--路由器与交换机发展展望

路由器的网络技术发展及展望

摘要

当今世界计算机网络通信中采用最为普遍的TCP/IP协议吸收了OSI标准中的概念及特征。TCP/IP模型由四个层次组成即：应用层、传输层、网络层、数据链路层和物理层。只有对等层才能相互通讯。一方在某层上的协议是什么，对方在同一层次上也必须采用同一协议。路由器就工作在TCP/IP模型的第三层（网络层），主要作用是为收到的报文寻找正确的路径，并把它们转发出去。

随着时代的发展，人们逐渐怀疑信息技术更新如此之快的信息时代路由器和或交换机未来的发展前景，会不会很快会被淘汰，在未来将往那方面发展。本文就这个话题作出了研究分析：中低端路由器还将长期存在，连接各个网络是路由器产生的根本原因。随着国内网络的发展，尤其是近年来以太网技术的迅猛发展，网络的连接较之从前发生了很大的变化—以太网和ADSL已经成为连接的主流技术。但像路由这样的传统连接方式还将存在很长一段时间。去年市场的增长就是一个有力的证明。近两年来，网络技术的发展，特别是三层交换机的出现给中低端路由器产生了很大的冲击，因此给人们的感觉是交换机会将一统天下。实际上，很多的传统线路(如ATM、帧中继等)在银行、电信等大型行业用户中广泛运用。在传统连接的方式上，处于网关位置的路由器，其作用不可能被交换机所替代。在未来，随着IPv6技术、提高路由器吞吐量的技术、可编程ASIC技术、VPN技术等计算机技术的发展与完善，路由器将有更快的速度，更好地服务。

关键词：TCP/IP协议、以太网、IPv6技术、提高路由器吞吐量的技术、可编程ASIC技术、VPN技术、PV4包头服务类型字段、RSVP

一、路由器简介

传统路由器工作于OSI七层协议的第三层，其主要任务是接收来自于一个网络接口的数据包，根据其中以含的目的地址，决定转发下一个目的地址。路由器在工作时能够按照某种路由通信协议查找设备中的路由表。如果到某一特定节点有一条以上的路径，那么一般预先确定的路由准则是选择最优（或最经济）的传输路径。网络中，每个路由器的基本功能都是按照一定的规则来动态地更新它所保持的路由表，以便保持路由信息有效。为了便于在网络间传送报文，路由器总是先按照预定的规则把较大的数据分解成适当大小的数据包，再将这些数据包分别通过相同或不同路径发送出去。当这些数据包按先后顺序达目的地后，再把分解的数据包按顺序包装成原有的报文形式。路由器的分层寻址功能是路由器的重要功能之一，该功能可以帮助具有很多节点站的网络来存储寻址信息，同时还能在网络间截获发送到远地网段的报文，起转发作用。选择最合理的路由，引导通信也是路由器基本功能。多协议路由器还可以连接使用不同通信协议的网络段，成为不同通信协议网络段之间的通信连接平台。

1.1路由器的基本构成部分：

（1）处理器

和其他计算机一样，运行着10S的路由器也包含了一个“中央处理器”(CPU)。不同系列和型号的路由器，CPU也不尽相同。路由器的处理器负责执行处理数据包所需的工作，比如维护路由和桥接所需的各种表格以及作出路由决定等等。路由器处理数据包的速度在很大程度上取决于处理器的类型。

（2）内存

所有计算机都安装了某些形式的内存。路由器主要采用了四种类型：只读内存(ROM)、闪存、随机存取内存(RAM)、非易失性RAM(NVRAM)。在所有类型的内存中，RAM是会在路由器启动或供电间隙时丢失其内容的唯一一种内存；

（3）接口

所有路由器都有“接口”(Interface)。在采用I0S的路由器中，每个接口都有自己的名字和编号。一个接口的全名由它的类型标识以及至少一个数字构成。编号自零0开始。

1.2 路由器的工作原理

当路由器收到一个网络层数据报时，路由器便要决定是直接转发给与自己相连的网络还是发往另一个路由器，或者丢弃该数据报。路由器利用网络层的源地址和目的地址信息来确定信息发往哪一个网络，如果源网络号和目的网络号在同一个网络中则送到该网络的指定主机。一个信息包到达路由器后先进入队列，然后路由器依次进行如下处理：提取信息包的目的地址，查看路由表，如果到达目的地的路径不止一个，则选择一条最佳路径。另外，路由器在进行选择时还综合了互联网上网络负载、延时、数据报长度、数据报头中规定的服务类型等因素来选择出最优路径。

路由器把需到达的网络的网络号保存在路由表中，当一个IP数据报被路由器接收到时，路由器先从该IP数据报中取出目的站点的IP地址，根据IP地址计算出目的站点所在网络的网络号，然后用网络号去查找路由表以决定通过哪一个接口（线路）转发该IP数据报。

