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第二章 路由器
第一节 路由器发展概述
自从1984年问世至今，路由器已经走过了近20年的快速技术发展历程。路由器的应用领域不断扩展、从单一的互通网关逐渐扩展到覆盖广域网、城域网乃至用户接入的各个领域。近年来，路由器早已逐渐脱离单纯用于企业网出口和互联的概念，开始成为运营网络和各种专用业务网络的核心设备。业务推动技术发展，不断增加的新业务需求为路由器的接口、转发、架构等关键技术带来了持久的驱动力，促进着路由器设备形态的演进。随着网络上新的业务层出不穷，IP的触角走向无线、光、三网合一等领域，这种演进将不断持续下去。
基本上，路由器的发展经历了5代：
1。第一代路由器
集中转发，固定接口。
第一代路由器的体系结构
第一代路由器由一个处理器CPU和固定的多个网络接口组合而成，网络接口与CPU之间通过内部总线相连。CPU负责所有事务处理，包括路由收集、转发处理、设备管理等，网络接口收到报文后通过内部总线传递给CPU，由CPU完成所有处理后从另一个网络接口传递出去。
2。第二代路由器
集中转发，接口模块化。
第二代路由器的体系结构
由于第一代路由器的网络接口是固定的，不能满足IP网络链路经常变化的要求，需要经常更换新的路由器，这样显然不利于网络设备的投资保护和维护管理。在这个时期，可扩展性成为限制路由器发展的主要矛盾。
第二代路由器从体系结构上彻底解决了第一代路由器存在的可扩展性问题，采用的办法其实非常简单，那就是把网络接口做成可以插拔的活动模块，用户可以根据需要增加所需要的网络接口模块，对原有路由器升级扩容即可，而不需要替换路由器。
另外第二代路由器上在接口卡上增加了cache；通过一次查询多次交换的方式，减少对CPU的压力。
3。第三代路由器
基于CPU的分布式软件转发
第三代路由器的体系结构
第三代路由器采用全分布式的结构，最大的变化是在各网络接口业务模块上增加了CPU，即每个接口业务模块都有自己的CPU来进行转发和业务处理，负责少量网络接口。同时也采用了路由与转发分离的技术，路由引擎管理模块负责整个设备的管理和路由的收集、计算功能，并把计算形成的转发表下发到各接口业务板；各业务板根据保存的路由转发表独立进行路由转发。
4。第四代路由器
基于ASIC的分布式硬件转发
第四代路由器的体系结构
第四代路由器抛弃了基于CPU的软件转发模式，转而寻求基于ASIC技术的硬件转发模式，通过对IP转发过程的优化和硬件化，最大限度地提供了路由器的转发性能。而路由引擎模块仍然可以采用CPU，用来处理复杂的路由计算和管理调度。最理想的办法是采用交换网式结构，即各接口板只需要一条高速链路与交换网芯片相连，在交换网内部实现全交换，这样就化解了N平方问题，使背板/交换容量与接口板高速数据线路带宽之间呈正比关系。
5。第五代路由器技术
基于网络处理器的分布式硬件转发
第五代路由器的体系结构
第五代路由器在硬件体系结构上继承了第四代路由器的成果，即仍然采用硬件转发模式和交换网式结构，只是在关键的IP转发和业务流程处理上采用了可编程的、专为IP网络设计的网络处理器技术，替代了原来的ASIC技术。
具体而言，第五代路由器主要有下列几方面特点：
● 采用网络处理器技术实现IP报文处理和转发，可以在保证高速转发的同时进行复杂的协议处理，从而支持丰富的业务；
● 采用大容量的交换网结构，采用网络处理器，可通过升级软件增加新的处理功能；
● 具有强大的VPN，流分类、IP…QoS，MPLS等特性的支持能力，提供完善的QoS机制，满足不同用户不同应用的需求；
● 充分考虑骨干网络的需求，满足用户对安全性、稳定性、可靠性的要求。
