路由器结构设计与未来发展

路由器结构设计与未来发展

一．路由器概述

路由器的主要作用是连接多个单独的网络或者子网，以及在不同网络之间传输数据，即路由器的路由功能，这些功能在现代网络中属于基础的部分。由此可见，路由器的主要功能是判断网络地址和选择IP路径，在各种复杂的网络环境中建立连接和传输数据。路由器属于一种网络层的设备，只接受源站或其他路由器的信息，属于网络层设备，它不关心子网使用的硬件设备，但它的软件需要与网络层协议一致。除此之外，路由器还有另外一些重要的功能，如协议转换，路由器可以对网络层及以下各层的协议进行转换来可以支持更复杂的网络环境。同时还需要有流量控制，路由器中需要有容量较大的缓冲区，控制收发双方的数据流量，减少丢包率，提升稳定性；以及分段和重新组装功能，当多个网络互相连接时，每个网络使用的分组大小可以不一致，这是需要路由器进行重新分配组装这些数据包，由于现在网络布局复杂，对具有这种功能的路由器需求量较大；网络管理功能，使得路由器可以连接各种不同类型的网络，网络之间的信息流都要通过路由器，可以用路由器来监控管理网络中的数据流和设备工作状态[1]。

路由器是互联网的在各个节点上的主要设备。路由器通过对传入的包进行分析，按照特定的路由表，对这些传入的数据向指定的目标转发。转发的策略也称为路由，这也是路由器名字的由来。路由器是连接各种网络的枢纽，它基于TCP/IP协议，是现代互联网中十分关键的一部分，它最主要的性能指标就是转发速度，同时，转发数据的可靠性也十分重要，这两点直接影响着它所连接网络的传输速度和数据传输质量。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。在当前我国网络基础建设和信息建设方兴未艾之际，探讨路由器在互连网络中的作用、地位及其发展方向，对于国内的网络技术研究、网络建设，以及明确网络市场上对于路由器和网络互连的各种似是而非的概念，都有重要的意义[2]。

近年来，路由器也出现了许多新的发展，交换路由器就是一种新的产品，将交换机与路由器的原理进行结合，使得数据传输更有效。类似的还有很多，在下文中，会首先对路由器的发展历史进行介绍，然后阐述当前通用的路由器设计及其核心部件工作原理，最后会对路由器将来的发展方向做简要说明。

二．历史技术背景

TCP/IP是20世纪70年代中期从美国国防部ARPANET技术发展起来的。TCP/IP协议是Internet最基本的协议、Internet国际互联网络的基础，由网络层的IP协议和传输层的TCP协议组成。TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了4层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。通俗而言：TCP负责发现传输的问题，有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而IP是给因特网的每一台电脑规定一个地址[3]。

在最开始，IP网络并不大，现在意义上的路由器还没有出现，其功能一般是使用一台

计算机插多块网卡的方式来实现，这属于第一代路由器，但还不是真正意义上的路由器。

随着对网络的速度要求越来越高，普通的第一代路由器已经不能满足这些需求，因此在网卡上进行了处理，将路由表信息直接写入网卡的缓存中，进一步提高了处理速度。不仅仅依赖于电脑，而通过增强网卡的方式来提高性能，这是第二代路由器的特征。

由于网络发展迅速，传统的增强网卡的方式也变得日渐乏力。为了提高传输速度，需要设计专门的路由器。在实现中，采用了路由与转发分离的技术，一部分专门负责收集，管理，计算数据包的路由，另一部分负责对这些数据包进行转发。这是第三代路由器。

在90年代，传统的基于软件的路由器已经无法承受指数级增长的核心网络，于是出现了第四代路由器，第四代路由器将许多处理流程改为由硬件方式实现，与软件实现相比大大增强了性能，同时在交换网上采用了共享内存的方式解决了内部交换的问题，对于高端的路由器，性能可以达到GB级别。

在现在，存在IPv4地址缺乏，IP业务服务质量差，IP安全性问题等变得愈发严重，许多新技术，如VPN，IP-QoS，流量工程等新技术的出现，第四代路由器的缺点也开始逐步暴露。如对各种协议的支持不够灵活，业务提供周期长等缺陷变得很突出，不能满足运营商的需求，需要在路由器原有结构上进行一些突破。

三．通用路由器结构分析

目前通用的路由器结构图如下图所示，分为管理模块，输入模块，输出模块。

路由器的功能主要分为两个方面，一方面是选路功能，即路由器接受到的包到底要发到哪个目的地，另外一个功能是控制功能，对于路由器系统的管理，与相邻路由器的路由表交换等。选路功能则是路由器的核心功能

