第5章路由器体系结构的演变

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)
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
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
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
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
光纤通信技术的发展使得传输线路已经不是 一个瓶颈，这样网络速度提高的主要障碍就 落在了交换节点——路由器的身上 路由器是Internet中重要的核心互连设备， 在Internet的发展过程中扮演着重要的角色 随着Internet在速度、规模和应用各方面的 快速发展，对路由器的要求也越来越高，这 就驱使着高性能的路由器的体系结构及其关 键技术不断地发展和进步，以满足互联网发 展趋势的需求
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
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
路由器的分类

路由器可以根据使用环境的不同和本身能力的不 同等来进行分类 从使用环境来分：核心路由器、边缘路由器和接 入路由器 从能力来分：高端路由器、中端路由器和低端路 由器 从结构上分：模块化结构和非模块化结构
路由器的分类
从体系结构来分
基于总线的单CPU体系结构
基于总线的多CPU体系结构 基于交换结构的多CPU体系结构 集群路由器体系结构
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
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
基于总线的单CPU体系结构

该体系结构的路由器是由一个中央处理器和若干 网卡通过共享总线互联而成，是第一代路由器 该体系结构的路由器的主要功能是通过软件实现 的，其硬件基础是一个中央处理器 这种结构简单和容易实现，但性能低，原因是
CPU既运行路由协议，也负责数据包的处理和转发， 存在严重的处理瓶颈 主要的数据处理（如路由表的查找和数据移动）涉 及到存储器，对其的访问速度会影响系统性能 数据移动必须两次通过总线，非常耗时，有时甚至 超出数据包头的处理时间
R5
F
What is Routing?
R3 A R1 R4 D
B C
E
R2
R5
F
Baidu Nhomakorabea 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
Interconnection Network
Interface Card
Interface Card
Interface Card

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)
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

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
路由表和转发表
路由表和转发表




Routing Table and Forwarding Table 都用来保存路由信息 路由表通常由路由协议和路由管理模块维护， 包括更多的信息（IP地址/IP子网、下一跳、 路由度量、超时时间等） 转发表基于路由表生成 路由器实际转发时使用转发表（只包括IP地址 /IP子网和下一跳/出接口） 高性能路由器中转发表通常用硬件实现，便于 高速查找
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
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
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)

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
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
基于交换结构的多CPU体系结构
交换结构
Switched Backplane
Line Card cpu Local Buffer Memory
Fwding Table
NIC NIC
CPU
Routing Table
Line Card cpu Local Buffer Memory
Fwding Table

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
NIC NIC
中央处理器 从处理器
Typically <50Gb/s aggregate capacity
基于交换结构的多CPU体系结构
集群路由器体系结构


集群路由器，路由器矩阵、多机框互联、可扩展路 由器 就是将多台路由器互联起来，形成一套逻辑上一体 的路由器系统 或 由多个可独立运行的路由节点, 通过某种互连结构连接而成性能和功能可扩展的单 映像路由器 可扩展性主要体现在以下3个方面：交换实体的分 布性带来的规模可扩展性；路由实体的分布性 带来的路由计算可扩展性；路由器操作系统的分布 性带来的功能可扩展性

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