路由器的五代家譜

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今天，路由器的芯片功能、接口數(shù)量等方面都有了很大提高。但這似乎仍然不能滿足互聯(lián)網(wǎng)時代人們對于更快、更穩(wěn)定、更安全的網(wǎng)絡連接的急切渴望。

路由器是TCP/IP網(wǎng)絡中最主要的聯(lián)網(wǎng)設備。TCP/IP是從上世紀70年代中期美國國防部ARPANET技術(shù)發(fā)展起來的，美國軍方希望用它來連接不同的局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，以便在遭受戰(zhàn)爭打擊后可以保持網(wǎng)絡連通。而TCP/IP體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)的開放性使其逐步被眾多的高校、科研機構(gòu)所采納，并逐步成為一個事實上的標準。

通常，路由器工作于網(wǎng)絡七層協(xié)議中的第三層，其主要任務是接收來自一個網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)包，根據(jù)其中所含的目的地址，決定轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個目的地(可能是路由器也可能就是最終目的點)，并決定從哪個網(wǎng)絡接口轉(zhuǎn)發(fā)出去。

為了實現(xiàn)這樣的功能，上個世紀60年代，人們曾經(jīng)使用普通電腦充當路由器的角色。但正如上面所提到的，互聯(lián)網(wǎng)和路由器本身經(jīng)歷了半個世紀的發(fā)展，今天的路由器與以往相比已經(jīng)是天壤之別了。

我們知道，根據(jù)芯片發(fā)展的摩爾定律，芯片速度每十八個月翻一翻，而因特網(wǎng)的流量是每六個月翻一翻。因此作為因特網(wǎng)的樞紐，路由器也必須能夠達到更快的速度、具備更高的服務質(zhì)量并且更易于綜合化管理。如果最初的路由器可以看作是一個孩童，那么今天的路由器，已經(jīng)長成了一位少年，他的身心各方面都已經(jīng)成熟了許多。

身體漸強壯 靈魂受洗禮

今天，路由器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)日漸復雜。首先，從處理器的數(shù)量和連接方式上看，結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化:以往的單CPU路由器發(fā)展到了單總線多CPU路由器，再到后來的全分布式多處理器路由器，而T比特路由器將會是多個機柜互聯(lián)。從交換結(jié)構(gòu)來看，高端路由器主要采用共享存儲器結(jié)構(gòu)、基于交換矩陣的虛擬輸出排隊結(jié)構(gòu)(VOQ)、輸出排隊結(jié)構(gòu)等。在T比特路由器結(jié)構(gòu)中，采用多級交換結(jié)構(gòu)互聯(lián)、立方體互聯(lián)、超級立方體互聯(lián)，期望達到大容量無阻塞交換。因此無論交換結(jié)構(gòu)，還是整個路由器系統(tǒng)將越來越復雜。

同時，路由器的接口速度和接口類型也與以往比有了很大的提高和增多。其中速度的提高主要表現(xiàn)在，10GE以太網(wǎng)從標準推出后，OC48、 OC192等高速率POS端口廣泛應用于高端路由器，目前已經(jīng)為高端路由器廠商普遍采用。而接口類型的增多則表現(xiàn)在POS和以太網(wǎng)成為高端路由器最廣泛應用的接口類型，某些廠商也采用PRR端口形成保護鏈路，或采用CWDM這樣的光接口，形成光網(wǎng)和IP網(wǎng)絡的融合。

如果把路由器的物理結(jié)構(gòu)比作他的軀體，那么互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議就是路由器的靈魂。而提到下一代互聯(lián)網(wǎng)和下一代網(wǎng)絡，IPv6都是網(wǎng)絡的基礎協(xié)議，因此從協(xié)議角度看，路由器的靈魂或者說思維復雜程度，已經(jīng)從IPv4過渡到IPv6。路由器面臨的這種協(xié)議變化使得自身得到了精神上的洗禮，脫胎換骨。而對于協(xié)議本身來說，只有高端路由器全面提供了對IPv6的支持，才能保證這一技術(shù)的推廣和成熟。但要支持IPv6，需要高端路由器在路由表的設計、轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等多個方面要有更復雜的結(jié)構(gòu)，就像任何一個人都要經(jīng)歷痛苦的過程之后才能得到精神上的洗禮一樣。

練就好身手

如何提高路由器的可靠性和穩(wěn)定性是網(wǎng)絡用戶特別是運營商最為關(guān)注的問題，希望用路由器組建的網(wǎng)絡可以支持高水平的業(yè)務。對于穩(wěn)定性，廠商們在致力于提供達到5個9穩(wěn)定性的設備(99.999%的可靠性，意味著每年路由器中斷時間不超過5分鐘)。而對于可靠性，協(xié)議的改進則起到了很重要的作用，高可靠性協(xié)議方面的發(fā)展是近年協(xié)議發(fā)展過程中的引人注目的問題之一，人們基于對路由協(xié)議的擴展，通過在標準協(xié)議中增加一些對故障的容錯能力來取得可靠性的提高。

