路由器也能DIY包括原理编程方式各类路由器技术文档格式.docx
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目前路由器已经普遍应用于各行各业,各类不同档次的产品已经成为实现各类骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。
所谓路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。
一般来说,在路由过程中,信息至少会经过一个或多个中间节点。
通常,人们会把路由和交换进行对比,这主要是因为在普通用户看来两者所实现的功能是完全一样的。
其实,路由和交换之间的主要区别就是交换发生在OSI参考模型的第二层(数据链路层),而路由发生在第三层,即网络层。
这一区别决定了路由和交换在移动信息的过程中需要使用不同的控制信息,所以两者实现各自功能的方式是不同的。
早在40多年之间就已经出现了对路由技术的讨论,但是直到80年代路由技术才逐渐进入商业化的应用。
路由技术之所以在问世之初没有被广泛使用主要是因为80年代之前的网络结构都非常简单,路由技术没有用武之地。
直到最近十几年,大规模的互联网络才逐渐流行起来,为路由技术的发展提供了良好的基础和平台。
路由器是互联网的主要节点设备。
路由器通过路由决定数据的转发。
转发策略称为路由选择(routing),这也是路由器名称的由来(router,转发者)。
作为不同网络之间互相连接的枢纽,路由器系统构成了基于TCP/IP的国际互连网络Internet的主体脉络,也可以说,路由器构成了Internet的骨架。
它的处理速度是网络通信的主要瓶颈之一,它的可靠性则直接影响着网络互连的质量。
因此,在园区网、地区网、乃至整个Internet研究领域中,路由器技术始终处于核心地位,其发展历程和方向,成为整个Internet研究的一个缩影。
在当前我国网络基础建设和信息建设方兴未艾之际,探讨路由器在互连网络中的作用、地位及其发展方向,对于国内的网络技术研究、网络建设,以及明确网络市场上对于路由器和网络互连的各种似是而非的概念,都具有重要的意义
路由器的分类
前路由器分类方式各异。
各类分类方式有必然的关联,可是并非完全一致。
从能力上分,路由器可分高端路由器和中低端路由器。
各厂家划分并非完全一致。
通常将背板互换能力大于40G的路由器称为高端路由器,背板互换能力40G以下的路由器称为中低端路由器。
以市场占有率最大的Cisco公司为例,12000系列为高端路由器,7500以下系列路由器为中低端路由器。
从结构上分,路由器可分为模块化结构与非模块化结构。
通常中高端路由器为模块化结构,低端路由器为非模块化结构。
从网络位置划分,路由器可分为核心路由器与接入路由器。
核心路由器位于网络中心,一般是利用高端路由器。
要求快速的包互换能力与高速的网络接口,一般是模块化结构。
接入路由器位于网络边缘,通常利用中低端路由器。
要求相对低速的端口和较强的接入操纵能力。
从功能分,路由器可分为通用路由器与专用路由器。
一样所说的路由器为通用路由器。
专用路由器一样为实现某种特定功能对路由器接口、硬件等作专门优化。
例如接入效劳器用作接入拨号用户,增强PSTN接口和信令能力;
VPN路由器增强隧道处置能力和硬件加密;
宽带接入路由器强调宽带接口数量及种类。
从性能上分,路由器可分为线速路由器和非线速路由器。
通常线速路由器是高端路由器,能以媒体速度转发数据包;
中低端路由器是非线速路由器。
可是一些新的宽带接入路由器也有线速转发能力。
路由器分类方式还有很多,而且随着路由器技术的进展,可能会显现愈来愈多的分类方式。
路由器的结构
路由器的体系结构
从体系结构上看,路由器可以分为第一代单总线单CPU结构路由器、第二代单总线主从CPU结构路由器、第三代单总线对称式多CPU结构路由器;
第四代多总线多CPU结构路由器、第五代共享内存式结构路由器、第六代交叉开关体系结构路由器和基于机群系统的路由器等多类。
路由器的构成
路由器具有四个要素:
输入端口、输出端口、交换开关和路由处理器。
输入端口是物理链路和输入包的进口处。
端口通常由线卡提供,一块线卡一般支持4、8或16个端口,一个输入端口具有许多功能。
第一个功能是进行数据链路层的封装和解封装。
第二个功能是在转发表中查找输入包目的地址从而决定目的端口(称为路由查找),路由查找可以使用一般的硬件来实现,或者通过在每块线卡上嵌入一个微处理器来完成。
第三,为了提供QoS(服务质量),端口要对收到的包分成几个预定义的服务级别。
第四,端口可能需要运行诸如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。
一旦路由查找完成,必须用交换开关将包送到其输出端口。
如果路由器是输入端加队列的,则有几个输入端共享同一个交换开关。
这样输入端口的最后一项功能是参加对公共资源(如交换开关)的仲裁协议。
交换开关可以使用多种不同的技术来实现。
迄今为止使用最多的交换开关技术是总线、交叉开关和共享存贮器。
最简单的开关使用一条总线来连接所有输入和输出端口,总线开关的缺点是其交换容量受限于总线的容量以及为共享总线仲裁所带来的额外开销。
交叉开关通过开关提供多条数据通路,具有N×
N个交叉点的交叉开关可以被认为具有2N条总线。
如果一个交叉是闭合,输入总线上的数据在输出总线上可用,否则不可用。
交叉点的闭合与打开由调度器来控制,因此,调度器限制了交换开关的速度。
