第5章路由器体系结构的演变
计算机网络应用 路由器的发展历史
计算机网络应用路由器的发展历史从本质意义上来讲，路由器也只是一台特殊的专门执行协议处理的计算机，但从功能上看，它与计算机还是有较大的区别的。
虽然这些区别在于路由器的初级发展阶段表现的并不是太明显，但是随着网络规模、速度、种类及应用发生了巨大变化，因此也将导致网络中路由器的体系结构发生较大的变化。
从总体上来讲，路由器的历史发展过程可以分为下面几个阶段：1．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CPU内存和安装在共享总线上的多个网络物理接口。
如Cisco2501路由器（图9-1所示）就是这类路由器的典型代表，其中CPU是Motorola的68302处理器，具有一个AUI以太网接口和两个广域网接口。
图9-1 Cisco2501路由器中央处理器（CPU）完成除所有物理接口之外的其它所有功能，数据包从一个物理接口接收进来，经总线送到中央处理器（CPU）中做到转发决定处理，然后再经过总线送到另一个物理接口将数据包发送出去，所以中央处理器（CPU）就像一个中转站一样，来执行数据包的转发。
CPU的结构如图9-2所示：图9-2 单总线单CPU路由器原理图这一类单总线单CPU的路由器主要缺点是处理速度慢，所以当有大量的数据包要处理的时候会造成延迟，丢包的情况发生。
因此使用单个CPU路由器完成所有要执行任务，从而限制了系统的吞吐量。
另外，系统容错性差，如果CPU出现故障容易导致整个系统瘫痪。
但该结构的优点是系统价格比较低，目前的边缘路由器基本都是使用这种结构。
2．单总线主从CPU结构路由器单总线主从CPU结构路由器的体系结构实际上是单总线单CPU结构路由器体系结构的简单延伸。
采用主从两个CPU代替了原来仅有一个CPU的结构，从而可以降低了CPU的负荷，提高了数据包的处理速度。
并且这两个CPU属于非对称主从式关系结构，其中一个CPU 负责数据链路层协议的处理，另一个CPU则作为主CPU负责网络层以上的处理，主要包括数据转发、路径选择、路由算法及配置控制等计算工作，如图9-3所示。
路由器_百度百科
路由器的原理
路由器的作用
路由器的类型
常用路由器名词解释 宽带路由器
模块化路由器
非模块化路由器
虚拟路由器
核心路由器
无线路由器
独臂路由器
路由器的体系结构
路由器的构成 无线网络路由器
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（Routing
Protocol）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。
[编辑本段]路由器的类型
互联网各种级别的网络中随处都可见到路由器。接入网络使得家庭和小型企业可以连接到某个互联网服务提供商；企业网中的路由器连接一个校园或企业内成千上万的计算机；骨干网上的路由器终端系统通常是不能直接访问的，它们连接长距离骨干网上的ISP和企业网络。互联网的快速发展无论是对骨干网、企业网还是接入网都带来了不同的挑战。骨干网要求路由器能对少数链路进行高速路由转发。企业级路由器不但要求端口数目多、价格低廉，而且要求配置起来简单方便，并提供QoS。
Table），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。 路Fra bibliotek器的配置与调试
路由器的功能低端和高端路由器的区别路由器与交换机的区别无线路由器与无线AP的区别
wifi路由器逻辑结构
wifi路由器逻辑结构Wi-Fi 路由器的逻辑结构Wi-Fi 路由器是一个复杂的设备，在家庭和企业网络中发挥着至关重要的作用。
为了充分理解其功能，了解其逻辑结构至关重要。
1. 物理层物理层负责与连接到路由器的设备进行有线和无线通信。
它包括以太网端口、调制解调器、天线和无线频段（2.4 GHz 或 5 GHz）。
2. 数据链路层数据链路层负责在物理层之上传输数据帧。
它通过媒体访问控制 (MAC) 地址识别设备并确保数据安全到达目的地。
3. 网络层网络层负责在不同设备之间路由数据包。
它使用路由表来确定最佳路径，并通过互联网协议 (IP) 地址进行寻址。
4. 传输层传输层建立并维护网络上的会话。
它使用传输控制协议 (TCP) 和用户数据报协议 (UDP) 等协议来确保可靠和高效的数据传输。
5. 应用层应用层为用户提供与网络资源交互所需的接口。
它包括协议，例如超文本传输协议 (HTTP)、文件传输协议 (FTP) 和安全套接字层 (SSL)。
固件路由器的固件是一种软件，负责管理其所有硬件和软件组件。
它提供对路由器设置、安全功能和性能优化的访问。
Web 界面Web 界面是一个基于浏览器的界面，允许用户远程配置和管理路由器。
它提供对设置、状态信息和网络工具的访问。
移动应用程序许多路由器制造商提供移动应用程序，使用户可以通过智能手机或平板电脑远程管理其路由器。
