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路由器知识

网络世界,是路由器把我们联系起来,它是互连网络的枢纽,网络的交通警察。那么在路由器方面新技术、新产品发展如何?IPv6技术又如何,不妨让我们把目光再次集中到这里。

扬鞭上马话路由

路由器将全球英特网的各子网联系起来,给人产生一个具有一个全球一致化单一网络的幻觉。路由器的主要作用是将从一组输入链路中收到的包转发给一组输出链路。同时,路由器应该能够处理异构网络、调度不同的服务要求、使用分布式算法产生一致化的路由表。此外,由于人们对英特网带宽的要求永无止境,路由器也自然应具有高带宽,所有这些因素决定了路由器的复杂性。路由器被称为“网络的巨型机”,确实,网络中用到的各种技术都可在路由器中得到综合的体现。

一、路由器的类型

英特网各种级别的网络中随处都可见到路由器。接入网络使得家庭和小型企业可以连接到某个英特网服务提供商(ISP)。企业网中的路由器连接一个校园或企业内成千上万的计算机。骨干网上的路由器终端系统通常是不能直接访问的,它们连接长距离骨干网上的ISP和企业网络。英特网的快速发展无论是对骨干网,企业网还是接入网都带来了不同的挑战。骨干网要求路由器能对少数链路进行高速路由转发。企业级路由器不但要求端口数目多、价格低廉,而且要求配置起来简单方便,并提供QoS。接入路由器要提供具有不同协议的高速异构思端口,并且力争不经过电话交接网。

二、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,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和PPP这样的数据链路级协议或者诸如PPTP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。至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。

三、各类路由器的特点

(1)骨干级路由器

英特网目前由几十个骨干网,每个骨干网服务几千个小网络,骨干级路由器实现企业级网络的互连。因而,对它们的要求是速度和可靠性,而代价则处于次要地位。硬件可靠性可以采用电话交换网中使用的同样的技术,如热备份、双电源、双数据通路等来获得。这些技术对所有骨干路由器而言差不多是标准的。所以这里要讨论的是如何获得高的路由速度。骨干IP路由器的主要性能瓶颈是在转发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Cache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。

(2)企业级路由器

企业或校园级路由器连接许多终端系统,与骨干路由器追求速度而忽视代价不同,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。许多现有的企业网络都是由HUB或网桥连接起来的以太网段。尽管这些设备价格便宜、易于安装、无需配置,但是它们不支持服务等级。相反,有路由器参与的网络能够将机器分成多个碰撞域,并因此能够控制一个网络的大小。此外,路由器还支持一定的服务等级,至少允许分成多个优先级别。但是路由器的每端口造价要贵些,并且在能够使用之前要进行大量的配置工作。因此,企业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。另外还要求企业级路由器有效地支持广播和组播。此外,与骨干路由器仅支持IP协议不同,企业网络还要处理历史遗留的各种LAN技术,支持多种协议,包括IP,IPX和Vine, 它们还要支持防火墙,包过滤以及大量的管理和安全策略以及VLAN。

(3)接入路由器

接入路由器连接家庭或ISP内的小型企业客户。传统的接入网络用多个MODEM连接到某个终端服务器,服务许多慢速拔号连接。但是,现今的接入网络已不是如此简单了。首先,接入网络已使用诸如ADSL、高速MODEM、电缆MODEM等多种接入技术。其次,使用家中的电话线拨号上网增加了电话网的负担,因此,要尽量避免使用电话网来传输数据。第三,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。最后,诸如ADSL等技术将很快提高各家庭的可用带宽,这将进一步增加接入路由器的负担。由于这些趋势,接入路由器将在不久的将来不得不支持许多异构和高速端口,并在各个端口能够运行多种协议,同时还要避开电话交换网。

路由器技术与应用问答

路由器具备条件和特点

路由器必须具备的基本条件:①两个或两个以上的接口;②协议至少实现到网络层;③至少支持两种以上的子网协议;④具有存储、转发、寻径功能;⑤一组路由协议。路由器的主要特点有:①路由功能,包括数据包的路径决策、负载平衡、多媒体传输(多播)等;②智能化网络服务,包括QoS、访问列表(防火墙)、验证、授权、计费、链路备份、调试、管理等。

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。

对处理能力要求高

首先,对路由器处理能力提出要求的是公用数据网上的骨干网。Internet提供的业务越来越丰富,用户数目也迅速增长,驱使骨干网的带宽速率越来越高。另外,多媒体应用越来越广泛,这些应用对IP网络有着更苛刻的要求。同时,传统的局域网互联也对骨干网提出了更高的要求。这些都是推动IP网络路由器技术不断提高其接口带宽及处理能力的客观因素。

