你知道路由器的硬件結(jié)構(gòu)嗎?下面將由學(xué)習(xí)啦小編帶大家來(lái)解答這個(gè)疑問(wèn)吧，希望對(duì)大家有所收獲!

　　路由器的概念

　　路由器(Router)，是連接因特網(wǎng)中各局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的設(shè)備，它會(huì)根據(jù)信道的情況自動(dòng)選擇和設(shè)定路由，以最佳路徑，按前后順序發(fā)送信號(hào)。 路由器是互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的樞紐，"交通警察"。目前路由器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，各種不同檔次的產(chǎn)品已成為實(shí)現(xiàn)各種骨干網(wǎng)內(nèi)部連接、骨干網(wǎng)間互聯(lián)和骨干網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通業(yè)務(wù)的主力軍。路由和交換機(jī)之間的主要區(qū)別就是交換機(jī)發(fā)生在OSI參考模型第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)，而路由發(fā)生在第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。這一區(qū)別決定了路由和交換機(jī)在移動(dòng)信息的過(guò)程中需使用不同的控制信息，所以說(shuō)兩者實(shí)現(xiàn)各自功能的方式是不同的。

　　路由器(Router)又稱網(wǎng)關(guān)設(shè)備(Gateway)是用于連接多個(gè)邏輯上分開(kāi)的網(wǎng)絡(luò)，所謂邏輯網(wǎng)絡(luò)是代表一個(gè)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)或者一個(gè)子網(wǎng)。當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)子網(wǎng)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)子網(wǎng)時(shí)，可通過(guò)路由器的路由功能來(lái)完成。因此，路由器具有判斷網(wǎng)絡(luò)地址和選擇IP路徑的功能，它能在多網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)環(huán)境中，建立靈活的連接，可用完全不同的數(shù)據(jù)分組和介質(zhì)訪問(wèn)方法連接各種子網(wǎng)，路由器只接受源站或其他路由器的信息，屬網(wǎng)絡(luò)層的一種互聯(lián)設(shè)備。

　　路由器的硬件構(gòu)成

　　一、路由器的硬件構(gòu)成

　　路由器主要由以下幾個(gè)部分組成：輸入/輸出接口部分、包轉(zhuǎn)發(fā)或交換結(jié)構(gòu)部分(switching fabric)、路由計(jì)算或處理部分。

　　輸入端口是物理鏈路和輸入包的進(jìn)口處。端口通常由線卡提供，一塊線卡一般支持4、8或16個(gè)端口，一個(gè)輸入端口具有許多功能。第一個(gè)功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層的封裝和解封裝。第二個(gè)功能是在轉(zhuǎn)發(fā)表中查找輸入包目的地址從而決定目的端口(稱為路由查找)，路由查找可以使用一般的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)在每塊線卡上嵌入一個(gè)微處理器來(lái)完成。第三，為了提供QoS(服務(wù)質(zhì)量)，端口要對(duì)收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行業(yè)務(wù)分類，分成幾個(gè)預(yù)定義的服務(wù)級(jí)別。第四，端口可能需要運(yùn)行諸如SLIP(串行線網(wǎng)際協(xié)議)和PPP(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議)這樣的數(shù)據(jù)鏈路級(jí)協(xié)議或者諸如PPTP(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)隧道協(xié)議)這樣的網(wǎng)絡(luò)級(jí)協(xié)議。一旦路由查找完成，必須用交換開(kāi)關(guān)將包送到其輸出端口。如果路由器是輸入端加隊(duì)列的，則有幾個(gè)輸入端共享同一個(gè)交換開(kāi)關(guān)。這樣輸入端口的最后一項(xiàng)功能是參加對(duì)公共資源(如交換開(kāi)關(guān))的仲裁協(xié)議。普通路由器中該部分的功能完全由路由器的中央處理器來(lái)執(zhí)行，制約了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)速率(每秒幾千到幾萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)包)。高端路由器中普遍實(shí)現(xiàn)了分布式硬件處理，接口部分有強(qiáng)大的CPU處理器和大容量的高速緩存，使接口數(shù)據(jù)速率達(dá)到10Gbps，滿足了高速骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。

