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IP路由器 主要内容 IP路由器架构的演变 IP路由查找 数据包分类 IP路由器架构的演变 1.1 IP路由器的一般结构 IP路由器的基本功能 路由处理： 通过运行路由协议来学习网络的拓扑结构，建立并维护路由表。 包转发： IP包检验（如版本号、头长度、头校验等）、目的IP地址解析及查表、包头修改（如TTL域修改、头校验生成）、IP包分片等。 特殊服务： 不属于核心路由的其它功能，包括数据包转换、封装、流量管理、认证、包过滤等。 路由表查找 最早的路由表查找方法采用二元查找树+路由cache，路由cache存放最近使用过的目的IP地址，下一跳，通常组织成一个哈希表，使用简单的精确匹配查找方法。 使用路由cache的前提是网络流量具有足够的局部性，从而cache的命中率足够高。 实践发现，路由cache在因特网边缘比较有效，在因特网核心并不奏效： 核心路由器见到的目的地址数量巨大，可导致缓存溢出或查找速度变慢； 频繁的路由更新使得cache中的路由信息很快失效。 二元查找树 将路由表中的地址前缀组织在一棵二元查找树中； 查找时使用地址前缀的每一位决定树的分支； 与地址前缀对应的节点包含了转发信息； 查找算法的时间复杂度与地址长度成正比。 1.2 IP路由器架构的演变 第一代：基于总线和单处理器的架构（软件路由器） 第二代：基于总线和多处理器的架构（1） 将包转发、路由cache和包缓存分布到各个NIC上： 减少总线拷贝次数 减轻CPU负担 减少查表时间 缺点： 吞吐量依赖于流量模式（路由cache命中率）。 高速情况下，主路由表很容易成为瓶颈。 共享总线仍是瓶颈。 第二代：基于总线和多处理器的架构（2） 使用转发引擎的结构 第三代：基于交换的路由器架构 控制卡、多块线卡和转发引擎卡通过一个交换结构连接： 每个线卡包含一个或多个网络接口； 每个转发引擎卡包含一组转发表和路由cache，负责包头的处理与转发； 控制卡提供基本的管理功能，如路由表生成和链路管理。 Crossbar交换结构 使用N×M 个交叉开关连接输入与输出端口； 控制器硬件处理端口竞争； 多个端口之间可以并行传输，集合吞吐率高。 使用转发数据库（FIB）代替路由cache 路由cache采用demand-caching模式： 当目的地址不在cache中时，包转发变为基于软件的路由查找； 当网络拓扑频繁变化（路由失效快）、流量模式高度随机（缓存的路由信息重用率低）时，网络流量主要通过主CPU而不是路由cache转发。 目前骨干路由器的一个接口上可能同时存在上千万条活跃的并发流，硬件cache很难实现，而软件哈希表的查找性能无法得到保证。 高度随机的流量模式和频繁的拓扑变化消除了从路由cache获得的任何好处，需要一种新的转发模式。 解决方案：在每个网络接口上用转发数据库（IP路由表的完整镜像）取代路由cache。 快路径和慢路径 分布式路由器的设计关键是快路径和慢路径的划分。 快路径（关键路径）： 由时间关键的处理任务构成，与包转发直接相关的任务是时间关键任务，如IP包检查、目的地址解析和查表、TTL控制和头校验生成等。 快路径的速度直接影响IP路由器的性能，因此一般在网络接口上实现，大多数高速路由器用硬件实现快路径。 慢路径（非关键路径）： 由非时间关键的处理任务构成，与发送给路由器本身的包相关的处理任务是非时间关键任务，如ICMP包、路由协议包、网络管理消息等。 慢路径一般在CPU上实现。 快路径 or 慢路径？ 分布式路由器结构中的功能划分 1.3 Case study RSP执行以下任务 数据包交换，使用FIB而不是路由缓存，称为CEF（Cisco Express Forwarding）交换模式。 提供基本包转发之外的服务，如加密、压缩、访问控制、QoS、流量统计等。 运行路由协议。 其它维护功能，如网络管理。 Cisco 7500（续） 每个VIP有自己的处理器，执行IP数据包交换和基本包转发之外的服务。 RSP处理其它重要任务，如路由协议、非IP流量、网络管理等。 Cisco 10000 ESR（边缘服务路由器） 线卡（8块）：管理自己的接口类型，通过背板向PRE发送和接收数据包。 PRE（主、备各一块）：包括路由处理器RP和转发路径FP两个主要部分： RP：运行路由协议，更新路由表，其它控制面功能。 FP：转发路径。 使用点对点链路连接每一个PRE和每一块线卡，带宽高，故障隔离。 转发路径 转发路径使用PXF（Parallel Express Forwarding）网络处理器获得高吞吐量。 每个PXF网络处理器由16个微码编程的处理器（eXpress Micro Controller，XMC）组成，每个处理器是一个专为包处理而定制的独