路由器组成

路由器的结构概况

高层面(非常简化的)通用路由器体系架构

• 路由：运行路由选择算法／协议 (RIP, OSPF, BGP) - 生成 路由表
• 转发：从输入到输出链路交换数据报 - 根据路由表进行分组的转发

输入端口功能

分布式交换：

• 根据数据报（网络层分组）头部的信息如：目的地址，在输入端口内存中的转发表中查找合适的输出端口（匹配+行动）
• 基于目标的转发：仅仅依赖于IP数据报的目标IP地址（传统方法）
• 通用转发：基于头部字段的任意集合进行转发

功能如下：

• 物理层：链路上的数字信号（比如电信号、光信号等）转换成bit(有的是bit，有的是word)
• 数据链路层：将转换成的bit分成帧(判断哪里是帧头，哪里是帧尾)，检查有无出错，判断帧的目标Mac和网卡的Mac是否一致（判断是否接受这个帧），然后取出帧中的数据部分（也就是IP的分组，数据链路层将IP的分组包装成帧了）
• 数据链路层将IP分组交给网络层实体，网络层实体在链路当中排队，排到队头的按照路由表交给合适的端口输出
• 传统的IP分组是根据分组头部的目标ip，根据路由表来转发
• 如果是SDN，则会查头部的多个信息，匹配相应流表的字段，按照流标的操作

输入端口缓存

• 交换机构的速率小于输入端口的汇聚速率时， 在输入端口可能要排队
  • 排队延迟和由于输入缓存溢出造成丢失
• Head-of-the-Line (HOL) blocking: 排在队头的数据报 阻止了队列中其他数据报向前移动

交换结构

• 将分组从输入缓冲区传输到合适的输出端口
• 交换速率：分组可以按照该速率从输入传输到输 出
  • 运行速度经常是输入/输出链路速率的若干倍 (因为输入端口和输出端口有多个)
  • N 个输入端口：交换机构的交换速度是输入线路速度的N倍比较理 想，才不会成为瓶颈

三种典型的交换机构

通过内存交换

第一代路由器

• 在CPU直接控制下的交换，采用传统的计算机（通过计算机的软件来实现）
• 分组被拷贝到系统内存，CPU从分组的头部提取出目标地址，查找转发表，找到对应的输出端口，拷贝到输出端口
• 分组要过系统总线两次（input→memory，memory→output），因此系统总线成为了速率的瓶颈（转发速率被内存的带宽限制）
• 一次只能转发一个分组

通过总线交换

• 数据报通过共享总线，从输入端转发到输出端口
• 分组加上输出端口的地址被送往总线，分组通过bus的时候所有的输出分组都能够读到，如果是本输出端口的地址就拿到
• 总线竞争: 交换速度受限于总线带宽
• 1次处理一个分组，分组只经过一次bus
• 1 Gbps bus, Cisco 1900； 32 Gbps bus, Cisco 5600；
• 对于接 入或企业级路由器，速度足够（ 但不适合区域或骨干网络）

通过互联网络(crossbar等)的交换

• 同时并发转发多个分组，克服总线带宽限制
• Banyan(榕树〉网络，crossbar(纵横)和其它的互联网络被开发，将多个处理器连接成多处理器
• 当分组从端口A到达，转给端口Y;控制器短接相应的两个总线
• 高级设计:将数据报分片为固定长度的信元，通过交换网络交换
• Cisco12000:以60Gbps的交换速率通过互联网络
  

输出端口

• 当数据报从交换机构的到达速度比传输速率快就需要输出端口缓存（数据报（分组）可能会被丢弃，由于拥塞，缓冲区没有空间）
• 由调度规则选择排队的数据报进行传输

输出端口排队

• 假设交换速率$R_{switch}$是$R_{line}$的N倍（N：输入端口的数量）
• 当多个输入端口同时向输出端口发送时，缓冲该分组（当通 过交换网络到达的速率超过输出速率则缓存）
• 排队带来延迟，由于输出端口缓存溢出则丢弃数据报

调度机制

• 调度: 选择下一个要通过链路传输的分组

FIFO (first in first out) scheduling

• 按照分组到来的次序发送
• 丢弃策略: 如果分组到达一个满的队列，哪个分组将会 被抛弃?
  • tail drop: 丢弃刚到达的分组
  • priority: 根据优先权丢失/移除分组（分组是有优先权的，比如有VIP）
  • random: 随机地丢弃/移除

优先权

优先权调度：发送最高优先权的分组

• 多类，不同类别有不同的 优先权
  • 类别可能依赖于标记或者其 他的头部字段, e.g. IP source/dest, port numbers, ds，etc.
  • 先传高优先级的队列中的分 组，除非没有
  • 高（低）优先权中的分组传 输次序：FIFO

Round Robin (RR) scheduling

• 多类
• 循环扫描不同类型的队列, 发送完一类的一个分组 ，再发送下一个类的一个分组，循环所有类

Weighted Fair Queuing (WFQ)

• 一般化的Round Robin
• 在一段时间内，每个队列得到的服务时间是： $W_i$ /(XIGMA($W_i$ )) *t ，和权重成正比
• 每个类在每一个循环中获得不同权重的服务量
• 现实例子