路由器结构设计与未来发展

.路由器结构设计与未来发展一路由器概述路由器的主要作用是连接多个单独的网络或者子网，以及在不同网络之间传输数据，即路由器的路由功能，这些功能在现代网络中属于基础的部分。由此可见，路由器的主要功能是判断网络地址和选择IP路径，在各种复杂的网络环境中建立连接和传输数据。路由器属于一种网络层的设备，只接受源站或其他路由器的信息，属于网络层设备，它不关心子网使用的硬件设备，但它的软件需要与网络层协议一致。除此之外，路由器还有另外一些重要的功能，如协议转换，路由器可以对网络层及以下各层的协议进行转换来可以支持更复杂的网络环境。同时还需要有流量控制，路由器中需要有容量较大的缓冲区，控制收发双方的数据流量，减少丢包率，提升稳定性；以及分段和重新组装功能，当多个网络互相连接时，每个网络使用的分组大小可以不一致，这是需要路由器进行重新分配组装这些数据包，由于现在网络布局复杂，对具有这种功能的路由器需求量较大；网络管理功能，使得路由器可以连接各种不同类型的网络，网络之间的信息流都要通过路由器，可以用路由器来监控管理网络中的数据流和设备工作状态1。路由器是互联网的在各个节点上的主要设备。路由器通过对传入的包进行分析，按照特定的路由表，对这些传入的数据向指定的目标转发。转发的策略也称为路由，这也是路由器名字的由来。路由器是连接各种网络的枢纽，它基于TCP/IP协议，是现代互联网中十分关键的一部分，它最主要的性能指标就是转发速度，同时，转发数据的可靠性也十分重要，这两点直接影响着它所连接网络的传输速度和数据传输质量。因此，在园区网、地区网、乃至整个Internet 研究领域中，路由器技术始终处于核心地位，其发展历程和方向，成为整个Internet研究的一个缩影。在当前我国网络基础建设和信息建设方兴未艾之际，探讨路由器在互连网络中的作用、地位及其发展方向，对于国内的网络技术研究、网络建设，以及明确网络市场上对于路由器和网络互连的各种似是而非的概念，都有重要的意义2。近年来，路由器也出现了许多新的发展，交换路由器就是一种新的产品，将交换机与路由器的原理进行结合，使得数据传输更有效。类似的还有很多，在下文中，会首先对路由器的发展历史进行介绍，然后阐述当前通用的路由器设计及其核心部件工作原理，最后会对路由器将来的发展方向做简要说明。二历史技术背景TCP/IP是20世纪70年代中期从美国国防部ARPANET技术发展起来的。TCP/IP协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址3。在最开始，IP网络并不大，现在意义上的路由器还没有出现，其功能一般是使用一台计算机插多块网卡的方式来实现，这属于第一代路由器，但还不是真正意义上的路由器。随着对网络的速度要求越来越高，普通的第一代路由器已经不能满足这些需求，因此在网卡上进行了处理，将路由表信息直接写入网卡的缓存中，进一步提高了处理速度。不仅仅依赖于电脑，而通过增强网卡的方式来提高性能，这是第二代路由器的特征。由于网络发展迅速，传统的增强网卡的方式也变得日渐乏力。为了提高传输速度，需要设计专门的路由器。在实现中，采用了路由与转发分离的技术，一部分专门负责收集，管理，计算数据包的路由，另一部分负责对这些数据包进行转发。这是第三代路由器。在90年代，传统的基于软件的路由器已经无法承受指数级增长的核心网络，于是出现了第四代路由器，第四代路由器将许多处理流程改为由硬件方式实现，与软件实现相比大大增强了性能，同时在交换网上采用了共享内存的方式解决了内部交换的问题，对于高端的路由器，性能可以达到GB级别。在现在，存在IPv4地址缺乏，IP业务服务质量差，IP安全性问题等变得愈发严重，许多新技术，如VPN，IP-QoS，流量工程等新技术的出现，第四代路由器的缺点也开始逐步暴露。如对各种协议的支持不够灵活，业务提供周期长等缺陷变得很突出，不能满足运营商的需求，需要在路由器原有结构上进行一些突破。