Router

路由器的概念

 路由器是一種連接多個網絡或網段的網絡設備,它能將不同網絡或網段之間的數據信息進行「翻譯」,以使它們能夠相互「讀」懂對方的數據,從而構成一個更大的網絡。

 路由器有兩大典型功能,即數據通道功能和控制功能。數據通道功能包括轉發決定、轉發以及輸出數據鏈路調度等,一般由硬件來完成;控制功能一般用軟件來實現,包括與相鄰路由器之間的信息交換、系統配置、系統管理等。

路由器基本功能介紹

 傳統上,路由器工作於所謂網絡7層協議模型中的第3層,其主要任務是接收來自一個網絡接口的數據包,根據其中所含的目的地址,決定轉發到哪個目的地,可能是路由器也可能就是最終目的點,並決定從哪個網絡接口轉發出去。這是路由器的最基本功能——數據包轉發功能。

根據TCP/IP協議,路由器的數據包具體轉發過程是:

1.網絡接口接收數據包的不同的物理網絡介質,決定了不同的網絡接口,如對應於10Base-T以太網,路由器有10Base-T以太網接口;對應於DDN,路由器有V.35接口。
2.根據網絡物理接口,路由器調用相應的鏈路層以解釋處理數據中的鏈路層協議。這一步處理主要是對數據完整性的驗證。

3.在鏈路層完成對數據幀的完整性驗證後,路由器開始處理此數據幀的IP層。根據數據幀中的目的IP地址,路由器在路由表中查找下一IP地址,並計算新的校驗和。如果接收數據幀的網絡接口類型與轉發數據幀的網絡接口類型不同,則IP數據包還可能因為最大幀長度的限制而對其進行分段或重組。
4.根據在路由表中所查到的下一IP地址,IP數據包送往相應的輸出鏈路層,最後經網絡物理輸出接口發送出去。

為了維護和使用路由器,路由器還需要有配置或者說控制功能。

 控制功能是由一系列規則所提供的,舉例來說,可能是優先權、拒絕訪問或提供記賬數據。當數據包進入路由器時,這些相關的規則也同樣作用於數據包。在基於軟件的路由器中,這些規則被存儲於一個軟件數據庫內,每個數據包通過時都必須與該數據庫進行核對。

路由器的發展趨勢

 芯片速度每18個月翻一番,而因特網的流量是每6個月翻一番。作為因特網的樞紐,路由器正在朝速度更快、服務質量更好和更易於綜合化管理這三個方向發展。

1.速度更快

 傳統意義上,路由器通常被認為是網絡速度的瓶頸。在局域網速度早已達到上百兆時,路由器的處理速度至多只到幾十兆比特率。這幾年伴隨著因特網用戶的爆炸式增長,大家對路由器的研究也重點體現在提高路由器的處理速度上。1996-1997年間,美國出現了一批極具創新精神的小公司,如Nexabit、 Juniper、Avici等,把路由器的處理速度提高到了登峰造極的地步,在很快的時間內相繼推出了吉位路由器,連Cisco公司在速度方面都只能望其項背。由於這些高速路由器無一例外地都引入了交換的結構,因此它們也被稱作千兆位交換路由器(GSR-Gigabit Switch Router)。這些路由器的光接口速度也很快從OC-12(622Mbps)升到OC-48(2.5Gbps),再升到OC-192(10Gbps),這樣的速度早已把ATM交換機遠遠地甩在後面。從此,ATM在核心網絡中不可代替的地位徹底發生了動搖。曠日持久的IP與ATM技術之爭終於以IP佔壓倒性的優勢結束。不過,IP路由器速度的提高是直接得益於ATM的概念和技術的,在IP領域中提出的許多新概念和新技術也有相當一部分是直接或間接來源於 ATM,兩種優秀的技術逐漸開始融合。事實上,許多公司從事高速IP路由器研發的技術人員正是過去研究ATM技術的研發人員。具體來說,IP路由器速度的急劇提高來源於以下四個方面的技術進展:

