路由器的硬件结构介绍

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图6.23第一代路由器硬件结构示意图图6.23中，物理接口仅负责完成IP包的接收和发送，CPU 负责提取IP包首部信息、查询路由表、决定转发出口等工作。图6.25第三代路由器硬件结构示意图现在的核心网中部署的大型路由器需要处理大量的数据包，具有极高的处理速

1.路由器硬件结构的基本组成

目前常见路由器的基本硬件组成包括主控板、交换网板、线卡板、接口板和背板等，如图6.22所示。

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图6.22　路由器硬件体系结构的基本组成示意图

主控板（Controller Card）主要包含了路由器的主控CPU，一般由X86通用处理器芯片或者低功耗的ARM 芯片等构成，安装并运行路由器操作系统和管理员命令行操作平台等保证路由器正常运行、维护的软件，对其他各板卡进行状态监控和管理。此外，主控板还负责根据路由协议维护更新路由表。

交换网板即实现交换结构（Switching Fabric）的板卡，完成在路由器内部将IP 包从输入端口转发到输出端口的功能。交换结构的硬件随着路由器的发展也经历了不同的阶段，从早期的共享缓存发展到了现在的crossbar架构，由高性能的专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）芯片实现高速交叉开关阵列，已经可以支持多个IP包同时通过不同的线路进行传送，极大地提高路由器的转发速度和系统的吞吐量。

线卡板（Line Card）可以分为上行和下行两部分板卡，分别负责接收和发送IP 包。对于上行板卡而言，接收到的IP包存入本地的输入缓存，读取并解析其首部的目的地址等信息，然后通过本地的转发引擎查询本地缓存中的转发路由表，确定该IP包的转发出口，发送给交换网板。其中的转发引擎（Forwarding Engine）是高速处理器芯片，目前大多采用网络处理器（NP，Network Processor）。转发路由表（Forward Table）是该线卡板根据到达IP包所需查询的路由信息从主控板维护的路由表中获取的对应条目构成的，这样后续具有相同目的地址的IP包再到达时可以直接查询本地的转发路由表，从而节省路由表查询时间，提高处理效率。对于下行板卡而言，主要完成IP包从本端口的转发以及一些QoS管控功能。每个输出端口建立了多个输出缓存队列，IP包根据优先级存入对应队列中，按照路由器指定的优先级调度算法输出，完成转发。由此可见，线卡板完成了路由器查询及转发IP包的主要工作。

接口板（Interface Card）与路由器外接线缆直接相连，完成接收/发送信号的光电转换，并向主控板上报接入状态，一般由光模块和中低性能的专用集成电路（ASIC）芯片或FPGA 芯片处理器组成。

背板（Backplane）是指路由器各板卡间通信的总线，包括数据总线、控制总线和管理总线，分别传输对应类型的数据信息。对于由集群机柜组成的大型路由器，背板还包括了多个机柜之间互通的总线，可以说，背板是路由器设备中各个板卡之间通信的桥梁。

2.路由器硬件结构演进发展

随着互联网网络带宽的迅速增加、数据业务的爆炸性增长以及用户对服务质量要求的不断提高，作为网络核心的路由器的硬件结构也在不断地变化和发展。

最初的路由器采用传统计算机的结构，相当于加了网络物理接口（网卡）的计算机，如图6.23所示，包括共享中央总线、CPU、共享缓存及接入共享总线的多个接口，通常可称为单CPU 共享总线共享缓存结构。

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图6.23　第一代路由器硬件结构示意图

图6.23中，物理接口仅负责完成IP包的接收和发送，CPU 负责提取IP包首部信息、查询路由表、决定转发出口等工作。IP包从一个物理接口进来，经总线存入共享缓存，由CPU进行转发处理决策，然后又经总线送到另一个物理接口发送出去。在共享总线上，某个时刻仅允许传输一个IP包，并且所有经过该路由器的IP包都需要排队依次等待CPU 处理。这样就导致了处理速度慢，限制了系统的吞吐量。另外，系统容错性也不好，CPU 若出现故障容易导致系统完全瘫痪。当网络规模不断扩大时，初期的路由器就不能很好地满足对于处理速度和吞吐量的要求。

随后出现的路由器架构通过增加多个CPU 和分布式缓存来提高处理能力和转发速度，即多CPU 共享总线分布式缓存结构。图6.24（a）给出了一个典型示例。多个处理器组成相对独立的转发引擎，可以同时处理多个IP包的路由信息查询。此外，线卡板上增加了本地缓存，可以存储输入或等待输出的IP包。

在图6.24（a）中，当IP包到达后即存入线卡板的输入缓存中，将IP包首部送至某个转发引擎，根据目的地址信息查询路由表，得到对应的出口信息后，IP包通过共享总线被送往对应的线卡板，存入输出队列并完成转发。多个转发引擎各自独立工作，一般采用轮询的方式分配需要处理的IP包。单独的主控CPU 负责路由表的更新维护，以及其他设备管理工作。这种架构的优点在于增加了并行工作的处理器，提高了路由器整体处理效率；同时转发引擎仅获取IP包首部，减少了经过共享总线传输的数据量。

第二代路由器的另外一种典型架构是将分布式的处理器放置在线卡板上，如图6.24（b）所示。线卡板配置了单独的处理器和本地缓存，进一步加快了对IP 包的处理速度。IP 包到达后提取出首部的目的地址信息，由线卡板上的本地转发引擎搜索对应的本地转发路由表，进行路由决策并获得出口信息。然后通过共享总线将IP包转发至出口对应的线卡板，完成转发。在这种架构下，采用多个处理器能够极大提高路由器的处理速度，配合分布式缓存，降低了数据处理和缓存写入/读取的时延。

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图6.24　第二代路由器硬件结构示意图

为了进一步消除各板卡间通信所需的共享总线导致的性能瓶颈，采用了基于交叉开关设计的crossbar代替了共享总线，如图6.25所示。IP包在从入口线卡板传送到出口线卡板的时候，可以允许多个IP包同时并行传输，各端口之间实现线速无阻塞互连，可扩展性好。系统的交换带宽取决于中央交叉阵列和各模块的能力，不再受单独的共享总线限制。这种架构称为多CPU 交换结构分布式缓存结构。需要注意的是，交换结构可能会出现队头阻塞（HOL Blocking，Head-of-line Blocking）的情况，还需要配合虚拟输出缓存队列等技术以解决该问题。

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图6.25　第三代路由器硬件结构示意图

现在的核心网中部署的大型路由器需要处理大量的数据包，具有极高的处理速度和吞吐量，往往由多个机柜构成，机柜之间使用光纤等高速线缆连接。图6.26给出了由两个机柜组成的路由器示意图，可以由此扩展到多个机柜构成的集群系统。每排线卡板有一个线卡板控制器（LSC，Line Card Shelf Controller），用于多个线卡板组之间的协调控制。该系统还采用了多级交换结构，具有多块交换板卡，也配置了控制模块（FSC，Fabric Shelf Controller）用于多级交换结构之间协调管理。此外，还有路由控制（RC，Route Controller）、管理控制（MC，Management Controller）和系统时钟（CLK，System Clock）等。

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图6.26　集群机柜路由器结构示意图

3.路由器处理IP包过程

从功能的角度，路由器可以分为控制平面、管理平面和数据平面。控制平面主要负责建立和维护内部数据结构，如路由表等。管理平面负责处理各类配置文件，收集并提供各种统计数据，进行路由器的日常维护和能耗监控等。数据平面完成路由与交换的主要功能，实现对IP包的路由查询和转发等。下面以图6.27中的第一代路由器为例，描述IP包的转发处理流程。

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