现代通信路由器工作原理及硬件结构

路由器工作原理

一、路由器基本工作过程

      在路由器中可以支持多种协议栈数据的转发。路由器在OSI的参考模型中,是一个第3层的网络连接设备。路由器连接的体系结构如图7.6所示。每台路由器可以有多个不同的网络接口。
      IP网采用无连接方式传送IP数据分组或称数据包,每一分组包含源站和目的站的IP地址,可以独立地在网上传送。IP数据包的转发是根据IP协议由路由器完成的。
 路由器连接体系结构
图7.6   路由器连接体系结构
       路由器在接收到数据时,要对其传输路径进行选择,则需要维护一个称为“路由表”的数据结构。概括地讲,路由表就是包含若干条目,供路由器选路时查询数据包传输路径的表项。路由表中的一个条目至少要包含数据报的目的IP地址(通常是目的主机所在网络的地址)、下一跳路由器(即从本路由器出发按所给路径到给定目的地所要通过的下一个路由器)的地址和相应的网络接口等几项内容。当数据包达到路由器后,路由器就根据数据包的目的地址查询路由表中的相应条目,并按照其中的指示把数据包转发到相应的方向。因此,路由表要能够正确的反映实际网络的拓扑结构,这样才能保证路由器做出的路径选择是正确的。当网络拓扑发生变化的时候,路由表也应该做相应的变动,即路由器必须能生成路由表并在必要的时候更新路由表。 
       路由器的基本工作过程如下。
       图7.7(a)是一个简单路由IP网的例子。有4个A类网络通过3个路由器连接在一起。每一个网络上都可能有成千上万个主机,可以想象,若按这些主机的完整IP地址来制作路由表,则这样的路由表显然过于复杂和庞大。若按主机所在的网络号Net-id来制作路由表,那么每一个路由器中的路由表就只包含4个要査找的网络,路由表大大简化。路由器是根据路由表查找路由的,它根据目的站所在的网络找出下一跳(下一个路由器)。以路由器R2的路由表为例,由于R2同时连接在网络2和网络3上,因此只要目的站在这两个网络上.都可由路由器R2直接交付(当然要通过地址转换协议ARP才能找到这些主机相应的物理地址)。若目的站在网络1中,则下一站路由器应为R1,根据路由表其1P地址为20.0.0.7.由于路由器R2和R1同时连接在网络2上,因此从路由器R2转发分组到路由器R1是很容易的。同理,若目的站在网络4中,则路由器R2应将分组转发给IP地址为30.0.0.1的路由器R3。最后由路由器R3转交给目的主机。
       既然在选择路由时路由表只根据目的站的网络号.那么就可以将整个网络拓扑简化为图7.7(E)所示的那样。在简化图中,网络变成了一条链路,但每个路由器旁边都注明其IP地址。使用这样的简化图,可使我们不用关心某个网络内部的拓扑以及网络包含有多少台计算机,因为这些对研究路由选择问题并没什么关系。简化图强调了在互联网中转发分组时是从一个路由器转发到下一个路由器。只有路由中最后一个路由器才将数据报交付给主机。
互联网转发分组的简化图
图7.7  互联网转发分组的简化图

二、路由选择算法及路由协议

        路由器要实现数据转发的功能.至少需要完成两个工作:
        ①选路策略。根据数据包的目的地和网络的拓扑结构选择一条最佳路径.把对应不同目的地的最佳路径存放在路由表中,及如何建立并维护路由表。包括静态路由选择以及各种动态路由协议。
        ②选路机制。査路由表从而决定向哪个接口转发数据,并执行相应的操作。即如何根据路由表内容转发数据包。
        选路策略只影响路由表的内容,比如对同一个目的IP地址来说.由于选路策略的不同,最佳路径可能会不一样,但这并不影响选路机制的执行过程,只是会对其执行的结果产生影响。 
选路机制的基本工作过程见上一小节,本小节重点介绍路由器中完成选路策略功能的路由选择算法及路由协议。

