SJYF-CT0104-C1路由器工作原理.ppt

1、路由器工作原理,V1.0 數(shù)據(jù)用服部,學(xué)習(xí)目標(biāo),熟悉路由器的工作原理 了解路由器的性能指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù) 掌握IP報(bào)文在路由器中的轉(zhuǎn)發(fā),學(xué)習(xí)內(nèi)容,第一章 路由器基本原理 第二章 路由器體系結(jié)構(gòu) 第三章 路由器性能指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù) 第四章 IP報(bào)文在路由器中的轉(zhuǎn)發(fā),學(xué)習(xí)內(nèi)容,第一章 路由器基本原理,什么是路由器,路由器是一種用于網(wǎng)絡(luò)互連的專用設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中具有不可代替的作用，路由器工作在OSI參考模型的第三層（網(wǎng)絡(luò)層），它的主要作用是為收到的報(bào)文尋找正確的路徑，并把它們轉(zhuǎn)發(fā)出去。,路由器的三大功能,存儲(chǔ)功能 存儲(chǔ)接口進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文，如MAC幀、SDH幀、語(yǔ)音壓縮報(bào)文等。 處理功能 對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行處

2、理，如IP頭校驗(yàn)、IP選項(xiàng)處理、轉(zhuǎn)發(fā)尋址、TTL處理、上層協(xié)議處理等。 轉(zhuǎn)發(fā)功能 處理完成的數(shù)據(jù)報(bào)文從接口轉(zhuǎn)發(fā)出去，數(shù)據(jù)報(bào)文分段、鏈路層地址映射、物理地址映射等。,路由器的常見實(shí)現(xiàn)方式,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)方式 所有數(shù)據(jù)報(bào)文的處理由單CPU系統(tǒng)完成； 優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活，成本低；缺點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)性能差，可靠性要求不高； ZXR10 GAR，ZXR10 18&28&38采用這種方式。 并行處理器結(jié)構(gòu)方式 每個(gè)線卡上都有獨(dú)立的NP和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文處理； 優(yōu)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)性能高，可靠性高；缺點(diǎn)成本高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜； ZXR10 GER/T64/T128/T600/T1200采用這種方式。 ASIC處理結(jié)構(gòu)方式 每個(gè)線卡上都

3、有獨(dú)立的ASIC芯片和CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文處理； 優(yōu)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)功能由硬件完成，轉(zhuǎn)發(fā)性能極高，可靠性高；缺點(diǎn)成本極高，靈活性不夠，實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜； 目前自研的路由器還沒有采用這種方式。,路由器工作原理,路由器中分組數(shù)據(jù)報(bào)文的處理路徑,路由器提供了兩種不同的報(bào)文處理路徑： 數(shù)據(jù)路徑：處理目的地址不是本路由器而需要轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文，因此數(shù)據(jù)路徑是整個(gè)路由器的關(guān)鍵路徑，它的實(shí)現(xiàn)好壞直接影響著路由器的整體性能。 控制路徑：處理目的地址是本路由器的高層協(xié)議報(bào)文，特別是各種路由協(xié)議報(bào)文。雖然控制路徑不是路由器的關(guān)鍵路徑，但是它負(fù)責(zé)完成路由信息的交互，從而保證了數(shù)據(jù)路徑上的報(bào)文沿著最優(yōu)的路徑轉(zhuǎn)發(fā)。,學(xué)習(xí)內(nèi)容,第二章 路由器體

4、系結(jié)構(gòu),路由器體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史上,路由器體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史下,中高端路由器通用硬件體系結(jié)構(gòu),中高端路由器通用軟件體系結(jié)構(gòu),ZXR10高端路由器硬件體系結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)發(fā)引擎和路由引擎分開 路由計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)管理物理分離 采用網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù), 輔助FPGA實(shí)現(xiàn)快速路由表查找和轉(zhuǎn)發(fā) 采用高速空分交換技術(shù),無(wú)阻塞交換 采用固定分級(jí)的路由表查找技術(shù),ZXR10中端路由器硬件體系結(jié)構(gòu),ZXR10中高端路由器軟件體系結(jié)構(gòu),分布式的軟件構(gòu)架；是一個(gè)技術(shù)門檻,轉(zhuǎn)發(fā)流程功能框圖,報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑示意圖,ZXR10低端路由器硬件體系結(jié)構(gòu),ZXR10低端路由器軟件體系結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)內(nèi)容,第三章 路由器性能指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù),幾個(gè)重要的路

