路由器的工作原理及性能指标

路由器的工作原理及性能路由器是一种典型的网络层设备。它是两个局域网之间接帧传输数据，在OSI/RM之中被称之为中介系统，完成网络层中继或第三层中继的任务。路由器负责在两个局域网的网络层间接帧传输数据，转发帧时需要改变帧中的地址。它在OSI/RM中的位置如图1所示。一、原理与作用路由器（Router）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。它不关心各子网使用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。路由器分本地路由器和远程路由器，本地路由器是用来连接网络传输介质的，如光纤、同轴电缆、双绞线；远程路由器是用来连接远程传输介质，并要求相应的设备，如电话线要配调制解调器，无线要通过无线接收机、发射机。一般说来，异种网络互联与多个子网互联都应采用路由器来完成。路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据一一路径表(RoutingTable)，供路由选择；时使用。路径表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路径表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。1.静态路径表由系统管理员事先设置好固定的路径表称之为静态(static)路径表，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。2.动态路径表动态(Dynamic)路径表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路径表。路由器根据路由选择协议(RoutingProtocol)提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。二、 路由器的优缺点1.优点适用于大规模的网络；复杂的网络拓扑结构，负载共享和最优路径；能更好地处理多媒体；安全性高；隔离不需要的通信量；节省局域网的频宽；减少主机负担。2.缺点它不支持非路由协议；安装复杂；价格高。三、 路由器的功能在网络间截获发送到远地网段的报文，起转发的作用。选择最合理的路由，引导通信。为了实现这一功能，路由器要按照某种路由通信协议，查找路由表，路由表中列出整个互联网络中包含的各个节点，以及节点间的路径情况和与它们相联系的传输费用。如果到特定的节点有一条以上路径，则基于预先确定的准则选择最优(最经济)的路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能发生变化，因此路由情况的信息需要及时更新，这是由所使用的路由信息协议规定的定时更新或者按变化情况更新来完成。网络中的每个路由器按照这一规则动态地更新它所保持的路由表，以便保持有效的路由信息。路由器在转发报文的过程中，为了便于在网络间传送报文，按照预定的规则把大的数据包分解成适当大小的数据包，到达目的地后再把分解的数据包包装成原有形式。（4） 多协议的路由器可以连接使用不同通信协议的网络段，作为不同通信协议网络段通信连接的平台。（5） 路由器的主要任务是把通信引导到目的地网络，然后到达特定的节点站地址。后一个功能是通过网络地址分解完成的。例如，把网络地址部分的分配指定成网络、子网和区域的一组节点，其余的用来指明子网中的特别站。分层寻址允许路由器对有很多个节点站的网络存储寻址信息。在广域网范围内的路由器按其转发报文的性能可以分为两种类型，即中间节点路由器和边界路由器。尽管在不断改进的各种路由协议中，对这两类路由器所使用的名称可能有很大的差别，但所发挥的作用却是一样的。中间节点路由器在网络中传输时，提供报文的存储和转发。同时根据当前的路由表所保持的路由信息情况，选择最好的路径传送报文。由多个互连的LAN组成的公司或企业网络一侧和外界广域网相连接的路由器，就是这个企业网络的边界路由器。它从外部广域网收集向本企业网络寻址的信息，转发到企业网络中有关的网络段；另一方面集中企业网络中各个LAN段向外部广域网发送的报文，对相关的报文确定最好的传输路径。我们通过一个例子来说明路由器工作原理。例：工作站A需要向工作站B传送信息（并假定工作站B的IP地址为120.0.5），它们之间需要通过多个路由器的接力传递，路由器的分布如图2所示。