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1、路由器工作原理V1.0 数据用服部内部公开内部公开学习目标 熟悉路由器的工作原理 了解路由器的性能指标和关键技术 掌握IP报文在路由器中的转发内部公开内部公开学习内容第一章 路由器基本原理第二章 路由器体系结构第三章 路由器性能指标和关键技术第四章 IP报文在路由器中的转发内部公开内部公开学习内容第一章 路由器基本原理内部公开什么是路由器n路由器是一种用于网络互连的专用设备，在网络建设中具有不可 代替的作用，路由器工作在OSI参考模型的第三层（网络层）， 它的主要作用是为收到的报文寻找正确的路径，并把它们转发出 去。内部公开路由器的三大功能n存储功能n存储接口进来的数据报文，如MAC帧、SDH
2、帧、语音压缩报文 等。n处理功能n对数据报文进行处理，如IP头校验、IP选项处理、转发寻址、 TTL处理、上层协议处理等。n转发功能n处理完成的数据报文从接口转发出去，数据报文分段、链路层地 址映射、物理地址映射等。内部公开路由器的常见实现方式n传统计算机结构方式l所有数据报文的处理由单CPU系统完成；l优点实现简单灵活，成本低；缺点转发性能差，可靠性要求不高；lZXR10 GAR，ZXR10 18&28&38采用这种方式。n并行处理器结构方式l每个线卡上都有独立的NP和CPU进行数据报文处理；l优点转发性能高，可靠性高；缺点成本高，实现复杂；lZXR10 GER/T64/T128/T600/
3、T1200采用这种方式。nASIC处理结构方式l每个线卡上都有独立的ASIC芯片和CPU进行数据报文处理；l优点转发功能由硬件完成，转发性能极高，可靠性高；缺点成本极 高，灵活性不够，实现很复杂；l目前自研的路由器还没有采用这种方式。内部公开路由器工作原理路由器A路由器BIP寻径IP寻径IP数据包逻辑网 IP层加帧头去帧头帧传输和直接寻径数据链路层物理层内部公开路由器中分组数据报文的处理路径n路由器提供了两种不同的报文 处理路径：l数据路径：处理目的地址不 是本路由器而需要转发的报 文，因此数据路径是整个路 由器的关键路径，它的实现 好坏直接影响着路由器的整 体性能。l控制路径：处理目的地址是
4、 本路由器的高层协议报文， 特别是各种路由协议报文。 虽然控制路径不是路由器的 关键路径，但是它负责完成 路由信息的交互，从而保证 了数据路径上的报文沿着最 优的路径转发。内部公开内部公开学习内容第二章 路由器体系结构内部公开路由器体系结构的发展历史上内部公开路由器体系结构的发展历史下内部公开中高端路由器通用硬件体系结构内部公开中高端路由器通用软件体系结构内部公开ZXR10高端路由器硬件体系结构n转发引擎和路由引擎分开n路由计算和网络管理物理分 离n采用网络处理器技术, 辅助 FPGA实现快速路由表查找 和转发n采用高速空分交换技术,无阻 塞交换n采用固定分级的路由表查找 技术NPC1交换 网
5、络OAM ProcessorRouting ProcessorNPCNNPC2NPC1NPC2NPCNUPC 协议处 理模块控制总线内部公开ZXR10中端路由器硬件体系结构接口模块7主处理器板SMP网络处理器板SNP控制处理模块交 换模 块 网络处理模块2 接口模块4接口模块3网络处理模块4接口模块6接口模块5网络处理模块3电源模块控制总线 处理器总线 接口模块1接口模块8接口模块2网络处理模块1内部公开ZXR10中高端路由器软件体系结构分 布 式 的 软 件 构 架 ； 是 一 个 技 术 门 槛内部公开转发流程功能框图接口入处理上行流分类上行QOS处理 拥塞管理队列调度下行QOS处理队列调
6、度 多播复制 组包处理 微信元微信元数据包数据包交换网IPv4单播 IPv4多播 MPLS IPv6查表 转发切片处理接口出处理下行流分类QOS增强处理IPv4单播 IPv4多播 MPLS IPv6下行 转发 封装拥塞管理网络处理器NP/转发ASIC 完成业务的转发处理 完成流分类和增强的 QoS处理（标记） 重定向在转发之前处理流量管理（TM）ASIC 高性能QoS（调度）内部公开报文转发路径示意图内部公开ZXR10低端路由器硬件体系结构模块化体系结构：接口板主处理器底板主处理器子板接口板接口板 接口板PCI总线+H-MVIP接口板 接口板接口板 接口板PCI总线 or IXBUS总线+H-
7、 MVIP物理口EthernetConsoleAux内部公开ZXR10低端路由器软件体系结构AUXConsoleUSBUSBGEGEFEFEDSP Module接口 模块智能交换网络 + Power + PoE(802.3af)RISC Packet EngineHardware Security EngineEthernet Switching EngineQos EngineApplication EngineVoice Engine接口 模块接口 模块接口 模块接口 模块接口 模块接口 模块接口 模块Protocol UnitOAM UnitApplication UnitZXR10 1
