路由器分布式控制技术研究

贺东

摘要:路由技术为计算机之间的通信选择路径,路由器随着互联网的普及越来越重要,使结构复杂、数量较多的主机组成的庞大网络构成一个有序的整体。文章主要介绍了路由器概况、集中式路由器、分布式路由器、从可靠性、可扩展性和部署代价等方面对这两种路由器做了对比。

关键词:路由器集中式控制技术分布式控制技术

中图分类号:TN93 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)06(c)-0026-01

1 引言

近年来,随着光传输技术的快速发展和核心路由表的快速增长,对路由器性能提出了更高的需求,互联网快速发展要求路由器随着网络规模和流量增长不断扩展自身性能。目前,路由器的使用较多的集中在集中式控制,由于路由器控制平面只有一个控制单元处理控制任务,数据平面规模扩展将增加控制平面的负载,容易造成控制单元过载。为了能够有效解决集中式路由器控制平面面临的问题,一些学者提出了路由器分布式控制方案。本文主要介绍了路由器概况、集中式路由器、分布式路由器、同时从可靠性、可扩展性和部署代价等方面对这两种路由器做了对比,以便更好的了解路由器集中式控制与分布式控制的特点。

2 路由器

2.1 路由器的主要功能

路由器主要用于OSI七层协议的第三层,被用来接收来自一个网络接口的数据包,依照其中所包含的目的地址,确定转发到下一个目的地址。所以,路由器需要先在转发路由表中查找到目的地址,如果找到了目的地址,可在数据包的帧格前添加下一个MAC地址,与此同时IP数据包头的TTL域也开始减数,并计算新的校验名。当数据包被送到输出端口时,它需要按顺序等待,以便于被传送到输出链路上。也可以描述为在网络间截获发送到远地网络段的网络数据报文,同时转发出去。可以为不同网络之间的用户提供合理的通信途径。网络层数据报文转发的基础是维护路由表、并与其它路由器交换路由信息,路由器还可以实现对数据报的过滤和记帐。利用网际协议,能够为网络管理员提供整个网络的有关信息和工作情况,以便对网络进行科学的管理。

2.2 路由器的优缺点

具有较为复杂的网络拓扑结构、负载共享和最优路径;节约局域网的频宽;适用于大规模的网络;可以较好地处理多媒体数据;安全性不低;可滤除多余的通信量;减轻主机负担等等是路由器的优点。但是,路由器不支持非路由协议、其安装较为复杂、购买价位较高。

2.3 路由器的工作原理

当路由器收到一个网络层数据报时,路由器便要决定是直接转发给与自己相连的网络还是发往另一个路由器,或者丢弃该数据报。路由器利用网络层的源和目的地址信息来确定信息发往哪一个网络,如果源和目的网络号在同一个网络中则送到该网络的指定主机。一个信息包到达路由器后先进入队列,然后路由器依次进行如下处理:提取信息包的目的地址,查看路由表,如果到达目的地的路径不止一个,则选择一条最佳路径。另外,路由器在进行选择时还综合了互联网上网络负载、延时、数据报长度、数据报头中规定的服务类型等因素来选择出最优路径。

3 路由器集中控制技术

3.1 路由器集中控制技术

集中式路由器的控制平面仅设置唯一的一个控制单元,有专用的内部通信协议。

3.2 路由器集中控制面临的主要问题

3.2.1 性能瓶颈

按照当今因特网的发展速度和硬件技术的发展速度,单一控制单元的集中式控制平面已经不能够满足因特网快速发展的需求。这是因为集中式路由器控制平面仅存在一个控制单元处理协议分组,这就是所谓的路由器性能瓶颈。据研究,大约有一半的网络故障大概是由路由器控制平面过载丢失消息导致的。

3.2.2 单点失效

单点失效产生的原因是,目前路由协议主要运行在主控制单元上,由于硬件或软件局部功能失效或代码错误非常容易引起整个协议失效,这就是所谓的单点失效。即使目前的路由器控制平面使用主、从备份方式,但是由于主、从备份的失效恢复速度却很慢,危害到整个网络的可用性。当前,为了提高网络可用性,可以通过向网络中增加路由器和运行虚拟路由器冗余协议实现冗余备份。但是在一定程度上却提高了网络的运营成本,使网络连接的复杂度和网络管理的难度大大提高。

3.2.3 可扩展性差

集中式路由器的可扩展性较差,原因在于当前各路由器生产厂家使用的技术均是自己的私有技术,并且各自设计自己专用的路由器部件、路由器接口与路由器通信协议。由于市面上的路由器由不同厂家生产,这些路由器部件与部件之间无法相互通信与相互互换。所以,在网络传输过程中,集中式路由器仅仅做为独立的网络设备相互连接,却很难通过相互连接扩展为一台性能更高与功能更多的路由器。总之,路由器生产技术的封闭私有性和集中控制性导致了路由器的可扩展性很差。

4 路由器分布式控制技术

4.1 路由器分布式控制技术

在分布式路由器中主要利用了客户端/服务器模式、多层、服务器集群等高科技手段,与集中式路由器不同,分布式路由器的控制平面设置了多个控制单元,这些控制单元分布式连接,在物理形式上构成了一个整体,在分布式路由器中,路由器的协议和算法也是分布式的。路由器分布式控制平面一般包括集群路由器和转发与控制分离两类结构。目前,分布式控制路由使用的越来越广泛。

4.2 路由器集中式控制与分布式控制比较

为了更好的了解路由器集中式控制与分布式控制的特点,从可扩展性、可靠性和部署代价等方面对集中式路由器和分布式路由器做了对比。在可扩展性方面,集中式路由器需要软硬件升级才能扩展,但是分布式路由器可灵活的扩展控制平面功能和性能;在可靠性方面,集中式路由器单点失效就会严重影响路由器的可靠性,但是分布式路由器多实例并行和冗余备份提高了可靠性,控制单元之间和控制单元与转发单元之间分担负载,可克服单一硬件的性能瓶颈,减轻控制单元过载,在一定程度上也可以提高路由器的可靠性;在部署代价方面,集中式路由器代价较低,分布式控代价较高。此外,对于分布式路由器,硬件分布式互连和软件功能分布式、模块化设计和实现可实现不中断服务升级,提高路由器的可用性;分布式路由器减轻了硬件或软件故障引发的网络震荡;信令功能分布在转发单元和并行处理减短了信令消息排队时间。集中式路由器的内部通信协议专有,而分布式路由器的内部通信协议较为开放。但是与集中式控制相比,分布式控制存在内部通信开销大和能耗高、管理和维护复杂等不足。

5 结语

随着计算机技术的快速发展和互联网的不断普及,网络的结构也越来越复杂、包含的主机数量可以说以百万计至亿计。路由器技术可以用来为计算机之间的通信选择合理的路径,因此,路由器的应用可以使庞大的网络成为一个有序的整体。

参考文献

[1] 黎连业.路由器及其应用技术[M].清华大学出版社,2005,8.

[2] 管剑波.集群路由器体系结构及其关键技术研究[D].国防科学技术大学,2005.