在共享存贮器路由器中,进来的包被存贮在共享存贮器中,所交换的仅是包的指针,这提高了交换容量,但是,开关的速度受限于存贮器的存取速度。
尽管存贮器容量每18个月能够翻一番,但存贮器的存取时间每年仅降低5%,这是共享存贮器交换开关的一个固有限制。
输出端口在包被发送到输出链路之前对包存贮,可以实现复杂的调度算法以支持优先级等要求。
与输入端口一样,输出端口同样要能支持数据链路层的封装和解封装,以及许多较高级协议。
路由处理器计算转发表实现路由协议,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转发表中的包。
路由器功能
路由器通常实现以下大体功能:
1.实现IP、TCP、UDP、ICMP等互联网协议。
2.连接到两个或多个数据包互换的网络。
对每一个连接到的网络,实现该网络所要求的功能。
这些功能包括:
oIP数据包封装到链路层帧或从链路层帧中掏出IP数据包。
o依照该网络所支持的最大数据包大小发送或接收IP数据报。
该大小是网络最大传输单元(MTU)。
o将IP地址与相应网络的链路层地址彼此转换。
例如将IP地址转换成以太网硬件地址。
o实现网络支持的流量操纵和过失指示。
3.接收及转发数据包,在收发进程中实现缓冲区治理、拥塞操纵和公平性处置。
o显现过失时识别过失并产生ICMP过失及必要的过失消息。
o抛弃生存时刻(TTL)域为0的数据包。
o必要时将数据包分段。
4.依照路由表信息,为每一个IP数据包选择下一跳目的地。
5.支持至少一种内部网关协议(IGP)与其他同一自治域中路由器互换路由信息及可达性信息。
支持外部网关协议(ExteriorGatewayProtocol,EGP)与其他自治域互换拓扑信息。
6.提供网络治理和系统支持机制,包括存储/上载配置、诊断、升级、状态报告、异样情形报告及操纵等。
路由器技术
路由器软件
路由器技术中最核心的技术是软件技术。
路由软件是最复杂的软件之一。
有些路由软件运行在UNIX操作系统上,有些路由软件运行在嵌入式操作系统上,乃至有些软件为提高效率,本身确实是操作系统。
全世界最大的路由器生产厂家Cisco公司曾一度宣称是一个软件公司,可见路由器软件在路由器技术中所占的重腹地位。
路由器软件一样实现路由协议功能、查表转发功能和治理保护等其他功能。
由于互联网规模庞大,运行在互联网上路由器中的路由表超级庞大,可能包括几十万条路由。
查表转发工作可想而知超级繁重。
在高端路由器中上述功能通常由ASIC芯片硬件实现。
路由软件的高复杂性另一方面体此刻高靠得住性、高可用性和鲁棒性。
实现路由软件的功能并非复杂,在免费共享软件中咱们乃至能够取得路由协议和数据转发的实现源码。
可是难点在于需要该软件每一年365天,天天24小时高效靠得住地运行。
在路由器研制进程中,能够通过购买商用源码等形式迅速实现路由器。
可是通常以为路由器软件需要一年乃至两年的时刻来稳固。
可编程ASIC
ASIC芯片是专用集成电路,是当前路由器实现线速转发数据的的核心技术。
可编程ASIC将多项功能集中到一个芯片上,具有设计简单、靠得住性高、电源消耗少等优势,能使设备取得更高的性能和更低的本钱。
通过ASIC芯片的利用,还能够增加设备端口密度。
利用ASIC芯片的端口密度是利用通用芯片时端口密度的数倍。
可编程ASIC芯片的设计是当前高性能路由器实现的硬件保证。
路由器接口
路由器接口用作将路由器连接到网络,能够分为局域网接口及广域网接口两种。
局域网接口要紧包括以太网(10M、100M和1000M以太网)、令牌环、令牌总线、FDDI等网络接口。
广域网要紧包括E1/T一、E3/T3、DS3、通用串行口(可转换成DTE/DCE、DTE/DCE、RS232DTE/DCE、RS449DTE/DCE、EIA530DTE)ATM接口、POS接口等网络接口。
当前路由器接口技术较成熟,难点在于高密度接口板的设计与制作和高速接口(大于/等于)的实现。
路由协议
路由器路由协议的实现是路由器软件中重要组成部份。
路由协议用作成立和保护路由表。
路由表用于为每一个IP包选择输出端口或下一跳地址。
开放的路由协议要紧包括RIP/RIPv二、OSPF、IS-IS和BGP4。
RIP/RIPv二、OSPF和IS-IS作为域内路由协议,一样用在AS(自治系统)内部,用于在AS内部计算和互换网络可达性消息。
RIP/RIPv2是距离向量路由协议,一样用于企业内部小规模网络。
OSPF和IS-IS协议原理和实现都类似,是链路状态协议,一样用于大规模企业网或运营商网络。
BGP4协议基于距离向量,是当前AS间路由协议的唯一选择。
通常BGP互换大量网络可达性消息,是IP网上重要协议。
路由协议的实现与路由器软件要求相似,需要实现高靠得住、高稳固、鲁棒性和平安性。
路由器性能
路由器性能通常要紧包括如下内容:
1.背板能力:
通常指路由器背板容量或总线能力。
2.吞吐量:
指路由器包转发能力。
3.丢包率:
指路由器在稳固的持续负荷下由于资源缺少在应该转发的数据包中不能转发的数据包所占比例。
4.转发时延:
指需转发的数据包最后一比特进入路由器端口到该数据包第一比特出此刻端口链路上的时刻距离。
5.路由表容量:
指路由器运行中能够容纳的路由数量。
6.靠得住性:
指路由器可用性、无端障工作时刻和故障恢复时刻等指标。
路由器队列治理机制
由于路由器是基于分组互换的设备,在每一个端口上带宽统计复用,因此路由器必需在端口上保护一个或多个队列,不然路由器无法处置多个数据包同时向同一端口转发和端口上Q
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