你知道路由器的硬件結(jié)構(gòu)嗎?下面將由學習啦小編帶大家來解答這個疑問吧，希望對大家有所收獲!

　　路由器的概念

　　路由器(Router)，是連接因特網(wǎng)中各局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的設備，它會根據(jù)信道的情況自動選擇和設定路由，以最佳路徑，按前后順序發(fā)送信號。 路由器是互聯(lián)網(wǎng)絡的樞紐，"交通警察"。目前路由器已經(jīng)廣泛應用于各行各業(yè)，各種不同檔次的產(chǎn)品已成為實現(xiàn)各種骨干網(wǎng)內(nèi)部連接、骨干網(wǎng)間互聯(lián)和骨干網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通業(yè)務的主力軍。路由和交換機之間的主要區(qū)別就是交換機發(fā)生在OSI參考模型第二層(數(shù)據(jù)鏈路層)，而路由發(fā)生在第三層，即網(wǎng)絡層。這一區(qū)別決定了路由和交換機在移動信息的過程中需使用不同的控制信息，所以說兩者實現(xiàn)各自功能的方式是不同的。

　　路由器(Router)又稱網(wǎng)關(guān)設備(Gateway)是用于連接多個邏輯上分開的網(wǎng)絡，所謂邏輯網(wǎng)絡是代表一個單獨的網(wǎng)絡或者一個子網(wǎng)。當數(shù)據(jù)從一個子網(wǎng)傳輸?shù)搅硪粋€子網(wǎng)時，可通過路由器的路由功能來完成。因此，路由器具有判斷網(wǎng)絡地址和選擇IP路徑的功能，它能在多網(wǎng)絡互聯(lián)環(huán)境中，建立靈活的連接，可用完全不同的數(shù)據(jù)分組和介質(zhì)訪問方法連接各種子網(wǎng)，路由器只接受源站或其他路由器的信息，屬網(wǎng)絡層的一種互聯(lián)設備。

　　路由器的硬件構(gòu)成

　　一、路由器的硬件構(gòu)成

　　路由器主要由以下幾個部分組成：輸入/輸出接口部分、包轉(zhuǎn)發(fā)或交換結(jié)構(gòu)部分(switching fabric)、路由計算或處理部分。

　　輸入端口是物理鏈路和輸入包的進口處。端口通常由線卡提供，一塊線卡一般支持4、8或16個端口，一個輸入端口具有許多功能。第一個功能是進行數(shù)據(jù)鏈路層的封裝和解封裝。第二個功能是在轉(zhuǎn)發(fā)表中查找輸入包目的地址從而決定目的端口(稱為路由查找)，路由查找可以使用一般的硬件來實現(xiàn)，或者通過在每塊線卡上嵌入一個微處理器來完成。第三，為了提供QoS(服務質(zhì)量)，端口要對收到的數(shù)據(jù)包進行業(yè)務分類，分成幾個預定義的服務級別。第四，端口可能需要運行諸如SLIP(串行線網(wǎng)際協(xié)議)和PPP(點對點協(xié)議)這樣的數(shù)據(jù)鏈路級協(xié)議或者諸如PPTP(點對點隧道協(xié)議)這樣的網(wǎng)絡級協(xié)議。一旦路由查找完成，必須用交換開關(guān)將包送到其輸出端口。如果路由器是輸入端加隊列的，則有幾個輸入端共享同一個交換開關(guān)。這樣輸入端口的最后一項功能是參加對公共資源(如交換開關(guān))的仲裁協(xié)議。普通路由器中該部分的功能完全由路由器的中央處理器來執(zhí)行，制約了數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)速率(每秒幾千到幾萬個數(shù)據(jù)包)。高端路由器中普遍實現(xiàn)了分布式硬件處理，接口部分有強大的CPU處理器和大容量的高速緩存，使接口數(shù)據(jù)速率達到10Gbps，滿足了高速骨干網(wǎng)絡的傳輸要求。

　　路由器的轉(zhuǎn)發(fā)機制對路由器的性能影響很大，常見的轉(zhuǎn)發(fā)方式有：進程轉(zhuǎn)發(fā)、快速轉(zhuǎn)發(fā)、優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)、分布式快速轉(zhuǎn)發(fā)。進程轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)包從接口緩存拷貝到處理器的緩存中進行處理，先查看路由表再查看ARP表，重新封裝數(shù)據(jù)包后將數(shù)據(jù)包拷貝到接口緩存中準備傳送出去，兩次查表和拷貝數(shù)據(jù)極大的占用CPU的處理時間，所以這是最慢的交換方式，只在低檔路由器中使用。快速交換將兩次查表的結(jié)果作了緩存，無需拷貝數(shù)據(jù)，所以CPU處理數(shù)據(jù)包的時間縮短了。優(yōu)化交換在快速交換的基礎上略作改進，將緩存表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)作了改變，用深度為4的256叉樹代替了深度為32的2叉樹或哈希表(hash)，CPU的查找時間進一步縮短。這兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式在中高檔路由器中普遍加以應用。在骨干路由器中由于路由表條目的成倍增加，路由表或ARP表的任何變化都會引起大部分路由緩沖失效，以前的交換方式都不再適用，最新的交換方式是分布式快速交換，它在每個接口處理板上構(gòu)建一個鏡像(mirror)路由表和MAC地址表相結(jié)合的轉(zhuǎn)發(fā)表，該表是深度為4的256叉樹，但每個節(jié)點的數(shù)據(jù)部分是指向另一個稱為鄰接表的指針，鄰接表中含有路由器成幀所需要的全部信息。這種結(jié)構(gòu)使得轉(zhuǎn)發(fā)表完全由路由表和ARP表來同步更新，本身不再需要額外的老化進程，克服了其它交換方式需要不斷對緩存表進行老化的缺陷。

