路由器总线交换结构有哪些组成部分

阅读：0 来源：发表时间：2023-04-10 18:02作者：郭贤青

本篇文章给大家谈谈路由器总线交换结构有哪些，以及路由器总线交换结构有哪些组成部分对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。

本文目录一览：

1、路由器的交换结构

2、路由器交换结构的交换方式有哪些北邮

3、路由器硬件结构是什么

4、交换结构有哪些类型不同类型交换结构特点介绍【详解】

5、路由器中交换结构的作用是什么?

路由器的交换结构

路由器的交换结构是指将路由的输入端口与输出端口相连接的体系结构。

输入端口、输出端口和交换结构共同实现了转发功能，并且总是用硬件实现。这些转发功能有时总称为路由器转发平面。

交换结构位于一台路由器的核心部位。交换可以用多种方式进行，如经内存交换、经总线交换、经互联网络交换。

在网络接口中，特定媒质接口完成所有的物理层和介质访问子层的功能，交换结构接口完成IP交换的前期和后期工作。

在交换一个IP之前，先将IP包分成一些固定长度的信元，附上内部路由标识符或者标记优先级等；而在交换后，则将接收到的一些具有相同标识符的信元重组为一个IP数据包。

扩展资料：

与路由器交换结构有关的丢包原因：

1、假设输入和输出线路的速率都是 R，有 N 个输入端口和 N 个输出端口，交换结构的速率足够快。每个线路上的分组都有相同的固定长度，分组以同步的方式到达输入端口，且每个分组都被转发到同一个输出端口。

2、如果交换结构不能快到使所有到达的分组无时延地通过它传送，则在输入端口也将出现分组排队。因为到达的分组必须加入输入端口队列中，以等待通过交换结构传送到输出端口。

参考资料来源：百度百科-路由交换设备

路由器总线交换结构有哪些组成部分

路由器交换结构的交换方式有哪些北邮

一、交换机的交换方式

目前交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式交换、存储转发式和碎片隔离方式三种数据包交换方式，下面分别简述。

1、直通交换方式

采用直通交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交*的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交*处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于它只检查数据包的包头（通常只检查14个字节），不需要存储，所以切入方式具有延迟小，交换速度快的优点（所谓延迟（Latency）是指数据包进入一个网络设备到离开该设备所花的时间）。

它的缺点主要有三个方面：一是因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力；第二，由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入／输出端口直接接通，而且容易丢包。如果要连到高速网络上，如提供快速以太网（100BASE－T）、FDDI或ATM连接，就不能简单地将输入／输出端口“接通”，因为输入／输出端口间有速度上的差异，必须提供缓存；第三，当以太网交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来就越困难。

2、存储转发方式

存储转发（Store and Forward）是计算机网络领域使用得最为广泛的技术之一，以太网交换机的控制器先将输入端口到来的数据包缓存起来，先检查数据包是否正确，并过滤掉冲突包错误。确定包正确后，取出目的地址，通过查找表找到想要发送的输出端口地址，然后将该包发送出去。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支持不同速度的输入／输出端口间的交换，可有效地改善网络性能。它的另一优点就是这种交换方式支持不同速度端口间的转换，保持高速端口和低速端口间协同工作。实现的办法是将10Mbps低速包存储起来，再通过100Mbps速率转发到端口上。

3、碎片隔离式（Fragment Free）

这是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案。它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节（512 bit），如果小于64字节，说明是假包（或称残帧），则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢，但由于能够避免残帧的转发，所以被广泛应用于低档交换机中。

使用这类交换技术的交换机一般是使用了一种特殊的缓存。这种缓存是一种先进先出的FIFO（First In First Out），比特从一端进入然后再以同样的顺序从另一端出来。当帧被接收时，它被保存在FIFO中。如果帧以小于512比特的长度结束，那么FIFO中的内容（残帧）就会被丢弃。因此，不存在普通直通转发交换机存在的残帧转发问题，是一个非常好的解决方案。数据包在转发之前将被缓存保存下来，从而确保碰撞碎片不通过网络传播，能够在很大程度上提高网络传输效率。

路由器硬件结构是什么

你知道路由器的硬件结构吗?下面将由我带大家来解答这个疑问吧，希望对大家有所收获!

