1.什么是路由器

路由器（router）是互聯(lián)網(wǎng)的樞紐，是連接英特網(wǎng)中各局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的設(shè)備，它會根據(jù)信道的情況自動選擇和設(shè)定路由，以最佳路徑，按前后順序發(fā)送數(shù)據(jù)。
作用在OSI模型的第三層，提供了路由與轉(zhuǎn)發(fā)兩種重要機(jī)制

路由器是一種具有多個輸入端口和多個輸出端口的專用計算機(jī)，其任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)分組。也就是說，將路由器某個輸入端口收到的分組，按照分組要去的目的地，把該分組從路由器的某個合適的輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳的路由器。下一跳的路由器也按照這種方法處理分組，直到該分組到達(dá)終點(diǎn)為止。

路由器的功能

• 路由：收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒉討B(tài)形成路由表

• 轉(zhuǎn)發(fā)：根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表（FIB）轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包

• 子網(wǎng)間速率適配

• 隔離子網(wǎng)

• 隔離廣播域

• 指定訪問規(guī)則

• 不同類型的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)：路由?經(jīng)常會收到以某種類型的數(shù)據(jù)鏈路幀封裝的數(shù)據(jù)包，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)這種數(shù)據(jù)包時，路由?可能需要將其封裝為另一種類型的數(shù)據(jù)鏈路幀。數(shù)據(jù)鏈路封裝取決于路由器接口的類型及其連接的介質(zhì)類型。

2.基本工作過程

3.路由器的結(jié)構(gòu)

• 路由器內(nèi)部整體分為兩部分：路由選擇部分、分組轉(zhuǎn)發(fā)部分
• 路由選擇部分：軟件、控制層面、核心是路由選擇處理機(jī)

• 分組轉(zhuǎn)發(fā)部分：硬件、數(shù)據(jù)層面、核心是處理芯片和交換結(jié)構(gòu)

4. 報文處理路徑

控制路徑： 處理目的地址是本路由?的高層協(xié)議報文，特別是各種路由協(xié)議報文。雖然控制路徑不是路由?的關(guān)鍵路徑，但是它負(fù)責(zé)完成路由信息的交互，從而保證了數(shù)據(jù)路徑上的報文沿著最優(yōu)的路徑轉(zhuǎn)發(fā)

數(shù)據(jù)路徑： 處理目的地址不是本路由?而需要轉(zhuǎn)發(fā)的報文，因此數(shù)據(jù)路徑是整個路由器的關(guān)鍵路路徑，它直接影響路由?的整體性能

5. 路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表

每個路由器中都有一個路由表和FIB(Forward Information Base)表：路由表用來決策路由，FIB用來轉(zhuǎn)發(fā)分組。

轉(zhuǎn)發(fā)表（FIB）：是基于路由生成的，路由?實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)時使用轉(zhuǎn)發(fā)表（只包括IP地址/IP子網(wǎng)和下一跳/出接口）；

轉(zhuǎn)發(fā)表中每條轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)都指明分組到某個網(wǎng)段或者某個主機(jī)應(yīng)該通過路由器的那個物理接口發(fā)送，然后就可以到達(dá)該路徑的下一個路由器，或者不再經(jīng)過別的路由器而傳送到直接相連的網(wǎng)絡(luò)中的目的主機(jī)。

高性能路由?轉(zhuǎn)發(fā)表通常都用硬件來實(shí)現(xiàn)，有利于高速查找。

CAM、TCAM是一種特殊的存儲器，無論表大小如何，都會在一個時鐘周期內(nèi)檢索出地址

CAM：執(zhí)行二元運(yùn)算

• 基于0或1匹配；所有比特都必須匹配
• “命中”將返回結(jié)果（出接口）
• 用于MAC地址查詢

TCAM：執(zhí)行三元運(yùn)算

• 基于0、1或X（不關(guān)心）匹配
• 最長匹配返回“命中”
• 適用于并非所有值都需要精確匹配的查詢（ACL或IP路由表）

6.分組轉(zhuǎn)發(fā)部分

輸入端口

交換結(jié)構(gòu)

交換結(jié)構(gòu)是一臺路由?的核心組件,它的作用就是根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表對分組進(jìn)行處理,將某個輸入端口進(jìn)入的分組從一個合適的輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)出去

