路由器的硬件与实现

IOS，当出现问题时可迅速退回到旧版操作系统，从而
避免长时间的网路故障。
2、Router的硬件结构—Memory
（3）、非易失性RAM(NVRAM)
非易失性RAM(Nonvolatile RAM)是可读可写的 存储器，在系统重新启动或关机之后仍能保存数据。 由于NVRAM仅用于保存启动配置文件（StartupConfig），故其容量较小，通常在路由器上只配置
4.3、路由器的硬件结构
2600系列
3600系列
1.Router的硬件结构--CPU
中央处理器
不同系列和型号的路由器，其中的CPU也不 尽相同。Cisco路由器一般采用Motorola 68030 和Orion/R4600两种处理器。
路由器的CPU负责路由器的配置管理和数据
包的转发工作，如：维护路由器所需的各种表格 以及路由运算等。路由器对数据包的处理速度很
CPU RAM
CPU
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。
CPU RAM
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物理接口
物理接口
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， 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， 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。
后者称为RAM运行设备（Run from RAM）。
3、路由器的加电启动过程
（1）系统硬件加电自检。运行ROM中的硬件检测程序，检 测各组件能否正常工作。完成硬件检测后，开始软件初 始化工作。 （2）软件初始化过程。运行ROM中的BootStrap程序，进 行初步引导工作。 （3）寻找并载入IOS系统文件。IOS系统文件可以存放在多 处，至于到底采用哪一个IOS，是通过命令设置指定的。 （4）IOS装载完毕，系统在NVRAM中搜索保存的StartupConfig文件，进行系统的配置。如果NVRAM中存在 Startup-Config文件，则将该文件调入RAM中并逐条执 行。否则，系统进入Setup模式，进行路由器初始配置。
2、Router的硬件结构—Memory
（2）、闪存（Flash）
闪存（Flash）是可读可写的存储器，在系统重新 启动或关机之后仍能保存数据。Flash中存放着当前使
用中的IOS。事实上，如果Flash容量足够大，甚至可
以存放多个操作系统，这在进行IOS升级时十分有用。 当不知道新版IOS是否稳定时，可在升级后仍保留旧版
32KB~128KB大小的NVRAM。同时，NVRAM的速
度较快，成本也比较高。
2、Router的硬件结构—Memory
（4）、随机存储器(RAM)
RAM也是可读可写的存储器，但它存储的内容在系
统重启或关机后将被清除，存取速度优于前面所提到的 3种内存的存取速度。和计算机中的RAM一样，Cisco 路由器中的RAM也是运行期间暂时存放操作系统和数据 的存储器。 运行期间，RAM中包含路由表项目、ARP缓冲项目、 日志项目和队列中排队等待发送的分组。除此之外，还 包括运行配置文件（Running-config）、正在执行的代 码、IOS操作系统程序和一些临时数据信息。
6、Router的硬件结构--Interface
（1）接口 所有路由器都有接口（Interface），每个接口都有
自己的名字和编号。一个接口的全名称由它的类型标志
与数字编号构成，编号自“ 0 ”开始。 （A）对于接口固定的路由器（如Cisco 2500系列） 或采用模块化接口的路由器（如Cisco 4700系列），在 接口的全名称中，只采用一个数字，并根据它们在路由
器的物理顺序进行编号，例如：Ethernet0表示第1个以
太网接口，Serial1表示第2来自百度文库串口。
6、Router的硬件结构--Interface
（B）对于支持“在线插拔和删除”或具有动态更改物 理接口配置的路由器，其接口全名称中至少包含两个数
字，中间用斜杠“/”分割。其中，第1个数字代表插槽编
号，第2个数字代表接口卡内的端口编号。如：Cisco 3600路由器中，serial3/0代表位于3号插槽上的第1个串 口。 （C）对于支持“万用接口处理器（VIP）”的路由器， 其接口编号形式为“插槽/端口适配器/端口号”，如： Cisco 7500系列路由器中，Ethernet4/0/1是指4号插槽 上第1个端口适配器的第2个以太网接口。
第六代 交叉开关/交换式体系结构路由器
与共享存储器设计方案相比，基于交叉开关的设计有 更好的可扩展性，并且省去了控制大量存储模块的复杂性 和成本。
数据直接从输入端经过交叉开关流向输出端。它采用交 叉开关结构替代共享总线，这样就允许多个 数据包同时通 过不同的线路进行传送，从而极大地提高了系统的吞吐量， 使得系统性能 得到了显著提高。
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
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。
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。
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 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。
ROUTER基本组成
• （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。
• 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 高带宽，必须增大存储器的带宽，并采用较多存 储模块。 显然，当规模较小时，这类结构还比较容易 实现，但当系统升级扩展时，设备所需要的连线 将会大量增加，控制也会变得越来越复杂。这种 结构不适应向更高水平发展。
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
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。 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。
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。
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；
2、Router的硬件结构—Memory
路由器的类型不同，IOS代码的读取方式也 不同。如Cisco 2500系列路由器只在需要时才从 Flash中读入部分IOS；而Cisco 4000系列路由 器整个IOS必须先全部装入RAM才能运行。因此，
前者称为Flash运行设备（Run from Flash），
大程度上取决于CPU的类型和性能。
2、Router的硬件结构—Memory
路由器采用了不同类型的内存协助路由器工作。
（1）、只读内存（ROM）
只读内存（ROM）与计算机中的ROM相似，主要用于 系统初始化等功能。ROM中主要包含： 系统加电自检代码（POST），用于检测路由器中 各硬件部分是否完好。 系统引导区代码（BootStrap），用于启动路由器 并载入IOS操作系统。 备份的IOS操作系统，以便在原有IOS操作系统被 删除或破坏时使用。通常，这个IOS比现运行IOS的版 本低一些，但却足以使路由器启动和工作。
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。
系统的最终交换带宽仅取决于中央交叉阵列和各 模块的能力，而不是取决于互连线自身。就目前来 看，这种方案是高速核心路由器的最佳方案。
基于机群系统的路由器
这种基于机群系统的路由器方案目前仍处于研究阶段， 如纽约州立大学石溪分校的suez系统，采用了由myrinet连 接的8台pentiumii／233构成路由器。原理上这种结构的系 统具有更强的可扩展能力（如扩展到太位级）和更高的性 能价格比，但现在仍存在很多问题。