高性能路由器体系结构

1、1,主要内容,路由器是什么 路由器的类型 路由器典型原理 高性能路由器硬件体系结构 高性能路由器软件体系结构 设计高性能路由器的关键问题,2,路由器是什么,路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动 路由和交换 它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一 ，它的可靠性则直接影响着网络互连的质量,3,路由器的类型,接入路由器 接入路由器连接家庭或ISP内的小型企业客户。接入路由器已经开始不只是提供SLIP或PPP连接，还支持诸如PPTP和IPSec等虚拟私有网络协议。随着ADSL等技术在家庭中的广泛应用，接入路由器将来会支持许多异构和高速端口 ，同时还要避开电话交换网。,4,路由器

2、的类型,企业级路由器 企业或校园级路由器连接许多终端系统，其主要目标是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互联，并且进一步要求支持不同的服务质量。 企业路由器的成败就在于是否提供大量端口且每端口的造价很低，是否容易配置，是否支持QoS。 有效地支持广播和组播。 还要处理历史遗留的各种LAN技术，支持多种协议 支持防火墙、包过滤以及大量的管理和安全策略,5,路由器的类型,骨干级路由器 骨干级路由器实现企业级网络的互联。 对它的要求是速度和可靠性，而代价则处于次要地位。 骨干IP路由器的主要性能瓶颈是在转发表中查找某个路由所耗的时间。 将一些常访问的目的端口放到缓存中能够提高路由查找的效率。,6,路

3、由器的类型,太比特路由器 在未来核心互联网使用的三种主要技术中，光纤和DWDM都已经是很成熟的并且是现成的。如果没有与现有的光纤技术和DWDM技术提供的原始带宽对应的路由器，新的网络基础设施将无法从根本上得到性能的改善，因此开发高性能的骨干交换/路由器（太比特路由器）已经成为一项迫切的要求。,7,路由器典型原理,路由器的硬件组成 中央处理器 内存 接口 控制台端口 辅助端口 路由器的功能 数据通道功能 控制功能,8,路由器的硬件组成,中央处理器 路由器的CPU负责路由器的配置管理和数据包的转发工作。 路由器对数据包的处理速度很大程度上取决于CPU的类型和性能。,9,路由器的硬件组成,内存 只读

4、内存（ROM） 闪存（Flash） 非易失性RAM (Nonvolatile RAM) RAM,10,内存,只读内存（ROM） 主要用于系统初始化等功能 系统加电自检代码（POST），用于检测路由器中各硬件部分是否完好 系统引导区代码（BootStrap），用于启动路由器并载入IOS操作系统 备份的IOS操作系统，以便在原有IOS操作系统被删除或破坏时使用 如要进行升级，则要替换ROM芯片。,11,内存,闪存（Flash） Flash中存放着当前使用中的IOS。 如果Flash容量足够大，甚至可以存放多个操作系统 。 当不知道新版IOS是否稳定时，可在升级后仍保留旧版IOS，当出现问题时可迅速

5、退回到旧版操作系统，从而避免长时间的网路故障。,12,内存,非易失性RAM (Nonvolatile RAM) NVRAM仅用于保存启动配置文件（Startup-Config），故其容量较小。 NVRAM的速度较快，成本也比较高。,13,内存,RAM 存储的内容在系统重启或关机后将被清除。 RAM是运行期间暂时存放操作系统和数据的存储器。 RAM的存取速度优于前面所提到的3种内存的存取速度。,14,路由器典型原理,接口 所有路由器都有接口（Interface），每个接口都有自己的名字和编号。 一个接口的全名称由它的类型标志与数字编号构成，编号自0开始。,15,路由器典型原理,控制台端口 使用户

6、或管理员能够利用终端与路由器进行通信，完成路由器配置。 路由器的型号不同，与控制台进行连接的具体接口方式也不同。,16,路由器典型原理,辅助端口 多数路由器均配备了一个辅助端口，它与控制台端口类似，提供了一个EIA/TIA-232异步串行接口，通常用于连接Modem以使用户或管理员对路由器进行远程管理,17,路由器的硬件组成图,18,路由器的功能,数据通道功能 转发决定。 背板转发。 输出链路调度。,19,路由器的功能,控制功能 在路由器中保存着各种传输路径的相关数据路由表（Routing Table），供路由选择时使用。 路由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

7、容。 静态路由表和动态路由表。,20,路由器的功能实例,假设有这样一个简单的网络。如图所示，A、B、C、D四个网络通过路由器连接在一起。 现假设网络A中一个用户A1要向C网络中的C3用户发送一个请求信号时，信号传递的步骤如下：,21,路由器的功能实例,22,路由器的功能实例,用户A1将目的用户C3的地址C3，连同数据信息以数据帧的形式通过集线器或交换机以广播的形式发送给同一网络中的所有节点，当路由器A5端口侦听到这个地址后，分析得知所发目的节点不是本网段的，需要路由转发，就把数据帧接收下来。,23,路由器的功能实例,路由器A5端口接收到用户A1的数据帧后，先从报头中取出目的用户C3的IP地址，

8、并根据路由表计算出发往用户C3的最佳路径。因为从分析得知到C3的网络ID号与路由器的C5网络ID号相同，所以由路由器的A5端口直接发向路由器的C5端口应是信号传递的最佳途经。,24,路由器的功能实例,路由器的C5端口再次取出目的用户C3的IP地址，找出C3的IP地址中的主机ID号，如果在网络中有交换机则可先发给交换机，由交换机根据MAC地址表找出具体的网络节点位置；如果没有交换机设备则根据其IP地址中的主机ID直接把数据帧发送给用户C3，这样一个完整的数据通信转发过程也完成了。,25,高性能路由器硬件体系结构,最初路由器采用传统计算机体系结构，如下图所示,26,高性能路由器硬件体系结构,采用共

