详解路由器的工作原理

2017-03-15

详解路由器的工作原理

我们知道路由器是用来连接不同网段或网络的，在一个局域网中，如果不需与外界网络进行通信的话，内部网络的各工作站都能识别其它各节点，完全可以通过交换机就可以实现目的发送，根本用不上路由器来记忆局域网的各节点MAC地址。路由器识别不同网络的方法是通过识别不同网络的网络ID号进行的，所以为了保证路由成功，每个网络都必须有一个唯一的网络编号。路由器要识别另一个网络，首先要识别的就是对方网络的路由器IP地址的网络ID，看是不是与目的节点地址中的网络ID号相一致。如果是当然就向这个网络的路由器发送了，接收网络的路由器在接收到源网络发来的报文后，根据报文中所包括的目的节点IP地址中的主机ID号来识别是发给哪一个节点的，然后再直接发送。

为了更清楚地说明路由器的工作原理，现在我们假设有这样一个简单的网络。假设其中一个网段网络ID号为"A"，在同一网段中有4台终端设备连接在一起，这个网段的每个设备的IP地址分别假设为：A1、A2、A3和A4。连接在这个网段上的一台路由器是用来连接其它网段的，路由器连接于A网段的那个端口IP地址为A5。同样路由器连接另一网段为B网段，这个网段的网络ID号为"B"，那连接在B网段的另几台工作站设备设的IP地址我们设为：B1、B2、B3、B4，同样连接与B网段的路由器端口的IP地址我们设为B5。

在这样一个简单的网络中同时存在着两个不同的网段，现如果A网段中的A1用户想发送一个数据给B网段的B2用户，有了路由器就非常简单了。

首先A1用户把所发送的数据及发送报文准备好，以数据帧的形式通过集线器或交换机广播发给同一网段的所有节点(集线器都是采取广播方式，而交换机因为不能识别这个地址，也采取广播方式)，路由器在侦听到A1发送的数据帧后，分析目的节点的IP地址信息(路由器在得到数据包后总是要先进行分析)。得知不是本网段的，就把数据帧接收下来，进一步根据其路由表分析得知接收节点的网络ID号与B5端口的网络ID号相同，这时路由器的A5端口就直接把数据帧发给路由器B5端口。B5端口再根据数据帧中的目的节点IP地址信息中的主机ID号来确定最终目的节点为B2，然后再发送数据到节点B2。这样一个完整的数据帧的路由转发过程就完成了，数据也正确、顺利地到达目的节点。

当然实际上像以上这样的网络算是非常简单的，路由器的功能还不能从根本上体现出来，一般一个网络都会同时连接其它多个网段或网络，就像图2所示的一样，A、B、C、D四个网络通过路由器连接在一起。

现在我们来看一下在如图2所示网络环境下路由器又是如何发挥其路由、数据转发作用的。我们同样需要假设，各网络用户的IP地址分配就不多讲了，图2已有标注。现假设网络A中一个用户A1要向C网络中的C3用户发送一个请求信号时，信号传递的步骤如下：

第1步：用户A1将目的用户C3的地址C3，连同数据信息以数据帧的形式通过集线器或交换机以广播的形式发送给同一网络中的所有节点，当路由器A5端口侦听到这个地址后，分析得知所发目的节点不是本网段的，需要路由转发，就把数据帧接收下来。

第2步：路由器A5端口接收到用户A1的数据帧后，先从报头中取出目的用户C3的IP地址，并根据路由表计算出发往用户C3的最佳路径。因为从分析得知到C3的网络ID号与路由器的C5网络ID号相同，所以由路由器的A5端口直接发向路由器的C5端口应是信号传递的最佳途经。

第3步：路由器的C5端口再次取出目的用户C3的IP地址，找出C3的IP地址中的主机ID号，如果在网络中有交换机则可先发给交换机，由交换机根据MAC地址表找出具体的网络节点位置;如果没有交换机设备则根据其IP地址中的主机ID直接把数据帧发送给用户C3，这样一个完整的数据通信转发过程也完成了。