根据TCP/IP协议，路由器的数据包转发具体过程是：网络接口接收数据包，这一步由网络物理层处理，即把经编码调制后的数据信号还原为数据。根据网络物理接口，路由器调用相应的链路层功能模块，以解释处理此数据包的链路协议报头。这一步处理比较简单，主要是对完整性的验证，如CRC校验、帧长度检查。在链路导层完成对数据帧的完整性验证后，路由器开始处理此数据帧的IP层。这一过程是路由器功能的核心。根据数据帧IP包头的目的的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳的IP地址，IP数据包头的TTL域开始减数，并计算新校验和（Check-sum）。根据路由表中所查到的下一跳IP地址，将IP数据包送往相应的输出链路层，封装上相应的链路层包头，最后经输出网络物理接口发送出去。

简单地说，路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。

1.3 路由器的基本功能：

（1）实现网络的互连和隔离

路由器工作在OSI模型中的第三层，即网络层。路由器利用网络层定义的“逻辑”上的网络地址（即IP地址）来区别不同的网络，实现网络的互连和隔离，保持各个网络的独立性。路由器不转发广播消息，而把广播消息限制在各自的网络内部。发送到其他网络的数据先被送到路由器，再由路由器转发出去。IP路由器只转发IP分组，把其余的部分挡在网内（包括广播），从而保持各个网络具有相对的独立性，这样可以组成具有许多网络（子网）互连的大型的网络。由于是在网络层的互连，路由器可方便地连接不同类型的网络，只要网络层运行的是IP协议，通过路由器就可互连起来。

（2）根据IP地址来转发数据

网络中的设备用它们的网络地址（TCP／IP网络中为IP地址）互相通信。IP地址是与硬件地址无关的“逻辑”地址。路由器只根据IP地址来转发数据。IP地址的结构有两部分，一部分定义网络号，另一部分定义网络内的主机号。目前，在Internet网络中采用子网掩码来确定IP地址中网络地址和主机地址。子网掩码与IP地址一样也是32bit，并且两者是一一对应的，并规定，子网掩码中数字为“1”所对应的IP地址中的部分为网络号，为“0”所对应的则为主机号。网络号和主机号合起来，才构成一个完整的IP地址。同一个网络中的主机IP地址，其网络号必须是相同的，这个网络称为IP子网。

通信只能在具有相同网络号的IP地址之间进行，要与其它IP子网的主机进行通信，则必须经过同一网络上的某个路由器或网关（gateway）出去。不同网络号的IP地址不能直接通信，即使它们接在一起，也不能通信。

路由器有多个端口，用于连接多个IP子网。每个端口的IP地址的网络号要求与所连接的IP子网的网络号相同。不同的端口为不同的网络号，对应不同的IP子网，这样才能使各子网中的主机通过自己子网的IP地址把要求出去的IP 分组送到路由器上。

（3）选择数据传送的线路

在网络通信过程中，选择通畅快捷的近路，能大大提高通信速度，减轻网络系统通信负荷，节约网络系统资源，提高网络系统畅通率，从而让网络系统发挥出更大的效益来。

路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，

并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据：路由表（Routing Table），供路由选择时使用。路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以是由系统管理员固定设置好的，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。

（4）目前许多路由器都具有防火墙功能

它能够起到基本的防火墙功能，也就是它能够屏蔽内部网络的IP地址，自由设定IP地址、通信端口过滤，使网络更加安全。

二、相关网络技术的浅析

2.1 IPv6技术

IPv6是IP的一种新的版本，它同目前广泛使用的的IPv4相比，地址由32位扩充到128位。从上说，地址的数量由原先的2的32次方个增加到2的128次方个。几乎可以不受限制地提供地址。经由IPv6，路由数可以减少一个数量级。

IPv6所以能使互联网连接许多东西变得简单而且使用容易是因为它使用了四种技术:地址空间的扩充、可使路由表减小的地址构造、自动设定地址以及提高安全保密性。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。

2.2 提高路由器吞吐量的技术

路由器的吞吐量是指路由器单位时间内能够转发的报文数，通常用pps （Packet Per Second）表示。以一个典型的企业网为例，一个派驻机构的上行速率有2000pps就够了，分支的核心路由设备必需具有几万pps的吞吐能力，而公司总部的路由中心则可能需要几十万甚至上百万pps的处理能力。

目前主要有下面的提高路由器吞吐量的技术：

改造路由表；采用Cache；采用分布式处理；高层交换；硬件（FPGA/ASIC）转发等，交换式路由器（Switch Router）就是利用这些技术的结晶。

2.3 可编程ASIC技术

ASIC技术能够使得路由器的速度提高并降低制造成本。由于设计生产的投入相当大，ASIC基本上都用于已完全标准化和固化的过程。为了满足机各种结构和协议的频繁变化的要求，出现了“可编程ASIC”技术。实际中多数采用在ASIC 芯片中内嵌入专门处理通信协议的CPU，通过改写微码，使其具有处理不同协议的能力。

