通信工程师交换技术考试路由器的基本结构

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7.5.2 路由器的基本结构
路由器是一种具有多个输人端口和多个输出端口的分组交换设备，其基本任务是实现IP分组的存储转发。这就是说，路由器要从各个输入端口接收IP分组，分析每个分组的首部，按照分组的目的地址的网络前缀（即目的网络地址），查找路由表，获得分组的下一节点地址，将分组从某个合适的输出端口转发给下一跳路由器。下一跳路由器也按照同样的方法处理分组，直到该分组到达目的网络。图7-35所示为一种典型的路由器结构框图。

从图7-35可以看出，整个路由器可以划分为两大部分：路由选择部分和分组转发部分。路由选择部分也叫做控制部分，其核心构件是路由选择处理器。路由选择处理器的任务是根据所选定的路由协议建立路由表，经常或定期地与相邻路由器交换路由信息，而不断地更新和维护路由表。关于怎样根据路由协议建立和更新路由表的问题，在7.3节已经讨论过了。
分组转发部分是本节讨论的主题，它由三部分组成：交换网络、一组输人端口和一组输出端口。下面分别讨论之。
交换网络（Switching Fabric)的作用就是根据转发表（Forwarding Table)对分组进行处理，将从某个输人端口接收的分组转发到一个合适的输出端口。需要指出，这里所说的“交换网络”，是指包含在路由器内部的用于连接各输人端U和输出端口的网络，因此交换网络是“路由器的内连网络”。
这里需要说明转发表与路由表的区别。路由表是根据路由协议得出的。路由表一般仅包含目的网络地址与下一跳节点地址的映射关系。而转发表是从路由表得出来的。转发表必须包含完成转发功能所必须的信息。这就是说，在转发表的每一行必须包含要到达的目的网络地址、相应的输出端口号和某些MAC帧的地址信息（如下一跳的以太网地址）。MAC地址需要通过ARP才能得到。将转发表和路由表用不同的数据结构实现会带来一些好处，这是因为在转发分组时，转发表的结构应当使查找过程最优化，但路由表的结构则需要针对网络拓扑变化的计算最优化。路由表总是用软件实现的。但转发表为了保证髙速转发，需要采用特殊的硬件来实现。请读者注意，在讨论路由选择原理时，往往不去区分转发表和路由表，而是笼统地使用路由表这一名词。
在路由器的输人和输出端口里面都各有3个方框，用方框中的1，2和3分别代表物理层、数据链路层和网络层的处理模块。在输人端口，物理层实现比特流的接收；数据链路层则按照链路层协议接收装有分组的帧；在将接收帧的首部和尾部剥去后，分组就被送人网络层的处理模块。若接收到的分组是路由器之间交换路由信息的分组（如OSPF或BGP分组），则将这种分组送交路由器的路由选择部分。若接收到的是数据分组，则按照分组首部中的目的地址査找转发表，根据得出的结果，让数据分组经过交换网络到达合适的输出端口。在输出端口，再将分组装人帧，通过物理层变成比特流发送到输出链路上。上述路由器的输人端口和输出端口的功能主要在路由器的线路接口卡中实现。
转发表的査找及紧接着的转发操作是路由器实现分组交换功能中最重要的操作。为了使交换功能分散化，往往将复制的转发表放在每一个输人端口中（如图7-35中的虚线箭头所示）。路由选择处理器负责对各转发表的副本进行更新。分散化交换可以避免在路由器中的某一点上出现瓶颈。
以上介绍的查找转发表和转发分组的概念虽然并不复杂，但在具体的卖现中还是会遇到不少困难。问题就在于路由器必须以很高的速率转发分组。最理想的情况是路由器转发分组的速率能够跟上分组到达路由器的线路速率，称这种速率为“线速”（linespeed或wirespeed)。可以粗略地估算一下。设传输链路是STM-16的光纤线路，即传输速率为2.5Gbit/8。若分组长度为256宇节，那么线速就相当于每秒要处理100万个以上的分组。现在常用Mpps(百万分组每秒）为单位来衡童一个路由器对收到的分组的处理速率。在路由器的设计中，怎样提髙查找转发表的速率已经成为一个十分重要的研究课题。本章所说的非连接型快速分组交换主要是指以线速转发IP分组的分组交换。由于分组到达输人端口的随机性，当一个分组正在查找转发表时，很可能后面又紧跟着到达另一个分组。这个后到的分组就必须在队列中排队等待，因而产生了一定的时延。图7-36所示为在输人端口的队列中排队等待的分组。

下面再来观察在输出端口会出现什么情况（如图7-37所示）。输出端口从交换网络接收分组。在网络层的处理模块中设有一个缓存器。当交换网络转发过来的分组的速率超过输出链路的传输速率时，来不及输出的分组就必须暂时存放在这个队列中。数据链路层处理模块将分组加上链路层帧的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。

从以上的讨论可以看出，分组在路由器的输人端口和输出端口都可能会在队列中排队等候处理。若分组处理的速率赶不上分组进人队列的速率，则队列的存储空间最终必定减小到零，这就使后面再进入队列的分组由于没有存储空间而只能被丢弃。前面提到过的分组丢失就是由于路由器中的输人或输出队列发生溢出造成的。当然，设备或线路出故障也可能使分组丢失。

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