这些应用程序提供对设置、家长控制和网络诊断的访问。
防火墙防火墙是一个安全功能，用于保护网络免受未经授权的访问。
它根据预定义的规则过滤进出网络的数据包。
网络地址转换 (NAT)NAT 是一个转换机制，允许多个设备共享一个 IP 地址。
它通过将内部 IP 地址转换为公共 IP 地址来实现这一点。
服务质量 (QoS)QoS 是一个优先级设置系统，用于确保对关键流量（如流媒体或视频通话）进行优先级处理。
它通过分配带宽和减少延迟来实现这一点。
家长控制家长控制功能使父母能够限制儿童对不适当内容的访问。
路由器体系结构发展趋势分析
路由器体系结构发展趋势分析通信网络是由一些系统和节点组成的集合，这些系统和节点负责传输连接在通信网络的用户之间的信息。
在一个网络中主要定义两种系统：端系统和中间系统。
端系统是支持端用户应用或者端用户服务的设备，中间系统是连接多个网络并允许这些网络的端系统之间相互进行通信的设备。
简单说来，路由器（Router）就是一个中间系统，它主要用来连接两个或者多个网络，这些网络可能同构也可能异构。
一个路由器简单到可以只是一台有两块或更多网络接口卡的微机，从接收接口进来的数据报，经过处理，转发到适当的输出接口。
路由器要维持一个路由表，用路由表为需要转发的数据报提供相应的路由。
根据路由器在一个网络中所处的位置，大体上可以把路由器分为接入路由器、企业级路由器和核心路由器。
路由器工作在OSI参考模型的网络层，完成不同网络之间的数据存储、分组和转发。
它可以根据报文来传输数据，完成网络层路由和转发任务。
由于在两个不同网络的网络层之间按报文传输数据时，要改变两个不同类型网络报文中的第二层地址，即决定在网络之间数据传输时的路由去向，所以称之为“路由器”。
从最初只有一台微机的基于单总线的路由器到现在基于大规模互联网络技术的高性能T比特核心路由器，路由器体系结构设计也经历了几个不同的发展阶段。
最初，路由器主要是基于传统计算机体系结构设计的，主要包括：一个CPU、共享中央总线和存储器以及一些并行的网络接口卡。
从输入端口进来的数据报通过共享总线到达CPU，经过CPU处理又被送往合适的输出端口。
这种结构的瓶颈主要在于CPU的处理速度和共享总线的带宽。
第二种典型的结构设计方法使用多个CPU处理由共享总线传递的数据报，从而消除单CPU路由器CPU速度的限制。
这些CPU可以并行处理同时进来的数据报，输入数据报可以被送往第一个可用的CPU，也可以被送往指定的CPU。
这种结构不仅使在路由器中使用多个价格低廉的CPU成为可能，同时它灵活平滑的并行处理机制也提高了整个系统的效率，但其整体性能仍然受共享总线最大带宽的限制。
路由器的配置及应用技术要点
毕业论文(设计) 题目路由器的配置及应用技术学生姓名学号院系专业指导教师二Ｏ一二年五月日路由器的配置及应用技术摘要随着计算机网络技术的快速发展，IP网络的建设与应用也逐渐的多样化，路由器作为IP网络中基本而核心的网络设备，其技术，特别是高性能路由器技术已经成为当前网络领域研究的热点和重点，提高它的配置要求，广泛其应用范围以及传输过程中的安全问题已经成为研究下一代路由器的根本途径。
关键词：路由器配置应用目录第一章路由器的基础1.1路由器的基本概念1.2路由器的工作原理1.3路由器主要技术1.4 路由器的特点和功能第二章路由器的配置2．1 路由器的基本配置2.1.1基本命令模式2.1.2口令配置2.1.3接口配置2. 2 路由器（家庭）安装配置（步骤）2．3企业级路由器的配置方法第三章路由器的应用3.1路由器应用于局域网3.2路由器用于VLAN间的通信3.3路由器作为局域网出口3.4路由器的安全防御功能3. 5路由器的网络管理功能实验：两台路由器互联配置路由器NAT技术在企业网络中的应用前言通信网络是由一些系统和节点组成的集合，这些系统和节点负责传输连接在通信网络上的用户之间信息。
在一个网络中主要定义两种系统：端系统和中间系统。
端系统是支持端用户应用或者服务的设备，中间系统是连接多个网络并允许这些网络的端系统相互之间进行的通信设备。
那么路由器就扮演着把网络相互连接起来的重要角色。
第一章路由器的基础1.1路由器的基本概念：路由器（Router）是连接因特网中各种局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号的设备。
路由器所谓路由器，就是一个中间系统，它主要是用来连接两个或多个网络，这些网路可能是同构的也可能是异构的。
路由器工作在OSI参考模型的网络层，在两个不同网络的网络层之间传输报文数据时，需要改变两个不同类型网络报文中的第二层地址，即决定在网络之间数据传输时的路由方向，完成不同网络之间的数据存储、分组和转发。
路由器基本原理和结构体系
路由器基本原理和结构体系路由器是网络通信领域中的一种重要设备，它在互联网的发展和扩展中发挥着至关重要的作用。
本文将介绍路由器的基本原理和结构体系，帮助读者更好地理解和使用路由器。
