路由原理与技术第3章路由器硬件结构与路由查询算法要点
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其基本思想是去掉没有分支的节点，所谓没有分支的节点是指
一个几点不同时有左子节点和右子节点，同时该节点也不是有
效节点。
由于去掉了一些节点，某些比特将被忽略，所以节点要维护一
个变量，用于维持下一个要检查的比特位。
0
1
A
0 1 0
B
1
D
0
A B C D E
0* 1* 001* 10* 110*
10101010 11110000 00000000 00000000 10110000 00000010 00000000 00000000 10111011 00001010 00000000 00000000
011
1010 10110 10111 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1
例 ： 假 如 目 标 地 址 是 ： 10111011 10100000 00000000 00000001 若仅查二叉树，则出现错误！
3.2 路由器硬件体系结构的类型
3.3 路由查询算法
影响IP网络性能的关键因素
链路速度 路由器的吞吐量 包转发速率 对路由变化的快速适应性
解决方案
采用光纤等技术提高链路速度
在路由器中采用大容量的交换结构以提高吞吐量
采用高效的路由查询算法和硬件路由查询方案提高包转
配置文件并不能执行自身所定义的路由器操作的各个功能。实际执行
这些操作的是路由器操作系统IOS。IOS负责翻译并执行配置文件中的 语句。
配置文件中的语句以无格式文本形式存储，其内容可以在路由器的控
制台终端或远程虚拟终端上显示、修改或删除，也可以通过TFTP服务 器上传或下载。
配置文件
有两种类型的配置文件：
线缆（CABle）
路由器软件组成
1．路由器操作系统 2．配置文件 3．实用管理程序
路由器操作系统
路由器操作系统
路由器之所以可以连接不同类型的网络并对报文进行路由，除了必备
的硬件条件外，更主要的还是因为每个路由器都有一个核心操作系统 来统一调度路由器各部分的运行。
大 部 分 Cisco 路 由 器 使 用 的 是 Cisco 网 络 互 连 操 作 系 统
发速率（路由查询）
优化各种动态路由协议
为什么是最长前缀匹配而不是精确匹配
CIDR等机制的引入：IP地址是无类别的，从IP地址不能
判断出其网络前缀长度；IPv6单播地址也是无类别的。
最长前缀匹配给路由查询带来很大的困难，因为不仅要考
虑前缀的值，还要考虑前缀的长度。
传统的关键字查找算法不能直接用于路由查询。 W. Doeringer, G. Karjoth, and M. Nassehi, “Routing on
longest matching prefixes,” IEEE/ACM Trans. Networking,
vol. 4, pp. 86–97, Feb. 1996.
路由查询算法分类
按照采用的数据结构和实现方式，大致可以分为：
基于检索树（Trie）查找
基于硬件TCAM查找 分段查找 哈希表查找 Cache命中查找等。
路由器的硬件组成
只读存储器（Read Only Memory，ROM）
ROM中包括开机自检程序（Power On Self Test，POST）、系统引导程序以及 路由器操作系统（IOS）的精简版本。
随机存储器（Random Access Memory，RAM）
RAM用来存储用户的数据包队列以及路由器在运行过程中产生的中间数据，如 路由表、ARP缓冲区等。 RAM还用来存储路由器的运行配置文件。
交换结构——连接输入输出部分和数据转发引擎，提供高速数据通道。
总线结构（适于单个网络接口） 、Cross-bar（交叉开关）结构（适于多个 网络接口） 影响路由器吞吐量的关键因素
路由计算部分——根据网络拓扑选择路由协议，计算出路由表
路由器的硬件组成
中央处理单元（Central Processor Unit，CPU）
CPU
CPU
CPU
线 卡 接口卡
内存
线 卡 接口卡
内存
...
线 卡 接口卡
内存
...
...
接口卡
接口卡
...
