路由器之間傳送。路由選擇協(xié)議允許路由器與其他路由器通信來修改和維護(hù)路由選擇表。路由選擇協(xié)議有：RIP、OSPF、IGRP等。如圖4-3說明了被動路由協(xié)議和路由選擇協(xié)議的關(guān)系。

圖3 被動路由協(xié)議用于引導(dǎo)信息，路由選擇協(xié)議用在路由器之間維護(hù)路由表

2、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的工作

當(dāng)一臺主機(jī)上的應(yīng)用需要向另一個網(wǎng)絡(luò)上的目的主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包時，路由器的一個接口會收到一個數(shù)據(jù)鏈路幀。網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)程通過檢查數(shù)據(jù)包報頭來確定目的網(wǎng)絡(luò)，然后查詢與網(wǎng)絡(luò)出口的接口相聯(lián)系的路由表，如圖4。

數(shù)據(jù)包重新封裝在選定接口的數(shù)據(jù)鏈路幀中，排隊(duì)等待分發(fā)到路徑的下一站路由器(hop)。

在數(shù)據(jù)包通過另一個路由器交換時都要發(fā)生這個過程，在與包含目的主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)相連接的路由器中，數(shù)據(jù)包再次封裝成目的LAN數(shù)據(jù)鏈路幀的類型并被發(fā)送到目的主機(jī)。

圖4 每個路由器都為其上層功能提供其各種服務(wù)

3、靜態(tài)路由、動態(tài)路由、缺省路由

由系統(tǒng)管理員事先設(shè)置好固定的路由稱之為靜態(tài)(static)路由，一般是在系統(tǒng)安裝時就根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的配置情況預(yù)先設(shè)定的，它不會隨未來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變而改變。此時網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性不依賴于網(wǎng)絡(luò)自身的存在和狀態(tài)，不管目的網(wǎng)絡(luò)存在或不存在，靜態(tài)路由都會保存在路由轉(zhuǎn)發(fā)表中，IP業(yè)務(wù)量仍然向著目的地發(fā)送。靜態(tài)路由允許互聯(lián)網(wǎng)管理員指定在有限的劃分中哪些是可以公開的。當(dāng)一個網(wǎng)絡(luò)只能通過一個路徑到達(dá)時，對這個網(wǎng)絡(luò)用靜態(tài)路由就足夠了，這種劃分稱為存根(stub)網(wǎng)絡(luò)。對一個存根網(wǎng)絡(luò)配置

靜態(tài)路由選擇，避免了動態(tài)路由選擇的開銷。如圖5顯示了靜態(tài)路由的用途

圖5 靜態(tài)路由

動態(tài)(Dynamic)路由是路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運(yùn)行情況而自動調(diào)整的路由。路由器根據(jù)路由選擇協(xié)議(Routing Protocol)提供的功能，自動學(xué)習(xí)和記憶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況，在需要時自動計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂健４藭r網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性依賴于網(wǎng)絡(luò)的存在和狀態(tài)。如果一個目的地不存在，則路由會從路由轉(zhuǎn)發(fā)表中消失，IP包業(yè)務(wù)量不會向該目的地發(fā)送。使用動態(tài)路由可以很好的適應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。它可以在網(wǎng)絡(luò)的不同路徑間改變流量方向。

缺省路由是一個路由表入口，用來指明一些在下一跳沒有明確地列于路由表中的幀。缺省路由可以說是管理員的靜態(tài)配置的結(jié)果。如圖6顯示了缺省路由的用途

圖6缺省路由

4、用度量表示距離

當(dāng)一個路由選擇算法改變路由表時，它的首要目標(biāo)時確定要包含在表中的最佳信息。每個選路算法以自己的方式解釋最佳路徑。算法為通過網(wǎng)絡(luò)的每條路徑生成了一個數(shù)字，稱為度量值(metric)。其典型意義是該度量值越小，這條路徑就越好。(如圖7示)

圖7用于選擇最佳路由路徑的各種度量

度量的計(jì)算可以基于路徑的一個特征，或是將幾個特征結(jié)合起來計(jì)算出更復(fù)雜的度量。如圖所示，用于度量計(jì)算的幾個路徑特征。路由器中最常用的度量如下：

1)跳數(shù)(hop count)：數(shù)據(jù)包到達(dá)目的必須通過的路由器數(shù)。跳數(shù)越少，該路由越好。路徑長被用于描述到達(dá)目的的跳數(shù);

2)帶寬(Bandwidth)：鏈路的數(shù)據(jù)能力。如：一個10Mb/s的T1鏈路優(yōu)于64kb/s的專線;

3)時延(delay)：把數(shù)據(jù)包從源送到目的地所需的時間;

4)負(fù)荷(load)：網(wǎng)絡(luò)資源如路由器和鏈路上的活動數(shù)量;

5)可靠性(reliability)：指每條網(wǎng)絡(luò)鏈路上的差錯率;

6)滴答數(shù)(Ticks)：用IBM PC的時鐘滴答(大約55ms)計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)鏈路延遲;

7)開銷(cost)：是一個變化的值，通?；趲?、花費(fèi)的錢數(shù)或其他由網(wǎng)絡(luò)管理員指定的單位。

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