　　路由器的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制對(duì)路由器的性能影響很大，常見(jiàn)的轉(zhuǎn)發(fā)方式有：進(jìn)程轉(zhuǎn)發(fā)、快速轉(zhuǎn)發(fā)、優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)、分布式快速轉(zhuǎn)發(fā)。進(jìn)程轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)包從接口緩存拷貝到處理器的緩存中進(jìn)行處理，先查看路由表再查看ARP表，重新封裝數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)包拷貝到接口緩存中準(zhǔn)備傳送出去，兩次查表和拷貝數(shù)據(jù)極大的占用CPU的處理時(shí)間，所以這是最慢的交換方式，只在低檔路由器中使用?？焖俳粨Q將兩次查表的結(jié)果作了緩存，無(wú)需拷貝數(shù)據(jù)，所以CPU處理數(shù)據(jù)包的時(shí)間縮短了。優(yōu)化交換在快速交換的基礎(chǔ)上略作改進(jìn)，將緩存表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作了改變，用深度為4的256叉樹(shù)代替了深度為32的2叉樹(shù)或哈希表(hash)，CPU的查找時(shí)間進(jìn)一步縮短。這兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式在中高檔路由器中普遍加以應(yīng)用。在骨干路由器中由于路由表?xiàng)l目的成倍增加，路由表或ARP表的任何變化都會(huì)引起大部分路由緩沖失效，以前的交換方式都不再適用，最新的交換方式是分布式快速交換，它在每個(gè)接口處理板上構(gòu)建一個(gè)鏡像(mirror)路由表和MAC地址表相結(jié)合的轉(zhuǎn)發(fā)表，該表是深度為4的256叉樹(shù)，但每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)部分是指向另一個(gè)稱為鄰接表的指針，鄰接表中含有路由器成幀所需要的全部信息。這種結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)發(fā)表完全由路由表和ARP表來(lái)同步更新，本身不再需要額外的老化進(jìn)程，克服了其它交換方式需要不斷對(duì)緩存表進(jìn)行老化的缺陷。

　　交換結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)的有總線型、共享內(nèi)存型、Cross-bar空分結(jié)構(gòu)型。總線型結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，所有輸入和輸出接口掛在一個(gè)總線上，同一時(shí)間只有兩個(gè)接口通過(guò)總線交換數(shù)據(jù)。其缺點(diǎn)是其交換容量受限于總線的容量以及為共享總線仲裁所帶來(lái)的額外開(kāi)銷。在調(diào)度共享數(shù)據(jù)傳輸通道上必須花費(fèi)一定的開(kāi)銷，而且總線帶寬的擴(kuò)展受到限制，制約了交換容量的擴(kuò)張，一般在中檔路由器中使用這種結(jié)構(gòu)。共享內(nèi)存型結(jié)構(gòu)中，進(jìn)來(lái)的包被存貯在共享存貯器中，所交換的僅是包的指針，這提高了交換容量，但它受限于內(nèi)存的訪問(wèn)速度和存儲(chǔ)器的管理效率，盡管存貯器容量每18個(gè)月能夠翻一番，但存貯器的存取時(shí)間每年僅降低5%，這是共享存貯器交換開(kāi)關(guān)的一個(gè)固有限制。共享內(nèi)存型結(jié)構(gòu)在早期的中低檔路由器中普遍應(yīng)用。Cross-bar空分結(jié)構(gòu)相當(dāng)于多條并行工作的總線，具有N×N個(gè)交叉點(diǎn)的交叉開(kāi)關(guān)可以被認(rèn)為具有2N條總線。如果一個(gè)交叉是閉合，輸入總線上的數(shù)據(jù)在輸出總線上可用，否則不可用。對(duì)流經(jīng)它的數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，可見(jiàn)開(kāi)關(guān)速度決定了交換容量，隨著各種高速器件的不斷涌現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的交換容量普遍達(dá)到幾十Gbps以上，成為目前高端路由器和交換機(jī)的首選交換結(jié)構(gòu)。

