分布式路由与集中式路由收敛特性浅析

谭呈祥

摘 要 作为信息化社会的典型代表，路由器有着不可取代的关键作用，路由器是现代通信的基础，没有路由器的参与，就不会有信息和数据的交换和流通，是路由器使互联网成为可能。具体来说，无论对于搭建局域网还是广域网，一个必须首先考虑的事情就是要选择路由协议或者说是路由技术，每个路由器的制造商其路由交换机的运营机制是完全不同的，而在路由交換等功能的实施上，现在主流的设计机制就是集中式以及分布式两种。文章叙述了路由器的发展历程，对路由的算法选择进行了深入的讨论，并重点对分布式路由以及集中式路由的收敛特性加以分析，最后得出结论。整个论述深入浅出，有很强的针对性，具有一定的参考价值和借鉴意义。

关键词 分布式路由；集中式路由；收敛特性

中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）206-0099-02

1 路由器发展历程

截至目前，路由器技术已经经历了五代的发展历程，并取得巨大的进步。第一代路由器技术用计算机插接多块网卡实现路由功能，具体说，网口收到数据经总线传给CPU，再由CPU处理后从另一网口发送出去。第二代路由器技术对第一代进行了升级，在网卡上实施智能化处理，提升了数据流通的速度。第三代路由器技术采用全分布式架构，将路由功能与数据转发功能进行分离，可实施并行处理，路由器处理性能得以成倍提高。到了第四代路由器，此时互联网技术空前发展，一些路由生产商提出ASIC解决方案，它把数据转发细节全部通过硬件的方式去实现，并采用共享内存的方式巧妙地解决了内部数据交换的问题。第五代路由是目前我们正在用的路由技术，其在硬件体系结构上继承了第四代路由器技术，而在更重要的IP业务处理上则采用了可编程的网络处理器技术，由软件控制处理流程。

2 路由算法及选择策略

2.1 理想路由算法

网络节点在收到一个分组后，决定在某条输出链路上传送下去所使用的策略。理想的路由算法必须要具备一些显著的特点。

第一，该路由必须可以保证信息能够快速并正确传输。

第二，对路由最佳路径的计算必须简单，这样可大幅减少不必要的时延。并且，对选择路由的计算不能造成网络太重的负担。

第三，进行的算法要可以自动适应网络通信量以及网络拓扑的变化，提高运算的效率。

第四，当网络拓扑以及通信量出现变化时，路由算法要确定可收敛于某一个可接受的解，而不可以有过多振荡。

第五，算法须对每名普通用户都公平对待，一视同仁。

第六，以最高的性价比完成对路由选择的计算。客观地说，并没有所谓的最佳选择，也没有最好的算法，有的只是相对更合理的一种选择。

2.2 路由选择的不同策略

对路由选择的策略主要有两个：一种是非自适应路由，其结构比较简单，性能较差，但造价较低；另一种是自适应路由，可以自动进行调整路径的选择，提高了数据传输的速率和效率，造价也高。非自适应路由主要存在于前几代路由技术中，一般以点对点的方式传输数据，其通信协议也比较简单，IP地址对于数据传输非常关键，更接近于单线程的工作模式。相比较非自适应路由，自适应路由的功能更为强大，机理也更为复杂。在下文中，我们重点来讨论自适应路由选择的情况。

所谓自适应，简单理解，就是当网络拓扑出现意外的变化或者网络某个或某些节点或者通信链路出现中断时，路由技术可以提供网络通过某局部范围进行路由调整的自动处理。实现自适应功能的具体策略包括3种：

一是孤立的路由选择策略，二是分布式路由选择策略，三是集中式路由选择策略。下面分别加以讨论。

2.2.1 孤立的路由选择策略

孤立的路由选择策略，其最显著的特征是只按照本节点的连通状态进行路由的选择，却不会与其它的通信节点对状态的实际信息进行交换。孤立的路由选择策略的具体算法被形象地称作“热土豆”算法，当路由接收到某一分组时，不去管该分组的目的地址是哪里，而是将分组以最快速度发送到各数据链路中，并选择等待队列最短的排队等候发送。该策略的缺点比较明显，就是反馈的信息不够准确，很多时候判断为最短的队列实际并不是效率最高的转发路由。

