路由協議和架構/網路裝置架構提示

路由器的架構一直在不斷發展，以不斷提高其資料包處理能力

• 第一代（直到 1990 年初）：低於 500 Mbps；
• 第二代（1990 年初）：約 5 Gbps；
• 第三代（1990 年後期）：從 50 Gbps 開始；
• 多機箱（最近趨勢）：Tbps 數量級。

第一代

第一代路由器架構。

第一代路由器基本上是經過修改的個人電腦

• 網路介面：它們是普通的網絡卡，數量更多，種類更多，與普通個人電腦上的網絡卡相比；
• 記憶體：固態儲存器（例如 SD 卡）優先，因為與機械硬碟相比，它不太容易出現故障；
• 作業系統：專門針對網路流量處理進行了最佳化。

優點

• 規模經濟：它使用大規模生產的元件，而不是專門用於網路世界的元件。

缺點

• 瓶頸:
  • 共享匯流排:
    • 慢速路徑：每個資料包在總線上傳輸兩次；
    • 仲裁：一次只有一個網絡卡可以使用匯流排→多個介面不能並行工作；
  • 記憶體訪問：路由表儲存在通用記憶體中的資料結構中→訪問不像傳統個人電腦那樣本地化，並且快取很少使用；
  • 處理能力：每當資料包到達時，CPU 都會中斷作業系統；
• 網路介面：傳統的網絡卡沒有很多埠，並且只支援最常見的介面型別；
• 維護成本：使用開源元件（例如 PPP 客戶端）會導致整合問題和各種配置方式。

目前這種架構用於中低端路由器，其效能足以滿足小型辦公室的需求。

第二代

第二代路由器架構。

第二代路由器試圖透過將處理負載從核心 CPU 轉移到邊緣單元來解決效能問題：網絡卡被線路卡取代，線路卡是“智慧”網絡卡，它們將轉發模組新增到物理/MAC 元件中

• CPU：資料包處理器是專門用於“簡單”資料包處理的處理器；
• 記憶體：每個傳入的資料包都被儲存到一個本地記憶體中，該記憶體與包含路由表的記憶體（通常是 TCAM）分開；
• 路由表：有時更新後的路由表會從中央單元複製到線路卡。

資料包可以遵循兩種方式

• 快速路徑：符合典型情況（例如 IPv4）的資料包只在總線上傳輸一次：它們由資料包處理器直接處理，並立即傳送到輸出介面；
• 慢速路徑：最不頻繁的資料包（例如 IPv6、OSPF）會留給核心 CPU 進行更復雜的處理，但吞吐量明顯降低。

線路卡的工作應由核心 CPU 協調，路由協議（例如 OSPF）也在核心 CPU 上執行，核心 CPU 安裝在高端系統中的稱為監管器的卡上。

優點

• 核心 CPU：它只為快速路徑上的資料包工作→它可以不太強大；
• 快速路徑最佳化：連線中的第一個資料包會走慢速路徑，然後中央系統會將該連線標記為符合快速路徑的條件，所有後續資料包都將走快速路徑；
• 靈活性：引入新協議（例如 IPv6）只需要更新中央系統上的軟體。

缺點

• 共享匯流排仲裁：一次只有一個線路卡可以使用匯流排→多個介面不能並行工作。

第三代

第三代路由器架構。

第三代路由器專注於解決並行化問題，用交換結構（或交叉開關）取代共享匯流排，該結構能夠處理多個傳輸：一個線路卡透過短路交換矩陣中它們“線”的交點來連線到另一個線路卡。

兩個線路卡不能同時連線到同一個線路卡→需要一個仲裁器，它驅動切換點並解決爭用情況，避免衝突。

當輸出介面的傳送資料包速度比交換結構的交換速度慢時，資料包可以以各種方式排隊

• 輸出排隊：緩衝區放置在輸出介面上→最壞情況：交換結構的速度是接收速度的N倍，其中N=輸入介面的數量；
• 輸入排隊：緩衝區放置在輸入介面上→交換結構的交換速度不依賴於輸入介面的數量，但會遇到行首阻塞問題
  1. 兩個輸入佇列中的兩個資料包都將傳送到同一個輸出佇列；
  2. 仲裁器讓其中一個數據包透過，阻塞另一個數據包；
  3. 輸入佇列中的所有後續資料包，即使是那些要傳送到空閒輸出佇列的資料包，都必須等待“行首”；
• 虛擬輸出排隊：透過在每個輸入處為每個輸出保留一個佇列來解決行首阻塞問題；
• 帶緩衝交換結構：緩衝區放置在交叉開關內部的切換節點位置。

缺點

• 仲裁器:
  • 它構成了一個瓶頸，尤其是在由於資料包較小而頻繁做出決策的情況下（例如 ATM）；
  • 服務質量的排程策略可能會使其硬體更加複雜；
• 佇列緩衝區：它們是昂貴的記憶體，因為它們必須很快。

多機箱路由器

多機箱路由器旨在實現可擴充套件性：連線多個並排機架，使其看起來像一臺路由器

• 處理能力乘以機箱的數量；
• 有更多用於網路介面的物理空間→可以將大量的連結連線到同一個裝置；
• 路由集中在一個站點（就像電話世界一樣），而不是分散在網路上的許多小型路由器→資料站點可以為一個廣闊的地理區域（例如皮埃蒙特）內的所有使用者提供服務。

服務卡

另一個最近的趨勢旨在提高靈活性：路由器不再是純粹的第 3 層裝置，因為正在新增許多不屬於第 3 層的其他功能，例如快取、防火牆、網路監控、ACL 等。目標是定製 ISP 提供的服務，將目前掌握在內容提供商手中的部分業務帶回。

目前常用的解決方案是服務卡，這是一種增強了增值服務的線路卡，由製造商預先配置。但是，服務卡的靈活性不高：由於不可程式設計，因此需要購買新的服務卡才能新增服務。

當前主要問題

吞吐量現在不再是問題，但當前的主要問題是

• 購買成本：為了降低網路裝置的成本，專用元件正在被大規模生產的通用元件取代
  • 主流 CPU 的產品生命週期太短，更換時間太長→英特爾最近推出了嵌入式 CPU，與主流 CPU 相比，嵌入式 CPU 的產品生命週期更長，更換時間更短；
  • 在專用系統中，程式設計師可以利用記憶體層次結構，將 RIB 儲存到慢速記憶體中，將 FIB 儲存到快速記憶體中（例如 TCAM），而通用系統會自動決定將什麼放入快取中→具有分割槽記憶體但處理通用性有限的 GPU 應該得到解決；
• 運營成本: 電力消耗和熱量散發可能非常大；
• 靈活性: 需要朝著將控制功能與物理硬體分離的方向發展： C3. 軟體定義網路簡介.