路由器的硬件与实现
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第四章 路由器硬件设计与实现
4.1 路由器基本组成与类型
1、ROUTER基本组成
路由器由四个功能模块构成: 输入端口 输出端口 交换结构（Switching Fabric） 路由处理器
➢输入端口: 物理链路和输入包的进口处 ,通常由线卡提供 。实现五
类功能： （1）实现数据链路层的封装和解封装；
ROUTER基本组成
CPU RAM
CPU RAM CPU RAM
物理接口
物理接口
CPU RAM 物理接口
• 第四代多总线多CPU结构路由器
第四代路由器至少包括三类以上总线和三类以上CPU。 显然，这种路由器的结构非常 复杂，性能和功能也非常
强大。
• Cxbus是数据包在各接口间转发的总线通道，带 宽达到533mbps；dbus是diagnosticbus的缩写，
CPU
CPU
RAM
wenku.baidu.com
物理接口
物理接口
物理接口
•总体上来说，第二代体系结构实际上是第一代体系结构 的简单延伸
➢ 第三代单总线对称式多CPU结构路由器
第三代路由器可以说改善了在第二代体系结构中主 要限制，因为它开始采用了简单的并行处理技术，在每个 接口处都有一个独立CPU，专门单独负责接收和发送本 接口数据包，管理接收发送队列、查询路由表做到出转发 决定等。而主控CPU仅完成路由器配置控制管理等非实时 功能。
用于传送处理器之间的诊断和管理控制数据； Sxbus是交换CPU与路由CPU之间的系统内部总 线。
接口CPU仅完成非常简单的接收和发送数据 的任务。而交换CPU是这个路由器的核心，它负
责处理网络第二层、第三层乃至更高层的协议， 完成数据包交换功能，交换CPU与接口CPU共享 内存，以避免数据传送的延迟。路由CPU采用普 通的CISC CPU ，用于完成所有非实时的任务，
4.2 路由器硬件体系结构的发展
• 1.发展概述
路由器本质上还是一台特殊的专门执行协议处理的计算 机，但从功能上看，路由器与计算机还是有较大的区别。
路由器主要有三种发展趋势： 一是越来越多的功能以硬件方式来实现，具体表现为
ASIC芯片使用得越来越广泛； 二是放弃使用共享总线，而使用交换背板，即开始普
企业级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。支持防火 墙、包过滤以及大量的管理和安全策略以及VLAN。
路由器的类型
• 3．骨干级路由器 骨干级路由器的关键因素是速度和可靠性。硬件可靠
性可以采用电话交换网中使用的技术，如热备份、双电源、 双数据通路等来获得。骨干IP路由器的主要性能瓶颈是在 路由表中查找某个路由所耗的时间。当收到一个包时，输 入端口在转发表中查找该包的目的地址以确定其目的端口， 当包越短或者当包要发往许多目的端口时，势必增加路由 查找的代价。因此，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。不管是输入缓冲还是输出缓冲 路由器，都存在路由查找的瓶颈问题。除了性能瓶颈问题， 路由器的稳定性也是一个常被忽视的问题。
遍采用交换式路由技术； 三是并行处理技术在路由器中运行，极大地提高了路
由器的路由处理能力和速度。
路由器硬件体系结构的发展
• 2. 发展历程:
➢ 第一代单总线单CPU结构路由器
最初的路由器采用了传统计算机体系结构，包括共享 中央总线、中央CPU、内存及 挂在共享总线上的多个网
络物理接口。
CPU RAM
如运行路由协议、统计网络状态信息、响应 SNMP请求、配置管理路由器等。
• 第五代共享内存式结构路由器
•
在共享存储器结构路由器中，使用了大量的
高速RAM来存储输入数据，并可实现向输出端的
转发。在这种体系结构中，由于数据首先从输入
端口存入共享存储器，再从共享 存储器结构路由
器的交换带宽主要由存储器的带宽决定。为了提
路由器的类型
• 按照路由器在网络中所处位置分类：
