IP路由器的主要功能(上)

IP路由器的主要功能(上)（唐健、鄔江興）
    摘要：IP路由器是互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，其功能隨著實(shí)踐的發(fā)展而被不斷完善。本文把IP路由
器
的主要功能分為IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由的計(jì)算和更新、ICMP消息的處理、網(wǎng)絡(luò)管理以及安全服務(wù)
五
個(gè)方面，分別介紹相應(yīng)的協(xié)議、工作方式、實(shí)現(xiàn)要求以及存在的問題。
    關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)  IP路由器  路由協(xié)議  網(wǎng)絡(luò)管理  安全性
    一、引言
    互聯(lián)網(wǎng)作為最大、最有影響力的信息交換平臺(tái)，正在迅猛發(fā)展。作為發(fā)展中國(guó)家的中國(guó)也不
甘
落后，今天，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)用戶已突破800萬(wàn)，專家預(yù)測(cè)，“中國(guó)有望成為互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的主要國(guó)
家”。
    互聯(lián)網(wǎng)即網(wǎng)間網(wǎng)，它把許多自治域通過IP（InternetProtocol）協(xié)議互聯(lián)在一起，這些自治
域
由具有不同網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)經(jīng)IP協(xié)議互聯(lián)在一起，而這些網(wǎng)絡(luò)又可能由具有不同子網(wǎng)掩碼的子網(wǎng)組
成。出入一個(gè)自治域／網(wǎng)絡(luò)／子網(wǎng)的數(shù)據(jù)都要經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)，路由器決定數(shù)據(jù)是否需要轉(zhuǎn)發(fā)、能否
轉(zhuǎn)發(fā)、如何轉(zhuǎn)發(fā)、轉(zhuǎn)發(fā)得怎樣，是自治域／網(wǎng)絡(luò)／子網(wǎng)相交匯的節(jié)點(diǎn)。根據(jù)公開發(fā)表的研究報(bào)告，
從源IP地址出發(fā)到宿IP地址的用戶數(shù)據(jù)中，80％以上沿途必須經(jīng)過路由器，20％以下局限在子網(wǎng)
內(nèi)
流動(dòng)。可以說(shuō)，沒有路由器就沒有互聯(lián)網(wǎng)。沒有高性能的路由器就沒有高性能的互聯(lián)網(wǎng)，因此，路
由器在互聯(lián)網(wǎng)中具有極其重要的地位和作用，是互聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備。按照在互聯(lián)網(wǎng)中的地位和作
用，路由器可分為分支路由器、邊緣路由器、核心路由器。
    路由器究竟必須具備哪些功能呢？是不是象人們通常認(rèn)為的那樣僅僅工作在OSI模型的第三
層，
即網(wǎng)絡(luò)層呢？轉(zhuǎn)發(fā)用戶數(shù)據(jù)，只是路由器的一個(gè)最基本的功能，事實(shí)上，IP路由器的功能隨著實(shí)踐
的發(fā)展而不斷被完善。比如，路由器最初主要采用靜態(tài)路由配置，計(jì)算和更新路由的功能沒有被明
確要求，但現(xiàn)在，這個(gè)功能成為必備。又比如，路由器曾對(duì)用戶數(shù)據(jù)和協(xié)議數(shù)據(jù)的安全性考慮甚
少，
現(xiàn)在安全服務(wù)卻顯得很緊迫。下文把IP路由器的主要功能分為五個(gè)方面，分別予以介紹。
    二、IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)
    這是路由器最基本的功能。當(dāng)一個(gè)IP數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器時(shí)，路由器根據(jù)IP協(xié)議對(duì)其報(bào)頭進(jìn)行
處
理，然后根據(jù)處理結(jié)果對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、本地處理、或者丟棄。目前常用的是IP協(xié)議第4版
IPv4。
IPv4數(shù)據(jù)包的報(bào)頭包含如下內(nèi)容：版本、頭標(biāo)長(zhǎng)、服務(wù)類型、總長(zhǎng)、標(biāo)識(shí)、標(biāo)志、片偏移、生存
時(shí)
間、協(xié)議、頭標(biāo)校驗(yàn)和、源IP地址、宿IP地址、選項(xiàng)。
    為便于按照相應(yīng)規(guī)定對(duì)報(bào)頭進(jìn)行分析，首先路由器要確定報(bào)頭的格式，查看IP協(xié)議的“版
本”
（IPv4的“版本”是4）；次之，路由器必須知道報(bào)頭的長(zhǎng)度和正確性，按照“頭標(biāo)長(zhǎng)”截獲報(bào)
頭，
用“頭校驗(yàn)和”加以校驗(yàn)。為避免數(shù)據(jù)包因?qū)�徑錯(cuò)誤而在互聯(lián)網(wǎng)中無(wú)休止地流動(dòng)、占用寶貴的網(wǎng)絡(luò)