接口卡
特点
• 路由计算和转发分离：主控CPU负责整个系统的控制管理
和路由计算（即运行路由协议，维护和更新路由表）；线 卡上的CPU负责查询路由表，对数据进行转发。
• 部分地克服了总线瓶颈，即如果数据的接收和发送都在一
按照路由查询的依据，可以分为：
基于路由前缀值的查找 基于路由前缀长度的查找
路由查询算法评价标准
时间复杂度（查找速度） 空间复杂度（占用的存储空间） 更新复杂度（增加、删除、变更路由表条目时，路
由表的更新速度）
可扩展性
注意，上述复杂度一般是指最坏情况下的复杂度。
基本的二叉检索树（Trie）
供用户对路由器进行配置使用。
不同的路由器可能有着不同形式的控制台端口，如RS-232异步串行接口， DB25母线连接器，更常见的是RJ-45控制台连接器。
辅助端口（AUXiliary Port）
用来连接调制解调器以实现对路由器的远程管理。
接口（INTerface）
数据包进出路由器的通道。 不同路由器可能有着不同种类、不同数量的接口。常见的两种基本接口类型 为局域网和广域网接口。每个接口都有自己的名称和编号。
个线卡上，就不用争用总线；若数据的接收和发送涉及不
同的线卡，还是会出现总线争用问题。
分布式多CPU+Crossbar结构
主控 CPU
内存
交叉开关
CPU
CPU
CPU
线 卡 接口卡
内存
线 卡 接口卡
内存
...
线 卡 接口卡
内存
...
...
接口卡
接口卡
...
接口卡
特点
• 路由计算和转发分离。
• 采用Crossbar的交换结构（Switch Fabric），每个输入端
只读存储器（Read Only Memory，ROM） 随机存储器（Random Access Memory，RAM） 闪存（FLASH Memory）
控制台端口（CONsole Port）
辅助端口（AUXiliary Port） 接口（INTerface） 线缆（CABle）
（Internetworking Operating System， IOS）。IOS配置通常是通过 基于文本的命令行接口（Command Line Interface，CLI）进行的。
配置文件
配置文件
它是路由器的第二个主要的软件组成部分。该文件是由路由器管理员
所创建的文本文件。在每次路由器启动过程的最后阶段，配置文件中 每条语句被IOS执行以完成对应的功能。如配置接口IP地址信息、路 由协议参数等。这样，当路由器每次断电或重新启动时，网络管理人 员不必对路由器的各种参数重新进行配置。
第三章 路由器的硬件结构与路 由查询算法
本章提纲
3.1 路由器的软硬件组成
3.2 路由器硬件体系结构的类型
3.3 路由查询算法
目标
了解路由器的硬件组成及各部分功能
了解路由器硬件体系结构的类型
掌握基本的路由查询算法
本章提纲
3.1 路由器的软硬件组成
3.2 路由器硬件体系结构的类型
3Biblioteka Baidu3 路由查询算法
路由器的基本组成
输入输出部分——路由器上的网卡，工作在子网层（物理层和数据链路层），
完成数据包的收发 速度从10Mbps到几十Gbps甚至更高 单个网络接口的网卡发展到集成多个网络接口的网卡
数据转发引擎——完成路由查询，确定转发目的端口
是路由器数据转发速率的决定性因素
非易失性随机存储器（Nonvolatile RAM，NVRAM）
路由器的硬件组成
中央处理单元（Central Processor Unit，CPU）
作为路由器的中枢，CPU主要负责执行路由器操作系统（IOS）的指令，以及解 释、执行用户输入的命令。 CPU还完成与计算有关的工作。例如，网络拓扑发生改变时，重新计算网络拓 扑数据库。
实用管理程序
Fast Step——安装软件。使非技术用户可以非常轻松地迅速安装一
个Cisco路由器。
Cisco ConfigMaker——路由器配置工具。用ConfigMaker可以创建
所有Cisco路由器的配置，做好配置后通过网络传到路由器中。如 果网络尚未开通运行，可以从运行ConfigMaker的计算机通过控制 端口和路由器相连，并将配置导入到路由器。
0
181.12.0.0，255.255.0.0
前缀 128.10.0.0/16 128.10.2.0/24 128.10.3.0/24 128.10.4.0/24 128.10.4.3/32
下一跳 10.0.0.2 10.0.0.4 10.1.0.5 10.0.0.6 10.0.0.3 5个0 128.10.0.0/16 0 1 1 0 1 0 10 128
128.10.5.0/24
128.10.5.7/32
10.0.0.6
10.0.0.3
问题：路由表中含有同一 网络的一般路由和具体 路由。
0
1 3 7
128.10.4.0/24 128.10.4.3/32
31
路径压缩Trie
该算法是对基本二叉检索树的改进，最早起源于Patricia算法，
后来Sklower对Patricia算法做了改进，使之可以用于路由查询。
32比特地址（目标项） 00110101 00000000 00000000 00000000 01000110 00000000 00000000 00000000 01010110 00000000 00000000 00000000
唯一前缀 00 0100 0101
01100001 00000000 00000000 00000000
3.3 路由查询算法
集中式单（多）CPU+总线结构
CPU 内存
网络 接口 卡
网络 接口 卡
...