①硬件體系結構

 路由器的硬件體系結構大致經歷了6次變化,從最早期的單總線、單CPU結構發展到單總線、多CPU再到多總線多CPU。到現在,高速IP路由器中多借鑑 ATM的方法,採用交叉開關方式實現各端口之間的線速無阻塞互連。高速交叉開關的技術已經十分成熟,在ATM和高速並行計算機中早已得到廣泛應用,市場上可直接購買到的高速交叉開關的速率就高達50Gbps。伴隨著高速交叉開關的引入,也同時引入了一些相應的技術問題,特別是針對IP多播、廣播以及服務質量(QoS),採用成熟的調度策略和算法,這些問題都得到了很好的解決。

②ASIC技術

 這些年,出於成本和性能的考慮,ASIC應用得越來越廣泛,幾乎是言必稱ASIC。在路由器中要極大地提高速度,首先想到的也是ASIC。有的用 ASIC做包轉發,有的用ASIC查路由,並且查找IPv4路由的ASIC芯片已經開始上市銷售。在ASIC蓬勃發展、大量應用的潮流中,有一動向值得注意,這就是所謂可編程ASIC的出現,這恐怕也是網絡本身日新月異所導致的一種結果。由於ASIC的設計生產投入相當大,一般來說,ASIC只用於已完全標準化的過程,而網絡的結構和協議又變化相當快,因此相應地在網絡設備這一領域,出現了奇特的「可編程ASIC」。目前,有兩種類型的所謂「可編程 ASIC」。一種以3COM公司的FIRE( Flexible Intelligent Routing Engine)芯片為代表,這顆ASIC芯片中內嵌了一顆CPU,因此
具有一定的靈活性;另一種以Vertex Networks的HISC專用芯片為代表,該芯片是一顆專門為通信協議處理的CPU,其體系結構的設計專門適應協議處理,通過改寫微代碼,可使這顆專用芯片具有處理不同協議的能力,以適應類似從IPv4到IPv6的變化。

③3層交換

 這是協議處理過程的一次革命性突破,也是現在GSR和TSR名稱的來源。自從名不見經傳的Ipsilon公司在1994年推出「一次路由,然後交換」的 IP Switch技術之後,各大公司紛紛推出自己專有的3層交換技術。如Cisco的Tag Switch、3Com的Label Switch等。綜合這些專有技術的優點,IETF終於在1998年推出了性能優越的多協議標記交換(MPLS)。

④IP over SDH,IP over DWDM

 這方面的技術進展完全源於光纖通信技術的進展。隨著IP的核心地位逐漸被認同,IP over ATM,然後ATM over SDH的方式被IP直接over SDH的方式取代。SDH採用時分復用的方式承載多路數據。因此在核心網中需大量採用復用器交叉連接器,DWDM(密集波分復用)使得一根光纖上可用不同的波長傳送多路信號。

2.服務質量更好

 前面所述的路由器在速度上的提高仍只不過是為了適應數據流量的急劇增加。而路由器發展趨勢更本質、更深刻的變化是:以IP為基礎的包交換數據將在未來幾年內迅速取代已發展了近百年的電路交換通信方式,成為通信業務模式的主流。這意味著,IP路由器不僅要提供更快的速度以適應急劇增長的傳統的計算機數據流量,而且IP路由器也將逐步提供原電信網絡所提供的種種業務。但是傳統的IP路由器並不關心也不知道IP包的業務類型,一般只是按先進先出的原則轉發數據包,語音電話、實時視頻、因特網瀏覽等各種業務類型的數據都被不加區分地對待。

 由此可見,IP路由器要想提供包括電信、廣播在內的所有業務,提高服務質量(QoS)是其關鍵。這也正是目前各大網絡設備廠商(包括Cisco, 3Com,Nortel等)所努力推進的方向。各大廠商新推出的高、中、低檔路由器中都不同程度地支持QoS,如Cisco的最高檔12000系列,從硬件和軟件協議兩方面都對QoS有很強的支持,而其新推出的低端產品2600系列也支持語音電話這樣的新業務應用。事實上,QoS不僅是路由器的一個發展趨勢,以路由器為核心的整個IP網絡都在朝這個方向發展。
「三網合一」這一概念便是這個方向的產物。然而以傳統IP路由器為核心的網絡已經不能適應「三網合一」的趨勢,以美國為首的各發達國家都在推進能提供更好、更快的服務質量的網絡技術的研發。其中路由器的研發又是關鍵,公司成為推動這項技術的主要動力。