1.路由选择算法

       路由选择的基本概念可参见6.1.2节的相关内容,而互联网中的路由选择算法是指路由器获得对网络拓扑结构的认知,并为数据包选择正确传输路径的方法或者策略。一个理想的路由算法至少应该具备以下几点特征:
       ①完整性和正确性:即每个路由器中的路由表都必须给出到所有可能目的节点的下一跳应怎样走,且给出的走法是正确的。
       ②简单性:即路由选择的计算不应使网络通信量增加太多的额外开销。
       ③健壮性:主要指当某些节点、链路出现故障不能工作,或故障恢复后投入运行,算法能及时改变路由。
       ④公平性:即算法对所有用户都平等的。
       ⑤最佳性:即以最低的成本来实现路由算法。
       互联网的复杂性使得当前使用的路由算法主要是动态的、分布式的。目前互联网上的动态路由协议主要基于两种动态分布式路由选择算法:距离矢量路由算法和链路状态路由算法。

2.路由协议

       由于互联网规模太大,分布范围太广,所以路由表中对应每一个目的网络都有一个条目是不可能的,同样,也不可能采用一个全局的路由算法或协议。因此.Internet将整个网络划分为若干个相对自治的局部系统,即自治系统(AS:Autonomous System)0自治系统可以定义为同一机构下管理的路由器和网络的集合。
       路由协议是IP路由器最重要的一个组成部分,可以分为内部网关协议(IGP:Interior Gateway Protoco)和外部网关协议(EGP:Exterior Gateway Protocol)两大类。内部网关协议是用于自治系统内部的动态路由协议,包括路由信息协议RIP、开放最短路径优先OS-PF、OSI的IS-IS和Cisco路由器系统中的EIGRP(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol,增强型内部网关路由选择协议)等;而外部网关协议则是用于自治系统之间拓扑信息交换的路由协议,包含边界网关协议BGP等。
       为了降低数据包在网络中的传输开销和时延,要求为数据选择的路径是最短的。这里的“最短”在不同的场合具有不同的含义,它可以是跳数的多少、物理距离的长短或者时延的大小等。互联网中使用的各种路由协议或者路由算法,其根本目的就是寻找源节点和目的节点之间最短的一条路径,即最短路由。其中RIP和BGP使用距离矢量路由算法,OSPF使用链路状态路由算法来寻找最短路由。
下面对主要的RIP和OSPF路由协议进行简要介绍。
       在各种内部网关协议中,RIP是出现最早,也是使用时间最长的协议之一,它使用距离矢量算法来计算路由。具体来说,各个路由器都维持一个距离矢量表,对每个目的节点都有一个对应的表项,包括到该目的节点最短路径上的下一个路由器和到该目的节点的最短路径长度两项内容。路由器周期地和相邻路由器交换路由表中的信息,即向邻居路由器发送路由表的全部或部分。各个路由器根据收到的信息,重新计算到各目的节点的距离,并对自己的路由表进行修正。这样使得每一个路由器都可以知道其他路由器的情况,并形成关于 
网络“距离”的累积透视图.并据此更新路由表。RIP的优点是易于实现,但难以适应网络拓扑的剧烈变动或者大型的网络环境。
       OPSF的提出主要是为了克服RIP的缺陷。在网络中,每个OSPF路由器都维护一个用于跟踪网络状态的链路状态数据库,内容是反映路由器状态的各种链路状态通告,包括路由器可用接口、已知可达路由和链路状态信息。各OSPF路由器都会主动测试所有与之相邻的路由器的状态,并根据测试结果设置相关链路的状态。这样,路由器就得到了一张整个网络拓扑结构的图,再利用最短路由选择算法(详见6.1.2节)计算所有路由,并写到路由表中。OPSF能够及时反映网络拓扑结构的变化,收敛速度很快,适用于规模较大及拓扑变化比较快的网络,但对处理器性能要求比较高,占用的网络带宽比较多。