三通用路由器结构分析目前通用的路由器结构图如下图所示，分为管理模块，输入模块，输出模块。路由器的功能主要分为两个方面，一方面是选路功能，即路由器接受到的包到底要发到哪个目的地，另外一个功能是控制功能，对于路由器系统的管理，与相邻路由器的路由表交换等。选路功能则是路由器的核心功能选路功能具体包括：1. 转发决策，当一个报文到达路由器是，需要对其中的信息进行解析，根据它的目的地址查询路由表，并根据查询到的结果，将下一跳的地址写入报文，重新生成报文头部。查询和更新存储在转发引擎中的路由表在网络较复杂时资源消耗严重，因此需要特别对这点进行优化。2. 背板转发，在完成转发决策后，报文通过背板传入输出端口。在报文交给背板的时候，可能由于网络拥堵，报文需要等待，在拥堵十分严重时，报文可能被丢弃或者被其他具有高优先级的报文替换。因此在网络拥塞的情况下，背板的报文传输调度算法十分重要。3. 输出链路调度，在报文到达输出口的时候，还需要再进行一次排队，大多数路由器采用了先进先出的方法，但在一些特殊的情况下，需要对不同的报文分配不同的优先级，优先发送高优先级的报文，同时根据流量使用情况对不同的报文发送情况进行调整，来满足QoS需求。在路由器选路功能的几个部分中，背板是其核心的设备。在最初的路由器设计中，通常由接口卡负责发送报文，接着传送到转发引擎，转发引擎查询路由表并更新报文，并将结果返回接口卡，接口卡再传输到对应的输出接口，随着网络处理器的发展，从转发引擎到接口卡的过程变得愈发重要，通常有三种方式实现，共享内存，共享总线和矩阵式交换。前两者局限性较大，共享内存方式较为简单，速率也较高，但是它的速率受到内存速率的影响，以后会遇到的瓶颈较大；共享总线也是之前使用的最多的方法，易于扩展，容易实现，但由于硬件设计问题，路由功能通常由软件实现，与硬件效率相比有较大损失，另外，同一时刻只能有一个数据包在两个接口卡之间在共享总线上传输，限制了吞吐量；矩阵式交换相对于前两者局限性要小很多。因此，通过一种交叉开关的方式来取代共享总线，可以同时传输多个数据包。同时，还可以在接口卡上使用硬件的转发引擎来取代原来的由CPU执行的方式。交换式背板的另外一点好处就是因为高速总线很难设计，总线上的各种干扰都极大的限制了传输能力。原有的共享总线方式实现的20Gbps的贷款已经无法满足网络需求。而基于交叉开关的设计则可以更好的扩展性能，节省了大量的存储器，在这种设计方式中，数据从交叉开关流向输出接口，由于使用了交叉开关结构，数据包可以通过不同的线路进行传送，极大提高了系统吞吐量。目前已有采用纵横制交换器的交换式背板、三维交换矩阵结构的交换式背板和基于光纤的分布交换矩阵等，其中最大的分布交换矩阵能提供上百太比特的容量。而且随着技术的发展，速率还可以进一步提高。交换式背板的核心是交叉开关，交互式背板的高性能也正源于此。主要有三个原因：从线卡到交换阵列的链接是简单的点到点链路，速率传输数据高，尤其是近年来半导体工艺的飞速发展，使得芯片与芯片间的串行连接速度可以达到10Gbps；可以支持多条总线同时传输数据。交叉开关通过同时闭合多个交叉点，多个端口间就可以同时传输数据，一个无阻塞的交叉开关可以使所有输入端口与输出端口间同时传输数据；可以用多个交叉开关并行操作来提高整个系统的带宽。4在交换式背板的设计中，一般需要注意的问题有几个，如数据包传输长度，包的调度算法等。这些问题通常会导致交换式背板的效率降低，另一方面，根据实际环境的不同，各种算法是否能最好的满足需求也需要考证，因此，对这些问题需要根据网络环境决定，通用算法应当考虑最为常见的网络情况。四路由器技术发展趋势新一代路由器主要对这几个方面有需求：计算和处理能力，数据传输的稳定性，可靠性，安全性等。随着新技术的涌现，如IPv6，光通信等变得越来越主流，新的路由器产品一方面需要支持这些新的协议，新的硬件，并且要达到安全性要求。