2.3 勤奮的引路者——路由器

1.路由器能干什么

路由器是組成IP網(wǎng)絡(luò)最主要的選路設(shè)備。

路由器是一個能夠讓進(jìn)入其體內(nèi)的、攜帶原始信息的數(shù)據(jù)包選擇出口道路的盒子。

路由器是一個引路者，當(dāng)你在陌生的城市里，找不到到達(dá)目的地的道路，引路者將指引你正確的方向，并將你送達(dá)出口。

路由器是一個信息中轉(zhuǎn)站，它能夠?qū)⒉煌剖降木W(wǎng)絡(luò)連接在一起。數(shù)據(jù)可能以各種方式進(jìn)入路由器，比如以太網(wǎng)幀、ATM信元、SDH幀、PPP幀、HDLC幀、幀中繼幀等。無論采用哪種方式，路由器都會把數(shù)據(jù)打開并進(jìn)行分析，根據(jù)出口線路的類型重新封裝到幀或者信元里面。就像貨物乘船從水路進(jìn)入港口，而在港口又被打包到火車上運(yùn)送到內(nèi)地。

路由器還是一臺特殊的計算機(jī)，雖然它長得和我們經(jīng)常使用的計算機(jī)看起來區(qū)別實在太大（當(dāng)然，計算機(jī)的概念早已經(jīng)被擴(kuò)大化了）。最早的路由器，就完全采用傳統(tǒng)計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。它也有CPU、內(nèi)存、中央總線、掛在共享總線上的多個網(wǎng)絡(luò)物理接口。

路由器專門執(zhí)行各種路由協(xié)議（后面章節(jié)將專門介紹路由協(xié)議），并進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作。也就是說，它擅長做TCP/IP協(xié)議規(guī)定的內(nèi)容，卻不擅長做繪圖、科學(xué)計算、電子游戲、多媒體處理等方面的工作。

路由器還能做很多諸如安全、VPN、流控、負(fù)載均衡等方面的工作，每個制造者都有不同的構(gòu)想，他們往往賦予路由器更多的使命。

路由器的接口類型可以涵蓋通信技術(shù)中幾乎所有的接口類型，選擇哪些接口類型的路由器，這完全取決于他們的應(yīng)用場景。下面是最常用的接口類型。

以太網(wǎng)接口：包括電接口（RJ45居多）和光接口（單?；蚨嗄９饫w接口），光接口的接頭類型很多，外觀都有一定差異，目前較流行的是SPF和SPF+。

E1/E3、T1/T3接口、DS3接口：BNC接口、RJ48接口（和RJ45外觀一樣，只是線序不同），在邏輯上還分信道化、非信道化，信道化是指可以將一個E1/E3、T1/T3、DS3接口拆分成多個邏輯端口，每個邏輯端口可以有自己獨立的IP地址、封裝格式等。

通用串行接口：可轉(zhuǎn)換成X.21DTE/DCE、V.35DTE/DCE、RS232DTE/DCE、RS449DTE/DCE、EIA530DTE等的接口。

POS接口：155M、622M、2.5G、10G等。

電話接口：最常用的是RJ11接口，也就是普通電話機(jī)上的那種接口。

另外還有ATM接口（2M、8M/IMA、155M、622M）等。

路由器有自己的記憶。其中最關(guān)鍵的記憶，是它的路由表。

每臺路由器都可以按照一定規(guī)則動態(tài)更新它的記憶，也就是更新自己的路由表（這叫動態(tài)路由）。

有了這張路由表，從某個端口進(jìn)來的IP包才能在其指導(dǎo)下正確地選路。所有的路由協(xié)議，都是為獲取這張可能不斷變化著的路由表服務(wù)的。在第3章，我們將專門向各位介紹各種常用路由協(xié)議的“法律法規(guī)”。