2.4 VPN技术

VPN（Virtual Private Network）虚拟私有网络就是利用公共网络来构建的私人专用网络。用于构建VPN的公共网络包括Internet、帧中继、ATM等。在公共网络上组建的VPN象现有的私有网络一样能够保证安全性、可靠性和可管理性等。

VPN的出现减少了用于相关的调制解调器和终端服务设备的资金及费用，简化了网络。实现本地拨号接入的功能来取代远距离接入，这样能显著降低远距离

通信的费用。除此之外，VPN兼备了公众网和专用网的许多优点，将公众网低廉的价格、丰富的功能与专用网的高性能、高安全性结合在一起，成为构建企业专用网络的一种行之有效的解决方案。

三、路由器未来发展

3.1速度更快

传统意义上，路由器通常被认为是网络速度的瓶颈。在局域网速度早已达到上百兆时，路由器的处理速度至多只到几十兆比特率。这几年伴随着因特网的爆炸性增长，大家对路由器的研究也重点体现在提高路由器的处理速度上。随着千兆位路由器和太位交换路由器。这些路由器的光接口速度也很快从622Mbps跳到2.5Gbps再到10Gbps。但IP路由器速度的急剧提高网络技术的作用不容忽视，其中ASIC技术的贡献尤为突出。

ASIC技术。这些年，出于成本和性能的考虑，ASIC应用得越来越广泛。在路由器中要极大地提高速度，首先想到的也是ASIC。有的用ASIC做包转发，有的用ASIC查路由，并且查找IPV4路由的ASIC芯片已经开始上市销售。在ASIC 蓬勃发展、大量应用的潮流中，有一动向值得注意，这就是所谓可编程ASIC的出现，这恐怕也是网络本身日新月异所导致的一种结果。由于ASIC的设计生产的投入相当大，一般来说，AISC只用于已完全标准化的过程，而网络的结构和协议又变化相当快，因此相应地在这一领域，出现了奇特的“可编程ASIC”。可编程ASIC芯片不仅具有一定程度的灵活性，还可以通过改写微码，可使这颗专用芯片具有处理不同协议的能力以适应类似从IPV4到IPV6的变化。

3.2服务质量更好

前面所述的路由器在速度上的提高仍只不过是为了适应数据流量的急剧增加。而路由器发展趋势更本质、更深刻的变化是：以IP为基础的包交换数据将在未来几年内迅速取代已发展了近百年的电路交换通信方式，成为通信业务模式的主流。这意味着，IP路由器不仅要提供更快的速度以适应急剧增长的传统的计算机数据流量，而且，IP路由器也将逐步提供原电信网络所提供的种种业务。但是传统的IP路由器并不关心也不知道IP包的业务类型，一般只是按先进、先出的原则转发数据包，语音电话数据、实时视频数据、因特网浏览数据等等各种业务类型的数据都被不加区分的对待。由此可见，IP路由器要想提供包括电信广播在内的所有业务，提高服务质量是其关键。事实上，提高服务质量不仅是路由器的一个发展趋势，以路由器为核心的整个IP网络都在朝这个方向发展。

对提高服务质量的支持来自软件和硬件两个方面。从硬件方面说，更快的转发速度和更宽的带宽是基本前提。从软件协议方面来说，IPV4包头服务类型字段及RSVP（资源预留协议）及相应的系列协议是近几年努力的结果：IPV4包头中有一个3位的区域用以标识此IP包的优先级。据此优先级，IP 路由器可以决定不同IP包的转发优先顺序。当然，仅仅在IP包中定义服务类型是绝对不够的，通过信令在整个网络的各个环节都必须保证支持所要求的服务质量。而RSVP（资源预留协议）及相应的系列协议使得IP路由器为提供更好的服务质量向前迈进的具有深刻意义的一步。传统上IP路由器只负责包转发，通过路由协议知道临近路由器的地址。而RSVP则类似于电路交换系统的信令协议一样，为一个数据流通知其所经过的每个节点。

四、总结

网络技术的发展日新月异。随着上网用户的越来越多，路由器技术特别是核心路由器技术也在经历着巨大的变化。相信在未来路由器的研究中，它必将朝着高速度、高服务、集成化、智能化以及高可靠性的方向发展，这就有待相关的研究人员的不懈努力。

五、参考文献

[1] 谢希仁，计算机网络（第五版），北京：电子工业出版社，2007。

[2] https://www.360docs.net/doc/a1505507.html,/view/86705a2aaaea998fcc220eb1.html

[3] https://www.360docs.net/doc/a1505507.html,/view/9555b90d4a7302768e9939a7.html