亳闻的嬉由嚣冷布图亳闻的嬉由嚣冷布图2工作羚其工作原理如下：（1） 工作站A将工作站B的地址120.0.5连同数据信息以数据帧的形式发送给路由器1。（2） 路由器1收到工作站A的数据帧后，先从报头中取出地址120.0.5，并根据路径表计算出发往工作站B的最佳路径：R1->R2->R5->B；并将数据帧发往路由器2。（3） 路由器2重复路由器1的工作，并将数据帧转发给路由器5。（4） 路由器5同样取出目的地址，发现120.0.5就在该路由器所连接的网段上，于是将该数据帧直接交给工作站B。（5）工作站B收到工作站A的数据帧，一次通信过程宣告结束。事实上，路由器除了上述的路由选择这一主要功能外，还具有网络流量控制功能。有的路由器仅支持单一协议，但大部分路由器可以支持多种协议的传输，即多协议路由器。由于每一种协议都有自己的规则，要在一个路由器中完成多种协议的算法，势必会降低路由器的性能。因此，我们以为，支持多协议的路由器性能相对较低。用户购买路由器时，需要根据自己的实际情况，选择自己需要的网络协议的路由器。近年来出现了交换路由器产品，从本质上来说它不是什么新技术，而是为了提高通信能力，把交换机的原理组合到路由器中，使数据传输能力更快、更好。路由器性能指标详解路由器类型该表项主要比较路由器是否是模块化结构。模块化结构的路由器一般可扩展性较好，可以支持多种端口类型，例如以太网接口、快速以太网接口、高速串行口等，各种类型端口的数量一般可选。价格通常比较昂贵。固定配置路由器可扩展性较差，只用于固定类型和数量的端口，一般价格比较便宜。路由器配置接口种类列举路由器能支持的接口种类，体现路由器的通用性。常见的接口种类有：通用串行接口（通过电缆转换成RS232DTE/DCE接口、V.35DTE/DCE接口、X.21DTE/DCE接口、RS449DTE/DCE接口和EIA530DTE接口等）、10M以太网接口、快速以太网接口、10/100自适应以太网接口、千兆以太网接口、ATM接口（2M、25M、155M、633M等）、POS接口（155M、622M等）、令牌环接口、FDDI接口、E1/T1接口、E3/T3接口、ISDN接口等。用户可用槽数该指标指模块化路由器中除CPU板、时钟板等必要系统板及/或系统板专用槽位外用户可以使用的插槽数。根据该指标以及用户板端口密度可以计算该路由器所支持的最大端口数。CPU无论在中低端路由器还是在高端路由器中，CPU都是路由器的心脏。通常在中低端路由器中，CPU负责交换路由信息、路由表查找以及转发数据包。在上述路由器中，CPU的能力直接影响路由器的吞吐量（路由表查找时间）和路由计算能力（影响网络路由收敛时间）。在高端路由器中，通常包转发和查表由ASIC芯片完成，CPU只实现路由协议、计算路由以及分发路由表。由于技术的发展，路由器中许多工作都可以由硬件实现(专用芯片)°CPU性能并不完全反映路由器性能。路由器性能由路由器吞吐量、时延和路由计算能力等指标体现。内存路由器中可能由多种内存，例如Flash、DRAM等。内存用作存储配置、路由器操作系统、路由协议软件等内容。在中低端路由器中，路由表可能存储在内存中。通常来说路由器内存越大越好(不考虑价格)。但是与CPU能力类似，内存同样不直接反映路由器性能与能力。因为高效的算法与优秀的软件可能大大节约内存。端口密度该指标体现路由器制作的集成度。由于路由器体积不同，该指标应当折合成机架内每英寸端口数。但是出于直观和方便，通常可以使用路由器对每种端口支持的最大数量来替代。路由协议支持路由信息协议(RIP)RIP是基于距离向量的路由协议，通常利用跳数来作为计量标准。RIP是一种内部网关协议。由于RIP实现简单，是使用范围最广泛的路由协议。该协议收敛较慢，一般用于规模较小的网络。RIP协议在RFC1058规定。路由信息协议版本2(RIPv2)该协议是RIP的改进版本，允许携带更多的信息，并且与RIP保持兼容。在RIP基础上增加了地址掩码(支持CIDR)、下一跳地址、可选的认证信息等内容。该版本在RFC1723中规范化。开放的最短路径优先协议版本2(OSPFv2)该协议是一种基于链路状态的路由协议，由IETF内部网关协议工作组专为IP开发，作为RIP的后继内部网关协议。OSPF的作用在于最小代价路由、多相同路径计算和负载均衡。OSPF拥有开放性和使用SPF算法两大特性。“中间系统一中间系统”协议(ISIS)ISIS协议同样是基于链路状态的路由协议。