2.路由器的分類

路由器因所管轄范圍不同，體積、容量、端口類型和密度、轉(zhuǎn)發(fā)性能也有很大差異。按照最俗套的分類方法，我們將其分為核心路由器（也可稱作“骨干層路由器”，CR）、匯聚路由器（有人稱作“分發(fā)層路由器”，BR）和接入路由器（又稱“訪問層路由器”，AR）。也有的分類方法舍去了“匯聚路由器”而都?xì)w為接入路由器類。

按照通用的以背板交換能力來區(qū)別，核心路由器的交換容量通常大于40Gbit/s（這些參數(shù)隨著帶寬需求量的增加在不斷升級放大），也就是說，每秒鐘能處理40Gbit位以上的數(shù)據(jù)，一般被用做核心層路由器；2.5Gbit/s～40Gbit/s的，被用作匯聚層路由器；低于2.5Gbit/s的，被稱為“接入路由器”。

如果將網(wǎng)絡(luò)比作管道、終端比作水龍頭，那么核心路由器作為信息傳送樞紐就相當(dāng)于水閘，其處理性能直接影響到管道容量的大小。核心路由器被部署在網(wǎng)絡(luò)核心位置，一般都是大個子。這類路由器的接口類型不多，但接口的速率都很高，很少有2Mbit/s以下的。在線應(yīng)用的核心層路由器，所存儲的路由表一般也非常龐大；由于處于網(wǎng)絡(luò)核心，這類路由器對安全性、穩(wěn)定性要求最高。因此，一般要采用控制部件熱備份、雙電源熱備份、雙數(shù)據(jù)通路等技術(shù)保障硬件可靠性。

常見的核心路由器，有思科的CRS系列，Juniper的T1600系列，華為的NE5000E系列等。

匯聚路由器被部署在核心層和接入層之間，而實際上匯聚層也經(jīng)常采用三層以太網(wǎng)交換機(jī)。匯聚路由器的接口類型豐富，容量中等。

這類路由器起到承上啟下的作用。對下，將用戶側(cè)的數(shù)據(jù)流量收集起來，能在本地做路由的，就盡快做路由，不能在本地做路由的，就向上，將收集起來的流量送到核心路由器上去。

典型的匯聚路由器，如思科的ASR9000系列，Juniper的M120系列，華為的NE40系列等。

接入路由器距離用戶最近，是用戶網(wǎng)絡(luò)和骨干IP網(wǎng)之間的橋梁，容量較小，接口數(shù)量不多，因此每臺路由器的接口種類也不多，但是不同的路由器，接口類型差異很大；一般情況下，這類路由器的路由表表項都很少，甚至很多小企業(yè)或者家庭用的路由器，路由表只有幾條，且都是人工輸入的。這種人工輸入的路由表項，叫作“靜態(tài)路由”。另外，許多接入路由器還支持諸如PPTP、IPSec等VPN協(xié)議。

典型的接入路由器，如思科的26系列，Juniper的E系列，華為的AR系列等。

3.路由器的性能如何提高

路由器是網(wǎng)絡(luò)中的交叉路口，信息在線路上傳送，是不會引起任何擁塞的，那么擁塞的發(fā)生地一定都出現(xiàn)在路口上。這就像道路交通，正常的道路交通，如果不發(fā)生車禍等非可控因素，都是在交叉路口、道路的出入口發(fā)生擁塞的。如何解決擁塞問題呢？

城市交通管理部門和道路規(guī)劃部門一般采用以下幾種方式。

提高道路的承載能力，擴(kuò)寬交叉路口的道路寬度。

設(shè)置紅綠燈，提高交叉路口車輛在單位時間的通過率。

在交叉路口建設(shè)立交橋，避免多個方向的車輛同時涌入同一路面。

新的路由器設(shè)計，也采用和道路交通治理類似的方式，如下所述。

第一類，越來越多的功能以硬件方式實現(xiàn)，具體表現(xiàn)為用精簡指令集（ASIC）芯片裝備路由器。ASIC芯片的好處，是去掉了復(fù)雜的、和路由器關(guān)系不大的處理邏輯，讓芯片把精力都放在和路由處理直接相關(guān)的功能上來，專一意味著高效。