 對QoS的支持來自軟件和硬件兩個方面。從硬件方面說,更快的轉發速度和更寬的帶寬是基本前提。從軟件協議方面來說,經過近年來的努力,產生了以下幾個結果:

①IPv4包頭服務類型字段
 IPv4包頭中有一個3位的區域用以標識此IP包的優先級。據此優先級,IP路由器可以決定不同IP包的轉發優先順序。可以說,自IP協議制定之日起,就已經為日後提供更好的QoS預留了機制。

②RSVP(資源預留協議)及相應的系列協議

 這是IP路由器為提供更好的服務質量向前邁進的具有深刻意義的一步。傳統上IP路由器只負責包轉發,通過路由協議知道鄰近路由器的地址。而RSVP則類似於電路交換系統的信令協議,為一個數據流通知其所經過的每個節點(IP路由器),與端點協商為此數據流提供質量保證。

③DiffServ(Differentiated Service)

 出於以上兩個原因,IETF又新推出另一種QoS策略——DiffServ。目前DiffServ的框架已基本確定,美國的Internet2也選擇 DiffServ作為其QoS策略。與DiffServ相比,RSVP是一種Integrated Service(集中控制策略),而DiffServ則是一種分散控制策略,其精髓是僅控制路徑中的每一行為。終端應用設備通過SLA(Service Level Agreement)與邊緣路由器協商獲得其應用數據流可得到保證的服務級別。

④多協議標記交換

 MPLS也被用來解決QoS問題,但其覆蓋範圍是核心網絡路由器。為建立合理的核心路由間的交換路徑,核心路由器間需要定時交換流量等狀況信息。

3.管理更加智能化

 隨著網絡流量的爆炸式增長,網絡規模日益膨脹,以及對網絡服務質量的要求越來越高,路由器上的網絡管理系統變得日益重要,網絡連接已成為日常工作、生活中不可缺少的部分。在保證質量的情況下最大限度地利用帶寬、及早發現並診斷設備故障,迅速方便地根據需要改變配置,這些網絡管理功能都日益成為直接影響網絡用戶和網絡運營商利益的重要因素。在網絡協議七層模型中,網絡管理屬於高層應用,目前各廠家網絡管理的一個重要發展趨勢是向智能化方向發展。而智能化又體現在兩個方面,一是網絡設備(路由器)之間信息交互的智能化;二是網絡設備與網絡管理者之間信息交互的智能化。在網絡管理智能化的大趨勢中,「基於策略的管理」和「流量工程」這兩個技術概念是目前最引人注目的。各路由器廠商在新推出的產品中無不標榜自己的網絡管理配套系統具有或部分具有這兩個方面的功能。

 「基於策略的管理」這一概念將同時影響路由器之間和路由器與網絡管理者之間的信息交互行為模式,使得網絡管理者更易於從用戶的角度去定義和約束網絡行為,而這些上層策略將直接影響網絡基本行為,使傳統的路由算法發展為基於策略的路由算法,使路由器之間的信息交互必須包涵策略性所涵蓋的信息內容。

 「流量工程」是核心網運營商最關心的問題。新的協議如MPLS在解決標記交換的同時,也提供了一個很好的解決「流量工程」的方法,即通過路由器之間交互各端的流量狀態等信息,用收斂算法計算一段時間內網絡中標記的顯式路徑,約束最短路徑優先算法被採用以使整個網絡的流量在每一段時間內儘量保持均衡。

 網絡技術的發展日新月異。當我們沉浸在以IP為基礎的因特網給我們帶來的巨大喜悅中時,路由器技術特別是核心路由器技術正經歷著巨大的變化,路由器早已非當年吳下阿蒙。借用比爾·蓋茨的話說:我們離不懂路由器僅有18個月了。

 交換式路由技術就是這一領域的熱門話題,它不僅解決了通信流量問題,而且具有更高的網絡控制能力和管理能力。

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