该协议由ISO提出，起初用于OSI网络环境，后修改成可以在双重环境下运行。该协议与OSPF协议类似，可用于大规模IP网作为内部网关协议。边缘网关协议(BGP4)BGP协议是用于替代EGP的域间路由协议。BGP4是当前IP网上最流行的也是唯一可选的自治域间路由协议。该版本协议支持CIDR，并且可以使用路由聚合机制大大减小路由表。BGP4协议可以利用多种属性来灵活地控制路由策略。802.3、802.1Q的支持802.3是IEEE针对以太网的标准。支持以太网接口的路由器必须符合802.3协议。802.1Q是IEEE对虚拟网的标准。符合802.1Q的路由器接口可以在同一物理接口上支持多个VLAN。对IPv6的支持未来的IP网可能是一个采用IPv6的网络。由于Web的出现导致互联网爆炸性的发展，IP网的用户迅速增加，IP地址空前紧张，于是提出IPv6oIPv6首先要解决的问题是扩大地址空间，同时还在IP层增加了认证和加密的安全措施，为实时业务的应用定义了流标签（FlowLabel）。但是由于市场的巨大惯性以及无类别编址（CIDR）的有效应用大大推迟了IP地址耗尽的时间，IPv6至今尚未得到广泛应用。但是随着业务的增加，互联网的进一步发展，采用IPv6是不可避免的。对IP以外协议的支持除支持IP协议外，路由器设备还可以支持IPX、DECNet、AppleTalk等协议。这些协议在国外有一定应用，在我国应用较少，一般不用考虑。源地址路由支持，透明桥接地址路由指路由器为数据包选择路由时不根据IP包的目的地址（通常情况根据目的地址），而根据IP包的源地址选路。源地址路由是策略路由的一种。一般路由器应当支持。透明桥接是指路由器端口以透明网桥的方式工作，执行网桥的功能。不对数据包作路由检查转发，只作MAC帧桥接。策略路由方式路由器除将目的地址作为选路的依据以外，还可以根据TOS字段、源和目的端口号（高层应用协议）来为数据包选择路径。策略路由可以在一定程度上实现流量工程，使不同服务质量的流或者不同性质的数据（语音、FTP）走不同的路径。PPP，MLPPPPPP协议是互联网协议中一个重要协议：早期的网络是由路由器使用PPP协议点到点连接起来的，并且大多数用户采用PPP接入。所以凡是具有串口的路由器都应当支持PPP协议并作为首选。MLPPP是指将多个PPP链路捆绑使用。PPPOE支持PPPOverEthernet是一种新型的协议用于解决对以太网接入用户的认证和计费问题。与此类似的是PPPOverATM协议，使用该协议的路由器设备可以终结接入业务。当前PPPOE与PPPOA协议存在的问题是容量问题。大多数支持该协议的路由器只能处理数千个活动的会话。组播支持(列举协议)互连网组管理协议(IGMP)IGMP(InternetGroupManagementProtocol)是IP主机用作向相邻多目路由器报告多目组成员。多目路由器是支持组播的路由器，向本地网络发送IGMP查询。主机通过发送IGMP报告来应答查询。组播路由器负责将组播包转发到所有网络中组播成员。距离矢量组播路由协议(DVMRP)DVMRP是基于距离矢量的组播路由协议，基本上基于RIP开发。DVMRP利用IGMP与邻居交换路由数据包。协议无关组播协议(PIM)PIM是一种组播传输协议，能在现存IP网上传输组播数据。PIM是一种独立于路由协议的组播协议，可以工作在两种模式：密集模式和疏松模式。在PIM密集模式下，报文分组缺省向所有端口转发，直到发生裁减和切除。在密集模式下假设所有端口上的设备都是组播成员，可能使用组播包。疏松模式与密集模式相反，只向有请求的端口发送组播数据。VPN支持IP上的VPN已经在上文路由器技术中描述。可能使用的协议有L2TP、GRE、IPOverIP、IPSec等。并且应当关注支持VPN的能力。加密方式路由器可能在VPN实现中或其他条件下使用加密机制来保证安全。路由器使用CPU执行软件算法通常会影响转发效率。部分路由器在设计中采用硬件加密方式来提高转发效率。MPLSMPLS技术已在上文路由器技术中描述。MPLS中除包括标记交换外还包括快速重路由、MPLS中VPN、流量工程等高级应用。由于MPLS标准尚未成熟，对MPLS互通也应当关注。路由器性能全双工线速转发能力路由器最基本且最重要的功能是数据包转发。在同样端口速率下转发小包是对路由器包转发能力最大的考验。全双工线速转发能力是指以最小包长（以太网64字节、POS口40字节）和最小包间隔（符合协议规定）在路由器端口上双向传输同时不引起丢包。