一、路由器的基本原理路由器作为数据包在网络中的传递和转发设备，具有以下基本原理：1. 数据包转发原理路由器通过接收到达的数据包，并根据其目标地址进行转发。
路由器内部有一个路由表，记录了不同网络的地址信息以及对应的下一跳节点。
当收到数据包时，路由器根据目标地址查找路由表，确定下一跳节点，并将数据包发送到相应的输出接口。
2. 路由选择原理路由器通过路由选择协议（如OSPF、BGP等）来更新和维护路由表，实现网络中路由的动态调整和最优路径的选择。
路由选择原理的目标是实现网络的高效通信和负载均衡，使数据包能够快速准确地到达目标节点。
3. 包过滤和安全性原理路由器可以根据设置的ACL（Access Control List）进行包过滤，实现对网络中的数据包进行筛选和控制。
同时，路由器还能够通过防火墙等机制提供基本的安全性保护，抵御网络攻击和威胁。
路由器的结构体系包括硬件和软件两个层面，下面将对其进行介绍：1. 硬件结构（1）中央处理单元（CPU）：负责路由器的整体控制和管理，包括运行操作系统、处理转发决策等。
（2）接口：用于与其他设备进行通信和连接，包括以太网接口、串口、光纤接口等。
（3）内存：用于存储路由器的操作系统和路由表等数据。
（4）高速缓存：用于临时存储最常用的数据包和路由表项，提高数据转发的效率。
（5）交换总线：用于连接各个硬件组件，实现数据的传输和交换。
2. 软件结构（1）操作系统：路由器的操作系统通常是专用的路由器操作系统，如Cisco的IOS、Juniper的Junos等。
操作系统负责路由器的整体管理、配置和控制。
（2）路由协议：路由器的软件包括各种路由协议的实现，如RIP、OSPF、BGP等。
路由协议用于路由表的更新和维护，实现路由的选择和转发。
路由器基础知识讲座ppt课件
路由器的主要作用是根据网络层 的信息，选择最佳路径，将数据 包从一个网络转发到另一个网络 ，实现网络互联和通信。
路由器发展历程
第一代路由器
最初的路由器采用软件方式进行路由 计算，性能较低，主要应用于小型网 络。
第二代路由器
第三代路由器
现代路由器已经发展成为高度集成化 、智能化的设备，支持多种路由协议 和网络安全功能，广泛应用于各种规 模的网络。
针对路由功能优化，高效 稳定，如Cisco IOS、 Juniper JUNOS等。
通用操作系统
基于Linux、Unix等系统 ，可定制性强，但需要额 外配置和优化。
实时操作系统
适用于对时间要求严格的 场景，如工业控制、航空 航天等。
路由协议实现原理
静态路由
手动配置路由表，适用于简单网 络环境。
动态路由
Wi-Fi联盟认证
负责无线技术的认证和推广，确保不同厂商的设备 能够互相兼容。
无线网络安全标准
包括WPA/WPA2等加密认证技术，保障无 线网络的安全性。
无线接入点（AP）和桥接器（Bridge）
无线接入点（AP）
01
用于建立无线网络的设备，提供无线客户端的接入和数据传输
功能。
无线桥接器（Bridge）
01
VPN基本概念
VPN（Virtual Private Network）即虚拟专用网络，是利用公共网络
架设的私人网络，通过加密技术保障数据传输的安全性。
02 03
VPN技术原理
VPN采用了隧道技术、加解密技术、密钥管理技术和使用者与设备身份 认证技术，通过在公共网络上建立虚拟专用通道来保障数据传输的安全 性和私密性。
ACL技术原理
路由器基础ppt课件
工具推荐
PuTTY、SecureCRT、Cisco AnyConnect等
安全性考虑
使用强密码、定期更换密码、限制远程登录地址和时间等
05
路由器安全策略部署
访问控制列表（ACL）设置方法
定义ACL规则
根据网络需求和安全策略，定 义允许或拒绝特定IP地址、端 口号或协议类型的流量通过。
通过划分广播域，减少广播风暴，提高网络性能。
提供ACL（访问控制列表）功能，实现网络安全控制。
路由器发展历程
01
02
03
04
第一代路由器
基于软件路由，处理速度慢， 易成为网络瓶颈。
第二代路由器
采用硬件辅助路由，提高处理 速度，但功能相对单一。
第三代路由器
第四代路由器
基于ASIC（专用集成电路）技 术，实现高性能、高集成度和 高可靠性。
2. 登录路由器控制台，查看 接口配置是否正确，包括IP地
址、子网掩码、网关等。
3. 如果接口配置正确，可能 是接口所在板卡故障，需要更
换板卡或联系厂家维修。
THANK YOU
感谢聆听
防火墙与路由器集成方案
02
通过将防火墙集成到路由器中，实现对网络流量的全面监控和
安全防护，提高网络的整体安全性。
集成方案优势
03
降低网络复杂度、提高网络性能、实现统一管理等优势，满足
企业网络安全的需求。
06
故障诊断与排除技巧分享
常见故障类型及原因分析
电源故障
路由器无法开机或重启，可 能由于电源适配器损坏、电 源线接触不良或路由器内部 电源模块故障。
。
路由器性能参数解析
IP技术的发展-第五代路由器
IP技术的发展－第五代路由器随着IP技术的发展、IP用户的迅猛增加、IP业务的推出，传统的路由器已经远远不能满足现代网络发展的需要，尤其是主干网络的需要。
