路由器的概念、功能及發(fā)展趨勢(shì)


【簡(jiǎn) 介】
近年來(lái)，路由器的發(fā)展有起有伏。20世紀(jì)90年代中期，傳統(tǒng)路由器成為制約因特網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，被ATM交換機(jī)取而代之，成為IP骨干網(wǎng)的核心，路由器變成了配角。進(jìn)入90年代末期，Internet規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，流量每半年翻一番，ATM網(wǎng)又成為瓶頸，路由器東山再起。Gbps路由交換機(jī)在1997年面世后，人們又開始以Gbps路由交換機(jī)取代ATM交換機(jī)，架構(gòu)以路由器為核心的骨干網(wǎng)。


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　　近年來(lái)，路由器的發(fā)展有起有伏。20世紀(jì)90年代中期，傳統(tǒng)路由器成為制約因特網(wǎng)發(fā)展的瓶頸，被ATM交換機(jī)取而代之，成為IP骨干網(wǎng)的核心，路由器變成了配角。進(jìn)入90年代末期，Internet規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，流量每半年翻一番，ATM網(wǎng)又成為瓶頸，路由器東山再起。Gbps路由交換機(jī)在1997年面世后，人們又開始以Gbps路由交換機(jī)取代ATM交換機(jī)，架構(gòu)以路由器為核心的骨干網(wǎng)?！　?/p>

　　作為核心設(shè)備，路由器在IP網(wǎng)上處于至關(guān)重要的位置。隨著因特網(wǎng)應(yīng)用的普及，網(wǎng)絡(luò)帶寬的迅速增加，用戶對(duì)服務(wù)質(zhì)量要求的提高，路由器的未來(lái)也面臨著新的變革。 　　

　　路由器的概念 　　

　　路由器是一種連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它能將不同網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行“翻譯”，以使它們能夠相互“讀”懂對(duì)方的數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)。 　　

　　路由器有兩大典型功能，即數(shù)據(jù)通道功能和控制功能。數(shù)據(jù)通道功能包括轉(zhuǎn)發(fā)決定、轉(zhuǎn)發(fā)以及輸出數(shù)據(jù)鏈路調(diào)度等，一般由硬件來(lái)完成；控制功能一般用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括與相鄰路由器之間的信息交換、系統(tǒng)配置、系統(tǒng)管理等?！?/p>

　　路由器基本功能介紹 　　

　　傳統(tǒng)上，路由器工作于所謂網(wǎng)絡(luò)7層協(xié)議模型中的第3層，其主要任務(wù)是接收來(lái)自一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)包，根據(jù)其中所含的目的地址，決定轉(zhuǎn)發(fā)到哪個(gè)目的地，可能是路由器也可能就是最終目的點(diǎn)，并決定從哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。這是路由器的最基本功能——數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)功能?！　?/p>

　　根據(jù)TCP/IP協(xié)議，路由器的數(shù)據(jù)包具體轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程是：

　　1.網(wǎng)絡(luò)接口接收數(shù)據(jù)包的不同的物理網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，決定了不同的網(wǎng)絡(luò)接口，如對(duì)應(yīng)于10Base-T以太網(wǎng)，路由器有10Base-T以太網(wǎng)接口；對(duì)應(yīng)于DDN，路由器有V.35接口。 　

　　2.根據(jù)網(wǎng)絡(luò)物理接口，路由器調(diào)用相應(yīng)的鏈路層以解釋處理數(shù)據(jù)中的鏈路層協(xié)議。這一步處理主要是對(duì)數(shù)據(jù)完整性的驗(yàn)證。　　

　　3.在鏈路層完成對(duì)數(shù)據(jù)幀的完整性驗(yàn)證后，路由器開始處理此數(shù)據(jù)幀的IP層。根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的目的IP地址，路由器在路由表中查找下一IP地址，并計(jì)算新的校驗(yàn)和。如果接收數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)接口類型與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀的網(wǎng)絡(luò)接口類型不同，則IP數(shù)據(jù)包還可能因?yàn)樽畲髱L(zhǎng)度的限制而對(duì)其進(jìn)行分段或重組。 　　

　　4.根據(jù)在路由表中所查到的下一IP地址，IP數(shù)據(jù)包送往相應(yīng)的輸出鏈路層，最后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)物理輸出接口發(fā)送出去。

　　為了維護(hù)和使用路由器，路由器還需要有配置或者說(shuō)控制功能?！　?/p>

　　控制功能是由一系列規(guī)則所提供的，舉例來(lái)說(shuō)，可能是優(yōu)先權(quán)、拒絕訪問(wèn)或提供記賬數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入路由器時(shí)，這些相關(guān)的規(guī)則也同樣作用于數(shù)據(jù)包。在基于軟件的路由器中，這些規(guī)則被存儲(chǔ)于一個(gè)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，每個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)時(shí)都必須與該數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行核對(duì)。

　路由器的發(fā)展趨勢(shì)