輸出端口

7.路由器演化史

7.1 第一代路由器

集中轉(zhuǎn)發(fā)，固定接口

• X86架構(gòu)，轉(zhuǎn)發(fā)速率小于0.5Gb/s，接口種類少
• 由一個中央處理器和若干網(wǎng)卡通過共享總線互聯(lián)而成
• 主要功能是軟件實(shí)現(xiàn)的
• 結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，性能低
• 性能低的原因：

1. CPU既運(yùn)行路由協(xié)議，也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的處理和轉(zhuǎn)發(fā)，存在嚴(yán)重的處理瓶頸
2. 主要的數(shù)據(jù)處理涉及到存儲器，對其的訪問速度會影響系統(tǒng)性能
3. 數(shù)據(jù)移動必須兩次通過總線，耗時，有時甚至超出數(shù)據(jù)包頭的處理時間

7.2 第二代路由器

集中轉(zhuǎn)發(fā)，模塊化接口

• 數(shù)據(jù)在第一次到達(dá)時生成轉(zhuǎn)發(fā)表，然后將轉(zhuǎn)發(fā)表從CPU下發(fā)到接口線卡緩存，一次轉(zhuǎn)發(fā)多次路由
• 路由狀況不斷變化的環(huán)境中，IP路由表的改變會使得轉(zhuǎn)發(fā)表無效，線卡緩存需要不斷從CPU中同步轉(zhuǎn)發(fā)表，性能優(yōu)勢會受到很大限制

7.3 第三代路由器

分布式軟件轉(zhuǎn)發(fā)

• 轉(zhuǎn)發(fā)速錄小于5Gb/s，處理能力強(qiáng)，接口種類多，配置靈活

• 提高了線卡的處理能力，將CPU從路由轉(zhuǎn)發(fā)中解放出來

• 從板擁有自己的CPU，內(nèi)存和若干網(wǎng)卡的獨(dú)立子系統(tǒng)，在本地線卡進(jìn)行存儲和轉(zhuǎn)發(fā)判斷

• 主板基本不參與路由轉(zhuǎn)發(fā)操作，主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理操作和路由計算等任務(wù)，把轉(zhuǎn)發(fā)表發(fā)布到各個從板上

• 主板和從板的分布式結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)的整體性能

缺點(diǎn)：

• 共享總線的容量直接限制了路由器的吞吐率，成為系統(tǒng)無法避免的瓶頸

7.4 第四代路由器

基于ASIC與交換矩陣

• 轉(zhuǎn)發(fā)速率小于50Gb/s，IP處理能力由質(zhì)的突破，端口較豐富，端口r容量大

• 交換結(jié)構(gòu)的引入解決了總線的瓶頸，顯示無阻塞交換

• 對QOS，MPLS VPN，IPV6，組播支持能力弱

• 引入交換結(jié)構(gòu)代替原來的共享總線，提供了比共享總線高得多的帶寬

• 線卡上不采用通用CPU，而是采用ASIC實(shí)現(xiàn)的專用轉(zhuǎn)發(fā)引擎或者是針對網(wǎng)絡(luò)處理進(jìn)行了優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)處理器

NP （network processor）芯片

可編程，同時對多業(yè)務(wù)硬件處理進(jìn)行加速

網(wǎng)絡(luò)芯片(NP)技術(shù)的出現(xiàn)是為了了適應(yīng)下一代高速網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的需要，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(QoS)控制，不斷適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，發(fā)展新的網(wǎng)絡(luò)管理模式以及快速響應(yīng)市場對新的網(wǎng)絡(luò)功能的需求而推出的一項(xiàng)新的芯片技術(shù)。它同時具有通用芯片和專用集成電路

ASIC兩方面的優(yōu)點(diǎn)，既具有ASICs線速轉(zhuǎn)發(fā)報文的高速度特性同時又具有通用芯片的可編程性。

7.5 第五代路由器

NP與ASIC之比較 性能更高：內(nèi)部集成數(shù)十個CPU及硬件協(xié)處理?、硬件加速?，在實(shí)現(xiàn) 復(fù)雜的擁塞管理、隊(duì)列調(diào)度等QOS功能前提下，仍能保持線速轉(zhuǎn)發(fā)， 實(shí)現(xiàn)“硬轉(zhuǎn)發(fā)”；

