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计算机网络中的路由与性能分析
陕西省商洛学院王重英
摘要：随着数据业务以及多媒体应用的开展，互联网上的IP流量急剧增长，如今的互联网 已经不能通过尽力服务满足各种各样IP服务的需要，提供服务质量势在必行。本文阐述了 路由器技术的具体设计，并提出了采用“具有滑动窗口机制的Ping”机制对路由性能进行 测试，对明确路由处理能力有重要的意义。
关键词：网络路由；路由器技术；路由性能；The Routing and Performance Research
Based on the Computer-Network
Abstract: With the development of data service and multimedia appilcations, the explosive growth in IP trafic on the Internet is driving the demands for new high-speed transmission technology. The paper researches the design of router technololy, and provides the mechanism of sliding-windows ping. At last, we test the router prerformance, and clear the important significance of the router treatment capacity.
Keywords: network router; router technology; router performance;
Internet的迅猛开展和用户数量的急速增长，各种形式的网络应用不断出现，人们对 主要的网络互联设备的性能、网络平安性及稳定性的期望越来越高。作为IP网络的核心设 备，路由器技术，特别是高性能路由器技术已经成为当前网络领域研究的热点和重点，越来 越多的研究机构开始重视计算机网络中的路由与性能分析。
1路由器技术简介
路由器的基本用途是连接多个逻辑上分开的网络，必须具有判断网络地址和选择路径的 功能，能够在多个网络互联环境中建立灵活的连接，并可用完全不同的数据分组和介质访问 方法连接各种子网。一个典型的路由器主要由4局部组成:输入端口、输出端口、交换网络 和路由处理器其中，输入端口是物理链路的连接点也是报文的接收点；输出端口的主要功能 是队列和缓冲管理，通常使用复杂的调度算法实现QoS功能等；交换网络完成输入端口和输 出端口之间的互联功能；路由处理器主要是运行系统软件和各种路由协议，实现维护路由表 和计算转发表等功能，其功能既可以软件实现，也可以硬件实现⑴。
路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最正确的传输路径，并将该数 据有效地传送到目的节点,可见，选择最正确路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。在 路由器中保存着各种传输路径的相关数据：路由表(Routing Table),供路由选择时使用路 由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字。
2路由器的具体设计2.1路由器的绑定关系
路由器支持多种物理连接，包括IEEE 802.3,同步和异步串行接口，而不同的数据链 路层协议又由不同的物理接口支持，网络层支持网络互连协议，即IP协议，每一层次的不 同功能由不同的软件模块实现⑵。在分层通信软件中，如何确定上下层软件模块之间的关系, 是结构设计的主要问题。以以下图27所示逻辑为例，我们考虑这样的数据流:

图2-1路由器绑定关系例图
当以太网通信口模块收到数据流时，是应该将数据消息送至SLIP, PPP, x.25, FR中 的那一个模块呢？同样，当IP模块转发数据报时，应该将数据消息送至SLIP, PPP, X .25, FR 中的那一个模块呢?为建立上下层次之间的关系，在路由器中设计了一个数据结构以明确层 次模块的关系，不同层次模块之间根据这一数据结构中定义的动态关系进行通信，这就是绑 定表⑶。绑定表的数据结构如下：
Struct Binding_Tab
{ Int box;Int protocol;