　　芯片速度每18個(gè)月翻一番，而因特網(wǎng)的流量是每6個(gè)月翻一番。作為因特網(wǎng)的樞紐，路由器正在朝速度更快、服務(wù)質(zhì)量更好和更易于綜合化管理這三個(gè)方向發(fā)展。

　　速度更快　

　　傳統(tǒng)意義上，路由器通常被認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)速度的瓶頸。在局域網(wǎng)速度早已達(dá)到上百兆時(shí)，路由器的處理速度至多只到幾十兆比特率。這幾年伴隨著因特網(wǎng)用戶的爆炸式增長(zhǎng)，大家對(duì)路由器的研究也重點(diǎn)體現(xiàn)在提高路由器的處理速度上。1996-1997年間，美國(guó)出現(xiàn)了一批極具創(chuàng)新精神的小公司，如Nexabit、Juniper、Avici等，把路由器的處理速度提高到了登峰造極的地步，在很快的時(shí)間內(nèi)相繼推出了吉位路由器，連Cisco公司在速度方面都只能望其項(xiàng)背。由于這些高速路由器無(wú)一例外地都引入了交換的結(jié)構(gòu)，因此它們也被稱作千兆位交換路由器（GSR-Gigabit Switch Router）。這些路由器的光接口速度也很快從OC-12（622Mbps）升到OC-48（2.5Gbps），再升到OC-192（10Gbps），這樣的速度早已把ATM交換機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地甩在后面。從此，ATM在核心網(wǎng)絡(luò)中不可代替的地位徹底發(fā)生了動(dòng)搖。曠日持久的IP與ATM技術(shù)之爭(zhēng)終于以IP占?jí)旱剐缘膬?yōu)勢(shì)結(jié)束。不過(guò)，IP路由器速度的提高是直接得益于ATM的概念和技術(shù)的，在IP領(lǐng)域中提出的許多新概念和新技術(shù)也有相當(dāng)一部分是直接或間接來(lái)源于ATM，兩種優(yōu)秀的技術(shù)逐漸開始融合。事實(shí)上，許多公司從事高速IP路由器研發(fā)的技術(shù)人員正是過(guò)去研究ATM技術(shù)的研發(fā)人員。具體來(lái)說(shuō)，IP路由器速度的急劇提高來(lái)源于以下四個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)展：

　?、儆布w系結(jié)構(gòu)　　

　　路由器的硬件體系結(jié)構(gòu)大致經(jīng)歷了6次變化，從最早期的單總線、單CPU結(jié)構(gòu)發(fā)展到單總線、多CPU再到多總線多CPU。到現(xiàn)在，高速IP路由器中多借鑒ATM的方法，采用交叉開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)各端口之間的線速無(wú)阻塞互連。高速交叉開關(guān)的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在ATM和高速并行計(jì)算機(jī)中早已得到廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)上可直接購(gòu)買到的高速交叉開關(guān)的速率就高達(dá)50Gbps。伴隨著高速交叉開關(guān)的引入，也同時(shí)引入了一些相應(yīng)的技術(shù)問(wèn)題，特別是針對(duì)IP多播、廣播以及服務(wù)質(zhì)量（QoS），采用成熟的調(diào)度策略和算法，這些問(wèn)題都得到了很好的解決。 　

　?、贏SIC技術(shù)　　

　　這些年，出于成本和性能的考慮，ASIC應(yīng)用得越來(lái)越廣泛，幾乎是言必稱ASIC。在路由器中要極大地提高速度，首先想到的也是ASIC。有的用ASIC做包轉(zhuǎn)發(fā)，有的用ASIC查路由，并且查找IPv4路由的ASIC芯片已經(jīng)開始上市銷售。在ASIC蓬勃發(fā)展、大量應(yīng)用的潮流中，有一動(dòng)向值得注意，這就是所謂可編程ASIC的出現(xiàn)，這恐怕也是網(wǎng)絡(luò)本身日新月異所導(dǎo)致的一種結(jié)果。由于ASIC的設(shè)計(jì)生產(chǎn)投入相當(dāng)大，一般來(lái)說(shuō)，ASIC只用于已完全標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程，而網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和協(xié)議又變化相當(dāng)快，因此相應(yīng)地在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備這一領(lǐng)域，出現(xiàn)了奇特的“可編程ASIC”。目前，有兩種類型的所謂“可編程ASIC”。一種以3COM公司的FIRE（ Flexible Intelligent Routing Engine）芯片為代表，這顆ASIC芯片中內(nèi)嵌了一顆CPU，因此具有一定的靈活性；另一種以Vertex Networks的HISC專用芯片為代表，該芯片是一顆專門為通信協(xié)議處理的CPU，其體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)專門適應(yīng)協(xié)議處理，通過(guò)改寫微代碼，可使這顆專用芯片具有處理不同協(xié)議的能力，以適應(yīng)類似從IPv4到IPv6的變化。