第五代路由器正是在这种网络背景下提出的，着眼于解决核心IP网络存在的问题。
前四代路由器的发展历程第一代路由器采用集中转发，固定接口。
最初的IP网络并不大，其网关所需要连接的设备及其需要处理的负载也很小，而且网络的变化也较慢。
第一代路由器由一个处理器CPU和固定的多个网络接口组合而成，网络接口与CPU之间通过内部总线相连。
第二代路由器采用集中转发，接口模块化。
这是因为随着IP网络的发展，网络节点在增多，网络链路也在大量增加和替换升级，这个时候，由于第一代路由器的网络接口是固定的，不能满足IP 网络链路经常变化的要求，需要经常更换新的路由器，这样不利于网络设备投资保护和维护管理。
在这个时期，可扩展性成为限制路由器发展的主要矛盾。
第二代路由器从体系结构彻底解决第一代路由器的可扩展性问题，采用办法其实非常简单，那就是把网络接口做成可以插拔的活动模块，用户可以根据需要增加所需要的网络接口模块，对原有路由器升级扩容即可，而不需要替换路由器。
第三代路由器是基于CPU的分布式软件转发。
到了90年代前期，随着互联网业务大发展时期的到来，网络流量迅猛增大。
同时由于光传输技术的发展，许多传输线路已经由2M为主流的电路升级为以155M为主流的光路。
在短报文线速转发情况下，一个155M接口就需要约200Kpps左右的转发性能，而在当时情况下，一个CPU的处理能力也只有这么多。
而依据网络扩展性的要求，一个路由器往往要连接多个155M或100M链路。
在保持路由器的灵活扩展性前提下，性能成为了路由器发展的主要矛盾。
性能的瓶颈主要集中在CPU上。
解决办法就是把路由器的集中式结构转换为三头六臂式的分布式结构，第三代路由器由此出现。
第三代路由器采用全分布式结构，最大变化是在各网络接口业务模块上增加了CPU，即每个接口业务模块都有自己的CPU来进行各自的转发和业务处理，负责少量网络接口。
路由器的内部构造解析
路由器的内部构造解析路由器是我们经常使用的网络设备之一，它在我们的家庭或办公室中扮演着重要的角色。
它能够将网络流量传输到不同的设备之间，帮助我们快速、高效地进行互联网连接。
然而，你是否曾想过，路由器内部是如何工作的呢？本文将对路由器的内部构造进行解析，帮助我们更好地理解这个复杂的设备。
一、物理构造路由器通常由以下几个主要部分组成：1. 电源：路由器需要电源来运行，通常使用交流电源适配器连接到电源插座。
2. 以太网端口：路由器上通常有多个以太网端口，用于连接网线，将局域网中的设备连接到路由器上。
这些端口通常采用RJ45接口。
3. WAN端口：WAN端口用于连接广域网，比如连接到互联网服务提供商(ISP)的调制解调器。
WAN端口通常采用RJ45接口，支持电缆、DSL等不同的连接方式。
4. 无线天线：大多数现代路由器都内置了无线天线，用于提供无线网络连接。
这些天线可以根据路由器的型号和规格有所不同。
5. 内部电路板：内部电路板是路由器的核心部分，包含了处理器、内存、存储器和其他相关电路。
处理器用于处理路由器的各种操作，内存用于缓存临时数据，存储器用于存储路由器的操作系统和配置文件等。
二、工作原理路由器主要通过以下几个步骤来传输和转发网络流量：1. 接收数据包：路由器通过以太网端口或无线连接接收到来自其他设备的数据包。
这些数据包包含有关源地址和目标地址的信息，以及要传输的数据。
2. 解析目标地址：路由器根据数据包中的目标地址，查找路由表来确定下一步的转发路径。
3. 转发数据包：根据目标地址和路由表，路由器将数据包转发到正确的输出接口，使其到达目标设备。
4. 更新路由表：路由器会定期更新路由表，以确保它能够及时响应网络拓扑的变化、优化数据的传输路径。
5. 防火墙和安全功能：一些高级路由器还配备了防火墙和其他安全功能，用于保护网络免受恶意攻击和未经授权的访问。
三、内部技术细节在路由器的内部电路板上，有几个关键的技术组件，使路由器能够高效地工作：1. CPU：中央处理器(Central Processing Unit)是路由器的大脑，负责处理路由器的运算和控制。
从零开始：分分钟了解路由器发展史
从零开始：分分钟了解路由器发展史⼀谈到路由器，我们的第⼀反应可能就是让家中多台设备能够同时上⽹的那个“盒⼦”。
要是没有它，我们现在的上⽹⽅式可能就会完全被颠覆！今天我们就来聊聊路由器的历史，看看它发展到今⽇，是如何演变的吧！存在于⽹络中的“桥梁”——路由器⽹络⽬前已经全⾯渗透进⼈们的⽣活中，那么是什么把各个⽹络相互连接起来呢？没错，正是今天我们话题的主⼈公——路由器。
路由器可以说是互联⽹中的枢纽，现在它⼴泛的应⽤于各种⾏业和场景。
路由器不仅可以连通不同的⽹络，还可以选择数据传送的路径，并且能够阻隔⾮法访问。
作为IP⽹络的核⼼设备，路由器的技术已经成为现在信息产业的重要技术，它在数据通信中起到的作⽤也越来越重要。
▲家中常⽤的⽆线路由器简单来说，路由器的作⽤就是通过相互连接的⽹络把信息从源地点移动到⽬标地点。
在路由器的⼯作过程中，信息⾄少会经过⼀个或多个中间节点。