資源，有必要限制數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。路由器檢查“生存時(shí)間”，目的在于此。路由器還需要根據(jù)
“宿IP地址”或“選項(xiàng)”中的源路徑直找路由轉(zhuǎn)發(fā)表。如果“宿IP地址”正好與自己吻合，需參
考
“源IP地址”和“協(xié)議”，決定該數(shù)據(jù)包是否有權(quán)限訪問路由器。如果有，就要根據(jù)“協(xié)議”在本
地作進(jìn)一步的高層處理，不過在此之前有必要根據(jù)“標(biāo)識(shí)”、“標(biāo)志”和“片偏移”來(lái)重組數(shù)據(jù)
包。
“協(xié)議”標(biāo)明了數(shù)據(jù)區(qū)的協(xié)議類型，如89代表OSPF等，路由器根據(jù)“協(xié)議”規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)格式分
析
數(shù)據(jù)，從而可以進(jìn)一步處理其中相應(yīng)的協(xié)議消息。
    如果“宿IP地址”尚未到達(dá)，須參考“源IP地址”和“協(xié)議”，決定該數(shù)據(jù)包是否被允許轉(zhuǎn)
發(fā)，
如果允許，路由器根據(jù)“宿IP地址”或“選項(xiàng)”中的源路徑、“服務(wù)類型”在路由轉(zhuǎn)發(fā)表中查找相
應(yīng)的輸出端口，并把數(shù)據(jù)包交換到該輸出瑞口的某隊(duì)列中，解析下一跳IP地址對(duì)應(yīng)的物理地址（比
如以太網(wǎng)的MAC地址），把數(shù)據(jù)包封裝在物理幀中傳輸。不過，如果一個(gè)物理幀裝不下完整的數(shù)據(jù)
包，還須把數(shù)據(jù)包分片，在“標(biāo)識(shí)”、“標(biāo)志”和“片偏移”中加以指示�！胺�務(wù)類型”包含優(yōu)先
級(jí)、時(shí)延、吞吐率和可靠性，目的是要映射到相應(yīng)的路由選擇、排隊(duì)優(yōu)先級(jí)、帶寬分配上。不過，
映射不是強(qiáng)制性的，即使映射也并非所有的要求都能被滿足。在不久的將來(lái)，“服務(wù)類型”有可能
被“區(qū)分服務(wù)”替代。
    上述任何一個(gè)環(huán)節(jié)沒通過，IP數(shù)據(jù)包就要被丟棄，與此同時(shí)，路由器可能產(chǎn)生ICMP數(shù)據(jù)包，
報(bào)
告相應(yīng)的差錯(cuò)。
    具有高速接口、線速要求的大容量核心路由器將面臨兩個(gè)最大的挑戰(zhàn)：一個(gè)是路由查表技
術(shù)。
比如，交換式千兆以太網(wǎng)接口最短的物理幀長(zhǎng)度是64字節(jié)，線速要求的路由查表時(shí)間不能超過
512ns；
2.5GbPs的STM－16／OC－48接口最短的HDLC幀僅包含HDLC幀開銷和IP數(shù)據(jù)包頭，偵長(zhǎng)度為28字
節(jié)，
線速要求．的路由查表時(shí)間不能超過92ns，與此同時(shí)，路由表轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)越來(lái)越多，在世界上成功
商
用化的核心路由器中已超過1M，因此，傳統(tǒng)的軟件查表技術(shù)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，已不再適用，必須發(fā)展
硬件查表技術(shù)。目前，基于硬件技術(shù)的查表算法委么要求硬件性能非常高、價(jià)格昂貴；要么局限在
某種條件下使用、適用范圍小，都不是萬(wàn)全之策。將來(lái)，隨著接口速度、路由轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)繼續(xù)成倍增
長(zhǎng)，硬件查表技術(shù)終究也會(huì)難以應(yīng)付，會(huì)需要把輸出端口查找與IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)分離，輸出瑞口的查
找依然采用IP協(xié)議，而數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)則采用新的協(xié)議，如MPLS，這正是MPLS成為世界上一個(gè)研究熱
點(diǎn)
的原因。另一個(gè)挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)包交換技術(shù)，傳統(tǒng)的電總線共享技術(shù)再也不適用了，一是因?yàn)橛布�技術(shù)
原因，電總統(tǒng)無(wú)法達(dá)到很高的帶寬，目前最高水平是20Gbps；二是因?yàn)楣蚕矸绞焦逃械陌l(fā)送沖
突，
導(dǎo)致數(shù)據(jù)包較大的等待時(shí)延和較高的丟失率，影響業(yè)務(wù)質(zhì)量。月前，世界上知名的核心路由器采用
的是電交換網(wǎng)絡(luò)、共享存儲(chǔ)器乃至光交換技術(shù)。
    三、路由的計(jì)算和更新
    最初的路由器主要采用靜態(tài)路由配置。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模迅速擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變動(dòng)，靜