　　交換結(jié)構(gòu)最常見的有總線型、共享內(nèi)存型、Cross-bar空分結(jié)構(gòu)型?？偩€型結(jié)構(gòu)最簡單，所有輸入和輸出接口掛在一個總線上，同一時間只有兩個接口通過總線交換數(shù)據(jù)。其缺點是其交換容量受限于總線的容量以及為共享總線仲裁所帶來的額外開銷。在調(diào)度共享數(shù)據(jù)傳輸通道上必須花費一定的開銷，而且總線帶寬的擴展受到限制，制約了交換容量的擴張，一般在中檔路由器中使用這種結(jié)構(gòu)。共享內(nèi)存型結(jié)構(gòu)中，進來的包被存貯在共享存貯器中，所交換的僅是包的指針，這提高了交換容量，但它受限于內(nèi)存的訪問速度和存儲器的管理效率，盡管存貯器容量每18個月能夠翻一番，但存貯器的存取時間每年僅降低5%，這是共享存貯器交換開關(guān)的一個固有限制。共享內(nèi)存型結(jié)構(gòu)在早期的中低檔路由器中普遍應用。Cross-bar空分結(jié)構(gòu)相當于多條并行工作的總線，具有N×N個交叉點的交叉開關(guān)可以被認為具有2N條總線。如果一個交叉是閉合，輸入總線上的數(shù)據(jù)在輸出總線上可用，否則不可用。對流經(jīng)它的數(shù)據(jù)不斷進行開關(guān)切換，可見開關(guān)速度決定了交換容量，隨著各種高速器件的不斷涌現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的交換容量普遍達到幾十Gbps以上，成為目前高端路由器和交換機的首選交換結(jié)構(gòu)。

　　路由計算或處理部分主要是運行動態(tài)路由協(xié)議。接收和發(fā)送路由信息，計算出路由表，為數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)提供依據(jù)。各種檔次的路由器的路由表條目的大小存在很大差異，從幾千條到幾百萬條不等，因此高端路由器的路由表的構(gòu)造對路由查找速度影響很大，其路由表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)常采用二叉樹的形式，查找與更新的速度都比較快。

　　輸出端口在包被發(fā)送到輸出鏈路之前對包存貯，可以實現(xiàn)復雜的調(diào)度算法以支持優(yōu)先等級要求。與輸入端口一樣，輸出端口同樣要能支持數(shù)據(jù)鏈路層的封裝和解封裝，以及許多較高級協(xié)議。

　　一般而言，路由器對一個數(shù)據(jù)包的交換要經(jīng)過一系列的復雜處理，主要有以下幾個方面：

　　1)壓縮和解壓縮

　　2)加密和解密

　　3)用輸入/輸出訪問列表進行報文過濾

　　4)輸入速率限制

　　5)進行網(wǎng)絡地址翻譯(NAT)

　　6)處理影響本報文的任何策略路由

　　7)應用防火墻特性對包進行檢查

　　8)處理Web頁緩沖的重定向

　　9)物理廣播處理，如幫助性地址(ip help address)

　　10)利用啟用的QoS機制對數(shù)據(jù)包排隊

　　11)TTL值的處理

　　12)處理IP頭部中的任選項

　　13)檢查數(shù)據(jù)包的完整性

　　二、路由器的軟件體系

　　路由器是在軟件控制下進行工作的，與普通操作系統(tǒng)相比，其軟件系統(tǒng)是比較簡潔、全部駐留在存儲器當中且受限于原始平臺的一種操作系統(tǒng)。在商用實時操作系統(tǒng)的內(nèi)核基礎上開發(fā)一個包含TCP/IP協(xié)議棧的接口平臺，輔以各種功能模塊，形成完整的軟件系統(tǒng)。為最大限度地提高路由器快速交換報文的能力，該操作系統(tǒng)被設計為具有最小的操作性開銷，同時允許CPU使用最大的帶寬進行報文交換。

　　路由器的軟件系統(tǒng)主要有五個組成部分：

　　1、進程：由執(zhí)行特定任務的獨立線程和相關(guān)的數(shù)據(jù)組成，如系統(tǒng)配置維護的telnet守護進程、客戶端進程，F(xiàn)TP進程、TFTP進程，SNMP進程，各種協(xié)議進程：IP、TCP、UDP、RIP、OSPF、BGP、ARP、ICMP、IGMP，其它有加解密進程、報文過濾進程、NAT進程等。

　　2、內(nèi)核：為系統(tǒng)的其它部分提供基本的系統(tǒng)服務，如存儲器管理、進程調(diào)度、定時器和時鐘管理。它為進程提供了硬件(CPU和存儲器)資源的管理。

　　3、報文緩沖：用來存放將要被交換的報文。

　　4、設備驅(qū)動程序：控制網(wǎng)絡接口硬件設備及其它外圍設備(如Flash)。設備驅(qū)動程序接口位于進程、內(nèi)核、硬件之間，同時與交換控制軟件有接口。

　　5、交換控制軟件：根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式控制報文的交換，在高端線速路由器中該部分功能由硬件實現(xiàn)。