第二节 Cisco设备
2。1 cisco设备体系结构
2。1。1 Cisco 12000系列千兆位交换路由器
Cisco 12000系列千兆位交换路由器（GSR）是思科为电信运营商和企业IP骨干网核心设计和开发的主要路由产品系列，包括：Cisco 12006、12008、12010、12012、12016、12404、12406、12410、12416、12810和12816。其中后两位数字是其扩展槽数量，如，12016有16个扩展槽。
可以扩展的带宽
借助模块化数千兆位中间交换矩阵，能够以灵活增量扩展带宽：Cisco 120xx路由器每个扩展槽可以支持5Gbps的吞吐能力，Cisco 124xx路由器每个扩展槽可以支持20Gbps的吞吐能力，Cisco 128xx路由器每个扩展槽可以支持80Gbps的吞吐能力。
* 根据需要，可以增加从DS3到OC…192c/STM…64c的高密度高速接口
* 动态分组传输（DPT）环接口，最高支持速度为10Gbps（OC…192c/STM…64c）
* 同步光网/同步数字等级（SONET/SDH）分组传输（PoS）接口，数据速率为155Mbps（OC…3c/STM…1c）、622Mbps（OC…12c/STM…4c）、2。5Gbps（OC…48c/STM…16c）和10Gbps（OC…192c/STM…64c）
* 异步传输模式（ATM）接口，数据速率为155Mbps（OC…3c/STM…1c）和622Mbps（OC…12c/STM…4c）
* LAN接口，速度为1Gbps（千兆位以太网）和100Mbps（快速以太网）
* 基于帧的接口（点到点协议＇PPP＇，帧中继），速度为45Mbps（DS3）、155Mbps（OC…3c/STM…1c）和622Mbps（OC…12c/STM…4c）
可以扩展的性能
* 全新的交换矩阵设计支持能够消除线头阻塞的虚拟输出序列，并提高整体系统效率，当组播流量复制由交换矩阵执行时，它支持组播流量的部分履行。
* 分布式体系结构通过可以逐步添加的智能线卡（LC）提供可以扩展的第3层交换性能。
* 基于可微编程的应用专用集成电路（ASIC）的排序能够为单播和组播流量提供线速转发，使SONET/SDH传输设备满负荷工作，保证从昂贵的带宽身上得到最高的投资回报。
可以扩展的服务
* 业界领先的Cisco IOS（r）软件
* 先进的排序和拥塞管理技术——随机早期检测（RED）、加权RED（WRED）和分布式循环（DRR）——提供增强型加权公平排序（WFQ）机制
* 支持多协议标记交换（MPLS）标记交换，以提供可以扩展的流量设计特性
电信级设计
* 为所有主要系统组件（处理器、交换矩阵、LC、电源和制冷设备）提供冗余性，以防止因网络故障而中断服务
* 借助热插拔功能，无需中断服务就能增减组件
* 借助交换矩阵冗余性，切换到备用矩阵时，不会丢失数据或用户操作状态
* 自动保护交换（APS）/多工部分保护（MPS）有利于实现SONET/SDH弹性功能，提供接口冗余性
由于符合网络设备建立系统（NEBS）和欧洲电信标准局（ETSI）标准，因而可以安装在电信运营商的中央机构中。
2。1。2 Cisco 12000 GSR体系结构
系统级
Cisco 12000 GSR采用了分布式高速路由体系结构，以及能够以千兆位速度提供第2层路由的先进交换核心。
Cisco 12000 GSR适合执行路由和分组转发功能，以便通过网络传输IP报文。在千兆位路由处理器（GRP/PRP）中执行的路由功能负责运行路由协议，并按照网络拓扑建立路由表。之后，这些信息将用于建立转发表，并将转发表分布到各LC。另外，GRP还负责执行系统控制和管理功能。