也有许多朋友会把路由器和交换机的功能相⽐，发现他们的功能差不多，其实⼆者存在着本质的区别。
路由器和交换机之间的最重要的区别，是交换发⽣在第⼆层（数据链路层），⽽路由活动则发⽣在第三层，也就是⽹络层。
这样⼀来，路由器和交换机在⼯作中需要使⽤不同的控制信息，所以说这两种设备实现各⾃功能的⽅式是有区别的。
▲企业级路由器“路由器是互联⽹的主要节点设备，路由器通过路由决定数据的转发。
转发策略称为路由选择（routing），这也是路由器名称的由来（router，转发者）。
作为不同⽹络之间互相连接的枢纽，路由器系统构成了基于TCP/IP的国际互联⽹络Internet的主体脉络，也可以说，路由器构成了Internet的⾻架。
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。
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。
”——来⾃百度百科▲路由器组⽹拓扑⽰意图飞速发展的⽹络技术不断推动者路由器性能的提升，并且在实际的应⽤中让路由器变得越来越智能⽽且业务能⼒越来越强。
IP路由器架构
软件系统
编程模型--同构模型
编程模型--异构模型
Cell加速方案
卸载计算密集的操作:
卸载主机操作系统网络协议栈中的计算密集操作 卸载用户空间协议栈中的计算密集操作。
加速特定的数据路径。
卸载主机栈的计算密集操作
加速特定的数据路径
只加速某些延迟敏感的、或对网络利用率贡献较大的应用。 主机栈（PPE）负责控制面处理以及其它应用的数据路径。 PPE上的网卡驱动程序将收到的包发送给“RX- Classifier”，
取决于是否存在独立的任务。
数据并行
通过并行地处理多个独立的数据单元来并行化一个任务。 取决于是否存在独立的数据单元。
流水线并行
通过将一个任务划分成一系列串行的子任务来并行化一个任务，每 个子任务运行在一个核上。
许多应用有顺序处理的要求，从而无法使用任务并行或数据并行， 但许多这样的应用都可以用流水线并行来并行化。
通用多核处理器的出现为构建高性能的网络设备提 供了一种新的可选方案：
通用多核处理器为线程级并行而优化，适合具有天然线 程级并行特性的网络应用。
拥有越来越多的计算核和越来越大的cache空量，能够 承担越来越复杂的包处理任务。
设计中已经考虑了适合网络处理的有用特性。
4.1 IBM Cell BE
Intel Nehalem 8核处理器内部结构
8个计算核 每个核自带256KB
L2 cache，8个核共 享一个L3 cache 内置内存控制器 微内核与内存控制器 之间使用crossbar交 叉互联 内置QPI接口，允许 与其它处理器进行高 速点对点连接
多个处理器互联
Nehalem-EX 的最 高配置是 4 芯 32 核。
频繁的路由更新使得cache中的路由信息很快失效。
路由器基本原理和结构体系
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计算机网络原理 路由器的结构
计算机网络原理路由器的结构
从体系结构上看，路由器可以分为：第一代单总线单CPU结构路由路。
第二代单总线主从CPU结构路由器。
第三代单总线对称式多CPU结构路器。
第四代多总线多CPU结构路由器。
第五代共享内存式结构路由器。
第六代交叉开关体系结构路由器和基于机群系统的路由器等多类。
路由器的基本结构由输入端口、输出端口、交换开关和路由处理器组成。
下面我们将分别对这四个组成部分进行具体介绍。
●输入端口。
输入端口是物理链路和输入包的进口处。
端口通常由线卡提供，一块线
卡一般支持4、8或16个端口，一个输入端口具有许多功能。
如：进行数据链路层
的封装和解封装；在转发表中查找输入包目的地址，从而决定目的端口；为了提供
Qos，端口要对收到的包分成几个预定义的服务级别等。
●交换开关。
实现交换开关的功能有多种不同的技术。
目前使用最多的交换开关技术
是总线、交叉开关和共享存储器。
●输出端口。
输出端口在包被发送到输出链路之前存储，可以实现复杂的调度算法以
支持优先级等要求。
与输入端口一样，输出端口同样要能支持数据链路层的封装和
解封装，以及许多较高级协议。
●路由处理器。
路由处理器计算转发表实现路由协议，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的转发表中包。
路由器概述
19
路由收敛
路由收敛：Route Convergence 从单个路由器的观点来看 是对选择到一个新的目的地或由于原来的路径发生变化而需 要重新选择路径所采取措施的过程 从网络整体的观点来看 网络中所有路由器感知到网络变化，并对此变化通过路由算 法在全网内达到对新的网络拓扑结构一致的观点，路由表重 新计算并稳定的全过程 收敛速度 网络变化导致的信息在网络上传播加上网络上所有路由器重新计 算最佳路径所花费的时间 非常难以预测和度量 近年来路由协议的发展在如何加快收敛速度的做了很多工作