　　路由計(jì)算或處理部分主要是運(yùn)行動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。接收和發(fā)送路由信息，計(jì)算出路由表，為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)提供依據(jù)。各種檔次的路由器的路由表?xiàng)l目的大小存在很大差異，從幾千條到幾百萬(wàn)條不等，因此高端路由器的路由表的構(gòu)造對(duì)路由查找速度影響很大，其路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)常采用二叉樹(shù)的形式，查找與更新的速度都比較快。

　　輸出端口在包被發(fā)送到輸出鏈路之前對(duì)包存貯，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)度算法以支持優(yōu)先等級(jí)要求。與輸入端口一樣，輸出端口同樣要能支持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路層的封裝和解封裝，以及許多較高級(jí)協(xié)議。

　　一般而言，路由器對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)包的交換要經(jīng)過(guò)一系列的復(fù)雜處理，主要有以下幾個(gè)方面：

　　1)壓縮和解壓縮

　　2)加密和解密

　　3)用輸入/輸出訪問(wèn)列表進(jìn)行報(bào)文過(guò)濾

　　4)輸入速率限制

　　5)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址翻譯(NAT)

　　6)處理影響本報(bào)文的任何策略路由

　　7)應(yīng)用防火墻特性對(duì)包進(jìn)行檢查

　　8)處理Web頁(yè)緩沖的重定向

　　9)物理廣播處理，如幫助性地址(ip help address)

　　10)利用啟用的QoS機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)包排隊(duì)

　　11)TTL值的處理

　　12)處理IP頭部中的任選項(xiàng)

　　13)檢查數(shù)據(jù)包的完整性

　　二、路由器的軟件體系

　　路由器是在軟件控制下進(jìn)行工作的，與普通操作系統(tǒng)相比，其軟件系統(tǒng)是比較簡(jiǎn)潔、全部駐留在存儲(chǔ)器當(dāng)中且受限于原始平臺(tái)的一種操作系統(tǒng)。在商用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的內(nèi)核基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一個(gè)包含TCP/IP協(xié)議棧的接口平臺(tái)，輔以各種功能模塊，形成完整的軟件系統(tǒng)。為最大限度地提高路由器快速交換報(bào)文的能力，該操作系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為具有最小的操作性開(kāi)銷，同時(shí)允許CPU使用最大的帶寬進(jìn)行報(bào)文交換。

　　路由器的軟件系統(tǒng)主要有五個(gè)組成部分：

　　1、進(jìn)程：由執(zhí)行特定任務(wù)的獨(dú)立線程和相關(guān)的數(shù)據(jù)組成，如系統(tǒng)配置維護(hù)的telnet守護(hù)進(jìn)程、客戶端進(jìn)程，F(xiàn)TP進(jìn)程、TFTP進(jìn)程，SNMP進(jìn)程，各種協(xié)議進(jìn)程：IP、TCP、UDP、RIP、OSPF、BGP、ARP、ICMP、IGMP，其它有加解密進(jìn)程、報(bào)文過(guò)濾進(jìn)程、NAT進(jìn)程等。

　　2、內(nèi)核：為系統(tǒng)的其它部分提供基本的系統(tǒng)服務(wù)，如存儲(chǔ)器管理、進(jìn)程調(diào)度、定時(shí)器和時(shí)鐘管理。它為進(jìn)程提供了硬件(CPU和存儲(chǔ)器)資源的管理。

　　3、報(bào)文緩沖：用來(lái)存放將要被交換的報(bào)文。

　　4、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：控制網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)備及其它外圍設(shè)備(如Flash)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口位于進(jìn)程、內(nèi)核、硬件之間，同時(shí)與交換控制軟件有接口。

　　5、交換控制軟件：根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式控制報(bào)文的交換，在高端線速路由器中該部分功能由硬件實(shí)現(xiàn)。