3.6 路由器技术的研究与发展在线视频

第六节

路由器技术的研究与发展

本节介绍路由器的概念、性能、体系结构及发展趋势

我们知道

计算机网络由主机、网络设备与传输介质组成

其中的网络设备可以是

中继器、集线器、网桥、交换机、路由器或者网关

他们分别工作在物理层/数据链路层/网络层以及高层

如图所示

其中工作在网络层上的路由器是计算机网络的核心设备

其主要作用包括两个方面

一是连通不同的网络

二是选择信息传送的线路

路由器的结构

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机

其任务是转发分组

也就是说将路由器某个输入端口收到的分组

按照分组要去的目的地

把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器

下一跳路由器也按照这种方法处理分组

直到该分组到达终点为止

路由器的转发分组正是网络层的主要工作

整个的路由器结构可划分为两大部分

路由选择部分

和分组转发部分

路由器的分类

那么从不同的角度

有这三种分法

如果按性能分

可以分为高端路由器、中低端路由器

还可以按部署位置来分

可以分为核心路由器、汇聚路由器、接入路由器

也可以按信道类型来分类

可以分为有线路由器和无线路由器

路由器的配置

典型的路由器配置所涉及的内容很多 包括

接口类型

可用插槽

可用插槽

CPU

内存大小

端口密度

网管力度

VPN

多播协议

流量工程

路由协议等等

这里就不具体介绍了

同学们可以查阅相关资料

路由器性能指标也有很多

它将分为这么四类

第一类是转发性能

又包括线速转发能力、吞吐量等

然后QoS能力包括

队列管理、端口硬件队列、QoS分类、分类业务

再一个是安全能力

又包括加密方式、访问控制、流量过滤等等

再一个是可靠性

具体又有冗余、部件热插拔、时钟精度等等

这些都构成了路由器性能的指标

路由器发展趋势

随着互联网的广泛应用

路由器的体系结构经历了几次大的变革

这种变化的特点主要集中2个方向

一是从基于通用功能芯片的结构向使用专用芯片结构的方向发展

二是基于系统的串行处理向并行处理的方向发展

专用芯片随着集成度的不断提高

性能也在不断提高

典型的路由器专用芯片是网络处理器NP

如美国思科公司在2013年发布了

当时世界上性能最高的可编程网络处理器

nPower内部集成了40亿个晶体管

使得路由器的一些关键运算可以采用独立的硬件来完成

路由器体系结构

大致经历了4次较大的变迁

从单总线单CPU结构

到多总线多CPU结构

再到交换结构

再到第三层交换与多级交换结构

分别来看

第一代路由器

最初的路由器采用了传统的计算机体系结构

它包括CPU、内存和挂在总线上的多个连接网络的接口卡

1986年Cisco公司第一台路由器AGS

外形如图所示

采用单总线单CPU结构

CPU担负检查IP分组头、计算校验和、生存时间TTL

以及计算路由和维护路由表的功能

网卡担负着IP分组的接收与发送功能

第二代路由器

为了提高路由器的性能

路由器的结构也逐步从单总线单CPU结构

发展到单总线主从CPU结构

再到单总线对称多CPU结构

以及多总线多CPU结构

如Cisco的7000系列路由器

为了进一步提高路由器性能

采用基于硬件的交换结构

代替传统路由器共享总线的软件交换结构

基于硬件交换的路由器有3种设计思想

分别是基于内存交换、基于总线交换、基于交叉结构

其中以基于交叉结构的方案最优化

典型产品如Cisco的12000路由器

第四代路由器

随着互联网大规模应用

对路由器性能要求越来越高

在路由器的设计思想上也发生了两点重要变化

一是网络处理器概念的提出

可以通过灵活地进行软件编程

以较快的速度开发出适合不同性能要求的路由器产品

二是第三层交换概念的提出

即将第三层成熟的路由技术与第二层高性能的硬件交换技术相结合

达到快速转发、保证QoS、提高路由器性能的目的

最后介绍路由器集群

路由器的集群技术是

解决路由器扩展性问题最有效的技术

可以在不增网络复杂性前提下

用比较少的投入来满足业务高速增长、网络性能快速提升的需求

所谓路由器集群技术是将两台或两台以上的核心路由器互连起来

对外只表现为一台逻辑路由器

内部采用相应的结构与并行算法

形成多级、多平面的交换矩阵系统

使得核心路由器之间能够协同工作于路由转发任务的并行处理

根据集群设备数量的不同

路由器集群分为两框集群、四框集群、多框集群

图示为两框集群的3种实现方式