选路功能具体包括：

1.转发决策，当一个报文到达路由器是，需要对其中的信息进行解析，根据它的目的

地址查询路由表，并根据查询到的结果，将下一跳的地址写入报文，重新生成报文

头部。查询和更新存储在转发引擎中的路由表在网络较复杂时资源消耗严重，因此

需要特别对这点进行优化。

2.背板转发，在完成转发决策后，报文通过背板传入输出端口。在报文交给背板的时

候，可能由于网络拥堵，报文需要等待，在拥堵十分严重时，报文可能被丢弃或者

被其他具有高优先级的报文替换。因此在网络拥塞的情况下，背板的报文传输调度

算法十分重要。

3.输出链路调度，在报文到达输出口的时候，还需要再进行一次排队，大多数路由器

采用了先进先出的方法，但在一些特殊的情况下，需要对不同的报文分配不同的优

先级，优先发送高优先级的报文，同时根据流量使用情况对不同的报文发送情况进

行调整，来满足QoS需求。

在路由器选路功能的几个部分中，背板是其核心的设备。在最初的路由器设计中，通常由接口卡负责发送报文，接着传送到转发引擎，转发引擎查询路由表并更新报文，并将结果返回接口卡，接口卡再传输到对应的输出接口，随着网络处理器的发展，从转发引擎到接口卡的过程变得愈发重要，通常有三种方式实现，共享内存，共享总线和矩阵式交换。前两者局限性较大，共享内存方式较为简单，速率也较高，但是它的速率受到内存速率的影响，以后会遇到的瓶颈较大；共享总线也是之前使用的最多的方法，易于扩展，容易实现，但由于硬件设计问题，路由功能通常由软件实现，与硬件效率相比有较大损失，另外，同一时刻只能有一个数据包在两个接口卡之间在共享总线上传输，限制了吞吐量；矩阵式交换相对于前两者局限性要小很多。

因此，通过一种交叉开关的方式来取代共享总线，可以同时传输多个数据包。同时，还可以在接口卡上使用硬件的转发引擎来取代原来的由CPU执行的方式。交换式背板的另外一点好处就是因为高速总线很难设计，总线上的各种干扰都极大的限制了传输能力。原有的共享总线方式实现的20Gbps的贷款已经无法满足网络需求。而基于交叉开关的设计则可以更好的扩展性能，节省了大量的存储器，在这种设计方式中，数据从交叉开关流向输出接口，由于使用了交叉开关结构，数据包可以通过不同的线路进行传送，极大提高了系统吞吐量。

目前已有采用纵横制交换器的交换式背板、三维交换矩阵结构的交换式背板和基于光纤的分布交换矩阵等，其中最大的分布交换矩阵能提供上百太比特的容量。而且随着技术的发展，速率还可以进一步提高。交换式背板的核心是交叉开关，交互式背板的高性能也正源于此。主要有三个原因：从线卡到交换阵列的链接是简单的点到点链路，速率传输数据高，尤其是近年来半导体工艺的飞速发展，使得芯片与芯片间的串行连接速度可以达到10Gbps；可以支持多条总线同时传输数据。交叉开关通过同时闭合多个交叉点，多个端口间就可以同时传输数据，一个无阻塞的交叉开关可以使所有输入端口与输出端口间同时传输数据；可以用多个交叉开关并行操作来提高整个系统的带宽。[4]

在交换式背板的设计中，一般需要注意的问题有几个，如数据包传输长度，包的调度算法等。这些问题通常会导致交换式背板的效率降低，另一方面，根据实际环境的不同，各种算法是否能最好的满足需求也需要考证，因此，对这些问题需要根据网络环境决定，通用算法应当考虑最为常见的网络情况。

四．路由器技术发展趋势

新一代路由器主要对这几个方面有需求：计算和处理能力，数据传输的稳定性，可靠性，安全性等。随着新技术的涌现，如IPv6，光通信等变得越来越主流，新的路由器产品一方面需要支持这些新的协议，新的硬件，并且要达到安全性要求。在硬件体系结果上，除了一些的体系机构的更新，对于一些特殊的内容，也需要采取一些软件层面的算法优化，如各种拥塞调度算法等，来保证网络的质量。

路由器的发展趋势主要有以下几个方面：[5]

1.分布式大容量矩阵式交换网结构

2.采用网络处理器技术实现IP报文处理和转发

3.硬件查找路由表

4.支持MPLS