Int line;}
从物理层模块到IP模块的三层模块都有与之相关的绑定表。表中配置的数据值说明了 端口的物理层，数据链路层采用的协议，以及与该协议模块相对应的消息信箱，各协议模块 根据这个表就可以决定应该将收到的数据送到那一个消息信箱，那一个协议模块。
1)ETH模块收到数据后，用下层类型消息，数据指示原语，将旧数据报送给IP模块。
2)1 P模块查找路由表，决定将数据发送某一串行端口(如图以端口 SER1为例)，查找向 下绑定表，查出该端口封装为X.25,于是将上层类型的消息(IP数据报)，根据绑定关系送 给X25模块。
3)由X25下层绑定关系，决定X25模块将数据封装后，送给LAPB模块。
4)同理，LAPB模块将数据封装后，送给SER串口模块。
5) SER串口模块将数据发送草线路。
反之，SER->LAPB->X25->IP->ETH
1)SER模块收到数据后，查找该端口的向上绑定表，查出该端口向上封装协议LAPB o 于是将数据帧以下层类型的消息送至LAPB模块。
2) LAPB模块查找向上绑定表，查出该端口向上封装X.25协议，于是将数据帧以下层 类型的消息送至X25模块。
3) X25模块查找向上绑定表，查出该端口向上封装IP协议，于是将分组中的IP数据 报以下层类型的消息送至IP模块。
4) IP模块查找路由表，决定将数据从以太网口送出，于是将数据报以上层类型的消息 发送ETH模块。
5) ETH模块将数据发送至线路。
在上述过程中，绑定表对数据在各个进程之间的流动方向给出了明确的指示，决定了 各进程之间的数据通信，在整个路由器的处理过程中起着关键的导向作用。
2. 2路由协议及路由表的设计
由于IP网络是一个无连接分组投递系统，因此当IP数据报通过路由器的时候，IP模块 需要选择确定的端口转发该数据报，因此，IP模块必须路由器必须要确定下一站的地址， 选择IP报文的发送路由。这时候IP模块需要查询路由表来决定把数据报发往何处。显而易 见，路由选择策略不仅决定了网络的连通性能，还往往与网络的拥塞息息相关，很差的路由 选择决策是导致拥塞的主要原因。因此，路由表的设计和路由策略的选择是决定路由器在系 统中能力的关键因素。
(1)选择实现RIP协议
RIP是路由信息协议是“距离向量”协议族中最简单的一种。每个网关定期地将它现有 的IP路由表中的路由广播发送给其上的所有网络接口，RIP报文中包含了一些由目的网络 和到该网络的距离组成的序偶⑷。当一个RIP更新报文到达时，接收方检查路由表中的每一 个表项，对每一个具有相同目的站的表项比拟当前路由。接收方使用三角形不等式来判断到 目的站的通告路由是否优于当前路由。即判断从本机到发送方的费用加上从发送方到目的站 的费用是否比目前本机到目的站的费用高。如果比目前本机到目的站的费用低，接收方需改 变它的路由表项。
RIP协议基于“距离矢量算法”。RIP选择具有最少“跳数(hop count)”(度量)的路由作为 最正确路径。RIP的跳数表示在到达其目的地之前必须通过的网关数量。RIP认为最正确路径就 是使用网关最少的路由。网关越少，路径越短，最短的路径就是最正确路径。RIP接受的最长 距离是15跳，大于15跳的路由认为是不可达的。另外也由于RIP协议定时广播路由表会 给系统带来额外的负担，因此一般适合在规模较小，不超过15个网关以上的自治系统中使 用⑸。
并且当用户配置使用RIP协议时，还可以选择将路由器配置成主动(active)方式，广播 路由信息，或被动(passive)方式，只接收路由信息;选择接收，发送RIP版本1格式的路由信 息，或接收，发送RIP版本2格式的路由信息。
(2)路由表的生成
在路由表的数据结构中，包括目的网络地址、目的网络掩码、费用、下一网关、寿命 和标识。路由表的增加步骤为：系统启动时，会将初始路由从各份路由器中读出，加入当前 路由表中；系统会根据端口的协议状态计算最小路由(直连路由)，加入路由表；系统管理员 在需要时，会手动增加路由；路由协议根据路由算法和收到的路由信息报文、网络拓扑结构 报文动态计算出最新增加的路由。
路由表的减少步骤为：系统管理员在需要时，会手动删除路由；根据路由协议规那么， 寿命为零的路由会失效；当端口协议状态由UP转为DOWN时，基于该协议端口的路由转 为不可用。
3性能测试3.1影响性能的因素
从路由器设计的角度考虑，影响路由器性能的因素应当有以下几个：
(1)处理器的处理能力
通常在系统中只有唯一的一个处理器，因此当系统中存在不同的通信量时，系统对数据 报的处理速度，报文在系统中的停留时间，会受到CPU处理能力的影响。