態(tài)
路由暴露出配置麻煩、滯后等問題。因此，依據(jù)路由協(xié)議自動(dòng)實(shí)時(shí)地計(jì)算和更新路由，逐漸成為路
由器主要功能之一。當(dāng)然，靜態(tài)路由還可以與動(dòng)態(tài)路由配合使用。
    路由協(xié)議是路由計(jì)算和更新的依據(jù)，根據(jù)路由器尋徑的范圍不同而不同。如果在自治域／網(wǎng)
絡(luò)
內(nèi)部尋徑，路由器使用內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議；如果是在自治域之間尋徑，路由器使用外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。當(dāng)
然，
自治域邊緣的路由器可能同時(shí)使用內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。
    路由協(xié)議不是唯一的，而且一直在發(fā)展變化著。內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議目前用得較多的有RIP
（Routing 
Information Protocol）、OSPF（Open Shortest PathFirst）。外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議現(xiàn)在主要用BGP
（Bo
rderGateway  Protocol）。
    RIP適用于小型、路徑不多的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。它使用路由跳數(shù)來(lái)決定最佳路徑，算法很簡(jiǎn)單，但網(wǎng)
絡(luò)
直徑受限（跳數(shù)＜16），并且路徑選擇忽略了連接速度問題，在路徑較多時(shí)收斂速度慢，用來(lái)判斷
路徑不可到達(dá)的時(shí)間長(zhǎng)（≥3分鐘），廣播路由信息占用的帶寬資源較多。 RIP在1988年被標(biāo)準(zhǔn)化
在
 RFC1058中，現(xiàn)在第2版最新的內(nèi)容是1998年的RFC2453。RIP消息由瑞口號(hào)為520的UDP進(jìn)行傳
輸。
    OSPF能適應(yīng)大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連。它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中路由器物理連接的狀態(tài)與速度來(lái)進(jìn)行路由
選
擇，克服了RIP的缺點(diǎn)，但計(jì)算SPF樹比較復(fù)雜，需要占用路由器中更多CPU資源。OSPF在1989年
被正
式發(fā)布在RFC1131中，現(xiàn)在最新的第2版是1997年的 RFC2328。 OSPF消息直接封裝在協(xié)議域?yàn)?9
的IP
數(shù)據(jù)包中。
    外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP在1989年被正式發(fā)布在RFC1105中，現(xiàn)在最新的第4版是1997年的
RFC2328。BGP
消息由端口號(hào)為179的TCP進(jìn)行連接和傳輸。
    有的路由器還具有組播（multicast）尋徑能力。生機(jī)欲加入一個(gè)組播組，就用IGMP
（Internet
Group Manasement Protocol）與網(wǎng)絡(luò)上具有組播能力的路由器交換信息，并可以利用組播路由
協(xié)議
DVMRP或MOSPF建立自治域內(nèi)的組播傳輸路徑、利用MOSPF建立自治域之間的組播傳輸路徑。IGMP
消息
直接封裝在協(xié)議域?yàn)?的IP數(shù)據(jù)包中。
    對(duì)核心路由器來(lái)說(shuō)，路由協(xié)議的軟硬件實(shí)現(xiàn)是最繁重的工作，也是最重要的工作。路由協(xié)議
的
配置和協(xié)調(diào)、路由協(xié)議消息的緩沖和處理、路由的計(jì)算、數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和管理、路由轉(zhuǎn)發(fā)表的更新
和分發(fā)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都很重要，影響著網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前互聯(lián)網(wǎng)的不穩(wěn)定性大部
分來(lái)自核心路由器中路由協(xié)議的軟硬件實(shí)現(xiàn)。例如，路由協(xié)議的配置不當(dāng)可致使路由器之間不能互
操作，緩沖區(qū)較小可致使路由協(xié)議消息丟失，處理器速度較低可增加路由協(xié)議消息時(shí)延，缺乏有效
的鑒別和過濾機(jī)制可造成路由“黑洞”，數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和管理不及時(shí)會(huì)計(jì)算出過時(shí)的路由，路由轉(zhuǎn)
發(fā)表的更新和分發(fā)太慢會(huì)使IP數(shù)據(jù)包尋徑出錯(cuò)。
（待續(xù)）
摘自《數(shù)據(jù)通信》