路由器工作原理浅析

路由器是TCP/IP模型上处于第三层网络层的设备，他是实现异构网络互联的关键器件。

路由器必须完成两个基本功能：路由处理和数据包转发处理。

—路由处理：是路由器控制层面的工作，路由选择：收集网络拓扑信息并动态形成路由表（RIB）。

—数据转发层面：根据转发表（FIB）转发IP数据包。

        

路由选择的核心器件是路由选择处理器，就是运行着系统软件和路由协议的专用CPU，它动态收集路由拓扑信息，维护更新路由表。这没啥好说的，除非研究出来更先进的路由协议或算法，能大幅提升路由选择的效率，否则各大厂商在路由处理这一层面基本上都是同一水平。

数据/分组转发处理：根据控制层面生成的转发表转发IP分组。由于一台路由器得囊括物理层、数据链路层、网络层的工作，所以各大厂商都是在数据转发层面有很大不同并拉开差距的。

首先，要转发数据就要一套数据交换的方法，即交换结构：将来自某个输入端口的数据发送到一个输出端口，完成输入输出端口间的互联功能。常见的交换结构有三类：共享总线型、共享存储型、交叉开关型。早期的第一代路由器，如Cisco2501使用的就是单总线型，一个CPU+一块RAM，连接各个物理端口，不仅处理速度慢，而且容错率低。第二代单总线路由器采用了主从CPU的设计，主CPU负责路由控制层面的工作，从CPU负责数据转发层面的工作。第三代单总线路由采用的对称多CPU结构(并行处理技术)，主CPU集中控制个端口CPU的转发表，各端口CPU负责查表、队列管理和转发，这一设计大大提高了网络接口的处理能力。第四代的路由采用多总线多CPU的设计，各方面性能大大提高，复杂度也提高了，同时实现了硬件查路由表。后来，大家都开始向共享存储型、交叉开关型的高性能复杂路由器发展，这里不展开了。

我们说了，既然是数据包转发，就要有数据源输入，这就是输入端口。—输入端口是物理链路的连接点，也是数据包的接收点。—端口通常由线卡提供，一块线卡一般支持4、8或16个端口。每个输入端口都有三个模块，它们分别是对应于物理层、数据链路层和网络层的模块。关于—分组的处理：—如果是路由交换信息——》路由选择处理机；—如果是数据——》查找转发表；—一个分组未处理完，又到了新的分组，则在输入队列中排队。

接下来是数据输出工作，就要经过输出端口。输出端口的—主要功能：队列和缓冲管理。—从交换结构接收数据包，然后将它们发送到路由器的线路接口卡上。—当交换结构传送的数据包的速率超过输出链路的发送速率时，来不及发送的数据包就暂时存放在队列中。—输出端口使用复杂的调度算法实现QoS功能。—完成数据包的封装和支持物理链路协议等。 

搞清楚了路由器的几个核心部件及工作原理后，来走一遍路由器工作的流程。

       —  线路输入：信号恢复、译码和CRC校验，放进输入FIFO队列。

        — 数据包头部分析：主要是三层目的IP地址，甚至包括二层和四层数据头部

        — 查询路由表确定输出端口；查分组分类表确定输出队列QoS

—          数据包头部修改：包括TTL值减1、更新IP头部校验和、替换二层MAC地址等，送入输出FIFO队列

—        线路输出 ：数据封装及发送。