IP路由器的主要功能(上)

IP路由器的主要功能(上)（唐健、邬江兴）
    摘要：IP路由器是互联网的关键设备，其功能随着实践的发展而被不断完善。本文把IP路由
器
的主要功能分为IP数据包的转发、路由的计算和更新、ICMP消息的处理、网络管理以及安全服务
五
个方面，分别介绍相应的协议、工作方式、实现要求以及存在的问题。
    关键词：互联网  IP路由器  路由协议  网络管理  安全性
    一、引言
    互联网作为最大、最有影响力的信息交换平台，正在迅猛发展。作为发展中国家的中国也不
甘
落后，今天，中国互联网用户已突破800万，专家预测，“中国有望成为互联网经济的主要国
家”。
    互联网即网间网，它把许多自治域通过IP（InternetProtocol）协议互联在一起，这些自治
域
由具有不同网络地址的网络经IP协议互联在一起，而这些网络又可能由具有不同子网掩码的子网组
成。出入一个自治域／网络／子网的数据都要经路由器转发，路由器决定数据是否需要转发、能否
转发、如何转发、转发得怎样，是自治域／网络／子网相交汇的节点。根据公开发表的研究报告，
从源IP地址出发到宿IP地址的用户数据中，80％以上沿途必须经过路由器，20％以下局限在子网
内
流动。可以说，没有路由器就没有互联网。没有高性能的路由器就没有高性能的互联网，因此，路
由器在互联网中具有极其重要的地位和作用，是互联网中的关键设备。按照在互联网中的地位和作
用，路由器可分为分支路由器、边缘路由器、核心路由器。
    路由器究竟必须具备哪些功能呢？是不是象人们通常认为的那样仅仅工作在OSI模型的第三
层，
即网络层呢？转发用户数据，只是路由器的一个最基本的功能，事实上，IP路由器的功能随着实践
的发展而不断被完善。比如，路由器最初主要采用静态路由配置，计算和更新路由的功能没有被明
确要求，但现在，这个功能成为必备。又比如，路由器曾对用户数据和协议数据的安全性考虑甚
少，
现在安全服务却显得很紧迫。下文把IP路由器的主要功能分为五个方面，分别予以介绍。
    二、IP数据包的转发
    这是路由器最基本的功能。当一个IP数据包到达路由器时，路由器根据IP协议对其报头进行
处
理，然后根据处理结果对该数据包进行转发、本地处理、或者丢弃。目前常用的是IP协议第4版
IPv4。
IPv4数据包的报头包含如下内容：版本、头标长、服务类型、总长、标识、标志、片偏移、生存
时
间、协议、头标校验和、源IP地址、宿IP地址、选项。
    为便于按照相应规定对报头进行分析，首先路由器要确定报头的格式，查看IP协议的“版
本”
（IPv4的“版本”是4）；次之，路由器必须知道报头的长度和正确性，按照“头标长”截获报
头，
用“头校验和”加以校验。为避免数据包因寻径错误而在互联网中无休止地流动、占用宝贵的网络
资源，有必要限制数据包的转发次数。路由器检查“生存时间”，目的在于此。路由器还需要根据
“宿IP地址”或“选项”中的源路径直找路由转发表。如果“宿IP地址”正好与自己吻合，需参
考
“源IP地址”和“协议”，决定该数据包是否有权限访问路由器。如果有，就要根据“协议”在本
地作进一步的高层处理，不过在此之前有必要根据“标识”、“标志”和“片偏移”来重组数据
包。
“协议”标明了数据区的协议类型，如89代表OSPF等，路由器根据“协议”规定的数据区格式分
析
数据，从而可以进一步处理其中相应的协议消息。
    如果“宿IP地址”尚未到达，须参考“源IP地址”和“协议”，决定该数据包是否被允许转
发，
如果允许，路由器根据“宿IP地址”或“选项”中的源路径、“服务类型”在路由转发表中查找相
应的输出端口，并把数据包交换到该输出瑞口的某队列中，解析下一跳IP地址对应的物理地址（比
如以太网的MAC地址），把数据包封装在物理帧中传输。不过，如果一个物理帧装不下完整的数据
包，还须把数据包分片，在“标识”、“标志”和“片偏移”中加以指示。“服务类型”包含优先
级、时延、吞吐率和可靠性，目的是要映射到相应的路由选择、排队优先级、带宽分配上。不过，
映射不是强制性的，即使映射也并非所有的要求都能被满足。在不久的将来，“服务类型”有可能
被“区分服务”替代。
    上述任何一个环节没通过，IP数据包就要被丢弃，与此同时，路由器可能产生ICMP数据包，
报
告相应的差错。
    具有高速接口、线速要求的大容量核心路由器将面临两个最大的挑战：一个是路由查表技
术。
