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路由器原理、分类和选购

2004-11-18

上一篇我们已对路由器的基础方面有一个全面的了解,本篇要继续介绍路由器的其它几个方面。首先要介绍的是路由器的工作原理,只有在充分理解了路由器工作原理基础上,才能正确理解路由器的主要作用。   一、路由器的工作原理   我们

上一篇我们已对路由器的基础方面有一个全面的了解,本篇要继续介绍路由器的其它几个方面。首先要介绍的是路由器的工作原理,只有在充分理解了路由器工作原理基础上,才能正确理解路由器的主要作用。

  一、路由器的工作原理

  我们知道路由器是用来连接不同网段或网络的,在一个局域网中,如果不需与外界网络进行通信的话,内部网络的各工作站都能识别其它各节点,完全可以通过交换机就可以实现目的发送,根本用不上路由器来记忆局域网的各节点MAC地址。路由器识别不同网络的方法是通过识别不同网络的网络ID号进行的,所以为了保证路由成功,每个网络都必须有一个唯一的网络编号。路由器要识别另一个网络,首先要识别的就是对方网络的路由器IP地址的网络ID,看是不是与目的节点地址中的网络ID号相一致。如果是当然就向这个网络的路由器发送了,接收网络的路由器在接收到源网络发来的报文后,根据报文中所包括的目的节点IP地址中的主机ID号来识别是发给哪一个节点的,然后再直接发送。

  为了更清楚地说明路由器的工作原理,现在我们假设有这样一个简单的网络。假设其中一个网段网络ID号为"A",在同一网段中有4台终端设备连接在一起,这个网段的每个设备的IP地址分别假设为:A1、A2、A3和A4。连接在这个网段上的一台路由器是用来连接其它网段的,路由器连接于A网段的那个端口IP地址为A5。同样路由器连接另一网段为B网段,这个网段的网络ID号为"B",那连接在B网段的另几台工作站设备设的IP地址我们设为:B1、B2、B3、B4,同样连接与B网段的路由器端口的IP地址我们设为B5,结构如图1所示。


图1

  在这样一个简单的网络中同时存在着两个不同的网段,现如果A网段中的A1用户想发送一个数据给B网段的B2用户,有了路由器就非常简单了。
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首先A1用户把所发送的数据及发送报文准备好,以数据帧的形式通过集线器或交换机广播发给同一网段的所有节点(集线器都是采取广播方式,而交换机因为不能识别这个地址,也采取广播方式),路由器在侦听到A1发送的数据帧后,分析目的节点的IP地址信息(路由器在得到数据包后总是要先进行分析)。得知不是本网段的,就把数据帧接收下来,进一步根据其路由表分析得知接收节点的网络ID号与B5端口的网络ID号相同,这时路由器的A5端口就直接把数据帧发给路由器B5端口。B5端口再根据数据帧中的目的节点IP地址信息中的主机ID号来确定最终目的节点为B2,然后再发送数据到节点B2。这样一个完整的数据帧的路由转发过程就完成了,数据也正确、顺利地到达目的节点。

  当然实际上像以上这样的网络算是非常简单的,路由器的功能还不能从根本上体现出来,一般一个网络都会同时连接其它多个网段或网络,就像图2所示的一样,A、B、C、D四个网络通过路由器连接在一起。


图2

  现在我们来看一下在如图2所示网络环境下路由器又是如何发挥其路由、数据转发作用的。我们同样需要假设,各网络用户的IP地址分配就不多讲了,图2已有标注。现假设网络A中一个用户A1要向C网络中的C3用户发送一个请求信号时,信号传递的步骤如下:

  第1步:用户A1将目的用户C3的地址C3,连同数据信息以数据帧的形式通过集线器或交换机以广播的形式发送给同一网络中的所有节点,当路由器A5端口侦听到这个地址后,分析得知所发目的节点不是本网段的,需要路由转发,就把数据帧接收下来。

  第2步:路由器A5端口接收到用户A1的数据帧后,先从报头中取出目的用户C3的IP地址,并根据路由表计算出发往用户C3的最佳路径。因为从分析得知到C3的网络ID号与路由器的C5网络ID号相同,所以由路由器的A5端口直接发向路由器的C5端口应是信号传递的最佳途经。

  第3步:路由器的C5端口再次取出目的用户C3的IP地址,找出C3的IP地址中的主机ID号,如果在网络中有交换机则可先发给交换机,由交换机根据MAC地址表找出具体的网络节点位置;如果没有交换机设备则根据其IP地址中的主机ID直接把数据帧发送给用户C3,这样一个完整的数据通信转发过程也完成了。