1．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。这些协议要能在每个端口上运行。
2．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连，并且进一 步要求支持不同的服务质量。
路由器的类型
• 4．太比特路由器
光纤和DWDM都已经很成熟，但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。
太比特路由器技术现在还主要处于开发实验阶段。
物理接口
物理接口
物理接口
这种单总线单CPU的主要局限是处理速度慢，一个CPU 完成所有的任务，从而限制了系统的吞吐量。另外，系统 容错性也不好，CPU若出现故障容易导致系统完全瘫痪 。 但该结构的优点是系统价格低。目前的边缘路由器基本上 都是这种结构。
➢ 第二代单总线主从CPU结构路由器
用主从两个CPU代替了原来仅一个CPU结构，因而较大地 降低了CPU的负荷，提高了处理速度。两个CPU为非对称主 从式关系结构，其中一个CPU负责通 信链路层的协议处理， 另一个CPU则作为主CPU负责网络层以上的处理，主要包括 转发决定、路由算法和配置控制等计算工作。
• （2）通过输入包目的地址等参数，查找路由表决定目的 端口（称为路由查找），路由查找可以使用硬件实现，或 者在线卡上嵌入微处理器。
• （3）提供QoS（服务质量）。端口对收到的包分成若干 预定义的服务级别 。
• （4）可能需要运行诸如SLIP（串行线网际协议）和PPP （点对点协议）这样的数据链路级协议或者诸如PPTP（点 对点隧道协议）这样的网络级协议。
• （5）参加对公共资源（如交换开关）的仲裁协议。
➢ 输出端口：实现数据链路层的封装和解封装；实现复杂的 调度算法以支持优先级；支持一些较高级协议等等。
ROUTER基本组成
➢ 交换结构部分：迄今为止使用最多的交换技术是总线、 Cross-bar和共享内。
➢ 路由处理器：计算路由表实现路由协议，并运行对路由器 进行配置和管理的软件。同时，它还处理那些目的地址不 在线卡路由表中的包
4.1 路由器基本组成与类型
1、ROUTER基本组成
路由器由四个功能模块构成: 输入端口 输出端口 交换结构（Switching Fabric） 路由处理器
➢输入端口: 物理链路和输入包的进口处 ,通常由线卡提供 。实现五
类功能： （1）实现数据链路层的封装和解封装；
ROUTER基本组成
CPU RAM
CPU RAM CPU RAM
物理接口
物理接口
CPU RAM 物理接口
• 第四代多总线多CPU结构路由器
第四代路由器至少包括三类以上总线和三类以上CPU。 显然，这种路由器的结构非常 复杂，性能和功能也非常
强大。
• Cxbus是数据包在各接口间转发的总线通道，带 宽达到533mbps；dbus是diagnosticbus的缩写，
CPU
CPU
RAM
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物理接口
物理接口
物理接口
•总体上来说，第二代体系结构实际上是第一代体系结构 的简单延伸
➢ 第三代单总线对称式多CPU结构路由器
第三代路由器可以说改善了在第二代体系结构中主 要限制，因为它开始采用了简单的并行处理技术，在每个 接口处都有一个独立CPU，专门单独负责接收和发送本 接口数据包，管理接收发送队列、查询路由表做到出转发 决定等。而主控CPU仅完成路由器配置控制管理等非实时 功能。
用于传送处理器之间的诊断和管理控制数据； Sxbus是交换CPU与路由CPU之间的系统内部总 线。
接口CPU仅完成非常简单的接收和发送数据 的任务。而交换CPU是这个路由器的核心，它负
责处理网络第二层、第三层乃至更高层的协议， 完成数据包交换功能，交换CPU与接口CPU共享 内存，以避免数据传送的延迟。路由CPU采用普 通的CISC CPU ，用于完成所有非实时的任务，
4.2 路由器硬件体系结构的发展
• 1.发展概述
路由器本质上还是一台特殊的专门执行协议处理的计算 机，但从功能上看，路由器与计算机还是有较大的区别。
