路由协议和架构/网络设备架构提示

路由器的架构一直在不断发展，以不断提高其数据包处理能力

• 第一代（直到 1990 年初）：低于 500 Mbps；
• 第二代（1990 年初）：约 5 Gbps；
• 第三代（1990 年后期）：从 50 Gbps 开始；
• 多机箱（最近趋势）：Tbps 数量级。

第一代

第一代路由器架构。

第一代路由器基本上是经过修改的个人电脑

• 网络接口：它们是普通的网卡，数量更多，种类更多，与普通个人电脑上的网卡相比；
• 内存：固态存储器（例如 SD 卡）优先，因为与机械硬盘相比，它不太容易出现故障；
• 操作系统：专门针对网络流量处理进行了优化。

优点

• 规模经济：它使用大规模生产的组件，而不是专门用于网络世界的组件。

缺点

• 瓶颈:
  • 共享总线:
    • 慢速路径：每个数据包在总线上传输两次；
    • 仲裁：一次只有一个网卡可以使用总线→多个接口不能并行工作；
  • 内存访问：路由表存储在通用内存中的数据结构中→访问不像传统个人电脑那样本地化，并且缓存很少使用；
  • 处理能力：每当数据包到达时，CPU 都会中断操作系统；
• 网络接口：传统的网卡没有很多端口，并且只支持最常见的接口类型；
• 维护成本：使用开源组件（例如 PPP 客户端）会导致集成问题和各种配置方式。

目前这种架构用于中低端路由器，其性能足以满足小型办公室的需求。

第二代

第二代路由器架构。

第二代路由器试图通过将处理负载从核心 CPU 转移到边缘单元来解决性能问题：网卡被线路卡取代，线路卡是“智能”网卡，它们将转发模块添加到物理/MAC 组件中

• CPU：数据包处理器是专门用于“简单”数据包处理的处理器；
• 内存：每个传入的数据包都被存储到一个本地内存中，该内存与包含路由表的内存（通常是 TCAM）分开；
• 路由表：有时更新后的路由表会从中央单元复制到线路卡。

数据包可以遵循两种方式

• 快速路径：符合典型情况（例如 IPv4）的数据包只在总线上传输一次：它们由数据包处理器直接处理，并立即发送到输出接口；
• 慢速路径：最不频繁的数据包（例如 IPv6、OSPF）会留给核心 CPU 进行更复杂的处理，但吞吐量明显降低。

线路卡的工作应由核心 CPU 协调，路由协议（例如 OSPF）也在核心 CPU 上运行，核心 CPU 安装在高端系统中的称为监管器的卡上。

优点

• 核心 CPU：它只为快速路径上的数据包工作→它可以不太强大；
• 快速路径优化：连接中的第一个数据包会走慢速路径，然后中央系统会将该连接标记为符合快速路径的条件，所有后续数据包都将走快速路径；
• 灵活性：引入新协议（例如 IPv6）只需要更新中央系统上的软件。

缺点

• 共享总线仲裁：一次只有一个线路卡可以使用总线→多个接口不能并行工作。

第三代

第三代路由器架构。

第三代路由器专注于解决并行化问题，用交换结构（或交叉开关）取代共享总线，该结构能够处理多个传输：一个线路卡通过短路交换矩阵中它们“线”的交点来连接到另一个线路卡。

两个线路卡不能同时连接到同一个线路卡→需要一个仲裁器，它驱动切换点并解决争用情况，避免冲突。

当输出接口的发送数据包速度比交换结构的交换速度慢时，数据包可以以各种方式排队

• 输出排队：缓冲区放置在输出接口上→最坏情况：交换结构的速度是接收速度的N倍，其中N=输入接口的数量；
• 输入排队：缓冲区放置在输入接口上→交换结构的交换速度不依赖于输入接口的数量，但会遇到行首阻塞问题
  1. 两个输入队列中的两个数据包都将发送到同一个输出队列；
  2. 仲裁器让其中一个数据包通过，阻塞另一个数据包；
  3. 输入队列中的所有后续数据包，即使是那些要发送到空闲输出队列的数据包，都必须等待“行首”；
• 虚拟输出排队：通过在每个输入处为每个输出保留一个队列来解决行首阻塞问题；
• 带缓冲交换结构：缓冲区放置在交叉开关内部的切换节点位置。

缺点

• 仲裁器:
  • 它构成了一个瓶颈，尤其是在由于数据包较小而频繁做出决策的情况下（例如 ATM）；
  • 服务质量的调度策略可能会使其硬件更加复杂；
• 队列缓冲区：它们是昂贵的内存，因为它们必须很快。

多机箱路由器

多机箱路由器旨在实现可扩展性：连接多个并排机架，使其看起来像一台路由器

• 处理能力乘以机箱的数量；
• 有更多用于网络接口的物理空间→可以将大量的链接连接到同一个设备；
• 路由集中在一个站点（就像电话世界一样），而不是分散在网络上的许多小型路由器→数据站点可以为一个广阔的地理区域（例如皮埃蒙特）内的所有用户提供服务。

服务卡

另一个最近的趋势旨在提高灵活性：路由器不再是纯粹的第 3 层设备，因为正在添加许多不属于第 3 层的其他功能，例如缓存、防火墙、网络监控、ACL 等。目标是定制 ISP 提供的服务，将目前掌握在内容提供商手中的部分业务带回。

目前常用的解决方案是服务卡，这是一种增强了增值服务的线路卡，由制造商预先配置。但是，服务卡的灵活性不高：由于不可编程，因此需要购买新的服务卡才能添加服务。

当前主要问题

吞吐量现在不再是问题，但当前的主要问题是

• 购买成本：为了降低网络设备的成本，专用组件正在被大规模生产的通用组件取代
  • 主流 CPU 的产品生命周期太短，更换时间太长→英特尔最近推出了嵌入式 CPU，与主流 CPU 相比，嵌入式 CPU 的产品生命周期更长，更换时间更短；
  • 在专用系统中，程序员可以利用内存层次结构，将 RIB 存储到慢速内存中，将 FIB 存储到快速内存中（例如 TCAM），而通用系统会自动决定将什么放入缓存中→具有分区内存但处理通用性有限的 GPU 应该得到解决；
• 运营成本: 电力消耗和热量散发可能非常大；
• 灵活性: 需要朝着将控制功能与物理硬件分离的方向发展： C3. 软件定义网络简介.