• 擴(kuò)展更靈活：預(yù)留的用戶接口可編程，擴(kuò)展靈活；

• 業(yè)務(wù)支持能力強(qiáng)：對新的增值業(yè)務(wù)(MPLS、QOS、組播等等)迅速支持；

• 管理靈活，開發(fā)方便，大大縮短二次開發(fā)周期；

• 預(yù)留IPv6接口，可通過軟件平滑升級；

• 可靠性高：芯片轉(zhuǎn)產(chǎn)前通過嚴(yán)格的疲勞性測試，適合開發(fā)電信級設(shè)備。

7.6 第六代路由器

三級交換結(jié)構(gòu)、嚴(yán)格意義上的無阻塞結(jié)構(gòu) 第二級通常是單獨(dú)的中央交換框 F1、F2、F3之間采用光纖互連(光背板) 隨著分組搜索系統(tǒng)的日趨復(fù)雜，設(shè)計師需要采用各種各樣的解決方案以滿足千差萬別的搜索要求。

策略略查表法（例如存取控制表（ACL）和服務(wù)質(zhì)量量（QoS））需要高性能以及超群的搜索靈活性和易用性——而所有這些都需

要采用TCAM。

另一方面，轉(zhuǎn)發(fā)查表（包括虛擬路由?轉(zhuǎn)發(fā)（VRF）和虛擬專用網(wǎng)（VPN））也可以使用TCAM技術(shù)進(jìn)行加速。隨著網(wǎng)絡(luò)速度的劇增，傳統(tǒng)的解決方案已

經(jīng)無法滿足速度要求，這時就需要一個專門的硬件來解決這個矛盾，該硬件通常稱為NSE（網(wǎng)絡(luò)搜索引擎），TCAM其實(shí)就是一種基于CAM技術(shù)的NSE

多級交換結(jié)構(gòu)是由多個交換單元互聯(lián)起來的，每個交換單元具有一整套輸入輸出，與普通交換機(jī)類似，提供輸入輸出的連接。通過互聯(lián)多個小的交換單元，就可以制造一個大型的、可擴(kuò)展的交換結(jié)構(gòu)。多級結(jié)構(gòu)之間的不同取決于交換單元之間是如何互聯(lián)的。

典型的結(jié)構(gòu)包括Benes網(wǎng)、Butterfly網(wǎng)、Clos網(wǎng)等形式。 Benes網(wǎng)使用方形交換單元（即：輸入輸出端口數(shù)相同）進(jìn)行多級互聯(lián)。

一般來說，3級N部Benes網(wǎng)的每一級均可以用N個輸入/輸出端口和N個交換單元來構(gòu)造。這個格形結(jié)構(gòu)在每個輸入端和每個輸出端之間形成N個可能的通路。Benes輸出可以擴(kuò)展至任意奇數(shù)級。 雖然對于小型系統(tǒng)單級結(jié)構(gòu)的設(shè)計相對簡單，成本也相對低，但是它不能滿足下一代Internet擴(kuò)展的需要。

多級結(jié)構(gòu)在操作上較復(fù)雜，但是可以擴(kuò)展到成百上千個端口，這對于下一代

Internet核心路路由系統(tǒng)是絕對必要的。

在多級拓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Benes結(jié)構(gòu)是最佳選擇，因?yàn)樗南到y(tǒng)復(fù)雜程度最低，性能好且滿足可擴(kuò)展的要求。

7.7 集群路由器

可擴(kuò)展性主要體現(xiàn)在以下3個方面：

1. 交換實(shí)體的分布性帶來的規(guī)模可擴(kuò)展性；
2. 路由實(shí)體的分布性帶來的路由計算可擴(kuò)展性；
3. 路由?操作系統(tǒng)的分布性帶來的功能可擴(kuò)展性；

集群技術(shù)的產(chǎn)生，主要有兩個直接的原因：

1. 單機(jī)容量逐步發(fā)展到極限；
2. 超級節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)生使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越趨復(fù)雜，運(yùn)維管理難度加大 集群路由?體系結(jié)構(gòu)是解決高性能路由?所面臨問題的一個有效途徑，它由若干個路由?節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，包含了多個路由實(shí)體和交換實(shí)體 它的交換結(jié)構(gòu)由多個交換結(jié)構(gòu)聚合而成，具有分布式的特點(diǎn)，能夠滿足性能、規(guī)模和可擴(kuò)展性的要求
3. 它還包含了多個具有路由計算能力的控制節(jié)點(diǎn)，有利于路由協(xié)議和控制協(xié)議等任務(wù)的分布式實(shí)現(xiàn) 集群路由?體系結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是符合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要的下一代高性能路由?體系結(jié)構(gòu)