计算机网络浅析之 路由器基础

bianlei

一、路由器的工作原理　　
   大家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，现在大家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地址大家设为：B1、B2、B3、B4，同样连接与B网段的路由器端口的IP地址大家设为B5，结构如图1所示。
　　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。
　　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。
　　现在大家来看一下在如图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。大家同样需要假设，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。
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。下面大家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企业为例，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。
　　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。
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*性。为了获得高可*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*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，同时还要求能够支撑不同的服务质量。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，路由器还可以支撑一定的服务等级，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，是否支撑QoS，是否支撑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撑许多异构和高速端口，并能在各个端口运行多种协议。
　　4. 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。
　　5. 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？*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。虽然这两种路由器在性能上各有侧重，但所发挥的作用却是一样的，都是起到网络路由、数据转发功能。
　　6. 从性能上划分
　　从性能上分，路由器可分为线速路由器以及非线速路由器。所谓"线速路由器"就是完全可以按传输介质带宽进行通畅传输，基本上没有间断和延时。通常线速路由器是高端路由器，具有非常高的端口带宽和数据转发能力，能以媒体速率转发数据包；中低端路由器是非线速路由器。但是一些新的宽带接入路由器也有线速转发能力。
三、路由器的选购
　　路由器因为它的价格昂贵，且配置复杂，所以绝大多数用户对路由器的选购显得非常茫然，大多数系统管理员都对此也是一无所知。为此我在此就路由器的选购方面作一个简单的说明，希翼对那些朋友有所帮助。路由器的选购主要从以下几个方面加以考虑：
　　1、路由器的管理方式
　　路由器最基本的管理方式是利用终端（如Windows 系统所提供的超级终端）通过专用配置线连接到路由器的"Console"端口（配置端口）直接进行配置。因为新购买的由器配置文件是空的，所以用户购买路由器以后一般都是先使用此方式对路由器进行基本的配置（具体方法参照前面的先容）。但仅仅通过这种配置方法还不能对路由器进行全面的配置，以实现路由器的管理功能，大家只有在基本的配置完成后再进行有针对性的项目配置（如通信协议、路由协议配置等），这样大家才可以更加全面地实现路由器的网络管理功能。还有一种情况，就是有时大家可能需要改变路由器的许多设置，而自己并不在路由器旁边，无法连接专用配置线，这时就需要路由器提供远程Telnet程序进行远程访问配置，或者MODEM拨号来进行远程登录配置，还可以通过Web的方式来实现路由器的远程配置。现在一般的路由器都可能具有一种或几种这种远程配置管理方式。
　　2、路由器所支撑的路由协议
　　因为路由器所连接的网络可能存在根本不同类型的网络，这些网络所支撑的网络通信、路由协议也就有可能不一样，这时对于在网络之间起到连接桥梁作用的路由器来说，如果不支撑一方的协议，那就无法实现它在网络之间的路由功能，为此在选购路由器时也就要注意所选路由器所能支撑的网络路由协议有哪些，特别是在广域网中的路由器。因为广域网路由协议非常多，网络也是相当复杂，如目前电信局提供的广域网线路主要有X.25、帧中继、DDN等多种。但是作为用于局域网之间的路由器来说相对就较为简单些，因此选购的路由器要考虑路由器目前及将来的企业实际需求，来决定所选路由器要支撑何种协议。
　　3、路由器的安全性保障
　　现在网络安全也是越来越受到用户的高度重视了，无论是个人还是单位用户，而路由器作为个、事业单位内部网和外部进行连接的设备，能否提供高要求的安全保障就极其重要了。目前许多厂家的路由器可以设置访问权限列表，达到控制哪些数据才可以进出路由器，实现防火墙的功能，防止非法用户的入侵。另外一个就是路由器的NAT（网络地址转换）功能，使用路由器的这种功能，就能够屏蔽企业内部局域网的网络地址，利用地址转换功统一转换成电信局提供的广域网地址，这样网络上的外部用户就无法了解到企业内部网的网络地址，进一步防止了非法的用户入侵稳定性。
　　4、丢包率
　　路由器作为数据转发的网络设备就存在一个丢包率的概念。丢包率就是在一定的数据流量下路由器不能正确进行数据转发的数据包在总的数据包中所占的比例。丢包率的大小会影响到路由器线路的实际工作速度，严重时甚至会使线路中断。小型企业一般来说网络流量不会很大，所以出现丢包现象的机会也很小，在此方面小型企业不必作太多考虑，而且一般来说路由器在此方面都还是可以接受的。
　　5、背板能力
　　背板能力通常是指路由器背板容量或者总线带宽能力，这个性能对于保证整个网络之间的连接速度是非常重要的。如果所连接的两个网络速率都较快，而由于路由器的带宽限制，这将直接影响了整个网络之间的通信速度。所以一般来说如果是连接两个较大的网络，网络流量较大时应格外注意一下路由器的背板容量，但是如果在小型企业网之间一般来说这个参数也是不用特别在意的，因为一般来说路由器在这方面都能满足小型企业网之间的通信带宽要求。
　　6、吞吐量
　　路由器的吞吐量是指路由器对数据包的转发能力，如较高档的路由器可以对较大的数据包进行正确快速转发；而较低档的路由器则只能转发小的数据包，对于较大的数据包需要拆分成许多小的数据包来分开转发，这种路由器的数据包转发能力就差了，其实这与上面所讲的背板容量是有非常紧密的关系的。
　　7、转发时延
　　指需转发的数据包最后一比特进入路由器端口到该数据包第一比特出现在端口链路上的时间间隔，这与上面的背板容量、吞吐量参数也是紧密相关的。
　　8、路由表容量
　　路由表容量是指路由器运行中可以容纳的路由数量。一般来说越是高档的路由器路由表容量越大，因为它可能要面对非常庞大的网络。这一参数是受路由器自身所带的缓存大小有关，一般的路由器也不需太注重这一参数，因为一般来说都能满足网络需求。
　　9、可靠性
　　可*性是指路由器的可用性、无故障工作时间和故障恢复时间等指标，当然这一指标只能凭开发商自己吹了，新买的路由器暂时无法验证。不过这可以从选购信誉较好、技术先进的品牌作保障。