路由器的概念、功能及發(fā)展趨勢

路由器的概念、功能及發(fā)展趨勢 
 
 
【簡 介】
近年來，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，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，用戶對服務(wù)質(zhì)量要求的提高，路由器的未來也面臨著新的變革。 　　

　　路由器的概念 　　

　　路由器是一種連接多個網(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”懂對方的數(shù)據(jù)，從而構(gòu)成一個更大的網(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，一般由硬件來完成；控制功能一般用軟件來實(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。　

　　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)是接收來自一個網(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。　　

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

　　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，如對應(yīng)于10Base-T以太網(wǎng)，路由器有10Base-T以太網(wǎng)接口；對應(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數(shù)據(jù)完整性的驗(yàn)證?！　?/p>

　　3.在鏈路層完成對數(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度的限制而對其進(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控制功能?！　?/p>

　　控制功能是由一系列規(guī)則所提供的，舉例來說，可能是優(yōu)先權(quán)、拒絕訪問或提供記賬數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)包進(jìn)入路由器時，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)則被存儲于一個軟件數(shù)據(jù)庫內(nèi)，每個數(shù)據(jù)包通過時都必須與該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行核對。

　路由器的發(fā)展趨勢

　　芯片速度每18個月翻一番，而因特網(wǎng)的流量是每6個月翻一番。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，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，大家對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)生了動搖。曠日持久的IP與ATM技術(shù)之爭終于以IP占壓倒性的優(yōu)勢結(jié)束。不過，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)人員正是過去研究ATM技術(shù)的研發(fā)人員。具體來說，IP路由器速度的急劇提高來源于以下四個方面的技術(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，市場上可直接購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，也同時引入了一些相應(yīng)的技術(shù)問題，特別是針對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，一般來說，ASIC只用于已完全標(biāo)準(zhǔn)化的過程，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。

　?、?層交換　　

　　這是協(xié)議處理過程的一次革命性突破，也是現(xiàn)在GSR和TSR名稱的來源。自從名不見經(jīng)傳的Ipsilon公司在1994年推出“一次路由，然后交換”的IP Switch技術(shù)之后，各大公司紛紛推出自己專有的3層交換技術(shù)。如Cisco的Tag Switch、3Com的Label Switch等。綜合這些專有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，IETF終于在1998年推出了性能優(yōu)越的多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS）。

　　④IP over SDH，IP over DWDM　　

　　這方面的技術(shù)進(jìn)展完全源于光纖通信技術(shù)的進(jìn)展。隨著IP的核心地位逐漸被認(rèn)同，IP over ATM，然后ATM over SDH的方式被IP直接over SDH的方式取代。SDH采用時分復(fù)用的方式承載多路數(shù)據(jù)。因此在核心網(wǎng)中需大量采用復(fù)用器交叉連接器，DWDM（密集波分復(fù)用）使得一根光纖上可用不同的波長傳送多路信號。

服務(wù)質(zhì)量更好

　　前面所述的路由器在速度上的提高仍只不過是為了適應(yīng)數(shù)據(jù)流量的急劇增加。而路由器發(fā)展趨勢更本質(zhì)、更深刻的變化是：以IP為基礎(chǔ)的包交換數(shù)據(jù)將在未來幾年內(nèi)迅速取代已發(fā)展了近百年的電路交換通信方式，成為通信業(yè)務(wù)模式的主流。這意味著，IP路由器不僅要提供更快的速度以適應(yīng)急劇增長的傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)流量，而且IP路由器也將逐步提供原電信網(wǎng)絡(luò)所提供的種種業(yè)務(wù)。但是傳統(tǒng)的IP路由器并不關(guān)心也不知道IP包的業(yè)務(wù)類型，一般只是按先進(jìn)先出的原則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，語音電話、實(shí)時視頻、因特網(wǎng)瀏覽等各種業(yè)務(wù)類型的數(shù)據(jù)都被不加區(qū)分地對待?！?/p>

　　由此可見，IP路由器要想提供包括電信、廣播在內(nèi)的所有業(yè)務(wù)，提高服務(wù)質(zhì)量（QoS）是其關(guān)鍵。這也正是目前各大網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商（包括Cisco，3Com，Nortel等）所努力推進(jìn)的方向。各大廠商新推出的高、中、低檔路由器中都不同程度地支持QoS，如Cisco的最高檔12000系列，從硬件和軟件協(xié)議兩方面都對QoS有很強(qiáng)的支持，而其新推出的低端產(chǎn)品2600系列也支持語音電話這樣的新業(yè)務(wù)應(yīng)用。事實(shí)上，QoS不僅是路由器的一個發(fā)展趨勢，以路由器為核心的整個IP網(wǎng)絡(luò)都在朝這個方向發(fā)展?！　?/p>

　　“三網(wǎng)合一”這一概念便是這個方向的產(chǎn)物。然而以傳統(tǒng)IP路由器為核心的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適應(yīng)“三網(wǎng)合一”的趨勢，以美國為首的各發(fā)達(dá)國家都在推進(jìn)能提供更好、更快的服務(wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研發(fā)。其中路由器的研發(fā)又是關(guān)鍵，公司成為推動這項(xiàng)技術(shù)的主要動力?！　?/p>

