分布式路由與集中式路由收斂特性淺析

譚呈祥

摘 要 作為信息化社會(huì)的典型代表，路由器有著不可取代的關(guān)鍵作用，路由器是現(xiàn)代通信的基礎(chǔ)，沒有路由器的參與，就不會(huì)有信息和數(shù)據(jù)的交換和流通，是路由器使互聯(lián)網(wǎng)成為可能。具體來說，無論對(duì)于搭建局域網(wǎng)還是廣域網(wǎng)，一個(gè)必須首先考慮的事情就是要選擇路由協(xié)議或者說是路由技術(shù)，每個(gè)路由器的制造商其路由交換機(jī)的運(yùn)營機(jī)制是完全不同的，而在路由交換等功能的實(shí)施上，現(xiàn)在主流的設(shè)計(jì)機(jī)制就是集中式以及分布式兩種。文章敘述了路由器的發(fā)展歷程，對(duì)路由的算法選擇進(jìn)行了深入的討論，并重點(diǎn)對(duì)分布式路由以及集中式路由的收斂特性加以分析，最后得出結(jié)論。整個(gè)論述深入淺出，有很強(qiáng)的針對(duì)性，具有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞 分布式路由；集中式路由；收斂特性

中圖分類號(hào) TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）206-0099-02

1 路由器發(fā)展歷程

截至目前，路由器技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了五代的發(fā)展歷程，并取得巨大的進(jìn)步。第一代路由器技術(shù)用計(jì)算機(jī)插接多塊網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)路由功能，具體說，網(wǎng)口收到數(shù)據(jù)經(jīng)總線傳給CPU，再由CPU處理后從另一網(wǎng)口發(fā)送出去。第二代路由器技術(shù)對(duì)第一代進(jìn)行了升級(jí)，在網(wǎng)卡上實(shí)施智能化處理，提升了數(shù)據(jù)流通的速度。第三代路由器技術(shù)采用全分布式架構(gòu)，將路由功能與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能進(jìn)行分離，可實(shí)施并行處理，路由器處理性能得以成倍提高。到了第四代路由器，此時(shí)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)空前發(fā)展，一些路由生產(chǎn)商提出ASIC解決方案，它把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)細(xì)節(jié)全部通過硬件的方式去實(shí)現(xiàn)，并采用共享內(nèi)存的方式巧妙地解決了內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的問題。第五代路由是目前我們正在用的路由技術(shù)，其在硬件體系結(jié)構(gòu)上繼承了第四代路由器技術(shù)，而在更重要的IP業(yè)務(wù)處理上則采用了可編程的網(wǎng)絡(luò)處理器技術(shù)，由軟件控制處理流程。

2 路由算法及選擇策略

2.1 理想路由算法

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在收到一個(gè)分組后，決定在某條輸出鏈路上傳送下去所使用的策略。理想的路由算法必須要具備一些顯著的特點(diǎn)。

第一，該路由必須可以保證信息能夠快速并正確傳輸。

第二，對(duì)路由最佳路徑的計(jì)算必須簡單，這樣可大幅減少不必要的時(shí)延。并且，對(duì)選擇路由的計(jì)算不能造成網(wǎng)絡(luò)太重的負(fù)擔(dān)。

第三，進(jìn)行的算法要可以自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信量以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓岣哌\(yùn)算的效率。

第四，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约巴ㄐ帕砍霈F(xiàn)變化時(shí)，路由算法要確定可收斂于某一個(gè)可接受的解，而不可以有過多振蕩。

第五，算法須對(duì)每名普通用戶都公平對(duì)待，一視同仁。

第六，以最高的性價(jià)比完成對(duì)路由選擇的計(jì)算?？陀^地說，并沒有所謂的最佳選擇，也沒有最好的算法，有的只是相對(duì)更合理的一種選擇。