9、享中央总线、中央CPU、内存及外围线卡。 结构的主要局限 CPU必须处理每一个数据包，从而限制了系统的吞吐量。 即使所有数据包是抵达同一线卡中的网络接口，它们也必须两次穿越系统总线，这将导致系统性能随接口的增加而降低。 转发决定由软件完成，受CPU运行速率的限制 中央CPU出现故障将导致系统瘫痪。,27,高性能路由器硬件体系结构,这些局限在下图中得到了改善,28,高性能路由器硬件体系结构,它采用并行处理技术 结构也有两方面的限制 转发决定由软件完成，因此受到通用CPU运行速率的限制。 享总线的使用：在某一时刻，在两块线卡之间，只有一个数据包可通过总线，这限制了路由器性能。,29,高性能路由器硬

10、件体系结构,下图所示的是目前最先进的路由器体系结构,30,高性能路由器硬件体系结构,它采用纵横式交换结构替代共享总线 这种路由器内部是无阻塞的，但需要采用合理的调度算法来解决行首HOL阻塞、输入、输出阻塞等影响系统性能的问题。,31,高性能路由器硬件体系结构图,32,高性能路由器软件体系结构,路由原理 路由协议 RIP路由协议 OSPF路由协议 BGP和BGP-4路由协议 路由算法,33,路由原理,寻径-判定到达目的地的最佳路径。 由路由选择算法来实现。 路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表。 路由器间互通信息进行路由更新，使之正确反映网络的拓扑变化。 路由器根据量度来决定最佳路径,

11、34,路由原理,转发-沿寻径好的最佳路径传送信息分组 路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点。 根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点。,35,路由协议,典型的路由选择方式有两种 静态路由-路由器中设置的固定的路由表。 动态路由-网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表。,36,路由协议,RIP-路由信息协议 RIP采用距离向量算法。 简单、可靠，便于配置。 RIP只适用于小型的同构网络。 RIP每隔30s一次的路由信息广播也是造成网络的广播风暴的重要原因之一。,37,路由协议,OSPF-开放式最短路径优先协议 是一种基于链路状态的

12、路由协议。 需要每个路由器向其同一管理域的所有其它路由器发送链路状态广播信息。 收集有关的链路状态信息，并根据一定的算法计算出到每个节点的最短路径。 将一个自治域再划分为区。 大大减少了网络开销，并增加了网络的稳定性。,38,路由协议,BGP-边界网关协议 外部网关协议，用于多个自治域之间。 主要功能是与其它自治域的BGP交换网络可达信息。 各个自治域可以运行不同的内部网关协议。 在BGP-4中，还可以将相似路由合并为一条路由。,39,路由算法,选择路由算法考虑以下几个设计目标 最优化 简洁性 坚固性 快速收敛 灵活性,40,路由算法,链路状态算法-最短路径算法 发送路由信息到互联网上所有的结

13、点。 对于每个路由器，仅发送它的路由表中描述了其自身链路状态的那一部分。 距离向量算法 每个路由器发送其路由表全部或部分信息。 仅发送到邻近结点上。,41,路由算法,两种算法的比较 从本质上来说，链路状态算法将少量更新信息发送至网络各处，而距离向量算法发送大量更新信息至邻接路由器。 链路状态算法收敛更快。 链路状态算法要求比距离向量算法有更强的CPU能力和更多的内存空间。,42,高性能路由器总体结构图,43,设计高性能路由器的关键问题,存储器的速度和容量 数据包的仲裁 QoS控制 光互连 功耗,44,结束,谢谢各位老师和同学！请提宝贵意见。,45,附录,SLIP (Serial Line IP

14、 )-串行线路 IP 用于运行 TCP/IP 的点对点串行连接。 SLIP 通常专门用于串行连接，有时候也用于拨号。 使用的线路速率一般介于 1200bps 和 19.2Kbps 之间。 允许主机和路由器混合连接通信。 只是一个包组帧协议，仅仅定义了在串行线路上将数据包封装成帧的一系列字符。 返回,46,附录,PPP-点对点协议 它是一种用来同步调制连接的数据链路层协议。 主要由以下几部分组成： 封装：供了不同网络层协议同时在同一链路传输的多路复用技术。 链路控制协议：处理数据包大小限制，探测环路链路和其他普通的配置错误，以及终止链路。 网络控制协议：用于建立、配置、测试和管理数据链路连接。,

15、47,附录,PPP-点对点协议 协议结构。 Flag 表示帧的起始或结束，由二进制序列01111110构成。 Address 包括二进制序列11111111，标准广播地址。 Control 二进制序列00000011，要求用户数据传输采用无序帧。 Protocol 识别帧的 Information 字段封装的协议。 Information 0或更多八位字节，包含 Protocol 字段中指定的协议数据报。 FCS 帧校验序列（FCS）字段，通常为16位。 返回,48,附录,PPTP (Point to Point Tunneling Protocol ) -点对点隧道协议 是一种支持多协议虚拟

16、专用网络的网络技术。 远程用户能够通过 Microsoft Windows NT 工作站、Windows 95 和 Windows 98 操作系统以及其它装有点对点协议的系统安全访问公司网络，并能拨号连入本地 ISP，通过 Internet 安全链接到公司网络。 返回,49,附录,IPSec (Internet Protocol Security ) 是由 Internet Engineering Task Force (IETF) 定义的安全标准框架，用以提供公用和专用网络的端对端加密和验证服务。 IPSec 面向协议堆栈的的网络层。 IPSec 提供了两个主要元素用以保护网络通信。 验证头实现了数据发送方的验证处理。确保数据既对于未经验证的站点不可用，也不能在路由过程中更改。 封闭安全负载 (Encapsula