路由器（Router）是网络层的核心设备，工作在第三层（网络层）上，可以连接不同类型的网络，具有转发报文和进行路由选择两大功能。路由器通过路由决定数据的转发，而转发策略称为路由选择（Routing），这也是路由器名称的由来（图4-2）。
作为现在互联网络的枢纽，路由器是实现骨干网络内部网络、骨干网络之间和骨干网络与各种网络互联的重要设备。比如：路由器系统构成了基于TCP/IP的国际互联网络Internet的主体脉络，也可以说，路由器构成了Internet的骨架。
图4-2 路由器
1.路由器的功能
路由器的功能主要有以下方面。
（1）网络互连：路由器支持各种局域网和广域网接口，一台路由器也可以配置多种网络接口，用于连接局域网和广域网，实现不同网络之间的计算机通信。
（2）数据处理：实现分组过滤、路由选择、分组转发、优先级、加密、复用、广播域隔离等功能。
（3）网络管理：实现网络的配置管理、性能管理、差错管理和流量控制等功能。
路由器的一个重要机制是路由表，存储着指向特定网络地址的路径，包含着周边网络的拓扑信息。静态路由表：由系统管理员事先设置好固定的路由表称之为静态（static）路由表，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络结构的改变而改变。动态路由表：动态（Dynamic）路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表。路由器根据路由选择协议（Routing Protocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。
路由器的另一个重要机制是转发表（FIB，Forward Information Base），路由表用来选择路由，FIB用来转发分组。FIB表中转发信息项指明分组到某个网段或者某个主机，应该通过路由器的哪一个物理端口发送。从端口发出后，分组就可以到达该路径的下一个路由器，或者不再经过别的路由器而直接交付到相连的网络中的目的主机。
路由表中的表项内容包括以下几种。
（1）Destination：目的地址，用来标识IP包的目的地址或者目的网络。
（2）Mask：网络掩码，与目的地址一起标识目的主机或者路由器所在的网段的地址。
（3）Pre：标识路由加入IP路由表的优先级。到达一个目的地可能有多条路由，选择优先级高的路由。
（4）Cost：路由开销，当多个路由优先级相同时，选择路由开销最小的为最优路由。
（5）Interface：输出端口，IP包将从该路由器端口转发。
（6）Nexthop：下一跳IP地址，IP包要经过的下一个路由器的地址。
2.路由器的工作原理
路由器配置在不同的网络之间，负责将IP数据包从一个网络转发到另一个网络。为此，路由器需要具备IP寻址和选择合适的转发路径的能力。
如图4-3所示，当主机A要向另一个主机（如B）发送数据包时，先要检查目的主机B是否与源主机A连接在同一个子网上。
如果是，就将数据包直接交付给目的主机B而不需要通过路由器。
但如果目的主机（如C）与源主机A不是连接在同一个子网上，则它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把IP报文送给该路由器，由路由器负责把IP报文送到目的地。如果没有找到这样的路由器，主机就把IP报文送给一个称为“默认网关”的路由器上。“默认网关”是每台主机上的一个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的IP地址。
图4-3 路由器的工作原理示意图
路由器转发IP报文时，只根据目的IP地址的网络号部分，选择合适的端口，把IP报文送出去。同主机一样，路由器也要判定端口所接的是否是目的子网，如果是，就直接把报文通过端口送到网络上，否则，也要选择下一个路由器来传送报文。路由器有它的“默认网关”，用来传送不知道往哪儿送的IP报文。这样，通过路由器把知道如何传送的IP报文正确转发出去，把不知道的IP报文送给“默认网关”路由器，这样一级一级地传送，IP报文最终将送到目的地，送不到目的地的IP报文则被网络丢弃了。
3.典型路由器的结构
典型的路由器的结构如图4-4所示。
图4-4 典型路由器的结构示意图(www.xing528.com)
输入端口：
（1）实现将一条输入的物理链路与路由器相连接的物理层功能。
（2）实现与数据链路层交互的数据链路层功能。
（3）在输入端口完成查找功能。通过查询转发表决定路由器的输出端口。
（4）控制分组从输入端口到路由选择处理器。
交换结构：将路由的输入端口与输出端口相连接。
输出端口：从交换结构接收分组，并通过执行必要的链路层和物理层功能在输出链路上传输这些分组。
路由选择处理机：执行路由选择协议，维护路由选择表以及连接的链路状态信息，并为路由器计算转发表。同时，还执行网络管理功能。其中：路由转发协议是指通过查找路由表以决定最佳传输路径的一组规则。路由选择协议是指根据路由算法收集到的网络信息动态构造路由表的方法。
4.路由器的分类
从功能、性能及应用方面，可以将路由器分为三类：
（1）接入路由器，又称为边缘路由器。连接家庭或ISP内的小型企业客户。接入路由器不仅提供SLIP或PPP连接，还支持诸如PPTP，IPSec，ADSL等。
接入路由器不仅能实现局域网间的互联，还能实现局域网与广域网之间的互联。路由器上的LAN口为局域网接口，WAN口为广域网接口。
（2）企业级路由器。与接入路由器相比，企业级路由器支持的网络协议多、速度快，要处理各种局域网类型，支持多种协议，包括IP，IPX，还要支持防火墙、包过滤以及大量的管理和安全策略以及VLAN（虚拟局域网）。
（3）骨干级路由器。互联网目前由几十个骨干网构成，每个骨干网服务几千个小网络，骨干级路由器实现企业级网络的互联。对它的要求是速度和可靠性，而价格则处于次要地位。硬件可靠性可以采用电话交换网中使用的技术，如热备份、双电源、双数据通路等来获得。这些技术对所有骨干路由器来说是必需的。
骨干网上的路由器终端系统通常是不能直接访问的，它们连接长距离骨干网上的ISP和企业网络。
5.路由器的性能指标
（1）吞吐量：吞吐量是路由器的包转发能力，一般泛指处理器处理数据包的能力。吞吐量主要包括整机吞吐量和端口吞吐量。
（2）路由表能力：路由器通常依靠所建立及维护的路由表来决定包的转发。路由表能力是指路由表内所容纳路由表项数量的极限，一般而言，高速路由器应该能够支持至少二十五万条路由。
（3）背板能力：背板指输入与输出端口间的物理通路。背板能力是路由器的内部实现，高速路由器一般采用可交换式背板的设计。背板能力能够体现在路由器吞吐量上。
（4）丢包率：是指路由器在稳定的持续负荷下，由于资源缺少而不能转发的数据包在应该转发的数据包中所占的比例。丢包率通常用作衡量路由器在超负荷工作时的性能。
（5）时延：是指数据包第一个比特进入路由器到最后一个比特从路由器输出的时间间隔，是存储转发方式工作的路由器的处理时间。时延对性能影响较大，高速路由器要求对1518字节及以下的IP包时延均都小于1ms。
（6）背靠背帧数：是指以最小帧间隔发送最多数据包不引起丢包时的数据包数量。该指标用于测试路由器的缓存能力。
（7）时延抖动：是指时延变化。对IP上除数据外的其他业务，如语音、视频业务，该指标才有测试的必要性。
（8）服务质量能力：包括队列管理机制、端口硬件队列数。
（9）网络管理：是指网络管理员通过网络管理程序对网络上资源进行集中化管理的操作，包括配置管理、计账管理、性能管理、差错管理。
（10）可靠性和可用性：包括设备的冗余、热插拔组件、无故障工作时间、内部时钟精度。
随堂练习
简述路由器的作用和工作原理。
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