2.2 路由選擇的不同策略

對(duì)路由選擇的策略主要有兩個(gè)：一種是非自適應(yīng)路由，其結(jié)構(gòu)比較簡單，性能較差，但造價(jià)較低；另一種是自適應(yīng)路由，可以自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整路徑的選擇，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎托剩靸r(jià)也高。非自適應(yīng)路由主要存在于前幾代路由技術(shù)中，一般以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式傳輸數(shù)據(jù)，其通信協(xié)議也比較簡單，IP地址對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸非常關(guān)鍵，更接近于單線程的工作模式。相比較非自適應(yīng)路由，自適應(yīng)路由的功能更為強(qiáng)大，機(jī)理也更為復(fù)雜。在下文中，我們重點(diǎn)來討論自適應(yīng)路由選擇的情況。

所謂自適應(yīng)，簡單理解，就是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑霈F(xiàn)意外的變化或者網(wǎng)絡(luò)某個(gè)或某些節(jié)點(diǎn)或者通信鏈路出現(xiàn)中斷時(shí)，路由技術(shù)可以提供網(wǎng)絡(luò)通過某局部范圍進(jìn)行路由調(diào)整的自動(dòng)處理。實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)功能的具體策略包括3種：

一是孤立的路由選擇策略，二是分布式路由選擇策略，三是集中式路由選擇策略。下面分別加以討論。

2.2.1 孤立的路由選擇策略

孤立的路由選擇策略，其最顯著的特征是只按照本節(jié)點(diǎn)的連通狀態(tài)進(jìn)行路由的選擇，卻不會(huì)與其它的通信節(jié)點(diǎn)對(duì)狀態(tài)的實(shí)際信息進(jìn)行交換。孤立的路由選擇策略的具體算法被形象地稱作“熱土豆”算法，當(dāng)路由接收到某一分組時(shí)，不去管該分組的目的地址是哪里，而是將分組以最快速度發(fā)送到各數(shù)據(jù)鏈路中，并選擇等待隊(duì)列最短的排隊(duì)等候發(fā)送。該策略的缺點(diǎn)比較明顯，就是反饋的信息不夠準(zhǔn)確，很多時(shí)候判斷為最短的隊(duì)列實(shí)際并不是效率最高的轉(zhuǎn)發(fā)路由。

2.2.2 分布式路由選擇策略

分布式路由選擇策略是到目前為止采用最為普遍的路由算法，其對(duì)各種狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)都有比較好的適應(yīng)。具體的實(shí)現(xiàn)機(jī)理是，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以周期性地接受相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供的狀態(tài)信息，與此同時(shí)，路由器也把本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)做出的路徑選擇決定進(jìn)行周期性的發(fā)布，及時(shí)通知相鄰的各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因而這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)持續(xù)按照整個(gè)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)時(shí)刻的新狀態(tài)及時(shí)更新路由對(duì)路徑的最優(yōu)選擇決定。分布式路由選擇策略是一種雙向的動(dòng)態(tài)選擇機(jī)制，有效提升了選擇的效率，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?。并且，其?duì)于網(wǎng)絡(luò)硬件的要求不苛刻，這也為該算法的最大普及打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.2.3 集中式路由選擇策略

集中式路由選擇策略就是通過網(wǎng)控中心收集各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定期傳送的即時(shí)狀態(tài)信息，之后，網(wǎng)控中心會(huì)依照接收的狀態(tài)信息結(jié)合網(wǎng)絡(luò)實(shí)際的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)算出各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)此時(shí)此刻的路由選擇表，之后把新的路由選擇表立即返還各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行使用。

集中式路由選擇策略其算法可按時(shí)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及實(shí)際信息量實(shí)時(shí)變化情況對(duì)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行路由選擇表進(jìn)行修改，這種實(shí)時(shí)性有助于路由更可能獲得接近精確的路徑選擇，可避免網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的分組信息無效搜尋和對(duì)接以及占用帶寬等現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通信容量和網(wǎng)絡(luò)流量實(shí)施有效控制。