Routing Table
A
B C
D
Routing Table
Routing Table
路由信息 其它信息
31
D-V算法原理
D-V路由算法 D( i, i)= 0 D( i, j) =min{ d (i, k)+ D (k, j) } （k为 所有与i相邻的路由器） d(i,k) D(k,j) 图示距离矢量算法
B
10
20
10
A
10
C
D
Cisco在IGRP和EIGRP中支持；VRP 不支持该特性
A到D两条非等价路径 1. A→B→C→D，总开销40 2. A→C→D，总开销20 A到D的IP报文以2：1的比例在两条 路径上分担发送
17
路由环路：概念
路由环路 :Routing loop 报文在两个或几个路由器之间循 环路由，直到TTL减为0而丢弃 不能正确到目的地，有时引起环 路发生的链路拥塞 几乎是路由中最坏的现象
lspA
E C
A
B
D
七巧板！
33
路由器的体系结构
路由器的体系结构在现代网络通信中，路由器扮演着重要的角色，它是将数据包从一个网络转发到另一个网络的关键设备。
路由器的体系结构是如何设计的呢？本文将从硬件和软件两个方面来探讨路由器的体系结构。
一、硬件体系结构1. 中央处理器（CPU）路由器的CPU是整个系统的核心，它负责处理各种控制和转发任务。
CPU的性能决定了路由器的整体性能。
目前，大多数路由器采用多核CPU，以提高系统的并发处理能力。
2. 存储器系统路由器的存储器系统包括主存储器和缓存。
主存储器用于保存路由器的操作系统、路由表等重要数据，而缓存则用于存储临时数据，以提高数据包的处理速度。
3. 接口卡路由器的接口卡是连接路由器与外部网络的接口，它可以是以太网、光纤、串行等不同类型的接口。
接口卡可以根据需要进行灵活的配置和升级。
4. 总线系统总线系统是连接CPU、存储器和接口卡的重要组成部分，它起到数据传输和控制信号传递的作用。
总线的带宽越大，路由器的数据处理能力就越强。
5. 时钟系统时钟系统为路由器提供稳定的时钟信号，以保证整个系统的同步和协调。
二、软件体系结构1. 操作系统路由器的操作系统负责管理和控制路由器的各种功能和资源，如路由表的维护、数据包的转发等。
常见的路由器操作系统有Cisco IOS、Juniper JUNOS等。
2. 路由协议路由协议是路由器之间进行通信和交换路由信息的规则和标准。
常见的路由协议有OSPF、BGP、RIP等，它们能够自动计算最佳路径，并将路由信息传播给其他路由器。
3. 数据转发引擎数据转发引擎是路由器的核心模块，它负责根据路由表的信息，将数据包从输入接口转发到输出接口。
数据转发引擎通常包括数据包接收、查找路由、转发数据包等功能。
4. 管理界面路由器的管理界面提供了用户与路由器进行互动的方式，通过管理界面可以配置路由器的各项参数、监控路由器的状态等。
总结：路由器的体系结构由硬件和软件两个方面构成。
在硬件方面，CPU、存储器系统、接口卡、总线系统和时钟系统共同组成了路由器的基本硬件架构。
路由器体系结构PPT资料29页
MAC
控 制 器
转 发 引 擎
交 换 矩 阵 接 口
NxN Crossbar 交换矩阵
交换矩阵（二）
1
1
2
2
3 4
NxN
3 4
Crossbar
交换矩阵
N-1
N-1
N
N
交换（路由）仲裁
任意输入、输出端口之间可以动态连接 类似于电话交换机
路由器－－线路接口卡
第一部分 什么是路由器？ 第二部分 路由器的四大组成部分 第三部分 硬件转发路由器的三种体系结构 第四部分 路由器产品的分类 第五部分 基于IP的数据网络结构简介
路由引擎：运行路由协议，维护路由表或转发 表
交换矩阵：Crossbar结构的交换核心
线路接口、转发引擎和路由引擎
SRAM
FLASH
SDRAM
转发引擎
路由引擎 CPU
CPU接口
IP总线
以太网 Mac接口 控制器
POS接口 控制器
物理层 接口
以太网物理线路
物理层 接口
POS物理线路
线路接口类型
H3888
7507
Cisco路由器（12000系列）
Crossbar switch fabric architecture Switching Capacity
10Gbps or 40Gbps Up to 28Mpps
8 slot card cage (7 for interfaces) Components:
交换（路由）仲裁
1 2
可以采
3 用分布
4
式路由
处理或
N-1 集中式 N 路由处
第5章路由器体系结构的演变
基于总线的单CPU体系结构
Shared Backplane CPU 共享总线
Route Table Buffer Memory
Line Interface
NIC
Line Interface
NIC
Line Interface
NIC
Typically <0.5Gb/s aggregate capacity
文从输入接口向相应的输出接口传送，这个过程被 称为内部交换过程
What is Routing?