多播适合于什么环境

为了适应Internet网络上一点对多点传送应用的需要(如天气预报、网络会议等),出现了一种新的传输模式——多播(Multicast)。多播主要用于视频会议等应用场合,这种应用需要同一份数据能同时发送给多个用户。多播适合于一点到多点的广播式传输环境,同时也可适用多点到多点、多点到一点的传输情况。多播具有带宽利用率高、减轻主机和路由器负担、避免目地址不明所引起麻烦的优点。多播网中可能有不支持多播的路由器,此时多播路由器使用“IP over IP”的隧道方式将多播包封装在单播IP包中透传给相邻的多播路由器。相邻的多播路由器再将单播IP头剥掉,然后继续进行多播传输。

怎样选择合适的路由器

选择路由器还应遵循如下基本原则:①标准化原则;②技术简单性原则;③环境适应性原则;④可管理性原则;⑤容错冗余性原则。(张长青)

IPv6:快马加鞭赶路程

IPv4资源日益紧张,为了解决这一问题,出现了IPv6新技术,下面我们探讨几个IPv6路由技术的问题。

路由表

IPv6网络由一定数量的以部分交错网格的形式互相连接的路由器组成。路由器的主要任务取决于所采用的网络结构,IPv6使用一种通过网络地址进行路由的技术。当信息包通过本地或者地理网络接口到达一个路由器时,路由器把信息包转交给它的转发进程,这个进程分析发送地址,然后用这个地址来检查路由表,并且确定向哪个接口传送信息包。路由器上的路由表在IPv6路由中起到了非常重要的作用,对于路由器本身可以达到的子网,IPv6路由器的路由表只包含它的一个条目。路由表由子网、下一个路程段、类型、成本、期限和状态等字段组成。路由表可以由合适的协议,如RIP或者OSPF等,手工或自动写入。

路由算法

IPv4使用的路由算法不再适用,因为它们不能传送128位的IPv6地址。IPv6使用三种主要协议:RIPv6(Routing Information Protocol,路由信息协议)、OSPFv6(Open Shortest Path First,开放最短路径优先)和IDRP v2(Inter-Domain Routing Protocol,域间路由协议 )以及可能的EIGRP和双层的IS-IS。RIPv6是可以与IPv6共同使用的RIP版本。更新的RIP允许其接收128位地址,没有增加新特性,没有消除以前限制的相关前缀长度。这种选择的原因是为了保持RIPv6的简单性,由此它可以在非常简单的设备上实现。OSPFv6是可以用于IPv6的OSPF版本,它也是IPv6推荐的IGP协议,作为所有路由器厂商的标准实现,它适于大型网络。OSPFv6作为OSPF的更新,允许传送新的128位地址和相关的前缀长度,在OSPFv6中,区域定义为128位地址。IDRP是和IPv6共同使用的的EGP协议,IDRP是一个路径矢量协议,在OSI结构中是设计在CLNP ISO 8473协议使用的,在Internet上作为EGP从BGP-4得出,适于和IPv6共同使用的IDRP版本是IDRPv2。

邻居发现

当一个信息包必须在子网上进行路由时,传输过程必须在2层完成,也就是链路层。在一个子网中保持3层地址和链路层地址之间的映射可以使用多种方法。最著名的方法是基于ARP的,IPv4中采用了这种方法,但是在IPv6中使用了新的邻居发现协议。主机能够了解到在一个链路上哪个路由器可以使用,也允许主机通过重定向信息包获知哪个是最佳路由器,也允许所有的节点了解IPv6地址和链路地址的映射情况。这些功能是通过以下5种类型的信息实现的:路由宣告、路由器请求、路由重定向、邻居请求和邻居宣告。

多点传送路由

多点传送路由是指目的地址是一个多点传送地址的信息包路由。在IPv6中,多点传送路由的问题与IPv4中类似,只是功能有所加强,分别成为了ICMPv6和OSPFv6的一部分,而不是IPv4中的单独协议,从而变成为IPv6整体的一部分。为了路由多点传送信息包,IPv6中创建了一个分布树(多点传送树)到达组里的所有成员。

结论

IPv6在路由技术上继承了IPv4的有利方面,代表未来路由技术的发展方向,许多路由器厂商如CISCO、NOKIA等目前已经投入很大力量以生产支持IPv6的路由器。当然IPv6也还有一些值得注意和效率不高的地方,据业内人士分析,IPv4/NAT和IPv6将会共存相当长的一段时间。


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