　　對QoS的支持來自軟件和硬件兩個方面。從硬件方面說，更快的轉(zhuǎn)發(fā)速度和更寬的帶寬是基本前提。從軟件協(xié)議方面來說，經(jīng)過近年來的努力，產(chǎn)生了以下幾個結(jié)果： 　

　?、買Pv4包頭服務(wù)類型字段　　

　　IPv4包頭中有一個3位的區(qū)域用以標(biāo)識此IP包的優(yōu)先級。據(jù)此優(yōu)先級，IP路由器可以決定不同IP包的轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先順序?？梢哉f，自IP協(xié)議制定之日起，就已經(jīng)為日后提供更好的QoS預(yù)留了機(jī)制?！　?/p>

　　②RSVP（資源預(yù)留協(xié)議）及相應(yīng)的系列協(xié)議　　

　　這是IP路由器為提供更好的服務(wù)質(zhì)量向前邁進(jìn)的具有深刻意義的一步。傳統(tǒng)上IP路由器只負(fù)責(zé)包轉(zhuǎn)發(fā)，通過路由協(xié)議知道鄰近路由器的地址。而RSVP則類似于電路交換系統(tǒng)的信令協(xié)議，為一個數(shù)據(jù)流通知其所經(jīng)過的每個節(jié)點(diǎn)（IP路由器），與端點(diǎn)協(xié)商為此數(shù)據(jù)流提供質(zhì)量保證?！　?/p>

　?、跠iffServ（Differentiated Service）

　　出于以上兩個原因，IETF又新推出另一種QoS策略——DiffServ。目前DiffServ的框架已基本確定，美國的Internet2也選擇DiffServ作為其QoS策略。與DiffServ相比，RSVP是一種Integrated Service（集中控制策略），而DiffServ則是一種分散控制策略，其精髓是僅控制路徑中的每一行為。終端應(yīng)用設(shè)備通過SLA（Service Level Agreement）與邊緣路由器協(xié)商獲得其應(yīng)用數(shù)據(jù)流可得到保證的服務(wù)級別?！　?/p>

　?、芏鄥f(xié)議標(biāo)記交換　　

　　MPLS也被用來解決QoS問題，但其覆蓋范圍是核心網(wǎng)絡(luò)路由器。為建立合理的核心路由間的交換路徑，核心路由器間需要定時交換流量等狀況信息。

管理更加智能化

　　隨著網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益膨脹，以及對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高，路由器上的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)變得日益重要，網(wǎng)絡(luò)連接已成為日常工作、生活中不可缺少的部分。在保證質(zhì)量的情況下最大限度地利用帶寬、及早發(fā)現(xiàn)并診斷設(shè)備故障，迅速方便地根據(jù)需要改變配置，這些網(wǎng)絡(luò)管理功能都日益成為直接影響網(wǎng)絡(luò)用戶和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商利益的重要因素。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議七層模型中，網(wǎng)絡(luò)管理屬于高層應(yīng)用，目前各廠家網(wǎng)絡(luò)管理的一個重要發(fā)展趨勢是向智能化方向發(fā)展。而智能化又體現(xiàn)在兩個方面，一是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器）之間信息交互的智能化；二是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)管理者之間信息交互的智能化。在網(wǎng)絡(luò)管理智能化的大趨勢中，“基于策略的管理”和“流量工程”這兩個技術(shù)概念是目前最引人注目的。各路由器廠商在新推出的產(chǎn)品中無不標(biāo)榜自己的網(wǎng)絡(luò)管理配套系統(tǒng)具有或部分具有這兩個方面的功能。　

　　“基于策略的管理”這一概念將同時影響路由器之間和路由器與網(wǎng)絡(luò)管理者之間的信息交互行為模式，使得網(wǎng)絡(luò)管理者更易于從用戶的角度去定義和約束網(wǎng)絡(luò)行為，而這些上層策略將直接影響網(wǎng)絡(luò)基本行為，使傳統(tǒng)的路由算法發(fā)展為基于策略的路由算法，使路由器之間的信息交互必須包涵策略性所涵蓋的信息內(nèi)容?！　?/p>

　　“流量工程”是核心網(wǎng)運(yùn)營商最關(guān)心的問題。新的協(xié)議如MPLS在解決標(biāo)記交換的同時，也提供了一個很好的解決“流量工程”的方法，即通過路由器之間交互各端的流量狀態(tài)等信息，用收斂算法計(jì)算一段時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)記的顯式路徑，約束最短路徑優(yōu)先算法被采用以使整個網(wǎng)絡(luò)的流量在每一段時間內(nèi)盡量保持均衡。

　　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展日新月異。當(dāng)我們沉浸在以IP為基礎(chǔ)的因特網(wǎng)給我們帶來的巨大喜悅中時，路由器技術(shù)特別是核心路由器技術(shù)正經(jīng)歷著巨大的變化，路由器早已非當(dāng)年吳下阿蒙。借用比爾·蓋茨的話說：我們離不懂路由器僅有18個月了。　　

　　交換式路由技術(shù)就是這一領(lǐng)域的熱門話題，它不僅解決了通信流量問題，而且具有更高的網(wǎng)絡(luò)控制能力和管理能力。