路由器的概念

路由器(Router)，是连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。路由器是互联网络的枢纽，"交通警察"。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由和交换机之间的主要区别就是交换机发生在OSI参考模型第二层(数据链路层)，而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换机在移动信息的过程中需使用不同的控制信息，所以说两者实现各自功能的方式是不同的。

路由器(Router)又称网关设备(Gateway)是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择IP路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。

路由器的硬件构成

一、路由器的硬件构成

路由器主要由以下几个部分组成：输入/输出接口部分、包转发或交换结构部分(switching fabric)、路由计算或处理部分。

输入端口是物理链路和输入包的进口处。端口通常由线卡提供，一块线卡一般支持4、8或16个端口，一个输入端口具有许多功能。第一个功能是进行数据链路层的封装和解封装。第二个功能是在转发表中查找输入包目的地址从而决定目的端口(称为路由查找)，路由查找可以使用一般的硬件来实现，或者通过在每块线卡上嵌入一个微处理器来完成。第三，为了提供QoS(服务质量)，端口要对收到的数据包进行业务分类，分成几个预定义的服务级别。第四，端口可能需要运行诸如SLIP(串行线网际协议)和PPP(点对点协议)这样的数据链路级协议或者诸如PPTP(点对点隧道协议)这样的网络级协议。一旦路由查找完成，必须用交换开关将包送到其输出端口。如果路由器是输入端加队列的，则有几个输入端共享同一个交换开关。这样输入端口的最后一项功能是参加对公共资源(如交换开关)的仲裁协议。普通路由器中该部分的功能完全由路由器的中央处理器来执行，制约了数据包的转发速率(每秒几千到几万个数据包)。高端路由器中普遍实现了分布式硬件处理，接口部分有强大的CPU处理器和大容量的高速缓存，使接口数据速率达到10Gbps，满足了高速骨干网络的传输要求。

路由器的转发机制对路由器的性能影响很大，常见的转发方式有：进程转发、快速转发、优化转发、分布式快速转发。进程转发将数据包从接口缓存拷贝到处理器的缓存中进行处理，先查看路由表再查看ARP表，重新封装数据包后将数据包拷贝到接口缓存中准备传送出去，两次查表和拷贝数据极大的占用CPU的处理时间，所以这是最慢的交换方式，只在低档路由器中使用。快速交换将两次查表的结果作了缓存，无需拷贝数据，所以CPU处理数据包的时间缩短了。优化交换在快速交换的基础上略作改进，将缓存表的数据结构作了改变，用深度为4的256叉树代替了深度为32的2叉树或哈希表(hash)，CPU的查找时间进一步缩短。这两种转发方式在中高档路由器中普遍加以应用。在骨干路由器中由于路由表条目的成倍增加，路由表或ARP表的任何变化都会引起大部分路由缓冲失效，以前的交换方式都不再适用，最新的交换方式是分布式快速交换，它在每个接口处理板上构建一个镜像(mirror)路由表和MAC地址表相结合的转发表，该表是深度为4的256叉树，但每个节点的数据部分是指向另一个称为邻接表的指针，邻接表中含有路由器成帧所需要的全部信息。这种结构使得转发表完全由路由表和ARP表来同步更新，本身不再需要额外的老化进程，克服了其它交换方式需要不断对缓存表进行老化的缺陷。

交换结构最常见的有总线型、共享内存型、Cross-bar空分结构型。总线型结构最简单，所有输入和输出接口挂在一个总线上，同一时间只有两个接口通过总线交换数据。其缺点是其交换容量受限于总线的容量以及为共享总线仲裁所带来的额外开销。在调度共享数据传输通道上必须花费一定的开销，而且总线带宽的扩展受到限制，制约了交换容量的扩张，一般在中档路由器中使用这种结构。共享内存型结构中，进来的包被存贮在共享存贮器中，所交换的仅是包的指针，这提高了交换容量，但它受限于内存的访问速度和存储器的管理效率，尽管存贮器容量每18个月能够翻一番，但存贮器的存取时间每年仅降低5%，这是共享存贮器交换开关的一个固有限制。共享内存型结构在早期的中低档路由器中普遍应用。Cross-bar空分结构相当于多条并行工作的总线，具有N×N个交叉点的交叉开关可以被认为具有2N条总线。如果一个交叉是闭合，输入总线上的数据在输出总线上可用，否则不可用。对流经它的数据不断进行开关切换，可见开关速度决定了交换容量，随着各种高速器件的不断涌现，这种结构的交换容量普遍达到几十Gbps以上，成为目前高端路由器和交换机的首选交换结构。