在硬件体系结果上，除了一些的体系机构的更新，对于一些特殊的内容，也需要采取一些软件层面的算法优化，如各种拥塞调度算法等，来保证网络的质量。路由器的发展趋势主要有以下几个方面：51. 分布式大容量矩阵式交换网结构2. 采用网络处理器技术实现IP报文处理和转发3. 硬件查找路由表4. 支持MPLS5. 全冗余设计，提高可靠性6. 高密度、多端口和高可扩展性7. 光路由器8. PBps路由器五新型路由器体系结构一般认为路由器体系结构的发展有四个阶段：单机集中式总线结构、单机分布式总线结构、单机分布式交叉开关结构、多机互联集群结构，发展趋势从集中到分布再到并行。这样的划分是按照路由器硬件结构与转发行为模式为依据，除此之外，还可以根据控制体系的变化和趋势进行区分。在路由器技术的发展过程中，作为路由器的大脑控制结构也经历了以下几个发展阶段：控制转发紧耦合的控制模型。有一个例子就是很久之前的CISCO路由器。这种路由器硬件结构基于计算机结构，控制转发都集中在中央处理器进行，通过软件执行路由更新和报文转发。虽然在设计上路由器被分为基本的控制模块和转发模块，但在路由器实现上两个模块的功能交织在一起。随着分布并行转发技术的发展，尤其是各种专用高速转发ASIC和NP的问世，路由器的转发功能被分布到各个网络接口卡，中央处理器更多地完成控制功能，这就是通常所说的集中控制分布转发体系结构。目前，主流的高端和核心级路由器多采用该种控制模型；随着网络对路由器容量需求的增加，传统单台路由器在端口密度和交换容量方面受到制约，人们开始通过多机互连集群结构增加接口密度和交换容量。每个机柜都有各自的控制处理模块，多个机柜的控制模块之间实现分布式控制。在目前，有以下这些比较新的路由器体系结构设计。1. 主动网络体系：主动网络将存储-转发的传统网络模型转变成存储-计算-转发的模型。在主动网络中，报文不再仅仅是被动地转发，其主动性体现在报文承载数据的同时，还携带了可执行代码。这些代码被分发到/主动结点0并被执行，以对报文数据进行操作，同时改变结点的当前状态，以便对后续报文进行处理。2. 可编程网络体系：开放可编程网络所倡导的方法是通过标准化的可编程接口来进行开放的网络控制。这些可编程接口允许应用程序和中间件操纵底层的网络资源，以构建和组织网络服务。可编程网络可以被描述为一个三维模型，通信模型描述了网络层次和功能平面之间类似通信模式的面向服务的可编程性，强调控制过程的交互，侧重网络协议服务的开发；计算模型则将分布计算技术的思想引入到网络的可编程性中，强调编程运行环境，侧重传输平面的功能构建。可编程网络和主动网络的目标都是设计一种新的网络体系结构，这种体系结构通过增加网络的可编程能力，从而使得未来的网络能够快速地开发和部署新的服务。它们紧密相关，但又有各自不同的途经和方法。3. 开放控制体系：随着计算机网络功能的不断拓展，人们逐渐认识到原来驻留在网络设备中的分布自治的控制功能，逐渐不能适应新的复杂灵活多变安全的控制需求。因此，为了适应灵活多变的安全控制需求，需要有一套开放的控制体系。4. 软件可扩展路由器体系：早期的路由器结构与计算机系统结构非常类似，网络的控制和转发都由运行在路由器硬件平台上的软件执行。这时候的路由器软件与通常的计算机软件有很大差别，专门为数据转发进行了优化。随着网络带宽的增加，早期的软件路由器逐渐不能适应，以ASIC专用硬件完成数据转发的高性能路由器逐渐成为主流。5. 用户控制体系：面向用户的网络控制技术包括以下几种:路由控制技术、路由服务技术、应用感知技术等。这些技术的共同特点是使得上层可以了解部分网络的控制状态，结合自身的需要定制业务模式。6六总结本文第一章主要对路由器做了简要介绍，在第二章介绍了路由器的技术背景，从开始有路由器到发展到现在路由器的过程，第三章介绍了目前主流的路由器结构和核心部件，第四章介绍了路由器技术未来的发展趋势，第五章介绍了