 从上面可以看出,不管网络有多么复杂,路由器其实所作的工作就是这么几步,所以整个路由器的工作原理都差不多。当然在实际的网络中还远比上图2所示的要复杂许多,实际的步骤也不会像上述那么简单,但总的过程是这样的。

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二、路由器的分类

  路由器发展到今天,为了满足各种应用需求,也出现过各式各样的路由器。下面我们就简单地来对整个路由器市场作一个综合分类。

  1. 按性能档次分

  任何商品都好像有一个默认的划分标准,那就大家通常所说的高、中、低档。路由器也一样可分高、中和低档路由器,不过各厂家划分并不完全一致。通常将背板交换能力大于40Gbps的路由器称为高档路由器,背板交换能力在25Gbps~40Gbps之间的路由器称为中档路由器,低于25Gbps的当然就是低档路由器了。当然这只是一种宏观上的划分标准,实际上路由器档次的划分不仅是背板带宽为依据的,是有一个综合指标的。以市场占有率最大的Cisco公司为例,12000系列为高端路由器,7500以下系列路由器为中低端路由器。图3的左、中、右图分别为Cisco的高、中、低三种档次的路由器产品示意图。


图3

  2. 按结构分

  从结构上分,路由器可分为模块化结构与非模块化结构。模块化结构可以灵活地配置路由器,以适应企业不断增加的业务需求,非模块化的就只能提供固定的端口。通常中高端路由器为模块化结构,低端路由器为非模块化结构。图4所示的左、右图分别为非模块化结构和模块化结构路由器产品示意图。


图4



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3. 从功能上划分

  从功能上划分,可将路由器分为核心层(骨干级)路由器,分发层(企业级)路由器和访问层(接入级)路由器。

  ·骨干级路由器:骨干级路由器是实现企业级网络互连的关键设备,它数据吞坦量较大,非常重要。对骨干级路由器的基本性能要求是高速度和高可靠性。为了获得高可靠性,网络系统普遍采用诸如热备份、双电源、双数据通路等传统冗余技术,从而使得骨干路由器的可靠性一般不成问题。骨干级路由器的瓶在转发表中查找某个路由器中,常将一些访问频率较高的目的端口放到Cache中,从而达到提高路由查找效率的目的。

  ·企业级路由器:企业或校园级路由器连接许多终端系统,连接对象较多,但系统相对简单,且数据流量较小,对这类路由器的要求是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互连,同时还要求能够支持不同的服务质量。路由器连接的网络系统因能够将机器分成多个碰撞域,所以可以方便的控制一个网络的大小。此外,路由器还可以支持一定的服务等级,至少允许将网络分成多个优先级别。当然,路由器的每端口造价要贵些,在使用之前要求用户进行大量的配置工作。因此,企业级路由器的成败就在于是否可提供大量端口且每端口造价很低,是否容易配置,是否支持QoS,是否支持广播和组播等多项功能。

  ·接入级路由器:接入级路由器主要应用于连接家庭或ISP内的小型企业客户群体。 接入路由器在不久的将来不得不支持许多异构和高速端口,并能在各个端口运行多种协议。

  5. 从应用划分

  从功能上划分,路由器可分为通用路由器与专用路由器。一般所说的路由器皆为通用路由器。专用路由器通常为实现某种特定功能对路由器接口、硬件等作专门优化。例如接入服务器用作接入拨号用户,增强PSTN接口以及信令能力;VPN路由器用于为远程VPN访问用户提供路由,它需要在隧道处理能力以及硬件加密等方面具备特定的能力;宽带接入路由器则强调接口带宽及种类。

  6. 按所处网络位置划分

  如果按路由器所处的网络位置划分,则通常把路由器划分为"边界路由器"和"中间节点路由器"两类。很明显"边界路由器"是处于网络边缘,用于不同网络路由器的连接;而"中间节点路由器"则处于网络的中间,通常用于连接不同网络,起到一个数据转发的桥梁作用。由于各自所处的网络位置有所不同,其主要性能也就有相应的侧重,如中间节点路由器因为要面对各种各样的网络。如何识别这些网络中的各节点呢?靠的就是这些中间节点路由器的MAC地址记忆功能。基于上述原因,选择中间节点路由器时就需要在MAC地址记忆功能更加注重,也就是要求选择缓存更大,MAC地址记忆能力较强的路由器。但是边界路由器由于它可能要同时接受来自许多不同网络路由器发来的数据,所以这就要求这种边界路由器的背板带宽要足够宽,当然这也要与边界路由器所处的网络环境而定。虽然这两

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