分组转发功能由每个LC执行。系统中的每个LC都将得到GRP算出的转发表的备份。对于转发表本地备份上接收到的每个报文，每个LC独立查阅其目标地址，然后，通过中间交换矩阵将报文传输到目标LC上。
所有卡都从机箱的前面安装，并插入无源背板中。这种背板包含串行线路，能够将所有LC与交换矩阵卡互连起来，并建立其它连接，实现电源和维护功能。
GSR的主要组件包括交换矩阵、GRP/PRP和LC。
交换矩阵
Cisco 12000 GSR的核心是适合以千兆位速率提供高容量交换的数千兆位中间交换矩阵。交换矩阵能提供高性能的原因有二：其一，从LC到中央矩阵的连接是点到点链接，能够以超高速度运行，而且可以同时支持多条总线的事务处理，因而能增加系统的总带宽。其二，GSR系统可以配置为：Cisco 12008 40Gbps，Cisco 12012 60Gbps，Cisco 12016 80Gbps。
Cisco 12800 路由器体系结构图
交换矩阵包括两种卡型：交换矩阵卡（SFC）以及时钟和规划器卡（CSC）。每个GSR的机箱内必须至少装有一块CSC。CSC处理LC的请求，签发对接入矩阵的授权，并为系统中的所有卡提供参考时钟，以便实现中间交换矩阵上数据传输的同步。SFC从CSC卡上接收规划信息和时钟参考信息，以执行交换功能。
它提供的主要功能如下：
* LC间的千兆位速度互连
* 将高级规划算法与虚拟输出序列结合在一起，消除线头阻塞，实现99％的效率
* 基于硬件的组播
* 通过冗余（对SFC为1：4，对CSC为1：1）、无损失故障切换和热插拔功能实现高可用性
千兆位路由处理器
GRP是一种高性能引擎，能够为Cisco 12000 GSR系列提供路由智能。它专门用于确定网络拓扑并计算通过网络的最佳路径。GRP具有以下硬件特征：
* 200MHz R5000 CPU
* 可选高达256MB CPU DRAM（默认值为128MB）
* 512KB第2层高速缓存
* 512KB永久性RAM（NVRAM）
* 8MB启动闪存
* 两种PC卡II型软件升级方式
* 用于网络管理接入的以太网（RJ…45和MII连接器）
* 本地控制台和调制解调器端口（DB…25/EIA/TIA…232c）
Cisco 新推出了路由引擎PRP（PRP…1，PRP…2）
PRP1：PPC7450（666Mhz）；默认内存512M，最大内存2G
PRP2：PPC7457（1。3Ghz）；默认内存1G，最大内存4G
GRP/PRP的主要功能如下：
* 处理内部网关协议（IGP），例如中间系统到中间系统（IS…IS）、内部网关路由协议（IGRP）、首先打开最短路径（OSPF）和增强型IGRP（EIGRP），以确定网络拓扑
* 处理外部网关协议（EGP），例如边缘网关协议（BGP）
* 生成和维护路由表（多达100万个路径项）
* 分布和更新LC上的快速转发（EF）表，保留每个LC上的表的备份，以便对卡进行初始化
* 处理整体维护功能，例如诊断、控制台支持和LC监控
* 通过简单网络管理协议（SNMP）、管理信息库（MIB）、Telnet、BOOTP和普通文件传输协议（TFTP）执行带内管理
线卡
LC通过电子或光介质将GSR与其它设备相连。LC的作用是通过DPT、PPP、帧中继或ATM接口传输IP分组。各个接口的LC特性和功能都不相同。
2。1。3 Cisco 7000系列中端路由器
合适的路由器可以在支持网络的扩展和实现重要的、成本低廉的应用和服务方面发挥重要的作用。对于高端企业和特定的电信服务供应商需求来说，Cisco 7000系列中端路由器可以提供出色的多功能性、可扩展性、功能和性能，从而可以为多种功能强大的应用提供支持。
Cisco 7000系列中端路由器