基于路由器的网络技术
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作者: 周 健
摘要: 本文首先介绍了路由器的基本概念和分类方法。在此基础上,重点对IPv6技术、提高路由器吞吐量的技术、可编程ASIC技术、VPN技术、QOS技术、MPLS技术、多播技术、网管技术等八种与路由器相关的技术进行了全面的分析,对这些技术的发展作了高度的概括和总结。
关键字: 路由器基本概念分类网络技术
当前基于IP协议的计算机网络用户数量剧增,网络流量每6个月翻一番,比计算机CPU速度每18个月提高一倍快得多。为了使网络状况更加适应用户的需要,作为网络核心器件的路由器的不断升级换代也就成为大势所趋。下面笔者就从路由器的基本概念和分类入手,对基于路由器的网络技术进行一个较为全面的介绍。
一、路由器的基本概念
1977年,国际标准化组织(ISO)制定了开放系统互连基本参考模型(OSI),OSI参考模型采用分层结构技术,将整个网络的通信功能分为职责分明的七层,由高到低分别是:应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。目前计算机网络通信中采用最为普遍的TCP/IP协议吸收了OSI标准中的概念及特征。TCP/IP模型由四个层次组成,即应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。只有对等层才能相互通讯,一方在某层上的协议是什么,对方在同一层次上也必须采用同一协议。路由器就工作在TCP/IP模型的第三层(网络层),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。
二、路由器的基本构成部分
1.两个或两个以上的接口(用于连接不同的网络)。
2.协议至少实现到网络层(只有理解网络层协议才能与网络层通讯)。
3.至少支持两种以上的子网协议(异种网)。
4.一组路由协议。
三、路由器的基本功能
1.存储、转发、寻径功能。
2.路由功能。包括数据包的路径决策、负载平衡、多媒体传输(多播)等。
3.智能化网络服务。包括QOS、访问列表(防火墙)、验证、授权、计费、链路备份、调试、管理等。
四、路由器的分类
按照路由器的接口、处理能力、吞吐量、提供的协议、功能等可以把路由器分成高、中、低多种档次。
1.高端路由器。
位于WAN骨干网的中心或骨干位置,构成IP网络的核心。
2.中端路由器。
适合于有分支机构的中小型企业,一般位于路由中心位置上,互连企业网的各个分支机构,并作为企业网的出口,上行接入高端路由器中。中档路由器边缘可以接入低端系列路由器。对于中小型企业来说,中端路由器是其网络的中心。
3.低端路由器。
主要针对派出机构,接口少,处理能力要求不高等场合。
4.专用路由器。
如VPN路由器、加密路由器、语音路由器,通过特殊的附加(软)硬件实现特定功能。
五、主要技术分析
IPv6是IP的一种新的版本,它同目前广泛使用的IPv4相比,地址由32位扩充到128位。从理论上说,地址的数量由原先的4.3×109个增加到4.3×1038个。经由IPv6,路由数可以减少一个数量级。
IPv6所以能使互联网连接许多东西变得简单而且使用容易,是因为它使用了以下技术。
1.地址空间的扩充、可使路由表减小的地址构造、自动设定地址以及提高安全保密性。
IPv6在路由技术上继承了IPv4的有利方面,代表未来路由技术的发展方向。
2.提高路由器吞吐量的技术。
路由器的吞吐量是指路由器单位时间内能够转发的报文数,通常用PPS(Packet Per Second)表示。以一个典型的企业网为例,一个派驻机构的上行速率有2000PPS就够了,分支的核心路由设备必须具有几万PPS的吞吐能力,而公司总部的路由中心则可能需要几十万甚至上百万PPS的处理能力。
目前主要有下面的提高路由器吞吐量的技术:改造路由表;采用Cache;采用分布式处理;高层交换;硬件(FPGA/ASIC)转发等。交换式路由器(Switch Router)就是利用这些技术的结晶。
3.可编程ASIC技术。
ASIC技术能够使得路由器的速度提高并降低制造成本。由于设计生产的投入相当大,ASIC基本上都用于已完全标准化和固化的过程。为了满足计算机网络各种结构和协议的频繁变化的要求,出现了“可编程ASIC”技术。实际应用中多数采用在ASIC芯片中内嵌入专门处理通信协议的CPU,通过改写微码,使其具有处理不同协议的能力。
4.VPN技术。
VPN(Virtual PrivateNetwork)虚拟私有网络就是利用公共网络来构建的私人专用网络。用于构建VPN的公共网络包括Internet、帧中继、ATM等。在公共网络上组建的VPN,像企业现有的私有网络一样能够保证安全性、可靠性和可管理性等。