安全性一直是網(wǎng)絡當中一個非常重要的問題，而今天網(wǎng)絡的復雜環(huán)境，使得網(wǎng)絡安全問題變得比以往更加棘手，現(xiàn)在網(wǎng)絡上的不良分子，不但對網(wǎng)絡中的計算機終端進行攻擊，更是對網(wǎng)絡的基礎設施路由器和交換機下了黑手。網(wǎng)絡的隱患已經(jīng)從應用層逐漸下沉，滲透到網(wǎng)絡的第二層和第三層，位于網(wǎng)絡深層的路由器為此面臨了更險惡的環(huán)境，更大的挑戰(zhàn)。特別是骨干網(wǎng)邊緣和核心路由器，如果受到攻擊，導致宕機，就會中斷網(wǎng)絡的服務，給用戶尤其是電信運營商帶來慘重損失。

但路由器通過不斷完善與發(fā)展自身，練就了一身好的防身本領(lǐng)。目前中高端邊緣路由器具有自我保護和及時檢測網(wǎng)絡攻擊的能力，中高端路由器上集成了流量管理、IDS、IPS、防火墻等功能。而且有些廠商如思科，用硬件來實現(xiàn)這些安全功能，這使得路由器的主CPU能全力以赴負責數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，而網(wǎng)絡的安全檢測，就交給IDS、IPS、防火墻等各硬件功能模塊上的分CPU進行處理，這樣就不會對網(wǎng)絡的流量產(chǎn)生影響。如果用軟件實現(xiàn)IDS、IPS、防火墻功能，路由器的主CPU就要分出一部分來進行這些安全檢測，這就降低整個網(wǎng)絡的流量。

　能力大大提高

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的完善和網(wǎng)絡內(nèi)容的充實——例如所有網(wǎng)絡介質(zhì)和傳輸機制對IP協(xié)議的支持、語音和視頻等各種應用的出現(xiàn)乃至普及，使"Everything Over IP"和"IP Over Everything"兩句話變得非常流行。"所有應用都能通過IP協(xié)議實現(xiàn)"，而"IP協(xié)議運行在所有的傳輸介質(zhì)上"。可以說，Everything Over IP使得路由器身上的擔子更重了，而IP Over Everything使得路由器所要承擔的任務范圍更廣了。

這使得處于運營商網(wǎng)絡邊緣的中端路由器逐漸演變?yōu)槎喾章酚善?。由于網(wǎng)絡處理器和專用集成電路的采用，一些路由器所進行的工作遠遠超出業(yè)務的"匯集"?，F(xiàn)在，多數(shù)的邊緣路由器更像一個IP業(yè)務交換機，可以生成二層和三層VPN，支持防火墻、以太網(wǎng)、VoIP等增值業(yè)務。 而寬帶網(wǎng)絡的持續(xù)迅猛發(fā)展，中端路由器能提供對語音和視頻的QoS支持，用MPLS實現(xiàn)一些ATM、幀中繼的功能，因此，采用這些中端路由器可以把一些原來由ATM和幀中繼傳送的業(yè)務轉(zhuǎn)移到MPLS網(wǎng)上。

自身價值再提高

經(jīng)歷了成長與洗禮，路由器自身的價值也得到了提升。而除了表面的價格因素之外，路由器的價值還體現(xiàn)在用戶對路由器的生命周期和運營管理成本的認可程度。但不論價格、成本等因素如何變化，路由器本身經(jīng)過發(fā)展，其自身價值得到了絕對的提升。雖然，對于很多企業(yè)來說，比如運營商，路由器的生命不過三年左右，過了三年就要更換路由器，但新一代路由器的性能提升正在使這個生命周期延長到5-7年，這也體現(xiàn)了路由器對自身價值的提高。更何況，那些具有高可靠性的路由器產(chǎn)品通過穩(wěn)定網(wǎng)絡帶來的好處會遠遠超出它的價格。

路由器也走集群化道路

經(jīng)歷了個體的發(fā)展成熟之后，路由器也向一個社會化的方向發(fā)展。這種所謂的"社會化"就好比人類社會上人與人之間的相互協(xié)作以及相互影響。這種社會化指的正是路由器向集群化發(fā)展的趨勢。

集群化的解決思路來自于計算機集群系統(tǒng)——設計人員仿照大規(guī)模計算機集群系統(tǒng)，對路由器的體系結(jié)構(gòu)要進行重新設計，使得多個獨立路由器可以通過內(nèi)部的連接，而非通信接口連接，構(gòu)成一個多機柜(multi-chasis)的路由器集群系統(tǒng)(router cluster system)。在不影響性能的前提下，接近線性地擴充整個系統(tǒng)的交換容量，增加接口數(shù)目。這是新一代核心路由器產(chǎn)品的重要變化趨勢，其它的連帶技術(shù)(如高可用性支持)也大多和這個結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。

