路由器的工作原理（计算机网络-网络层）

路由器的构成

转发和路由选择的区别

典型的路由器结构

交换结构

输出端口

路由器与交换机的比较

两种基于存储转发的分组交换设备的比较

交换机和路由器各有的应用场合

三层交换机

三层交换机的应用

路由器的构成

路由器的任务

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组

路由器将某个输入端口收到的分组，按照分组要去的目的地（即目的网络）， 把该分组从路由器的某个合适的输出端口转发给下一跳路由器

下一跳路由器也按照这种方法处理分组，直到该分组到达终点为止

转发和路由选择的区别

转发：就是路由器根据转发表将用户的 IP 数据报从合适的端口转发出去

路由选择：则是按照路由选择算法，根据从各相邻路由器得到的关于网络拓扑的变化情况，动态地改变所选择的路由

路由表是根据路由选择算法得出的。而转发表是由路由表生成的

典型的路由器结构

若分组的接收者是路由器自己，需要交给相应的 上层协议 去处理，如发送给路由器的RIP或 OSPF分组等需要送交路由器的路由选择部分中的路由选择处理机。

否则，网络层处理模块按照 分组首部 中的 目的地址 查找转发表，交给交换结构交换到合适的 输出端口。

若交换结构处理分组的速率赶不上分组进入队列的速率，则会导致输入队列排队！

交换结构

最早的路由器就是多网络接口的计算机，收到一个分组时，将分组就从输入端口复制到存储器中，从 分组首部 提取 目的地址 ，查找路由表，再将分组复制到合适的 输出端口 的缓存中。

采用这种方式分组要两次经过系统的总线（一次写和一次读），交换速度比较慢。

许多现代的低端路由器也通过存储器进行交换，与早期路由器的区别是 目的地址 的查找和分组在存储器中的缓存都是在 输入端口 中进行的。

分组从 输入端口 通过共享的总线直接传送到合适的 输出端口，不需要路由选择处理机的干预。

但是，由于 总线是共享的，因此在同一时间只能有一个分组在总线上传送。

当分组到达输入端口时，若发现总线忙，则被阻塞而不能通过交换结构，并在输入端口排队等待。

路由器的转发带宽显然要 受到总线速率的限制；

要想实现无阻塞交换，交换总线的速率要大于所有输入端口速率的总和。

由于只经过一次总线，比通过存储器交换要快。

这种交换结构常称为互连网络（Interconnection Network），它有2N条纵横交叉的总线，通过控制相应的交叉结点使水平总线和垂直总线接通还是断开，将分组转发到合适的输出端口。

当输入端口收到一个分组时，就将它发送到与该输入端口相连的水平总线上。若通向所要转发的输出端口的垂直总线是空闲的，则在这个结点将垂直总线与水平总线接通，然后将该分组转发到这个输出端口。

但若该垂直总线已被占用（有另一个分组正在转发到同一个输出端口），则后到达的分组就被阻塞，必须在输入端口排队。

输出端口

把交换结构传送过来的分组先进行缓存。数据链路层处理模块将分组加上链路层的首部和尾部，交给物理层后发送到外部线路。

若从交换结构到达队列的分组速率超过链路的速率，则会导致输出队列排队！

路由器与交换机的比较

两种基于存储转发的分组交换设备的比较：

交换机工作在数据链路层

优点是：即插即用，并具有相对高的 分组过滤 和 转发速度。

缺点是：大型交换机网络要求交换机维护大的转发表，主机中维护大的ARP表，并可能产生广播风暴，逻辑拓扑被限制为树。

路由器工作在网络层

优点是：能提供更加智能的路由选择，并能隔离广播域。

缺点是：路由器不是即插即用的，对每个分组处理时间通常比交换机更长。

交换机和路由器各有的应用场合：

包含几百台主机的小网络，交换机就足够了，因为它们不需要任何IP地址的配置就可以互连这些主机，并提供高性能的数据交换。

但是包含上千台主机的更大的网络，通常在网络中要使用路由器（除了交换机之外）将整个网络划分成多个局域网并构成一个互连网络。这时，路由器提供更健壮的流量隔离和对广播风暴的控制，并在网络的主机之间使用更“智能的”路由。

三层交换机

由于三层交换机所处理的都是封装在以太网帧中的IP数据报，可以对处理算法进行很多特殊的优化并尽量用硬件来实现，因此比传统路由器转发分组的速度要快。

虽然三层交换机的转发性能比普通路由器要高，但通常接口类型单一（一般就是以太网接口），支持的路由选择协议也较少。

而路由器则不同，它的设计初衷就是为了互连不同类型的异构网络，如局域网与广域网之间的连接、不同协议的网络之间的连接等。因此路由器的接口类型非常丰富。

三层交换机的应用

典型的做法是：

处于同一个局域网中的各个子网的互连以及局域网中VLAN间的路由，用三层交换机来代替普通路由器，实现广播域的隔离。

只有局域网与广域网互连，或广域网之间互连时才使用普通路由器。