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高速路由器的原理

云知道


隨著社會信息化進(jìn)程的深入發(fā)展，因特網(wǎng)作為信息化的基礎(chǔ)設(shè)施正以前所未有的速度發(fā)展 。作為因特網(wǎng)重要設(shè)備的路由器的開發(fā)與研制能力已經(jīng)成為一個(gè)國家信息化能力的重要標(biāo)志 。本文以支持ＩＰ協(xié)議路由器為例，介紹高速路由器的原理與組成 。
路由器技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段已經(jīng)歷了3代的發(fā)展，并在繼續(xù)演進(jìn) 。
第一代路由器是由軟件集中進(jìn)行ＩＰ包轉(zhuǎn)發(fā)的，所有的ＩＰ包都要經(jīng)過中心ＣＰＵ進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，吞吐率比較低，轉(zhuǎn)發(fā)能力約幾萬包每秒 。
第二代路由器是基于軟件的分布式轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)接口板上都有ＣＰＵ，主控板生成的路由表被下發(fā)到各接口板形成轉(zhuǎn)發(fā)表，每塊接口板根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表獨(dú)立進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)工作，轉(zhuǎn)發(fā)能力超過100萬包每秒 。第二代路由器的技術(shù)要點(diǎn)是各接口板轉(zhuǎn)發(fā)表的刷新和同步技術(shù) 。
由于ＣＰＵ的處理能力增長是每18個(gè)月翻一番，而因特網(wǎng)的流量卻每6個(gè)月就翻一番，因此基于軟件轉(zhuǎn)發(fā)的路由器一度成為網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸 。90年代后期，ＩＰ業(yè)務(wù)呈爆炸式發(fā)展，路由器技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了向第三代的飛躍，并在接口速率上超過了一度有望成為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)主要技術(shù)的ＡＴＭ 。目前，ＡＴＭ交換機(jī)的高速接口只達(dá)到了2.5Ｇｂｉｔ／ｓ，而高速路由器的最高端口速率已達(dá)到10Ｇｂｉｔ／ｓ 。同時(shí)，由于ＩＰ技術(shù)自身的ＱｏＳ技術(shù)不斷發(fā)展，非凡是ＭＰＬＳ技術(shù)的引入，ＱｏＳ問題正在ＩＰ領(lǐng)域逐步得到解決，高速路由器重新占據(jù)了ＩＰ網(wǎng)絡(luò)的核心位置 。
第三代路由器基于硬件進(jìn)行ＩＰ包的轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)引擎可以是ＡＳＩＣ（專用集成電路），也可以是專門為ＩＰ轉(zhuǎn)發(fā)而設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)處理器 。代表性的產(chǎn)品有華為公司的ＮｅｔＥｎｇｉｎｅ 50高速路由器和Ｃｉｓｃｏ的12000系列路由器等 。轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的速率達(dá)到了數(shù)千萬包每秒，能夠充分利用傳輸技術(shù)進(jìn)步提供的大量帶寬 。
盡管包轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)生了變化，但路由器需要完成的任務(wù)卻是相同的：檢查進(jìn)入的數(shù)據(jù)包，將其目標(biāo)地址與路由表中的項(xiàng)目相比較，然后從正確的端口發(fā)送出去 。在這一過程中，數(shù)據(jù)包還接受一些額外處理任務(wù)，如ＱｏＳ判定、流量工程、流量統(tǒng)計(jì)等 。
不同的設(shè)備廠家生產(chǎn)的高速路由器結(jié)構(gòu)是不同的，例如Ｊｕｎｉｐｅｒ的Ｍ40和Ｍ160是共享內(nèi)存的交換網(wǎng)，而華為、Ｃｉｓｃｏ等廠家使用Ｃｒｏｓｓｂａｒ縱橫制交換網(wǎng) 。由于Ｃｒｏｓｓｂａｒ交換網(wǎng)可擴(kuò)展性好、模塊結(jié)構(gòu)清楚、便于升級到更高速的產(chǎn)品，從而保護(hù)用戶的投資，是高速路由器的主流技術(shù) 。下面以主流技術(shù)為例，介紹高速路由器的原理，不涉及各廠家的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié) 。
高速路由器的結(jié)構(gòu)如圖1所示 。
高速路由器通常由主控板、交換板、線路接口板組成，它們通過高速背板連接，插在一個(gè)具有電源、風(fēng)扇的機(jī)框中組成一臺完整的路由器 。
（1） 主控板：主控板是路由器的控制中心，ＣＰＵ和存儲器就在主控板中 。主控板負(fù)責(zé)整個(gè)路由器的治理和控制，ＩＰ路由協(xié)議在主控板上運(yùn)行 。主控板直接接收來自網(wǎng)管中心的指令，并下發(fā)到各接口板執(zhí)行指令，同時(shí)各接口板把運(yùn)行狀態(tài)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)傳送到主控板，由主控板進(jìn)行必要的處理，需要時(shí)發(fā)給網(wǎng)管中心 。網(wǎng)絡(luò)治理員配置的靜態(tài)路由以及通過運(yùn)行路由協(xié)議生成的動態(tài)路由由主控板進(jìn)行治理，并下發(fā)到各接口板，使各接口板可以獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作 。
主控板的作用舉足輕重，一旦它發(fā)生故障，整個(gè)路由器將不能正常工作 。對于電信網(wǎng)的核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說，要求可用率達(dá)到99.999％，即1年的停機(jī)時(shí)間不能超過5ｍｉｎ 。所以主控板通常配有兩塊，一般以主備的方式工作 。主備板周期性地交換握手信號，一旦備用板收不到主用板的握手信號，則會啟動倒換流程，接替主用板工作 。

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