比如，交换式千兆以太网接口最短的物理帧长度是64字节，线速要求的路由查表时间不能超过
512ns；
2.5GbPs的STM－16／OC－48接口最短的HDLC帧仅包含HDLC帧开销和IP数据包头，侦长度为28字
节，
线速要求．的路由查表时间不能超过92ns，与此同时，路由表转发表项越来越多，在世界上成功
商
用化的核心路由器中已超过1M，因此，传统的软件查表技术花费时间较长，已不再适用，必须发展
硬件查表技术。目前，基于硬件技术的查表算法委么要求硬件性能非常高、价格昂贵；要么局限在
某种条件下使用、适用范围小，都不是万全之策。将来，随着接口速度、路由转发表项继续成倍增
长，硬件查表技术终究也会难以应付，会需要把输出端口查找与IP数据包转发分离，输出瑞口的查
找依然采用IP协议，而数据包转发则采用新的协议，如MPLS，这正是MPLS成为世界上一个研究热
点
的原因。另一个挑战是数据包交换技术，传统的电总线共享技术再也不适用了，一是因为硬件技术
原因，电总统无法达到很高的带宽，目前最高水平是20Gbps；二是因为共享方式固有的发送冲
突，
导致数据包较大的等待时延和较高的丢失率，影响业务质量。月前，世界上知名的核心路由器采用
的是电交换网络、共享存储器乃至光交换技术。
    三、路由的计算和更新
    最初的路由器主要采用静态路由配置。随着网络规模迅速扩大和网络拓扑结构频繁变动，静
态
路由暴露出配置麻烦、滞后等问题。因此，依据路由协议自动实时地计算和更新路由，逐渐成为路
由器主要功能之一。当然，静态路由还可以与动态路由配合使用。
    路由协议是路由计算和更新的依据，根据路由器寻径的范围不同而不同。如果在自治域／网
络
内部寻径，路由器使用内部网关协议；如果是在自治域之间寻径，路由器使用外部网关协议。当
然，
自治域边缘的路由器可能同时使用内部网关协议和外部网关协议。
    路由协议不是唯一的，而且一直在发展变化着。内部网关协议目前用得较多的有RIP
（Routing 
Information Protocol）、OSPF（Open Shortest PathFirst）。外部网关协议现在主要用BGP
（Bo
rderGateway  Protocol）。
    RIP适用于小型、路径不多的同构网络。它使用路由跳数来决定最佳路径，算法很简单，但网
络
直径受限（跳数＜16），并且路径选择忽略了连接速度问题，在路径较多时收敛速度慢，用来判断
路径不可到达的时间长（≥3分钟），广播路由信息占用的带宽资源较多。 RIP在1988年被标准化
在
 RFC1058中，现在第2版最新的内容是1998年的RFC2453。RIP消息由瑞口号为520的UDP进行传
输。
    OSPF能适应大规模异构网络的互连。它根据网络中路由器物理连接的状态与速度来进行路由
选
择，克服了RIP的缺点，但计算SPF树比较复杂，需要占用路由器中更多CPU资源。OSPF在1989年
被正
式发布在RFC1131中，现在最新的第2版是1997年的 RFC2328。 OSPF消息直接封装在协议域为89
的IP
数据包中。
    外部网关协议BGP在1989年被正式发布在RFC1105中，现在最新的第4版是1997年的
RFC2328。BGP
消息由端口号为179的TCP进行连接和传输。
    有的路由器还具有组播（multicast）寻径能力。生机欲加入一个组播组，就用IGMP
（Internet
Group Manasement Protocol）与网络上具有组播能力的路由器交换信息，并可以利用组播路由
协议
DVMRP或MOSPF建立自治域内的组播传输路径、利用MOSPF建立自治域之间的组播传输路径。IGMP
消息
直接封装在协议域为2的IP数据包中。
    对核心路由器来说，路由协议的软硬件实现是最繁重的工作，也是最重要的工作。路由协议
的
配置和协调、路由协议消息的缓冲和处理、路由的计算、数据库的维护和管理、路由转发表的更新
和分发，每一个环节都很重要，影响着网络的稳定性。根据数据统计，目前互联网的不稳定性大部
分来自核心路由器中路由协议的软硬件实现。例如，路由协议的配置不当可致使路由器之间不能互
操作，缓冲区较小可致使路由协议消息丢失，处理器速度较低可增加路由协议消息时延，缺乏有效
的鉴别和过滤机制可造成路由“黑洞”，数据库的维护和管理不及时会计算出过时的路由，路由转
发表的更新和分发太慢会使IP数据包寻径出错。
（待续）
摘自《数据通信》