(2)广域网口的速率限制
设计以太网端口和配置为X.25, Frame Relay, PPP, SLIP协议端口的广域网口，而以太 网端口的速率又比广域网口的速率高出数倍至数十倍，因此，当大量数据从以太网口涌入时, 限制系统性能的将是广域网口的性能。
(3)队列的选择和内存储器大小的制约
当大量数据流入路由器时，如果IP来不及将数据报转发，那么将其排在相应的队列中等待 处理。如果队列设计太长，将占用较多的内存空间，如果太短，那么会经常发生丢弃IP数据 报的情况。如何合理的选择存储器的大小，设计存储转发队列，对系统的性能有着关键性的 影响。
3. 2性能测试方案
路由器的测试是一个很重要的方面，作为路由器的核心IP的处理能力的测试是路由器 测试的一个重要组成局部。下面我们提出一种测试方法：“具有滑动窗口机制的Ping”。
大多数以前的性能测试工具都是以一定的输入速率为基础的。这种方案带来的问题就是 当发生拥塞时，会很不稳定。只要系统的传输量发生轻微的抖动时，网络队列就会在空和满 之间来回变换。如果测试用负载稍微低于路由器能够承受的负载，队列就回很快变为空:如 果测试用负载稍微高于路由器能够承受的负载，就会很快形成一个最大长度的队列。由于丢 弃报文与转发报文的处理时间总是有一定差距，采取这种测试方法，在那些阻塞之后的点测 得的数据与实际IP层的性能会有很大差距，它不能测出当路由器内部存在一定长度队列的 情况。
“具有滑动窗口机制的Ping”解决了上述问题。这种算法实现了一种滑动窗口机制，通 过这种机制来保证网络上存在一定数目的数据包，当窗口逐渐变大时，队列会在网络的性能 瓶颈的局部形成，通过测试收到的应答帧的序列号等参数，我们可以分析出IP的性能参数 如：吞吐量和包丧失率。
滑动窗口 Ping可以采用两种不同类型的发送报文：
第一种是普通Ping所采用的ICMP回应请求报文。这种报文会在对端触发一个同样大 小的回应响应报文；第二种是可以采用具有低TTL值的UDP报文。这种报文会在对端触发 最小长度为48字节的ICMP消息，可能是典型的“TTL超时”信息，也可能是其他ICMP 信息（如目的主机不可达、端口不可达、网络不可达等）。在这些ICMP的报文中，包含有转 抄的源数据报的报头，能反映出该数据报的序号。
在每个单位测试时间内，我们保持网络的各项参数、数据报长度、窗口大小（即网络中 数据报的数量）及诸如TTL值（如果使用UDP报文）等其他一些参数不变，以此保证网络中的 数据报数量固定。
如果网络没有发生丧失数据报的现象或数据报重新排序的现象，每一个回应信息应该仅 使得一个新的数据报被发送出去。如果网络丧失了其中一些数据报。另外的一些返回消息将 导致两个或两个以上的新数据报被发送出去，以保证最后发送的数据报的序号等于最后收到 的数据报的序号与所选择的窗口值的大小的和。在单位测试时间结束时，统计发送、接收的 数据报个数，失序及其他异常的数据报也被记录下来。根据对这些数据的分析，我们就可以 了解到一些性能了。
3. 3测试结果分析
我们可以改变TTL、数据报长度、窗口大小等参数，反复进行测试。根据得到的数据 结果可以得出类似以下图所示的趋势图：（图）

由上图我们得知，被测设备每秒钟可以处理大约490个数据报(速率=49*0数据报长度)。 尽管这种UDP的应用与TCP应用执行不同的程序代码，但却与TCP应用的性能极为相似, 因为TCP的应用同样使用内核与用户模式之间的socket接口，而且典型的TCP应用也是在 一个方向上发送较大的数据报。而在相反的方向上回送很小的ACKs确认。
4小结
互连网的规模在国内迅速膨胀，路由器在网络互连中又处于如此重要的位置，而目前相 当一局部路由器技术落后，因此研究计算机网络中路由技术，提高路由性能成为我国当务之 急的探索方向。
参考文献⑴白建军.朱培栋等.Internet路由结构分析[M].北京:人民邮电出版社.2005.
⑵卢泽新.路由原理与设计[M] .北京:人民邮电出版社.2004.
[3]王乐春.夏建东等.高端路由器测试技术[M] .北京:人民邮电出版社.2005.
[4]叶保存.顾铁成.・组播技术综述[J].小型微型计算机系统.2007, 25(8).
[5]吴茜.吴建平.移动Internet中的IP组播研究综述[J].软件学报.2003 ,14 (7).
作者简介：王重英，(198L9-),女，陕西省商洛学院,助教/本科，主要研究方向计算机软件与理 论