3 分布式路由與集中式路由的收斂特性

3.1 分布式路由收斂特性

對(duì)于分布式路由架構(gòu)來說，ASIC技術(shù)的成熟和發(fā)展帶來了巨大的影響，一些路由傳統(tǒng)的功能模塊被重新整合到一塊ASIC芯片上，進(jìn)而，路由制造商把路由功能整合芯片直接設(shè)計(jì)進(jìn)實(shí)際路由交換機(jī)的所有接口模塊上，我們稱這種新型的路由技術(shù)為分布式收斂特性，或者第三層數(shù)據(jù)包的過濾轉(zhuǎn)發(fā)。其最大的優(yōu)勢(shì)在于路由功能的實(shí)現(xiàn)將不再需要特定的功能模塊為整個(gè)路由服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的過濾轉(zhuǎn)發(fā)，而是由每一接口功能模塊上集成的路由芯片自行完成。

分布式路由收斂特性從整體路由轉(zhuǎn)發(fā)性能上說，是一種突破性的進(jìn)展，但同時(shí)它也存在對(duì)路由選擇的控制機(jī)制方面要比其它架構(gòu)模式更復(fù)雜一些，分布式路由必須在每個(gè)發(fā)送端口都存儲(chǔ)路由表信息，這樣才可以實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)功能。盡管分布式在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來更復(fù)雜一些，但因?yàn)樵谛阅苌戏植际铰酚梢h(yuǎn)超集中式路由，所以，分布式路由技術(shù)當(dāng)之無愧成為目前路由交換機(jī)的最廣泛采用的主流技術(shù)。

3.2 集中式路由收斂特性

集中式路由收斂特性是指在路由交換機(jī)中內(nèi)置了一個(gè)特殊功能硬件路由模塊，以完成對(duì)整個(gè)路由交換機(jī)的數(shù)據(jù)包過濾轉(zhuǎn)發(fā)功能。與分布式路由架構(gòu)相比，采用集中式路由架構(gòu)的路由交換機(jī)其所有接口模塊都沒有實(shí)際的數(shù)據(jù)過濾轉(zhuǎn)發(fā)處理等功能，而需要將數(shù)據(jù)包反復(fù)送向路由功能模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢路由之后再進(jìn)行過濾轉(zhuǎn)發(fā)。

集中式路由架構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的過濾轉(zhuǎn)發(fā)，這是比較早期的路由技術(shù)，其主要的缺點(diǎn)表現(xiàn)在整個(gè)路由器的整體性能完全受內(nèi)置路由模塊實(shí)際運(yùn)行性能的限制。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)一個(gè)IP數(shù)據(jù)包要通過路由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，它要被從某個(gè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)接口功能模塊經(jīng)背板集成總線再進(jìn)一步送往路由功能模塊，經(jīng)路由功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，又通過背板總線返還相同的那個(gè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接口功能模塊，這種對(duì)數(shù)據(jù)包反復(fù)進(jìn)行傳送的方式大大占用了背板數(shù)據(jù)總線的實(shí)際傳遞數(shù)據(jù)能力，且如果路由功能模塊發(fā)生故障，將造成整個(gè)路由器內(nèi)所有的數(shù)據(jù)交換功能全部失效。

4 結(jié)論

分布式路由和集中式路由代表著路由架構(gòu)體系的兩種不同技術(shù)方向，目前，最廣泛采用的是分布式路由技術(shù)，這與它本身的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際性能效果是分不開的。

目前我們使用的第五代分布式路由器技術(shù)，極大迎合了網(wǎng)絡(luò)對(duì)于海量數(shù)據(jù)進(jìn)行承載、處理、發(fā)送的迫切需求，極大地增強(qiáng)了對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的整體支持。在可預(yù)見的未來，以路由技術(shù)為代表的通信技術(shù)，必然有著更為廣闊的發(fā)展空間。

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