【正文】 IP路由器 主要內容 ? IP路由器架構 ? 路由查找 ? 數(shù)據(jù)包分類 1 IP路由器架構 IP路由器的功能 ? IP路由器的基本功能可以分為三類： ? 路由處理： 運行路由協(xié)議，建立并維護路由表。 ? 包轉發(fā)：與轉發(fā) IP包相關的工作，如報頭檢查、路由 查找、報頭修改、包分片等。 ? 特殊服務： 不屬于核心路由的其它功能，包括數(shù)據(jù)包轉換、封裝、流量管理、認證、包過濾等。 IP路由器的一般結構 路由表查找 — Binary Trie ? 將路由表中的地址前綴組織在一棵二元查找樹中。 ? 查找時使用地址前綴的每一位決定樹的分支。 ? 與地址前綴對應的節(jié)點包含了轉發(fā)信息。 ? 查找算法的時間復雜度與地址長度成正比。 路由緩存（ cache） ? 為提高路由查找速度，采用二元查找樹 +路由緩存的方法： ? 路由 cache中存放最近使用過的 目的 IP地址，下一跳 ，用哈希表組織，使用精確匹配查找。 ? 先用目的地址查找路由 cache，不命中再查找路由表。 路由緩存的問題 ? 使用路由緩存的前提是網(wǎng)絡流量具有足夠的局部性，從而 cache的命中率足夠高。 ? 實踐發(fā)現(xiàn)，路由緩存在因特網(wǎng)邊緣比較有效，在因特網(wǎng)核心并不奏效： ? 核心路由器見到的目的地址數(shù)量巨大，可導致緩存溢出或查找速度變慢。 ? 頻繁的路由更新使得 cache中的路由信息很快失效。 IP路由器架構的演變 ? 第一代：基于總線和單處理器 的架構（軟件路由器） ? CPU需要完成全部的網(wǎng)絡處理功能 ? 每個包需穿過總線兩次 ? 路由器的性能嚴重依賴于共享總線的吞吐量以及 CPU的處理速度，不具有擴放性。 第二代：基于總線和多處理器的架構（ 1） ? 卸載包轉發(fā)、路由緩存和包緩存到 NIC上： ? 減少總線拷貝 ? 減輕 CPU負擔 ? 減少查表時間 ? 缺點： ? 吞吐量依賴流量模式 ? 高速時主路由表查找仍是瓶頸。 ? 共享總線是瓶頸。 帶路由緩存的結構 第二代：基于總線和多處理器的架構（ 2） 使用轉發(fā)引擎的結構 ? 轉發(fā)功能由專門的轉發(fā)引擎完成。 ? 轉發(fā)引擎包含自己的路由 cache，只負責解析下一跳和處理包頭。 ? 包載荷總是直接在接口模塊間傳輸。 ? 優(yōu)點：提高了路由器的端口密度。 ? 缺點：共享總線仍然是瓶頸。 第三代：基于交換的路由器架構 ? 控制卡、線卡和轉發(fā)引擎卡通過一個高速交換結構連接： ? 每塊線卡包含多個網(wǎng)絡接口 ? 每塊轉發(fā)引擎卡包含路由緩存，負責包頭處理與轉發(fā) ? 控制卡提供基本的管理功能。 使用交換結構代替共享總線 Crossbar交換結構 ? 使用 N M 個交叉開關連接輸入與輸出端口 ? 控制器硬件處理端口競爭 ? 多個端口之間可以并行傳輸，集合吞吐率高 使用轉發(fā)數(shù)據(jù)庫（ FIB）代替路由緩存 ? 當網(wǎng)絡拓撲頻繁變化、流量模式高度隨機時，網(wǎng)絡流量主要通過主 CPU而不是路由緩存轉發(fā)。 ? 大型路由器的一個接口上可能同時存在上千萬條活躍的并發(fā)流，硬件 cache很難實現(xiàn)，而軟件哈希表的查找性能無法得到保證。 ? 解決方案： ? 在每個網(wǎng)絡接口上用轉發(fā)數(shù)據(jù)庫（ Forward Information Base， IP路由表的完整鏡像）取代路由緩存。 小結 ? 路由器架構基本上是從集中式向分布式演變： ? 將協(xié)議棧的處理功能分布到主控制板及各個網(wǎng)絡接口卡上，消除處理和訪存瓶頸 ? 使用交換結構消除內部總線瓶頸 ? 針對路由器結構的各種改進都是要消除處理、訪存、總線三個性能瓶頸。 