网络 接口 卡
缺陷
• CPU要负责整体系统的控制管理、路由计算和数据转发等
各项功能，存在计算瓶颈。
• 所有接口卡的数据都要争用总线，存在数据交换瓶颈。
分布式多CPU+总线结构
主控 CPU 内存
启动配置文件：也称为备份配置文件，被保存在NVRAM中，并在
路由器每次初始化时加载到RAM中变成运行配置文件。
运行配置文件：也称为活动配置文件，驻留在RAM中。当路由器的
命令行接口对路由器进行配置时，配置命令被实时添加到路由器的 运行配置文件中并被立即执行。
但是，这些新添加的配置命令不会被自动保存到NVRAM中。因此，通常对路由器进 行重新配置或修改后，应该将当前的运行配置保存到NVRAM中变成启动配置文件。
闪存（FLASH Memory） 非易失性随机存储器（Nonvolatile RAM，NVRAM）
Flash是可擦写、可编程的ROM。它主要负责保存操作系统的映像文件。
用来存储路由器的启动配置文件。在路由器断电时，其内容仍能保持。
路由器的硬件组成
控制台端口（CONsole Port）
口和输出端口之间都有一个交叉开关，只要数据流彼此不
相关，就可以实现无阻塞的交换，解决了总线争用问题。
• 基本上解决了路由器吞吐量的问题。 • 交叉开关的设计和调度算法是研究的重点和难点。
路由器硬件体系结构发展总结
共享总线→ 交叉开关 路由计算与转发分离
本章提纲
3.1 路由器的软硬件组成
Cisco Works —— 网络管理软件。拥有思科全套产品的数据库，能
调出各种产品的直观视图，并深入到每个物理端口去查询状态信息。 其功能具体包括：自动发现网络拓扑结构和设备；生成和修改网络 设备配置参数；网络状态监控；设备视图管理
本章提纲
3.1 路由器的软硬件组成
3.2 路由器硬件体系结构的类型
① 根据唯一前缀原则把路由表组织成一棵二叉树 问题：使用二叉树仅为每个路由存储唯一前缀，而没 有覆盖路由的整个网络部分。 为了确保选路正确，应保证整个网络前缀与路由匹配 才转发数据报。 ② 为保证正确选路，外部节点必须完全匹配 (需在 外部节点增加网络地址和地址掩码) 问题：若包含了子网路由和特定主机路由，则内节点 也有可能标识了路由。此时的策略如何？ ③ 最长匹配选路策略:相关内节点也包含地址/掩码 对，并且按最长匹配选路 。
一个几点不同时有左子节点和右子节点，同时该节点也不是有
效节点。
由于去掉了一些节点，某些比特将被忽略，所以节点要维护一
个变量，用于维持下一个要检查的比特位。
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A
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011
1010 10110 10111 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1
例 ： 假 如 目 标 地 址 是 ： 10111011 10100000 00000000 00000001 若仅查二叉树，则出现错误！
3.2 路由器硬件体系结构的类型
3.3 路由查询算法
影响IP网络性能的关键因素
链路速度 路由器的吞吐量 包转发速率 对路由变化的快速适应性
解决方案
采用光纤等技术提高链路速度
在路由器中采用大容量的交换结构以提高吞吐量
采用高效的路由查询算法和硬件路由查询方案提高包转
配置文件并不能执行自身所定义的路由器操作的各个功能。实际执行
这些操作的是路由器操作系统IOS。IOS负责翻译并执行配置文件中的 语句。
配置文件中的语句以无格式文本形式存储，其内容可以在路由器的控
制台终端或远程虚拟终端上显示、修改或删除，也可以通过TFTP服务 器上传或下载。
配置文件
有两种类型的配置文件：
线缆（CABle）
路由器软件组成
1．路由器操作系统 2．配置文件 3．实用管理程序
路由器操作系统
路由器操作系统
路由器之所以可以连接不同类型的网络并对报文进行路由，除了必备
的硬件条件外，更主要的还是因为每个路由器都有一个核心操作系统 来统一调度路由器各部分的运行。
大 部 分 Cisco 路 由 器 使 用 的 是 Cisco 网 络 互 连 操 作 系 统
发速率（路由查询）
优化各种动态路由协议
为什么是最长前缀匹配而不是精确匹配
CIDR等机制的引入：IP地址是无类别的，从IP地址不能
判断出其网络前缀长度；IPv6单播地址也是无类别的。
最长前缀匹配给路由查询带来很大的困难，因为不仅要考
虑前缀的值，还要考虑前缀的长度。
传统的关键字查找算法不能直接用于路由查询。 W. Doeringer, G. Karjoth, and M. Nassehi, “Routing on
longest matching prefixes,” IEEE/ACM Trans. Networking,
vol. 4, pp. 86–97, Feb. 1996.