三、路由器硬件结构

1.路由器硬件结构的基本组成

        路由器的基本硬件结构包括输入/输出部分、数据转发引擎和交换结构(SwitchingFabric)部分以及路由计算部分四个功能模块,如图7.8所示。
       输入/输出部分就是路由器上的网络接口卡,即网卡,主要完成数据包的接收和发送工作。随着路由器数据吞吐量的增加,路由器网络接口卡的速度越来越高,从10Mbit/s到几HGbit/s甚至更高;也由只有单个网络接口的网卡发展到集成多个网络接口的线卡。
       数据转发引擎的功能是按照一定的路由查询算法或流分类算法,根据输入分组的目的地址等参数来决定转发的目的端口。数据转发引擎是影响路由器数据转发速率的决定性因素。
       交换结构用于连接输入/输出部分和数据转发引擎,为它们之间的数据传递提供高速的数据通道。常见的交换结构有总线,Cross-bar(交叉开关)等。总线结构最为简单,但当有多个网络接口同时有数据输入或输出时,会岀现总线争用的问题,影响数据交换的速率;Cross-bar结构相当于多条并行工作的总线,可以有效避免总线争用的问题,但实现起来相对比较复杂。对于路由器来说,交换结构是影响其吞吐量的关键因素。
       路由计算部分通常是根据网络的拓扑结构.选择相应的路由协议,计算出路由表,从而控制数据包的转发过程,也即完成7.2.2中的选路策略功能。
路由器硬件体系结构的基本组成
图7.8     路由器硬件体系结构的基本组成

2.路由器硬件结构举例

       随着互联网网络带宽的迅速增加、数据业务的爆炸性增长以及用户对服务质量要求的不断提高,作为网络核心的路由器的硬件结构也在不断地变化和发展。
       最初的路由器采用传统计算机的结构,相当于加了网络物理接口(网卡)的计算机,如图7.9所示,包括共享中央总线、CPU、内存及挂在共享总线上的多个网卡,通常可称为单总线单CPU结构。
 
第一代路由器硬件结构
图7.9   第一代路由器硬件结构
       图7.9中,中央CPU完成除物理接口之外的其他所有功能,数据包从一个物理接口进来,经总线送到中央CPU中进行转发处理,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。目前大量的接入式路由器基本上都是这种结构。
       为了克服第一代路由器的缺陷•显然应该增加CPU的数量以及总线的数量.以便提高转发速度和处理能力。所以.又出现了单总线主从CPU、单总线对称式多CPU、多总线多CPU的结构。目前使用比较多的核心路由器结构是交换式结构。
       基于交叉开关设计的交换式路由器有很好的可扩展性能,并且省去了控制大量存储模块的复杂性和高成本,如图7.10所示。
交换式路由器结构
图7.10交换式路由器结构 
       在交换式路由器中,釆用交叉开关结构替代共享总线,数据直接从输入端经过交叉开关流向输出端。这样就允许多个数据包同时通过不同的线路进行传送,各端目之间实现线速无阻塞互连。系统的交换带宽取决于中央交叉阵列和各模块的能力,而不是取决于总线自身。可以极大地提高路由器的转发速度和系统的吞吐量。其中高速交叉开关技术目前已经十分成熟,在ATM交换机和高速并行计算机中广泛应用.市场上可直接买到的高速交叉开关速率高达50Gbit/s。
       交换式路由器中线卡使用的专用集成电路(ASIC,Application Specific Integrated Cir-cuit)芯片使系统的成本增加.开发也比较困难。使用网络处理器(NP,Network Processor)的路由器具有与ASIC相当的包转发性能,同时又具有很好的可编程能力,更适应于未来的发展。