5、由器性能指標(biāo)（1）,背板容量 背板能力是路由器的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。背板能力能夠體現(xiàn)在路由器吞吐量上：背板能力通常大于依據(jù)吞吐量和測(cè)試包長(zhǎng)所計(jì)算的值。但是背板能力只能在設(shè)計(jì)中體現(xiàn)，一般無(wú)法測(cè)試。 全雙工限速轉(zhuǎn)發(fā)能力 路由器最基本且最重要的功能是數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。在同樣端口速率下轉(zhuǎn)發(fā)小包是對(duì)路由器包轉(zhuǎn)發(fā)能力最大的考驗(yàn)。全雙工線速轉(zhuǎn)發(fā)能力是指以最小包長(zhǎng)（以太網(wǎng)64字節(jié)、POS口40字節(jié)）和最小包間隔（符合協(xié)議規(guī)定）在路由器端口上雙向傳輸同時(shí)不引起丟包。該指標(biāo)是路由器性能重要指標(biāo)。 設(shè)備吞吐量 指設(shè)備整機(jī)包轉(zhuǎn)發(fā)能力，是設(shè)備性能的重要指標(biāo)。路由器的工作在于根據(jù)IP包頭或者M(jìn)PLS標(biāo)記選路，所以性能指標(biāo)是轉(zhuǎn)發(fā)包數(shù)量每秒

6、。設(shè)備吞吐量通常小于路由器所有端口吞吐量之和。,幾個(gè)重要的路由器性能指標(biāo)（2）,支持的接口種類 用戶可用槽位數(shù)和端口密度 CPU和內(nèi)存 路由表容量和路由學(xué)習(xí)速度,路由器的關(guān)鍵技術(shù)速度有關(guān)技術(shù),路由表的快速查找技術(shù) 交換結(jié)構(gòu)和調(diào)度算法 背板總線,路由器的關(guān)鍵技術(shù)服務(wù)質(zhì)量有關(guān)技術(shù),數(shù)據(jù)包分類技術(shù) 數(shù)據(jù)流的分類 Qos問(wèn)題 MPLS和流量工程 阻塞控制,路由器的關(guān)鍵技術(shù)軟件有關(guān)問(wèn)題,軟件重要性 網(wǎng)管系統(tǒng) 計(jì)費(fèi) 配置 軟件穩(wěn)定性,學(xué)習(xí)內(nèi)容,第四章 IP報(bào)文在路由器中的轉(zhuǎn)發(fā),路由表的建立和維護(hù)（1）,路由表是轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包的依據(jù)，以ZXR10高端路由器為例，它是由UPC上的路由處理器(RPU)負(fù)責(zé)建立與

7、維護(hù)的。整個(gè)系統(tǒng)中有三個(gè)層次的路由表 ： 位于RPU的全局路由表（GRT） 位于NPC的局部路由表（LRT）：供軟件查詢 位于NPC的轉(zhuǎn)發(fā)表（FIB）：供硬件查詢,路由表的建立和維護(hù)（2）,路由表的生成和同步步驟,在系統(tǒng)初始化時(shí)，IP模塊根據(jù)靜態(tài)路由和物理端口的配置生成初始全局路由表。 IP模塊將RIP、OSPF、BGP等動(dòng)態(tài)路由協(xié)議生成的路由條目匯總到全局路由表。 全局路由表向局部路由表同步，采用變化量更新和定時(shí)全部更新二種同步的方式，由RPU的IP模塊廣播到NPC的IP模塊，由于廣播的不確定性這二個(gè)IP模塊之間要有消息的應(yīng)答機(jī)制。 NPC的IP模塊每次LRT的變化寫入FIB。,微碼在報(bào)文轉(zhuǎn)