路由查询算法分类
按照采用的数据结构和实现方式，大致可以分为：
基于检索树（Trie）查找
基于硬件TCAM查找 分段查找 哈希表查找 Cache命中查找等。
路由器的硬件组成
只读存储器（Read Only Memory，ROM）
ROM中包括开机自检程序（Power On Self Test，POST）、系统引导程序以及 路由器操作系统（IOS）的精简版本。
随机存储器（Random Access Memory，RAM）
RAM用来存储用户的数据包队列以及路由器在运行过程中产生的中间数据，如 路由表、ARP缓冲区等。 RAM还用来存储路由器的运行配置文件。
交换结构——连接输入输出部分和数据转发引擎，提供高速数据通道。
总线结构（适于单个网络接口） 、Cross-bar（交叉开关）结构（适于多个 网络接口） 影响路由器吞吐量的关键因素
路由计算部分——根据网络拓扑选择路由协议，计算出路由表
路由器的硬件组成
中央处理单元（Central Processor Unit，CPU）
CPU
CPU
CPU
线 卡 接口卡
内存
线 卡 接口卡
内存
...
线 卡 接口卡
内存
...
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接口卡
接口卡
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接口卡
特点
• 路由计算和转发分离：主控CPU负责整个系统的控制管理
和路由计算（即运行路由协议，维护和更新路由表）；线 卡上的CPU负责查询路由表，对数据进行转发。
• 部分地克服了总线瓶颈，即如果数据的接收和发送都在一
按照路由查询的依据，可以分为：
基于路由前缀值的查找 基于路由前缀长度的查找
路由查询算法评价标准
时间复杂度（查找速度） 空间复杂度（占用的存储空间） 更新复杂度（增加、删除、变更路由表条目时，路
由表的更新速度）
可扩展性
注意，上述复杂度一般是指最坏情况下的复杂度。
基本的二叉检索树（Trie）
供用户对路由器进行配置使用。
不同的路由器可能有着不同形式的控制台端口，如RS-232异步串行接口， DB25母线连接器，更常见的是RJ-45控制台连接器。
辅助端口（AUXiliary Port）
用来连接调制解调器以实现对路由器的远程管理。
接口（INTerface）
数据包进出路由器的通道。 不同路由器可能有着不同种类、不同数量的接口。常见的两种基本接口类型 为局域网和广域网接口。每个接口都有自己的名称和编号。
个线卡上，就不用争用总线；若数据的接收和发送涉及不
同的线卡，还是会出现总线争用问题。
分布式多CPU+Crossbar结构
主控 CPU
内存
交叉开关
CPU
CPU
CPU
线 卡 接口卡
内存
线 卡 接口卡
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线 卡 接口卡
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接口卡
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接口卡
特点
• 路由计算和转发分离。
• 采用Crossbar的交换结构（Switch Fabric），每个输入端
只读存储器（Read Only Memory，ROM） 随机存储器（Random Access Memory，RAM） 闪存（FLASH Memory）
控制台端口（CONsole Port）
辅助端口（AUXiliary Port） 接口（INTerface） 线缆（CABle）
（Internetworking Operating System， IOS）。IOS配置通常是通过 基于文本的命令行接口（Command Line Interface，CLI）进行的。
配置文件
配置文件
它是路由器的第二个主要的软件组成部分。该文件是由路由器管理员
所创建的文本文件。在每次路由器启动过程的最后阶段，配置文件中 每条语句被IOS执行以完成对应的功能。如配置接口IP地址信息、路 由协议参数等。这样，当路由器每次断电或重新启动时，网络管理人 员不必对路由器的各种参数重新进行配置。
第三章 路由器的硬件结构与路 由查询算法
本章提纲
3.1 路由器的软硬件组成
3.2 路由器硬件体系结构的类型
3.3 路由查询算法
目标
了解路由器的硬件组成及各部分功能
了解路由器硬件体系结构的类型
掌握基本的路由查询算法
本章提纲
3.1 路由器的软硬件组成
3.2 路由器硬件体系结构的类型
3Biblioteka Baidu3 路由查询算法
路由器的基本组成
输入输出部分——路由器上的网卡，工作在子网层（物理层和数据链路层），
