分布式路由與集中式路由收斂特性淺析

譚呈祥

摘 要 作為信息化社會的典型代表，路由器有著不可取代的關鍵作用，路由器是現代通信的基礎，沒有路由器的參與，就不會有信息和數據的交換和流通，是路由器使互聯網成為可能。具體來說，無論對于搭建局域網還是廣域網，一個必須首先考慮的事情就是要選擇路由協議或者說是路由技術，每個路由器的制造商其路由交換機的運營機制是完全不同的，而在路由交換等功能的實施上，現在主流的設計機制就是集中式以及分布式兩種。文章敘述了路由器的發展歷程，對路由的算法選擇進行了深入的討論，并重點對分布式路由以及集中式路由的收斂特性加以分析，最后得出結論。整個論述深入淺出，有很強的針對性，具有一定的參考價值和借鑒意義。

關鍵詞 分布式路由；集中式路由；收斂特性

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）206-0099-02

1 路由器發展歷程

截至目前，路由器技術已經經歷了五代的發展歷程，并取得巨大的進步。第一代路由器技術用計算機插接多塊網卡實現路由功能，具體說，網口收到數據經總線傳給CPU，再由CPU處理后從另一網口發送出去。第二代路由器技術對第一代進行了升級，在網卡上實施智能化處理，提升了數據流通的速度。第三代路由器技術采用全分布式架構，將路由功能與數據轉發功能進行分離，可實施并行處理，路由器處理性能得以成倍提高。到了第四代路由器，此時互聯網技術空前發展，一些路由生產商提出ASIC解決方案，它把數據轉發細節全部通過硬件的方式去實現，并采用共享內存的方式巧妙地解決了內部數據交換的問題。第五代路由是目前我們正在用的路由技術，其在硬件體系結構上繼承了第四代路由器技術，而在更重要的IP業務處理上則采用了可編程的網絡處理器技術，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

網絡節點在收到一個分組后，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。

第一，該路由必須可以保證信息能夠快速并正確傳輸。

第二，對路由最佳路徑的計算必須簡單，這樣可大幅減少不必要的時延。并且，對選擇路由的計算不能造成網絡太重的負擔。

第三，進行的算法要可以自動適應網絡通信量以及網絡拓撲的變化，提高運算的效率。

第四，當網絡拓撲以及通信量出現變化時，路由算法要確定可收斂于某一個可接受的解，而不可以有過多振蕩。

第五，算法須對每名普通用戶都公平對待，一視同仁。

第六，以最高的性價比完成對路由選擇的計算。客觀地說，并沒有所謂的最佳選擇，也沒有最好的算法，有的只是相對更合理的一種選擇。

2.2 路由選擇的不同策略

對路由選擇的策略主要有兩個：一種是非自適應路由，其結構比較簡單，性能較差，但造價較低；另一種是自適應路由，可以自動進行調整路徑的選擇，提高了數據傳輸的速率和效率，造價也高。非自適應路由主要存在于前幾代路由技術中，一般以點對點的方式傳輸數據，其通信協議也比較簡單，IP地址對于數據傳輸非常關鍵，更接近于單線程的工作模式。相比較非自適應路由，自適應路由的功能更為強大，機理也更為復雜。在下文中，我們重點來討論自適應路由選擇的情況。

所謂自適應，簡單理解，就是當網絡拓撲出現意外的變化或者網絡某個或某些節點或者通信鏈路出現中斷時，路由技術可以提供網絡通過某局部范圍進行路由調整的自動處理。實現自適應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點的連通狀態進行路由的選擇，卻不會與其它的通信節點對狀態的實際信息進行交換。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，當路由接收到某一分組時，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送到各數據鏈路中，并選擇等待隊列最短的排隊等候發送。該策略的缺點比較明顯，就是反饋的信息不夠準確，很多時候判斷為最短的隊列實際并不是效率最高的轉發路由。

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，其對各種狀態的網絡都有比較好的適應。具體的實現機理是，每個網絡節點可以周期性地接受相鄰網絡節點提供的狀態信息，與此同時，路由器也把本網絡節點已經做出的路徑選擇決定進行周期性的發布，及時通知相鄰的各網絡節點，因而這些網絡節點會持續按照整個網絡各個時刻的新狀態及時更新路由對路徑的最優選擇決定。分布式路由選擇策略是一種雙向的動態選擇機制，有效提升了選擇的效率，進而提高了數據傳輸的速度。并且，其對于網絡硬件的要求不苛刻，這也為該算法的最大普及打下堅實的基礎。

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控中心收集各網絡節點定期傳送的即時狀態信息，之后，網控中心會依照接收的狀態信息結合網絡實際的拓撲結構，動態算出各網絡節點此時此刻的路由選擇表，之后把新的路由選擇表立即返還各網絡節點進行使用。

集中式路由選擇策略其算法可按時依據網絡拓撲結構以及實際信息量實時變化情況對各網絡節點的運行路由選擇表進行修改，這種實時性有助于路由更可能獲得接近精確的路徑選擇，可避免網絡內的分組信息無效搜尋和對接以及占用帶寬等現象，進而對網絡實時通信容量和網絡流量實施有效控制。

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

對于分布式路由架構來說，ASIC技術的成熟和發展帶來了巨大的影響，一些路由傳統的功能模塊被重新整合到一塊ASIC芯片上，進而，路由制造商把路由功能整合芯片直接設計進實際路由交換機的所有接口模塊上，我們稱這種新型的路由技術為分布式收斂特性，或者第三層數據包的過濾轉發。其最大的優勢在于路由功能的實現將不再需要特定的功能模塊為整個路由服務進行數據包的過濾轉發，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發性能上說，是一種突破性的進展，但同時它也存在對路由選擇的控制機制方面要比其它架構模式更復雜一些，分布式路由必須在每個發送端口都存儲路由表信息，這樣才可以實現快速進行數據包的轉發功能。盡管分布式在技術上實現起來更復雜一些，但因為在性能上分布式路由要遠超集中式路由，所以，分布式路由技術當之無愧成為目前路由交換機的最廣泛采用的主流技術。

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中內置了一個特殊功能硬件路由模塊，以完成對整個路由交換機的數據包過濾轉發功能。與分布式路由架構相比，采用集中式路由架構的路由交換機其所有接口模塊都沒有實際的數據過濾轉發處理等功能，而需要將數據包反復送向路由功能模塊進行實時查詢路由之后再進行過濾轉發。

集中式路由架構進行數據包的過濾轉發，這是比較早期的路由技術，其主要的缺點表現在整個路由器的整體性能完全受內置路由模塊實際運行性能的限制。

當網絡內一個IP數據包要通過路由轉發時，它要被從某個以太網的數據接口功能模塊經背板集成總線再進一步送往路由功能模塊，經路由功能模塊進行數據處理后，又通過背板總線返還相同的那個以太網數據接口功能模塊，這種對數據包反復進行傳送的方式大大占用了背板數據總線的實際傳遞數據能力，且如果路由功能模塊發生故障，將造成整個路由器內所有的數據交換功能全部失效。

4 結論

分布式路由和集中式路由代表著路由架構體系的兩種不同技術方向，目前，最廣泛采用的是分布式路由技術，這與它本身的技術特點和實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，極大迎合了網絡對于海量數據進行承載、處理、發送的迫切需求，極大地增強了對互聯網的整體支持。在可預見的未來，以路由技術為代表的通信技術，必然有著更為廣闊的發展空間。

參考文獻

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