四、多协枚标记交换(MPLS)技术

        多协议标记交换(MPLS)技术作为一种新兴的路由交换技术.越来越受到业界的关注。MPLS技术是结合2层交换和3层路由的L2/L3集成数据传输技术。在2层头标和IP头标之间插入MPLS头标。它不仅支持网络层的多种协议,还可以兼容第2层上的多种链路层技术。采用MPLS技术的IP路由器以及ATM.FR交换机统称为标记交换路由器(LSR),使用LSR的网络相对简化了网络层复杂度,兼容现有的主流网络技术.降低了网络升级的成本。
        MPLS是一种在开放的通信网上利用标记(标签)引导数据高速、高效传输的新技术,它的价值在于能够在无连接的网络中引入连接模式,为IP网络提供了面向连接(基于标记)的交换。MPLS采用传统的1P路由协议,但将路由与分组转发分离开来,这使得在MPLS网中可以通过修正转发方法来推动路由技术的演进。而且,网络中分组的转发采用定长的标记,简化了转发机制,使得路由器速度很容易扩展到太比特级。实际上当前推出的几乎所有高速路由器都支持MPLS。

1.MPLS标记交换过程

        图7.11以实例说明分组在MPLS网络中的转发过程,主要经过以下3个步骤。
        ①入口LSR根据IP包头的相关信息,将不同QoS要求的1P数据流划分成不同的转发等效类(FEC),在FIB(Forwarding Information Base)表中按照传统的最长匹配算法对FEC进行查找,找到要压入的标记5和相应的出口,然后打上标记5,发送分组到相应的端口。
        ②核心LSR根据标记栈顶层的标记5查找ILMCIncomingLabelMap)表,找到要进行操作的标记为9,称为标记交换;然后发送分组到相应的接口。
        ③出口LSR根据ILM查找的结果进行标记的弹栈(POP),然后再按照第3层下一跳IP地址进行转发。
        在拓扑驱动的模式中,FIB和ILM是在路由协议(BPG、OSPF或RIP)建立路由表的同时建立起来的。这样,具有相同标记的数据流均属于相同的FEC,沿着事先建立好的标记交换通道(LSP)传递,多个LSR根据标记转发信息库(FIB)进行简单、高速的标记交换;网络核心设备只根据标记转发,处理简单.智能处理在边缘设备完成,大大提高了交换速率。 
 MPLS标记交换过程
 图7.11    MPLS标记交换过程

2.MPLS的应用

        MPLS在解决网络的扩展性、实施流量工程、同时支持多种特定QoS保障的IP业务等诸多方面具备得天独厚的技术优势。
①MPLSVPN
        MPLS的一个重要应用是VPN。MPLSVPN根据扩展方式的不同可以划分为BGPMPLSVPN和LDP扩展VPN,即可以划分为2层VPN和三层VPN。
②流量工程
        流量工程是指根据各种数据业务流量的特性选取传输路径的处理过程。MPLS技术可通过特定的QoS路由算法,采用离线方式计算出网络内对应不同业务流的所有可行的标签交换路径。流量工程用于平衡网络中的不同交换机、路由器以及链路之间的负载。ISP通过流量工程可以在保证网络运行高效、可靠的同时,对网络资源的利用率与流量特性加以优化,从而便于对网络实施有效的监测管理措施。
③提供服务质量保证
        随着网络的不断发展,新业务的不断引入,用户迫切需要ISP将保证特定QoS的业务引入到目前没有明确划分业务类型的IP网络中。所谓QoS路由是指根据特定业务流要求的QoS,在网络中建立相应路径的方法。MPLS技术通过使用约束路由机制,根据用户的特定要求仅在边缘节点处计算特定的标记交换路径。
④MPLS路由器
       MPLS路由器釆用MPLS技术来实现标记交换路径(LSP),实现了高速交换、分布式转发和集中式管理相结合。
⑤GMPLS
       随着智能光网络技术以及MPLS技术的发展,自然希望能将二者结合起来,使IP分组能够通过MPLS的方式直接在光网络上承载,于是出现了新的技术概念——多协议波长交换(MPAS)。

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