路由器主要有三种发展趋势： 一是越来越多的功能以硬件方式来实现，具体表现为
ASIC芯片使用得越来越广泛； 二是放弃使用共享总线，而使用交换背板，即开始普
企业级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。支持防火 墙、包过滤以及大量的管理和安全策略以及VLAN。
路由器的类型
• 3．骨干级路由器 骨干级路由器的关键因素是速度和可靠性。硬件可靠
性可以采用电话交换网中使用的技术，如热备份、双电源、 双数据通路等来获得。骨干IP路由器的主要性能瓶颈是在 路由表中查找某个路由所耗的时间。当收到一个包时，输 入端口在转发表中查找该包的目的地址以确定其目的端口， 当包越短或者当包要发往许多目的端口时，势必增加路由 查找的代价。因此，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。不管是输入缓冲还是输出缓冲 路由器，都存在路由查找的瓶颈问题。除了性能瓶颈问题， 路由器的稳定性也是一个常被忽视的问题。
遍采用交换式路由技术； 三是并行处理技术在路由器中运行，极大地提高了路
由器的路由处理能力和速度。
路由器硬件体系结构的发展
• 2. 发展历程:
➢ 第一代单总线单CPU结构路由器
最初的路由器采用了传统计算机体系结构，包括共享 中央总线、中央CPU、内存及 挂在共享总线上的多个网
络物理接口。
CPU RAM
如运行路由协议、统计网络状态信息、响应 SNMP请求、配置管理路由器等。
• 第五代共享内存式结构路由器
•
在共享存储器结构路由器中，使用了大量的
高速RAM来存储输入数据，并可实现向输出端的
转发。在这种体系结构中，由于数据首先从输入
端口存入共享存储器，再从共享 存储器结构路由
器的交换带宽主要由存储器的带宽决定。为了提
路由器的类型
• 按照路由器在网络中所处位置分类：
1．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。这些协议要能在每个端口上运行。
2．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连，并且进一 步要求支持不同的服务质量。
路由器的类型
• 4．太比特路由器
光纤和DWDM都已经很成熟，但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。
太比特路由器技术现在还主要处于开发实验阶段。
物理接口
物理接口
物理接口
这种单总线单CPU的主要局限是处理速度慢，一个CPU 完成所有的任务，从而限制了系统的吞吐量。另外，系统 容错性也不好，CPU若出现故障容易导致系统完全瘫痪 。 但该结构的优点是系统价格低。目前的边缘路由器基本上 都是这种结构。
➢ 第二代单总线主从CPU结构路由器
用主从两个CPU代替了原来仅一个CPU结构，因而较大地 降低了CPU的负荷，提高了处理速度。两个CPU为非对称主 从式关系结构，其中一个CPU负责通 信链路层的协议处理， 另一个CPU则作为主CPU负责网络层以上的处理，主要包括 转发决定、路由算法和配置控制等计算工作。
• （2）通过输入包目的地址等参数，查找路由表决定目的 端口（称为路由查找），路由查找可以使用硬件实现，或 者在线卡上嵌入微处理器。
• （3）提供QoS（服务质量）。端口对收到的包分成若干 预定义的服务级别 。
• （4）可能需要运行诸如SLIP（串行线网际协议）和PPP （点对点协议）这样的数据链路级协议或者诸如PPTP（点 对点隧道协议）这样的网络级协议。
• （5）参加对公共资源（如交换开关）的仲裁协议。
➢ 输出端口：实现数据链路层的封装和解封装；实现复杂的 调度算法以支持优先级；支持一些较高级协议等等。
ROUTER基本组成
➢ 交换结构部分：迄今为止使用最多的交换技术是总线、 Cross-bar和共享内。
➢ 路由处理器：计算路由表实现路由协议，并运行对路由器 进行配置和管理的软件。同时，它还处理那些目的地址不 在线卡路由表中的包