பைடு நூலகம்R3
A
R1
R4
D
B C R2
Destination
D E F
E
Next Hop
R3 R3 R5
R5
F
What is Routing?
R3
A
1 4
R1
16
R4
32 Total Packet Length
Flags Fragment Offset
由通用结构向专用结构发展
• 基于通用计算机的体系结构发展为专门针对路由器 特点的体系结构 • 由采用通用处理器发展为采用专用转发引擎或网络 处理器 • 由通用系统总线传输发展为专用的交换结构
路由器的基本结构
控制路径 （Control Path) 路由引擎 (Routing Engine) 控制路径 （Control Path)
路由更新 （Update) 路由表 （Routing Table) 路由查找 （Search) 转发引擎 (Forwarding Engine) 内部交换 （Switching) 网络接口 （Interface) 数据路径 （Data Path) 网络接口 （Interface)
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Linecards
Optical Switch Core
10-100Tb/s routers, in project
集群路由器体系结构
Optical links
100s of metres
Optical Switch Core
Optical Linecards
All-Optical Routers
D
Ver HLen
T.Service
20 bytes
B C
Fragment ID TTL Protocol
E
Header Checksum
R2 Source Address
Destination Next Hop Destination Address D R3 Options (if any)
E F Data R3 R5
为什么需要高性能的路由器
防止路由器成为Internet的瓶颈 增大POP的能力，降低其复杂性和成本
为什么需要高性能的路由器
物理器件性能的提高可以提高路由器的
处理能力，但这个提高是有限的
更根本地，每一次大的改进中，路由器
体系结构的演变，才能使整体性能大幅 度提高
高性能路由器体系结构的发展趋势
第5章
路由器体系结构的演变
路由器的基本功能
路由转发
路由器必须对每个到达本路由器的报文做出正确的
转发决策，决定报文向哪一个下一跳路由器转发 为了进行正确的转发决策，路由器需要在转发表中 查找能够与转发报文目的地址最佳匹配的表项，这 个查找过程被称为路由查找
内部交换
路由器在得到了正确的转发决策之后必须能够将报
数据路径：处理目的地址不是本 路由器而需要转发的报文，因此 数据路径是整个路由器的关键路 径，它直接影响路由器的整体性 能 控制路径：处理目的地址是本路 由器的高层协议报文，特别是各 种路由协议报文。虽然控制路径 不是路由器的关键路径，但是它 负责完成路由信息的交互，从而 保证了数据路径上的报文沿着最 优的路径转发
集群路由器体系结构
集群路由器体系结构
Optical links
Switch Core
Linecards
Multi-Racks, Optical Links
0.3 - 10Tb/s routers
集群路由器体系结构
Optical links
100s of metres
Optical Switch Core
集群路由器体系结构
集群技术的产生，主要有两个直接的原因： 首先，单机容量逐步发展到极限；其次， 超级节点的产生使得网络结构越趋复杂， 运维管理难度加大
集群路由器体系结构
集群路由器体系结构是解决高性能路由器所面临问 题的一个有效途径，它由若干个路由器节点构成， 包含了多个路由实体和交换实体 它的交换结构由多个交换结构聚合而成，具有分布 式的特点，能够满足性能、规模和可扩展性的要求 它还包含了多个具有路由计算能力的控制节点，有 利于路由协议和控制协议等任务的分布式实现 集群路由器体系结构被认为是符合互联网发展需要 的下一代高性能路由器体系结构
C POP6
POP7
POP8
F
Where High Performance Routers are Used
(10 Gb/s)
R1
R2
R5
R6
(10 Gb/s)
R3 R8
R9
R4 R10
R7 R11 R16 (10 Gb/s)
R13 (10 Gb/s) R15
R14
R12
为什么需要高性能的路由器
集群路由器实现参考模型
Points of Presence (POP)
POP3 网络运营商存放交换设备的地点，我们通常 POP2 叫POP点 POP1 D POP4 A 它是网络中的交通枢纽，连接了若干骨干线 路，大量的数据流经POP点再转发出去 在POP点内部，是一组高性能路由器，每台路 B E POP5 由器连接部分骨干线路，这些路由器再彼此 连接在一起
R5
F
What is Routing?