路由计算或处理部分主要是运行动态路由协议。接收和发送路由信息，计算出路由表，为数据包的转发提供依据。各种档次的路由器的路由表条目的大小存在很大差异，从几千条到几百万条不等，因此高端路由器的路由表的构造对路由查找速度影响很大，其路由表的数据结构常采用二叉树的形式，查找与更新的速度都比较快。

输出端口在包被发送到输出链路之前对包存贮，可以实现复杂的调度算法以支持优先等级要求。与输入端口一样，输出端口同样要能支持数据链路层的封装和解封装，以及许多较高级协议。

一般而言，路由器对一个数据包的交换要经过一系列的复杂处理，主要有以下几个方面：

1)压缩和解压缩

2)加密和解密

3)用输入/输出访问列表进行报文过滤

4)输入速率限制

5)进行网络地址翻译(NAT)

6)处理影响本报文的任何策略路由

7)应用防火墙特性对包进行检查

8)处理Web页缓冲的重定向

9)物理广播处理，如帮助性地址(ip help address)

10)利用启用的QoS机制对数据包排队

11)TTL值的处理

12)处理IP头部中的任选项

13)检查数据包的完整性

二、路由器的软件体系

路由器是在软件控制下进行工作的，与普通操作系统相比，其软件系统是比较简洁、全部驻留在存储器当中且受限于原始平台的一种操作系统。在商用实时操作系统的内核基础上开发一个包含TCP/IP协议栈的接口平台，辅以各种功能模块，形成完整的软件系统。为最大限度地提高路由器快速交换报文的能力，该操作系统被设计为具有最小的操作性开销，同时允许CPU使用最大的带宽进行报文交换。

路由器的软件系统主要有五个组成部分：

1、进程：由执行特定任务的独立线程和相关的数据组成，如系统配置维护的telnet守护进程、客户端进程，FTP进程、TFTP进程，SNMP进程，各种协议进程：IP、TCP、UDP、RIP、OSPF、BGP、ARP、ICMP、IGMP，其它有加解密进程、报文过滤进程、NAT进程等。

2、内核：为系统的其它部分提供基本的系统服务，如存储器管理、进程调度、定时器和时钟管理。它为进程提供了硬件(CPU和存储器)资源的管理。

3、报文缓冲：用来存放将要被交换的报文。

4、设备驱动程序：控制网络接口硬件设备及其它外围设备(如Flash)。设备驱动程序接口位于进程、内核、硬件之间，同时与交换控制软件有接口。

5、交换控制软件：根据转发方式控制报文的交换，在高端线速路由器中该部分功能由硬件实现。

交换结构有哪些类型不同类型交换结构特点介绍【详解】

什么是Fabric, Switched交换结构

考虑一种多连接装置,连接中一个网孔上一边连接输入,另一边连接输出。任意输入可立刻交换为任意输出。这就是一种交换结构。交换结构对路由器的总体性能和扩展性有很大的影响。交换结构可以用多种方式实现，包括总线、crossbar、共享内存或者多级结构。现在从实现机制上大体上可分为两类：时分交换结构、空分交换结构。

时分结构

时分结构通过一个共享设施，如内部底板或内存，路由所有交换信息从输入端口到输出端口。在时分交换结构中，交换单元不能同时交换一个以上的输入端口数据。从交换结构的角度看，每个输入端口数据的处理是串行的。多路时分最直接的形式是使用共享总线。信元通过这个共享设施进行传输，必须先请求，获准后才可存取总线。共享存储交换结构要求交换机中的所有端口共享对交换存储器的存取。

时分交换有一个设备吞吐量的固定上限，这种交换能力的限制不能随端口的增加而增加。所以，当对公共资源的需求增加时，网络性能会受到影响。交换的吞吐量是由公共资源的速度确定的，一般不能扩展，所以无法满足容量的增加。

空分结构

与时分交换结构相比，空分交换结构适用范围更广，它提供通过交换构架的多条路径。与共享存储或底板结构不同，它不依赖于共享设施，可以分为单级交换结构、多级交换结构、群集交换结构。