第二類，放棄使用共享總線，采用交換背板，這就是“交換式路由技術(shù)”。

第三類，并行處理技術(shù)在路由器中運(yùn)行，模塊化設(shè)計，這將極大地提高路由器的路由處理能力和速度。

專業(yè)廠商正在不斷嘗試提高路由器性能的新辦法，以期待未來IP網(wǎng)絡(luò)更加暢通無阻。這方面的業(yè)界領(lǐng)袖，當(dāng)屬大名鼎鼎的思科網(wǎng)絡(luò)。

4.路由器的龍頭老大——思科網(wǎng)絡(luò)

1984年，一對來自斯坦福的教師夫婦，萊昂納德·波薩克（斯坦福大學(xué)計算機(jī)系主任）和桑德拉·勒納（斯坦福商學(xué)院的計算機(jī)中心主任），在美國硅谷的圣何塞成立了一家公司。

他們設(shè)計了一種名為“多協(xié)議路由器”的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，希望把斯坦福大學(xué)中互不兼容的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連在一起。于是，這家公司制造出全世界第一臺路由器。

這家公司，叫思科網(wǎng)絡(luò)（CISCO）。兩位系主任的聯(lián)姻，成為業(yè)界一段佳話。

硅谷位于美國西海岸城市舊金山南部。舊金山以雄偉的金門大橋著稱，因此思科的名稱就取自sanFrancisco中的CISCO，標(biāo)志就是金門大橋的圖案。

1990年，兩位創(chuàng)始人見好就收，退出思科；1991年，一個叫約翰·錢伯斯的人加入思科；1996年，錢伯斯執(zhí)掌思科帥印，就是在他手里，思科成就了巨大輝煌！

從1986年生產(chǎn)第一臺路由器以來，思科公司在其進(jìn)入的每一個領(lǐng)域都占有第一或者第二的市場份額，成為市場的絕對領(lǐng)導(dǎo)者。1990年上市以來，它的年銷售額已從6 900萬美元上升到2010年的400億美元！

思科是目前全球電信行業(yè)排名前列的設(shè)備供應(yīng)商，且并購成癮。自1993年并購Crescendo以來，思科用了十多年時間成功并購了100多家公司，包括Webex、Cerent、Linksys，以及著名的挪威視頻會議公司騰博。

思科的產(chǎn)品系列、用戶使用界面都成為廠商們追捧和參照的對象。Juniper、華為技術(shù)、惠普（H3C）等，都成了CISCO的競爭者。

2010年，思科推出了其超級路由器——CRS-3產(chǎn)品，并稱其將是下一代互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)。

這個吞吐量高達(dá)332Tbit/s的家伙，是上一代產(chǎn)品——CRS-1的3倍。

你可以想象把你家門前的十字路口擴(kuò)大三倍吞吐量的感覺，也就是說，十字路口的四條道路，每條都擴(kuò)展3倍寬度！

而這個吞吐量，用思科的比喻，可以在1秒鐘內(nèi)下載美國國會圖書館的所有藏書，中國13億人口可以同時撥打可視電話，人類歷史上的所有電影通過它進(jìn)行流媒體傳輸，用時不會超過4分鐘！

不過正所謂十年河?xùn)|十年河西，思科過去是路由器領(lǐng)域中公認(rèn)的“老大”，但隨著技術(shù)正在被超越。2012年9月，華為領(lǐng)先行業(yè)半年發(fā)布了480G路由線卡，點燃了新一輪吞吐量競賽；2013年4月，在業(yè)界還沉浸在對480G關(guān)注之時，華為又在年度分析師大會上發(fā)布了1T路由線卡，這一次它領(lǐng)先了思科等其他廠商1～2年。

2013年，“棱鏡門”揭秘者美國國家安全局前雇員愛德華·斯諾登在香港對外透露，美國情報部門監(jiān)控中國的數(shù)據(jù)傳輸使用了思科的路由器。因被質(zhì)疑安全問題，思科在中國的市場直接受到影響，2015年第二季度，思科在中國路由器市場的份額為10.8%，遠(yuǎn)低于華為的67%。