路由器中的快路徑和慢路徑 ? 快路徑（關鍵路徑）： ? 由時間關鍵的處理任務構成：與包轉發(fā)直接相關的任務是時間關鍵任務。 ? 快路徑的速度直接影響路由器的性能，一般在網(wǎng)絡接口上實現(xiàn)，且大多用硬件實現(xiàn)。 ? 慢路徑（非關鍵路徑）： ? 由非時間關鍵的處理任務構成：與包轉發(fā)不直接相關的任務一般 是非時間關鍵任務。 ? 慢路徑一般在 CPU上用軟件實現(xiàn)。 快路徑 or 慢路徑？ 分布式路由器結構中的功能劃分 Cisco路由器架構的演變 ? RSP執(zhí)行以下任務： ? 基本包交換，使用FIB代替路由緩存。 ? 基本包轉發(fā)之外的服務，如加密、壓縮、訪問控制、QoS、流量統(tǒng)計等。 ? 運行路由協(xié)議。 ? 其它維護功能，如網(wǎng)絡管理。 Cisco 7500 Route Switch Processor ? Cisco 7500（ 1995年） Cisco 7500（續(xù)） ? 每個 VIP有處理器，執(zhí)行 IP包交換和基本包轉發(fā)之外的服務。 ? RSP處理其它重要任務，如路由協(xié)議、非 IP流量、網(wǎng)絡管理等。 Cisco Versatile Interface Processor 1996年引入 VIP接口板 Cisco 10000 ESR（邊緣服務路由器） ? 線卡（ 8塊）：管理自己的接口類型，通過背板向 PRE發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。 ? PRE（主、備各一塊）： ? RP：運行路由協(xié)議，更新路由表，其它控制面功能。 ? FP：用網(wǎng)絡處理器實現(xiàn)的轉發(fā)路徑。 ? 使用點對點鏈路連接每一個 PRE和每一塊線卡。 Cisco ASR1000 路由器架構的進一步發(fā)展 ? 更多的包處理功能加到快路徑上： ? 包過濾、深度數(shù)據(jù)包檢查、流量管理等原先屬于特殊服務的功能，現(xiàn)在也加入到了快路徑上。 ? 板卡之間的高速互聯(lián)： ? 更高帶寬的互聯(lián)結構代替原先的交換結構。 基于通用多核處理器的路由器 ? 通用多核處理器的出現(xiàn)為構建高速路由器提供了一種新的可選方案： ? 通用多核處理器為線程級并行而優(yōu)化，特別適合具有天然線程級并行特性的網(wǎng)絡處理任務。 ? 通用處理器的計算能力很強大，存儲資源很豐富，能夠承擔很復雜的包處理任務。 ? 設計中已經考慮了適合網(wǎng)絡處理的有用特性。 Intel Nehalem 8核處理器內部結構 ? 8個核，每個核自帶256KB L2 cache ? 8個核共享一個 L3 cache ? 內置內存控制器 ? 微內核與內存控制器之間使用crossbar交叉互聯(lián) ? 內置 QPI接口，允許與其它處理器進行高速點對點連接 多個處理器互聯(lián) ? NehalemEX 的最高配置是 4 芯 32 核。 ? 每一顆 NehalemEX 芯片都與其他 3 顆芯通過QuickPath 點對點相聯(lián)。 RouteBricks [3] ? 隨著網(wǎng)絡處理功能越來越復雜及 ISP競相提供新的服務，可編程、可擴展的網(wǎng)絡設備重新引起人們的關注。 ? 高性能和可編程性（可擴展性）是一對矛盾： ? 高端路由器依靠專用、封閉的硬件和軟件來獲得高速度，但很難擴展。 ? 軟件路由器利用通用平臺上的軟件執(zhí)行包處理任務，易于編程，但只適用于低速環(huán)境。 構建可擴展高速路由器的方法（ 1） ? 從已有的高端專用設備入手，增強其可編程性： ? 專用設備開放有限的 API，允許第三方修改 /擴展設備中的軟件部分，但這些修改通常不涉及核心包處理。 ? 利用網(wǎng)絡處