空分结构具有良好的硬件扩展性，可以增加端口而不影响交换器的吞吐量，端口不必竞争单一的共享资源。另外，空分结构随着端口数的增加，性能也获得提高。由于交换机性能可随端口的增加而提高，所以在理论上交换机可容纳多少端口不存在上限。

(1)单级交换结构

交换结构的引入逐步克服了共享总线的以上缺点。从技术上,目前使用较多的交换结构有共享内存和Crossbar两种。而Crossbar的结构由于其简单性得到了更多的青睐和更广泛的采用。

共享内存结构是通过共享输入输出端口的缓冲器，从而减少了对总存储空间的需求。分组的交换是通过指针调用来实现的，这提高了交换容量。但它的速度受限于内存的访问速度。 Crossbar可以同时提供多个数据通路。一个Crossbar结构由N×N交叉矩阵构成。交叉点由调度器控制。调度器在每个调度时隙内收集各输入端口有关数据包队列的信息，经过一定的调度算法得到输入端口和输出端口之间的一个匹配，并配置相应交叉点，提供输入端口到输出端口的通路。因此，调度器的调度效率决定了Crossbar的交换速率，调度器就是Crossbar交换结构的核心。

(2)多级交换结构

时分交换结构与Crossbar交换结构都是单级交换结构，实现较为简单。当考虑大型交换系统时，就要采用多级交换结构。多级交换结构是由多个交换单元互联起来的，每个交换单元具有一整套输入输出，与普通交换机类似，提供输入输出的连接。通过多个小的交换单元互连构造出一个大型的、容量可扩展的交换网络。多级结构之间的不同取决于交换单元之间是如何互联的。典型的结构包括Benes网、Butterfly网、Clos网等形式。

Benes网使用方形交换单元(即：输入输出端口数相同)进行多级互联。一般来说，3级N部Benes网的每一级均可以用N个输入/输出端口和N个交换单元来构造。这个格形结构在每个输入端和每个输出端之间形成N个可能的通路。Benes输出可以扩展至任意奇数级。

Clos网是Benes网的推展，用非方形交换单元构造，交换单元的互连方式与Benes网相同。在3级Clos网中，Clos网在输入级有d×r个交换单元，中间级有N/d乘N/d交换单元，输出级有r×d交换单元。增加r将增加输入和输出间的通道数量和减少每通道所需的带宽。但是，网络总带宽(即成本)与r的值无关。Benes网的配置取r=N/d，即方形交换单元，是一种较便于实现的方案。

3DTM网由大小固定的交换单元互连而成，每个交换单元被连成一个三维环绕的格形网，通过单向或双向链路与它的6个相邻节点连接，并具有一个双向外部链路。路由选择时要求在每个方向上分别经过若干转接点。在任一方向上的平均转接点随端口数的立方根比例增长。要实现无阻塞，系统的成本差不多与N4/3成正比。

虽然对于小型系统单级结构的设计相对简单，成本也相对低，但是它不能满足下一代Internet扩展的需要。多级结构在操作上较复杂，但是可以扩展到成百上千个端口，这对于下一代Internet核心路由系统来说是绝对有必要的。在多级拓扑结构中，Benes结构是最佳的选择，因为它的系统复杂程度最低，性能好且满足可扩展的要求。

多级交换结构中，级数越少，交换延迟也就越小，但交换通路也相应减少，这导致碰撞阻塞的更容易产生，因此多级交换结拓扑的确定有一个各项性能之间的折中。

(3)群集交换结构

从网络拓扑上看，群集交换结构与多级交换结构相类似，也是通过一些小的交换结构构建一个大的交换结构。不同的是，多级交换结构内部的交换单元不与输入输出端口相连，而群集交换结构通过各线卡上的交换单元堆叠成一个大的交换结构。

近年来，随着Internet流量的迅猛增大，市场迫切需要采用一种可由小容量平滑过渡到大容量的数据交换结构，传统的交换结构，如共享内存、Crossbar等，正越来越受到多级交换结构、群集交换结构的挑战。事实上，很多厂商如：Juniper、Avici、Pluris等公司生产的某些大规模路由器都已经采用了新的交换结构。