回首成長之路

回首望去，路由器的發(fā)展之路已經(jīng)經(jīng)歷了五代更替:第一代路由器主要實現(xiàn)的功能是集中轉(zhuǎn)發(fā)，總線交換。最初的IP網(wǎng)絡并不大，網(wǎng)關(guān)所需連接的設備及其需要處理的負載也很小。這一時期的網(wǎng)關(guān)(路由器)基本上可以用一臺計算機插上多塊網(wǎng)絡接口卡的方式來實現(xiàn)。

第二代路由器則能夠?qū)崿F(xiàn)"集中+分布"式轉(zhuǎn)發(fā)，路由器的接口模塊化，總線交換。第二代路由器在如何提高網(wǎng)絡接口數(shù)量，如何降低CPU、總線的負擔上作出了改進，第二代路由器在網(wǎng)絡接口卡上進行一些智能化處理，它將少數(shù)常用的路由信息采用Cache技術(shù)保留在業(yè)務接口卡上，使大多數(shù)報文直接通過業(yè)務板Cache的路由表進行轉(zhuǎn)發(fā)，減少對總線和CPU的請求，僅僅對Cache中找不到的報文送交CPU處理。第二代路由器的轉(zhuǎn)發(fā)性能有了較大提升，并可根據(jù)具體的網(wǎng)絡環(huán)境提供豐富的連接方式和接口密度，在互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)中都獲得了廣泛應用。

第三代路由器則實現(xiàn)了完全的分布轉(zhuǎn)發(fā)。上世紀90年代出現(xiàn)的Web技術(shù)使IP網(wǎng)絡得到了極大發(fā)展，用戶的訪問面大大擴展，在虛擬世界里面訪問的地方也不再那樣固定，于是經(jīng)常出現(xiàn)無法從Cache找到路由的現(xiàn)象，總線、CPU的瓶頸效應再次出現(xiàn)。為此，第三代路由器采用全分布式結(jié)構(gòu)，路由與轉(zhuǎn)發(fā)分離，由主控板負責整個設備的管理和路由的收集、計算功能，并將計算出的轉(zhuǎn)發(fā)表下發(fā)到各業(yè)務板，而各業(yè)務板則根據(jù)保存的路由轉(zhuǎn)發(fā)表獨立地進行路由轉(zhuǎn)發(fā)。因此第三代路由器最大的兩點是使轉(zhuǎn)發(fā)性能得到了提高，在90年代中期，第三代路由器成為Internet骨干主流設備。

當路由器發(fā)展到第四代的時候，它實現(xiàn)了ASIC分布轉(zhuǎn)發(fā)，并用網(wǎng)絡交換代替了以往各代所使用的總線交換。在上世紀90年代中后期，網(wǎng)絡流量，特別是核心網(wǎng)絡的流量以指數(shù)級數(shù)增長，傳統(tǒng)的基于軟件的IP路由器無法再滿足網(wǎng)絡的發(fā)展需要。而且報文處理中包含的QoS保證、路由查找、二層幀頭的剝離/添加等操作是傳統(tǒng)的路由器無法完成的，于是，一些廠商開始引入ASIC實現(xiàn)方式，將轉(zhuǎn)發(fā)過程的所有細節(jié)全部通過硬件的方式來實現(xiàn)，這使路由器的性能達到千兆比特，即早期的千兆交換式路由器GSR(Gigabit Switch Router)。

時光荏苒，第五代路由器技術(shù)在IP網(wǎng)絡技術(shù)本身的缺陷越來越多暴露出來的時候誕生了。它的能力表現(xiàn)在通過網(wǎng)絡處理器實現(xiàn)分布轉(zhuǎn)發(fā)以及網(wǎng)絡交換。IP地址缺乏，IP業(yè)務服務質(zhì)量問題以及IP安全等問題使人們意識到，業(yè)務才是網(wǎng)絡的真正價值所在，一切技術(shù)都必須圍繞著業(yè)務。于是，網(wǎng)絡管理、用戶管理、業(yè)務管理、MPLS、VPN、可控組播、IP-QoS和流量工程等各種新技術(shù)紛紛出現(xiàn)。IP標準本身也逐步修改成熟。

路由器本身的發(fā)展實際上從一個側(cè)面反映了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，正是網(wǎng)絡的發(fā)展對路由器提出不斷升高的要求，為路由器的發(fā)展提供了空間和方向。而路由器的發(fā)展也使得網(wǎng)絡能夠如愿以償?shù)貙崿F(xiàn)更多功能，最終為人們服務。當我們今天暢游在互聯(lián)網(wǎng)上的時候，我們不能忘記，路由器這個不斷成長著的伙伴，一直就陪在我們身邊不遠的地方。(信息系統(tǒng)工程)