从上面可以看出，不管网络有多么复杂，路由器其实所作的工作就是这么几步，所以整个路由器的工作原理都差不多。当然在实际的网络中还远比上图2所示的要复杂许多，实际的步骤也不会像上述那么简单，但总的过程是这样的。

路由器使用分类

互联网各种级别的网络中随处都可见到路由器。接入网络使得家庭和小型企业可以连接到某个互联网服务提供商;企业网中的路由器连接一个校园或企业内成千上万的计算机;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。互联网的快速发展无论是对骨干网、企业网还是接入网都带来了不同的挑战。骨干网要求路由器能对少数链路进行高速路由转发。企业级路由器不但要求端口数目多、价格低廉，而且要求配置起来简单方便，并提供QoS，像飞鱼星的企业级路由器就提供SmartQoSIII。

接入

接入路由器连接家庭或ISP内的小型企业客户。接入路由器已经开始不只是提供SLIP或PPP连接。诸如ADSL等技术将很快提高各家庭的可用带宽，这将进一步增加接入路由器的负担。由于这些趋势，接入路由器将来会支持许多异构和高速端口，并在各个端口能够运行多种协议，同时还要避开电话交换网。

企业级

企业或校园级路由器连接许多终端系统，其主要目标是以尽量便宜的方法实现尽可能多的端点互连，并且进一步要求支持不同的服务质量。许多现有的企业网络都是由Hub或网桥连接起来的以太网段。尽管这些设备价格便宜、易于安装、无需配置，但是它们不支持服务等级。相反，有路由器参与的网络能够将机器分成多个碰撞域，并因此能够控制一个网络的大小。此外，路由器还支持一定的服务等级，至少允许分成多个优先级别。但是路由器的每端口造价要贵些，并且在能够使用之前要进行大量的配置工作。因此，企业路由器的成败就在于是否提供大量端口且每端口的造价很低，是否容易配置，是否支持QoS。另外‘还要求企业级路由器有效地支持广播和组播。企业网络还要处理历史遗留的各种LAN技术，支持多种协议，包括IP、IPX和Vine。它们还要支持防火墙、包过滤以及大量的管理和安全策略以及VLAN。

骨干级

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，而代价则处于次要地位。

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而言差不多是标准的。骨干IP路由器的主要性能瓶颈是在转发表中查找某个路由所耗的时间。当收到一个包时，输入端口在转发表中查找该包的目的地址以确定其目的端口，当包越短或者当包要发往许多目的端口时，势必增加路由查找的代价。因此，将一些常访问的目的端口放到缓存中能够提高路由查找的效率。不管是输入缓冲还是输出缓冲路由器，都存在路由查找的瓶颈问题。除了性能瓶颈问题，路由器的稳定性也是一个常被忽视的问题。

太比特

在未来核心互联网使用的三种主要技术中，光纤和DWDM都已经是很成熟的并且是现成的。如果没有与现有的光纤技术和DWDM技术提供的原始带宽对应的路由器，新的网络基础设施将无法从根本上得到性能的改善，因此开发高性能的骨干交换/路由器(太比特路由器)已经成为一项迫切的要求。太比特路由器技术还主要处于开发实验阶段。

多WAN

双WAN路由器具有物理上的2个WAN口作为外网接入，这样内网电脑就可以经过双WAN路由器的负载均衡功能同时使用2条外网接入线路，大幅提高了网络带宽。当前双WAN路由器主要有“带宽汇聚”和“一网双线”的应用优势，这是传统单WAN路由器做不到的。

3G无线

3G无线路由器采用32位高性能工业级ARM9通信处理器，以嵌入式实时操作系统RTOS为软件支撑平台，系统集成了全系列从逻辑链路层到应用层通信协议，支持静态及动态路由、PPP server及PPP client、VPN(包括、PPTP和IPSEC)、DHCP server及DHCP client、DDNS、防火墙、NAT、DMZ主机等功能。为用户提供安全、高速、稳定可靠，各种协议路由转发的无线路由网络。

随着3G无线网络的发展，人们越来越享受无线网络给人们带来的价值，市场上有多种类的3G无线路由器，其中有小黑A8 系列，小黑华为e5等。3G无线路由器在改变人们的生活。

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