完成数据包的收发 速度从10Mbps到几十Gbps甚至更高 单个网络接口的网卡发展到集成多个网络接口的网卡
数据转发引擎——完成路由查询，确定转发目的端口
是路由器数据转发速率的决定性因素
非易失性随机存储器（Nonvolatile RAM，NVRAM）
路由器的硬件组成
中央处理单元（Central Processor Unit，CPU）
作为路由器的中枢，CPU主要负责执行路由器操作系统（IOS）的指令，以及解 释、执行用户输入的命令。 CPU还完成与计算有关的工作。例如，网络拓扑发生改变时，重新计算网络拓 扑数据库。
实用管理程序
Fast Step——安装软件。使非技术用户可以非常轻松地迅速安装一
个Cisco路由器。
Cisco ConfigMaker——路由器配置工具。用ConfigMaker可以创建
所有Cisco路由器的配置，做好配置后通过网络传到路由器中。如 果网络尚未开通运行，可以从运行ConfigMaker的计算机通过控制 端口和路由器相连，并将配置导入到路由器。
0
181.12.0.0，255.255.0.0
前缀 128.10.0.0/16 128.10.2.0/24 128.10.3.0/24 128.10.4.0/24 128.10.4.3/32
下一跳 10.0.0.2 10.0.0.4 10.1.0.5 10.0.0.6 10.0.0.3 5个0 128.10.0.0/16 0 1 1 0 1 0 10 128
128.10.5.0/24
128.10.5.7/32
10.0.0.6
10.0.0.3
问题：路由表中含有同一 网络的一般路由和具体 路由。
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128.10.4.0/24 128.10.4.3/32
31
路径压缩Trie
该算法是对基本二叉检索树的改进，最早起源于Patricia算法，
后来Sklower对Patricia算法做了改进，使之可以用于路由查询。
32比特地址（目标项） 00110101 00000000 00000000 00000000 01000110 00000000 00000000 00000000 01010110 00000000 00000000 00000000
唯一前缀 00 0100 0101
01100001 00000000 00000000 00000000
3.3 路由查询算法
集中式单（多）CPU+总线结构
CPU 内存
网络 接口 卡
网络 接口 卡
...
网络 接口 卡
缺陷
• CPU要负责整体系统的控制管理、路由计算和数据转发等
各项功能，存在计算瓶颈。
• 所有接口卡的数据都要争用总线，存在数据交换瓶颈。
分布式多CPU+总线结构
主控 CPU 内存
启动配置文件：也称为备份配置文件，被保存在NVRAM中，并在
路由器每次初始化时加载到RAM中变成运行配置文件。
运行配置文件：也称为活动配置文件，驻留在RAM中。当路由器的
命令行接口对路由器进行配置时，配置命令被实时添加到路由器的 运行配置文件中并被立即执行。
但是，这些新添加的配置命令不会被自动保存到NVRAM中。因此，通常对路由器进 行重新配置或修改后，应该将当前的运行配置保存到NVRAM中变成启动配置文件。
闪存（FLASH Memory） 非易失性随机存储器（Nonvolatile RAM，NVRAM）
Flash是可擦写、可编程的ROM。它主要负责保存操作系统的映像文件。
用来存储路由器的启动配置文件。在路由器断电时，其内容仍能保持。
路由器的硬件组成
控制台端口（CONsole Port）
口和输出端口之间都有一个交叉开关，只要数据流彼此不
相关，就可以实现无阻塞的交换，解决了总线争用问题。
• 基本上解决了路由器吞吐量的问题。 • 交叉开关的设计和调度算法是研究的重点和难点。
路由器硬件体系结构发展总结
共享总线→ 交叉开关 路由计算与转发分离
本章提纲
3.1 路由器的软硬件组成
Cisco Works —— 网络管理软件。拥有思科全套产品的数据库，能
调出各种产品的直观视图，并深入到每个物理端口去查询状态信息。 其功能具体包括：自动发现网络拓扑结构和设备；生成和修改网络 设备配置参数；网络状态监控；设备视图管理
本章提纲
3.1 路由器的软硬件组成
3.2 路由器硬件体系结构的类型
① 根据唯一前缀原则把路由表组织成一棵二叉树 问题：使用二叉树仅为每个路由存储唯一前缀，而没 有覆盖路由的整个网络部分。 为了确保选路正确，应保证整个网络前缀与路由匹配 才转发数据报。 ② 为保证正确选路，外部节点必须完全匹配 (需在 外部节点增加网络地址和地址掩码) 问题：若包含了子网路由和特定主机路由，则内节点 也有可能标识了路由。此时的策略如何？ ③ 最长匹配选路策略:相关内节点也包含地址/掩码 对，并且按最长匹配选路 。