路由器的概念、功能及发展趋势

近年来，路由器的发展有起有伏。20世纪90年代中期，传统路由器成为制约因特网发展的瓶颈，被ATM交换机取而代之，成为IP骨干网的核心，路由器变成了配角。进入90年代末期， Internet规模进一步扩大，流量每半年翻一番， ATM网又成为瓶颈，路由器东山再起。Gbps路由交换机在1997年面世后，人们又开始以Gbps路由交换机取代ATM交换机，架构以路由器为核心的骨干网。
作为核心设备，路由器在IP网上处于至关重要的位置。随着因特网应用的普及，网络带宽的迅速增加，用户对服务质量要求的提高，路由器的未来也面临着新的变革。
路由器的概念
路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译” ，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。
路由器有两大典型功能，即数据通道功能和控制功能。数据通道功能包括转发决定、转发以及输出数据链路调度等，一般由硬件来完成；控制功能一般用软件来实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统治理等。
路由器基本功能介绍
传统上，路由器工作于所谓网络7层协议模型中的第3层，其主要任务是接收来自一个网络接口的数据包，根据其中所含的目的地址，决定转发到哪个目的地，可能是路由器也可能就是最终目的点，并决定从哪个网络接口转发出去。这是路由器的最基本功能——数据包转发功能。
根据TCP/IP协议，路由器的数据包具体转发过程是：
1.网络接口接收数据包的不同的物理网络介质，决定了不同的网络接口，如对应于10Base-T以太网，路由器有10Base-T以太网接口；对应于DDN ，路由器有V.35接口。
2.根据网络物理接口，路由器调用相应的链路层以解释处理数据中的链路层协议。这一步处理主要是对数据完整性的验证。
3.在链路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。根据数据帧中的目的IP地址，路由器在路由表中查找下一IP地址，并计算新的校验和。假如接收数据帧的网络接口类型与转发数据帧的网络接口类型不同，则IP数据包还可能因为最大帧长度的限制而对其进行分段或重组。
4.根据在路由表中所查到的下一IP地址， IP数据包送往相应的输出链路层，最后经网络物理输出接口发送出去。
为了维护和使用路由器，路由器还需要有配置或者说控制功能。
控制功能是由一系列规则所提供的，举例来说，可能是优先权、拒绝访问或提供记账数据。当数据包进入路由器时，这些相关的规则也同样作用于数据包。在基于软件的路由器中，这些规则被存储于一个软件数据库内，每个数据包通过时都必须与该数据库进行核对。
　路由器的发展趋势
芯片速度每18个月翻一番，而因特网的流量是每6个月翻一番。作为因特网的枢纽，路由器正在朝速度更快、服务质量更好和更易于综合化治理这三个方向发展。
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用户的爆炸式增长，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。1996-1997年间，美国出现了一批极具创新精神的小公司，如Nexabit、Juniper、Avici等，把路由器的处理速度提高到了登峰造极的地步，在很快的时间内相继推出了吉位路由器，连Cisco公司在速度方面都只能望其项背。由于这些高速路由器无一例外地都引入了交换的结构，因此它们也被称作千兆位交换路由器（GSR-Gigabit Switch Router）。这些路由器的光接口速度也很快从OC-12（622Mbps）升到OC-48（2.5Gbps），再升到OC-192（10Gbps），这样的速度早已把ATM交换机远远地甩在后面。从此， ATM在核心网络中不可代替的地位彻底发生了动摇。旷日持久的IP与ATM技术之争终于以IP占压倒性的优势结束。不过， IP路由器速度的提高是直接得益于ATM的概念和技术的，在IP领域中提出的许多新概念和新技术也有相当一部分是直接或间接来源于ATM ，两种优秀的技术逐渐开始融合。事实上，许多公司从事高速IP路由器研发的技术人员正是过去研究ATM技术的研发人员。具体来说， IP路由器速度的急剧提高来源于以下四个方面的技术进展：
①硬件体系结构
路由器的硬件体系结构大致经历了6次变化，从最早期的单总线、单CPU结构发展到单总线、多CPU再到多总线多CPU 。到现在，高速IP路由器中多借鉴ATM的方法，采用交叉开关方式实现各端口之间的线速无阻塞互连。高速交叉开关的技术已经十分成熟，在ATM和高速并行计算机中早已得到广泛应用，市场上可直接购买到的高速交叉开关的速率就高达50Gbps 。伴随着高速交叉开关的引入，也同时引入了一些相应的技术问题，非凡是针对IP多播、广播以及服务质量（QoS），采用成熟的调度策略和算法，这些问题都得到了很好的解决。
②ASIC技术
这些年，出于成本和性能的考虑， ASIC应用得越来越广泛，几乎是言必称ASIC 。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，有一动向值得注重，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的设计生产投入相当大，一般来说， ASIC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，因此相应地在网络设备这一领域，出现了奇异的“可编程ASIC” 。目前，有两种类型的所谓“可编程ASIC” 。一种以3COM公司的FIRE（ Flexible Intelligent Routing Engine）芯片为代表，这颗ASIC芯片中内嵌了一颗CPU ，因此具有一定的灵活性；另一种以Vertex Networks的HISC专用芯片为代表，该芯片是一颗专门为通信协议处理的CPU ，其体系结构的设计专门适应协议处理，通过改写微代码，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。