该指标是路由器性能重要指标。设备吞吐量指设备整机包转发能力，是设备性能的重要指标。路由器的工作在于根据IP包头或者MPLS标记选路，所以性能指标是转发包数量每秒。设备吞吐量通常小于路由器所有端口吞吐量之和。端口吞吐量端口吞吐量是指端口包转发能力，通常使用pps:包每秒来衡量，它是路由器在某端口上的包转发能力。通常采用两个相同速率接口测试。但是测试接口可能与接口位置及关系相关。例如同一插卡上端口间测试的吞吐量可能与不同插卡上端口间吞吐量值不同。背靠背帧数背靠背帧数是指以最小帧间隔发送最多数据包不引起丢包时的数据包数量。该指标用于测试路由器缓存能力。有线速全双工转发能力的路由器该指标值无限大。路由表能力路由器通常依靠所建立及维护的路由表来决定如何转发。路由表能力是指路由表内所容纳路由表项数量的极限。由于Internet上执行BGP协议的路由器通常拥有数十万条路由表项，所以该项目也是路由器能力的重要体现。背板能力背板能力是路由器的内部实现。背板能力能够体现在路由器吞吐量上：背板能力通常大于依据吞吐量和测试包场所计算的值。但是背板能力只能在设计中体现，一般无法测试。丢包率丢包率是指测试中所丢失数据包数量占所发送数据包的比率，通常在吞吐量范围内测试。丢包率与数据包长度以及包发送频率相关。在一些环境下可以加上路由抖动、大量路由后测试。时延时延是指数据包第一个比特进入路由器到最后一比特从路由器输出的时间间隔。在测试中通常使用测试仪表发出测试包到收到数据包的时间间隔。时延与数据包长相关，通常在路由器端口吞吐量范围内测试，超过吞吐量测试该指标没有意义。时延抖动时延抖动是指时延变化。数据业务对时延抖动不敏感，所以该指标没有出现在Benchmarking测试中。由于IP上多业务，包括语音、视频业务的出现，该指标才有测试的必要性。VPN支持能力通常路由器都能支持VPN。其性能差别一般体现在所支持VPN数量上。专用路由器一般支持VPN数量较多。无故障工作时间该指标按照统计方式指出设备无故障工作的时间。一般无法测试，可以通过主要器件的无故障工作时间计算或者大量相同设备的工作情况计算。内部时钟精度拥有ATM端口做电路仿真或者POS口的路由器互连通常需要同步。如使用内部时钟则其精度会影响误码率。内部时钟精度级别定义以及测试方法可参见相应同步标准。QoS能力队列管理机制队列管理控制机制通常指路由器拥塞管理机制以及队列调度算法。常见的方法有RED、WRED、WRR、DRR、WFQ、WF2Q等。端口硬件队列数通常路由器中所支持的优先级由端口硬件队列来保证。每个队列中的优先级由队列调度算法控制。QoS分类方式指路由器可以区分QoS所依据的信息。最简单的QoS分类可以基于端口。同样路由器也可以依据链路层优先级（802.1Q中规定）、上层内容（TOS字段、源地址、目的地址、源端口、目的端口等信息）来区分包优先级。分类业务带宽保证体现路由器是否能对各种业务等级作带宽保证。该指标可以由队列调度算法等方式实现。RSVPRSVP是资源预留协议，用于端到端路径上资源的预留。使用软状态刷新，是流驱动工作方式。该协议一般不能在大规模全国范围网络上运行。但是通常路由器支持该协议，一些著名厂商使用该协议用于MPLS。IPDiffServ区分服务是对IP服务质量分级，是对QoS的一种简化。CAR支持CAR是指承诺接入速率，是一种接入控制。按照与用户签订的协议，对超出承诺速率的数据包做不同处理：丢弃或标记；又称为标记颜色。冗余冗余可以包括接口冗余、插卡冗余、电源冗余、系统板冗余、时钟板冗余、设备冗余等。冗余用于保证设备的可靠性与可用性。冗余量的设计应当在设备可靠性要求与投资间折衷。热插拔组件由于路由器通常要求24小时工作，所以更换部件不应影响路由器工作。部件热插拔是路由器24小时工作的保障。路由器冗余协议路由器可以通过VRRP等协议来保证路由器的冗余。网管网管是指网络管理员通过网络管理程序对网络上资源进行集中化管理的操作。包括配置管理、记账管理、性能管理、差错管理和安全管理。设备所支持的网管程度体现设备的可管理性与可维护性。基于Web的管理体现设备是否能够通过Web进行管理。通过Web管理比较方便，但是安全性较差。通常允许通过Web浏览，不允许通过Web作更改。网管类型指示网络管理所支持的类型。通常使用SNMP协议管理。带外网管支持带外网管的支持表示路由器能否通过带外信道管理。网管粒度指示路由器管理的精细程度：管理到端口、到网段、到IP地址、到MAC地址等粒度。