“虚拟”的概念是相对传统私有网络的构建方式而言的。对于广域网连接,传统的组网方式是通过远程拨号连接来实现的,而VPN是利用服务提供商所提供的公共网络来实现远程的广域连接。通过VPN,企业可以以更低的成本连接它们的远地办事机构、公司出差员工和业务合作伙伴,企业内部资源享用者只需连入本地ISP的POP(Point of Presence,接入服务提供点)即可相互通信;而利用传统的WAN组建技术,彼此之间要有专线相连才可以达到同样的目的。虚拟网组成后,出差员工和外地客户只需拥有当地ISP的上网权限就可以访问企业内部资源;如果接入服务器的用户身份认证服务器支持漫游,甚至不必拥有本地ISP的上网权限。这对于流动性很大的出差员工和分布广泛的客户与合作伙伴来说是很有意义的。并且企业开设VPN服务所需的设备很少,只需在资源共享处放置一台VPN服务器就可以。
常见的VPN分为三种类型:远程访问虚拟网(Access VPN)、企业内部虚拟网(Intranet VPN)和企业扩展虚拟网(Extranet VPN),这三种类型的VPN分别与传统的远程访问网络、企业内部的Intranet,以及企业网和相关合作伙伴的企业网所构成的Extranet相对应。
5.QOS(Quality Of Service)。
QOS是两网合一和VPN等应用推广的前提。在融合的推动下数据网上承载的业务越来越广泛,话音、电子商务、远程教育等。传统的数据网对业务是不区分的,当网上数据流量比较大时话音质量将急剧下降,某些重要的公司业务流也将受到影响。QOS就是要区别对待这些业务,提高网络的服务质量。
QOS包含的流分类是将接入的用户数据按业务进行分类,赋予不同的优先级;流量整形是指对特定的业务流进行带宽限制,使之符合QOS协定;流量工程则是从全网管理的高度保障QOS。
6.MPLS(Multi Protocol Label Switch)――多协议标记交换。
IP的发展存在着一个非常明显的障碍,这是由IP本身固有的一个缺陷决定的,IP是一个无连接的协议,因此IP网上的应用无法得到很好的QOS保证。由于缺乏连接性,每一个IP包都是单独地发到目的地的,网络中的各个节点都无从知晓这些无连接的包中的某一个是如何到来的。与此相比,面向连接的协议如帧中继则需要建立一个固定的虚电路。连接路径上的各个节点和干线可以先为其预留资源,以提供QOS保证。IP具有其它网络协议所无法比拟的灵活性,这一点通过Internet已经得到了证明,而面向连接的协议可以保证QOS,因此这两种协议的结合是非常有意义的,这就导致了MPLS的产生。
MPLS将IP的灵活性和帧中继、ATM等面向连接网络的QOS保证特性有效地结合在了一起,这对于IP的进一步广泛应用无疑有着巨大的推动作用。
7.多播技术。
多播(Multicast)主要用于视频会议等应用场合,这种应用需要同一份数据同时发送给多个用户。多播包的目的地址使用D类IP地址,即从224.0.0.0到239.255.255.255的多播地址。每个多播地址代表一个多播组,而不是一台主机。IGMP(Internet组管理协议)用于控制用户加入或离开多播组,多播路由协议则用于建立多播路由表,或称多播树。
如果一个局域网中有一个用户通过IGMP宣布加入某多播组,则局域网中的多播路由器就将该信息通过多播路由协议进行传播,最终将该局域网作为一个分枝加入多播树。当局域网中的所有用户退出该多播组后相关的分枝就从多播树中删掉。
多播路由协议有下列几种。DVMRP:距离向量多播路由协议;MOSPF:多播OSPF;CBT:基于核的树;PIM:协议无关的多播。
多播网中可能有不支持多播的路由器,此时多播路由器使用“IP over IP”的隧道方式将多播包封装在单播IP包中透传给相邻的多播路由器。相邻的多播路由器先将单播IP头剥掉,然后继续进行多播传输。
8.网管系统。
网管在网络运营中起着非常重要的作用。方便、强大的网管可以协助用户有效地管理网络和降低网络维护费用。网管协议非常多,与路由器产品相关的网管协议主要有SNMP、RMON等,其中SNMP最常见。SNMP采用代理(Agent)工作方式,设备侧(路由器上)运行Agent,网管站运行管理软件。代理的作用包括收集路由器统计数据(如端口收发报文总数等)和状态信息(如端口地址等),回答网管站对这些信息的查询;传达网管站的设置命令,如TCP连接复位、配置端口IP地址等;发生异常事件时主动向网管站报告等。
以上对目前基于路由器的网络技术进行了介绍。上网用户越来越多,宽带网建设如火如荼,对路由器技术更新的要求会越来越强烈。我们相信,通过业界同仁的不懈努力,未来更加先进、更能适应网络发展要求的新一代技术定将层出不穷地涌现出来。
参考文献:
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[2]宋文官,蔡京玖.计算机网络基础[M].中国铁道出版社,2007.
[3]赵慧玲及ITU-T SG13中国代表团.新一代IP网络标准的发展[J].中国通信,2001.
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