③3层交换
这是协议处理过程的一次革命性突破，也是现在GSR和TSR名称的来源。自从名不见经传的Ipsilon公司在1994年推出“一次路由，然后交换”的IP Switch技术之后，各大公司纷纷推出自己专有的3层交换技术。如Cisco的Tag Switch、3Com的Label Switch等。综合这些专有技术的优点， IETF终于在1998年推出了性能优越的多协议标记交换（MPLS）。
④IP over SDH ， IP over DWDM
这方面的技术进展完全源于光纤通信技术的进展。随着IP的核心地位逐渐被认同， IP over ATM ，然后ATM over SDH的方式被IP直接over SDH的方式取代。SDH采用时分复用的方式承载多路数据。因此在核心网中需大量采用复用器交叉连接器， DWDM（密集波分复用）使得一根光纤上可用不同的波长传送多路信号。
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、实时视频、因特网浏览等各种业务类型的数据都被不加区分地对待。
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（QoS）是其要害。这也正是目前各大网络设备厂商（包括Cisco ， 3Com ， Nortel等）所努力推进的方向。各大厂商新推出的高、中、低档路由器中都不同程度地支持QoS ，如Cisco的最高档12000系列，从硬件和软件协议两方面都对QoS有很强的支持，而其新推出的低端产品2600系列也支持语音电话这样的新业务应用。事实上， QoS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。
“三网合一”这一概念便是这个方向的产物。然而以传统IP路由器为核心的网络已经不能适应“三网合一”的趋势，以美国为首的各发达国家都在推进能提供更好、更快的服务质量的网络技术的研发。其中路由器的研发又是要害，公司成为推动这项技术的主要动力。
对QoS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，经过近年来的努力，产生了以下几个结果：
①IPv4包头服务类型字段
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。可以说，自IP协议制定之日起，就已经为日后提供更好的QoS预留了机制。
②RSVP（资源预留协议）及相应的系列协议
这是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，通过路由协议知道邻近路由器的地址。而RSVP则类似于电路交换系统的信令协议，为一个数据流通知其所经过的每个节点（IP路由器），与端点协商为此数据流提供质量保证。
③DiffServ（Differentiated Service）
出于以上两个原因， IETF又新推出另一种QoS策略——DiffServ 。目前DiffServ的框架已基本确定，美国的Internet2也选择DiffServ作为其QoS策略。与DiffServ相比， RSVP是一种Integrated Service（集中控制策略），而DiffServ则是一种分散控制策略，其精髓是仅控制路径中的每一行为。终端应用设备通过SLA（Service Level Agreement）与边缘路由器协商获得其应用数据流可得到保证的服务级别。
④多协议标记交换
MPLS也被用来解决QoS问题，但其覆盖范围是核心网络路由器。为建立合理的核心路由间的交换路径，核心路由器间需要定时交换流量等状况信息。
治理更加智能化
随着网络流量的爆炸式增长，网络规模日益膨胀，以及对网络服务质量的要求越来越高，路由器上的网络治理系统变得日益重要，网络连接已成为日常工作、生活中不可缺少的部分。在保证质量的情况下最大限度地利用带宽、及早发现并诊断设备故障，迅速方便地根据需要改变配置，这些网络治理功能都日益成为直接影响网络用户和网络运营商利益的重要因素。在网络协议七层模型中，网络治理属于高层应用，目前各厂家网络治理的一个重要发展趋势是向智能化方向发展。而智能化又体现在两个方面，一是网络设备（路由器）之间信息交互的智能化；二是网络设备与网络治理者之间信息交互的智能化。在网络治理智能化的大趋势中， “基于策略的治理”和“流量工程”这两个技术概念是目前最引人注目的。各路由器厂商在新推出的产品中无不标榜自己的网络治理配套系统具有或部分具有这两个方面的功能。
“基于策略的治理”这一概念将同时影响路由器之间和路由器与网络治理者之间的信息交互行为模式，使得网络治理者更易于从用户的角度去定义和约束网络行为，而这些上层策略将直接影响网络基本行为，使传统的路由算法发展为基于策略的路由算法，使路由器之间的信息交互必须包涵策略性所涵盖的信息内容。
“流量工程”是核心网运营商最关心的问题。新的协议如MPLS在解决标记交换的同时，也提供了一个很好的解决“流量工程”的方法，即通过路由器之间交互各端的流量状态等信息，用收敛算法计算一段时间内网络中标记的显式路径，约束最短路径优先算法被采用以使整个网络的流量在每一段时间内尽量保持均衡。
网络技术的发展日新月异。当我们沉浸在以IP为基础的因特网给我们带来的巨大喜悦中时，路由器技术非凡是核心路由器技术正经历着巨大的变化，路由器早已非当年吴下阿蒙。借用比尔·盖茨的话说：我们离不懂路由器仅有18个月了。
交换式路由技术就是这一领域的热门话题，它不仅解决了通信流量问题，而且具有更高的网络控制能力和治理能力。