8、8/28/38 系列路由器安全模块以太交换 模块接口内部公开内部公开学习内容第三章 路由器性能指标和关键技术内部公开几个重要的路由器性能指标（1）n背板容量n背板能力是路由器的内部实现。背板能力能够体现在路由器吞吐量上： 背板能力通常大于依据吞吐量和测试包长所计算的值。但是背板能力只 能在设计中体现，一般无法测试。n全双工限速转发能力n路由器最基本且最重要的功能是数据包转发。在同样端口速率下转发小 包是对路由器包转发能力最大的考验。全双工线速转发能力是指以最小 包长（以太网64字节、POS口40字节）和最小包间隔（符合协议规定） 在路由器端口上双向传输同时不引起丢包。该指标是路由器性能重要指
9、标。n设备吞吐量n指设备整机包转发能力，是设备性能的重要指标。路由器的工作在于根 据IP包头或者MPLS标记选路，所以性能指标是转发包数量每秒。设备 吞吐量通常小于路由器所有端口吞吐量之和。内部公开几个重要的路由器性能指标（2）n支持的接口种类n用户可用槽位数和端口密度nCPU和内存n路由表容量和路由学习速度 内部公开路由器的关键技术速度有关技术n路由表的快速查找技术 n交换结构和调度算法 n背板总线内部公开路由器的关键技术服务质量有关技术n数据包分类技术 n数据流的分类nQos问题nMPLS和流量工程n阻塞控制内部公开路由器的关键技术软件有关问题n软件重要性n网管系统n计费n配置n软件稳定性
10、内部公开内部公开学习内容第四章 IP报文在路由器中的转发内部公开路由表的建立和维护（1）n路由表是转发IP数据包的依据，以ZXR10高端路由器 为例，它是由UPC上的路由处理器(RPU)负责建立与 维护的。整个系统中有三个层次的路由表 ：l位于RPU的全局路由表（GRT）l位于NPC的局部路由表（LRT）：供软件查询l位于NPC的转发表（FIB）：供硬件查询内部公开路由表的建立和维护（2）内部公开路由表的生成和同步步骤n在系统初始化时，IP模块根据静态路由和物理端口的 配置生成初始全局路由表。nIP模块将RIP、OSPF、BGP等动态路由协议生成的路 由条目汇总到全局路由表。n全局路由表向局部
11、路由表同步，采用变化量更新和定 时全部更新二种同步的方式，由RPU的IP模块广播到 NPC的IP模块，由于广播的不确定性这二个IP模块之 间要有消息的应答机制。nNPC的IP模块每次LRT的变化写入FIB。 内部公开微码在报文转发中的作用n微码的功能是处理从接口接收进来的数据包以及从交 换网或线卡CPU下来的数据包，实现数据包的快速转 发(或上送)。n微码的特点可以概括为：l快速、高效。 IXP2400处理能力可以达到2.125G。l功能简单，处理空间有限。复杂的数据包和复杂的功能都需 要上送给CPU来完成。内部公开微码处理流程（1）数据包的接收n进入接口的数据包先存储在队列中等待处理。n检查
12、端口属性表（up/down， QoS属性）。n检查MAC地址。n检查VLAN（QinQ）。n二层解封装，这时的数据包的MAC地址将与IP数据包 分离，另外存在一个地方（只是偏移了一段地址，没 有丢弃）。内部公开微码处理流程（2）三层ip包头的检查n检查TTL，对TTL等于1的数据包直接上送到线卡CPU进行处理。n检查IP数据包包头是否含有Option选项，如果有就需要上送给线 卡CPU来处理。n检查Checksum（仅适用于ATM）。 n微码不检查Protocal字段，微码将protocal不为0那些协议数据包 统统默认为普通IP数据包处理，没有任何区别。n数据包的重组和分割不是微码的工作。n
13、微码中间对数据包进行了一些比较简单但是必要的检查，如果数 据包需要上送给CPU，这些检查是不够的。CPU的IP接收模块还 会对数据包进行重新的、更加细致的检查。内部公开微码处理流程（3）查找转发表FIBn微码在查找路由转发表的时候将数据包的二层头移开，仅仅检查 的是三层头（IP报头），这时候某些应用层协议报（TCP，UDP ，ICMP，IGMP等等），他们的三层头还是IP报头，微码不区分 这些数据包的四层报头有什么区别，全部将他们按照普通的IP数 据包来处理。如果是目的地址是本地路由的就上送，如果是目的 地址不是本地的就将他们视作“路过包”转发出去。也就是说协议 包只有在目的地址为本地的情况下
14、才会被微码上送到CPU上去。n查找完路由之后，微码执行下列两个动作中的其中一个：l上送给CPU。l转发。n对同时需要上送和转发的数据包，先进行上送写入CPU队列后再 执行转发动作。内部公开微码处理流程（4）上交换网n微码将数据包送上交换网的时候，会将二层头暂时剥 离，在IP报头前面加上前导字（交换头），然后送上 交换网。交换网上面的数据包一定是三层包。n微码送数据包上交换网的时候必须要先收到FPGA报 给微码的ready信号，如果没有收到ready信号，微码 就会将这些数据包丢弃，不送上交换网。n送上交换网的数据包要按照优先级的标识，以优先级 对列的方式上交换网。nQoS的处理在数据包上交换网
15、之前进行。内部公开微码处理流程（5）下交换网n将交换网上下来的三层数据包进行二层封装，加上出 接口的MAC。n将IP报头的TTL值减1。n将这些数据包安排进入到相应端口发送队列进行发送 。端口的硬件发送引擎再封装物理包头，将其发送出 去。内部公开上下交换网的流程示意内部公开微码处理流程（6）上送CPUnT64E有三种情况的数据包是要求上送给CPU的：l目的IP地址是本路由器。l广播、组播数据报（224.0.0.0224.0.0.255）。l含有Option的数据包。l此外，对于TTL为1的包，根据NPC的不同，微码处理方式也 不一样。n微码上送给CPU是交给NPC上的IP模块。内部公开小结n路由器是如何进行工作的？n请说出路由器的几项重要的性能指标。nIP报文是如何在路由器中转发的？