8、發(fā)中的作用,微碼的功能是處理從接口接收進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)包以及從交換網(wǎng)或線卡CPU下來(lái)的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)(或上送)。 微碼的特點(diǎn)可以概括為： 快速、高效。 IXP2400處理能力可以達(dá)到2.125G。 功能簡(jiǎn)單，處理空間有限。復(fù)雜的數(shù)據(jù)包和復(fù)雜的功能都需要上送給CPU來(lái)完成。,微碼處理流程（1）數(shù)據(jù)包的接收,進(jìn)入接口的數(shù)據(jù)包先存儲(chǔ)在隊(duì)列中等待處理。 檢查端口屬性表（up/down， QoS屬性）。 檢查MAC地址。 檢查VLAN（QinQ）。 二層解封裝，這時(shí)的數(shù)據(jù)包的MAC地址將與IP數(shù)據(jù)包分離，另外存在一個(gè)地方（只是偏移了一段地址，沒有丟棄）。,微碼處理流程（2）三層ip包頭的檢查,檢

9、查TTL，對(duì)TTL等于1的數(shù)據(jù)包直接上送到線卡CPU進(jìn)行處理。 檢查IP數(shù)據(jù)包包頭是否含有Option選項(xiàng)，如果有就需要上送給線卡CPU來(lái)處理。 檢查Checksum（僅適用于ATM）。 微碼不檢查Protocal字段，微碼將protocal不為0那些協(xié)議數(shù)據(jù)包統(tǒng)統(tǒng)默認(rèn)為普通IP數(shù)據(jù)包處理，沒有任何區(qū)別。 數(shù)據(jù)包的重組和分割不是微碼的工作。 微碼中間對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行了一些比較簡(jiǎn)單但是必要的檢查，如果數(shù)據(jù)包需要上送給CPU，這些檢查是不夠的。CPU的IP接收模塊還會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行重新的、更加細(xì)致的檢查。,微碼處理流程（3）查找轉(zhuǎn)發(fā)表FIB,微碼在查找路由轉(zhuǎn)發(fā)表的時(shí)候?qū)?shù)據(jù)包的二層頭移開，僅僅檢查的是三

10、層頭（IP報(bào)頭），這時(shí)候某些應(yīng)用層協(xié)議報(bào)（TCP，UDP，ICMP，IGMP等等），他們的三層頭還是IP報(bào)頭，微碼不區(qū)分這些數(shù)據(jù)包的四層報(bào)頭有什么區(qū)別，全部將他們按照普通的IP數(shù)據(jù)包來(lái)處理。如果是目的地址是本地路由的就上送，如果是目的地址不是本地的就將他們視作“路過(guò)包”轉(zhuǎn)發(fā)出去。也就是說(shuō)協(xié)議包只有在目的地址為本地的情況下才會(huì)被微碼上送到CPU上去。 查找完路由之后，微碼執(zhí)行下列兩個(gè)動(dòng)作中的其中一個(gè)： 上送給CPU。 轉(zhuǎn)發(fā)。 對(duì)同時(shí)需要上送和轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包，先進(jìn)行上送寫入CPU隊(duì)列后再執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)作。,微碼處理流程（4）上交換網(wǎng),微碼將數(shù)據(jù)包送上交換網(wǎng)的時(shí)候，會(huì)將二層頭暫時(shí)剝離，在IP報(bào)頭前面加上前

11、導(dǎo)字（交換頭），然后送上交換網(wǎng)。交換網(wǎng)上面的數(shù)據(jù)包一定是三層包。 微碼送數(shù)據(jù)包上交換網(wǎng)的時(shí)候必須要先收到FPGA報(bào)給微碼的ready信號(hào)，如果沒有收到ready信號(hào)，微碼就會(huì)將這些數(shù)據(jù)包丟棄，不送上交換網(wǎng)。 送上交換網(wǎng)的數(shù)據(jù)包要按照優(yōu)先級(jí)的標(biāo)識(shí)，以優(yōu)先級(jí)對(duì)列的方式上交換網(wǎng)。 QoS的處理在數(shù)據(jù)包上交換網(wǎng)之前進(jìn)行。,微碼處理流程（5）下交換網(wǎng),將交換網(wǎng)上下來(lái)的三層數(shù)據(jù)包進(jìn)行二層封裝，加上出接口的MAC。 將IP報(bào)頭的TTL值減1。 將這些數(shù)據(jù)包安排進(jìn)入到相應(yīng)端口發(fā)送隊(duì)列進(jìn)行發(fā)送。端口的硬件發(fā)送引擎再封裝物理包頭，將其發(fā)送出去。,上下交換網(wǎng)的流程示意,微碼處理流程（6）上送CPU,T64E有三種情況的數(shù)據(jù)包是要求上送給CP