R3 A R1 R4 D
B C
E
R2
R5
F
路由和转发
R3 A R1 R4 D
B C
E
R2
R5
F
路由器的基本结构
Processor Memory CPU
Interconnectionce Card
Interface Card
基于总线的单CPU体系结构
Shared Backplane CPU 共享总线
Route Table Buffer Memory
Line Interface
NIC
Line Interface
NIC
Line Interface
NIC
Typically <0.5Gb/s aggregate capacity
路由器的基本结构
路由处理器 运行路由协议等的内部处理模块组成，它要保 证整个路由器的可靠稳定的工作，如局部转发 表和全局路由表的一致性维护等 交换模块 用于连接多个网络接口以及转发引擎模块， 为它们之间的数据传送提供高速的数据通路， 主要有共享总线和交叉开关
报文处理路径
控制路径 （Control Path) 路由引擎 (Routing Engine) 控制路径 （Control Path)
由通用结构向专用结构发展
• 基于通用计算机的体系结构发展为专门针对路由器 特点的体系结构 • 由采用通用处理器发展为采用专用转发引擎或网络 处理器 • 由通用系统总线传输发展为专用的交换结构
NIC NIC
从板
从处理器
Line Card cpu Buffer Memory Fwding Cache
NIC NIC
Typically <5Gb/s aggregate capacity
基于交换结构的多CPU体系结构
该体系结构路由器引入了交换结构代替原有的共享 总线，交换结构可以提供比共享总线高得多的带宽 线卡上一般不再采用通用处理器，而是采用ASIC实 现的专用转发引擎或者是针对网络处理进行了优化 的网络处理器，以提高报文的转发和处理的能力 中央处理器负责完成路由协议和其它控制协议的处 理，并根据路由表生成转发引擎所需要的转发表， 将转发表同步到各个线卡上 路由器的整体性能主要由线卡对报文的转发处理能 力，以及交换结构的交换容量决定 属于第三代路由器
路由器的基本结构
网络接口 与物理链路直接相连，它包括了处理相应物理传输数 据报文的功能，完成报文的接收和发送工作。工作 在物理层和数据链路层 转发引擎 主要负责数据报文的转发路径，转发引擎对接收的数 据报文的头部进行解析，然后根据报文的分类标识 在规则表中进行查找，得到转发操作的目的端口。 在高速路由器中，该部分采用专用硬件实现，在分 布式体系结构中，该部分又包含了局部转发表。工 作在网络层
共享总线的容量直接限制了路由器的吞吐率，成为 系统无法避免的瓶颈
基于总线的多CPU体系结构
主板 中央处理器 Line Card cpu Buffer Memory Fwding Cache
NIC NIC
CPU
Route Table
Buffer Memory
共享总线 Line Card cpu Buffer Memory Fwding Cache
基于总线的多CPU体系结构
该体系结构的路由器主要是提高线卡的处理能力， 同时将路由计算的处理器从路由转发中解放出来 这种主板和从板的分布式结构大大提高了系统的整 体性能，是第二代路由器
每块线卡（从板）是拥有自己的处理器、内存和若干 网卡的独立子系统，在本地线卡进行存储和转发判断 主板基本上不参与路由转发操作，主要负责整个系统 的管理操作和路由计算等任务，并把用于转发判决的 转发表发布到各个从板上
文从输入接口向相应的输出接口传送，这个过程被 称为内部交换过程
What is Routing?
R3
A
R1
R4
D
B C R2
Destination
D E F
E
Next Hop
R3 R3 R5
R5
F
What is Routing?
R3
A
1 4
R1
16
R4
32 Total Packet Length
Flags Fragment Offset
100-1000Tb/s routers, in the future
集群路由器层次化参考模型
集群路由器层次化参考模型
数据平面可扩展性研究：一般包括分布式高 速路由查找结构，高性能可扩展互连结构和 分布式交换及调度算法 控制平面可扩展性研究：主要问题有分布式 路由,可扩展分布式操作系统和单映像管理等, 控制平面只有具有与数据平面相匹配的可扩 展能力才能满足整体的可扩展要求 数据平面与控制平面接口标准研究
路由器的基本结构
控制路径 （Control Path) 路由引擎 (Routing Engine) 控制路径 （Control Path)
路由更新 （Update) 路由表 （Routing Table) 路由查找 （Search) 转发引擎 (Forwarding Engine) 内部交换 （Switching) 网络接口 （Interface) 数据路径 （Data Path) 网络接口 （Interface)
路由器提供了两种不同的报文 处理路径
路由更新 （Update) 路由表 （Routing Table) 路由查找 （Search) 转发引擎 (Forwarding Engine) 内部交换 （Switching) 网络接口 （Interface) 数据路径 （Data Path) 网络接口 （Interface)