2.2.2 分布式路由选择策略

分布式路由选择策略是到目前为止采用最为普遍的路由算法，其对各种状态的网络都有比较好的适应。具体的实现机理是，每个网络节点可以周期性地接受相邻网络节点提供的状态信息，与此同时，路由器也把本网络节点已经做出的路径选择决定进行周期性的发布，及时通知相邻的各网络节点，因而这些网络节点会持续按照整个网络各个时刻的新状态及时更新路由对路径的最优选择决定。分布式路由选择策略是一种双向的动态选择机制，有效提升了选择的效率，进而提高了数据传输的速度。并且，其对于网络硬件的要求不苛刻，这也为该算法的最大普及打下坚实的基础。

2.2.3 集中式路由选择策略

集中式路由选择策略就是通过网控中心收集各网络节点定期传送的即时状态信息，之后，网控中心会依照接收的状态信息结合网络实际的拓扑结构，动态算出各网络节点此时此刻的路由选择表，之后把新的路由选择表立即返还各网络节点进行使用。

集中式路由选择策略其算法可按时依据网络拓扑结构以及实际信息量实时变化情况对各网络节点的运行路由选择表进行修改，这种实时性有助于路由更可能获得接近精确的路径选择，可避免网络内的分组信息无效搜寻和对接以及占用带宽等现象，进而对网络实时通信容量和网络流量实施有效控制。

3 分布式路由与集中式路由的收敛特性

3.1 分布式路由收敛特性

对于分布式路由架构来说，ASIC技术的成熟和发展带来了巨大的影响，一些路由传统的功能模块被重新整合到一块ASIC芯片上，进而，路由制造商把路由功能整合芯片直接设计进实际路由交换机的所有接口模块上，我们称这种新型的路由技术为分布式收敛特性，或者第三层数据包的过滤转发。其最大的优势在于路由功能的实现将不再需要特定的功能模块为整个路由服务进行数据包的过滤转发，而是由每一接口功能模块上集成的路由芯片自行完成。

分布式路由收敛特性从整体路由转发性能上说，是一种突破性的进展，但同时它也存在对路由选择的控制机制方面要比其它架构模式更复杂一些，分布式路由必须在每个发送端口都存储路由表信息，这样才可以实现快速进行数据包的转发功能。尽管分布式在技术上实现起来更复杂一些，但因为在性能上分布式路由要远超集中式路由，所以，分布式路由技术当之无愧成为目前路由交换机的最广泛采用的主流技术。

3.2 集中式路由收敛特性

集中式路由收敛特性是指在路由交换机中内置了一个特殊功能硬件路由模块，以完成对整个路由交换机的数据包过滤转发功能。与分布式路由架构相比，采用集中式路由架构的路由交换机其所有接口模块都没有实际的数据过滤转发处理等功能，而需要将数据包反复送向路由功能模块进行实时查询路由之后再进行过滤转发。

集中式路由架构进行数据包的过滤转发，这是比较早期的路由技术，其主要的缺点表现在整个路由器的整体性能完全受内置路由模块实际运行性能的限制。

当网络内一个IP数据包要通过路由转发时，它要被从某个以太网的数据接口功能模块经背板集成总线再进一步送往路由功能模块，经路由功能模块进行数据处理后，又通过背板总线返还相同的那个以太网数据接口功能模块，这种对数据包反复进行传送的方式大大占用了背板数据总线的实际传递数据能力，且如果路由功能模块发生故障，将造成整个路由器内所有的数据交换功能全部失效。

4 结论

分布式路由和集中式路由代表着路由架构体系的两种不同技术方向，目前，最广泛采用的是分布式路由技术，这与它本身的技术特点和实际性能效果是分不开的。

目前我们使用的第五代分布式路由器技术，极大迎合了网络对于海量数据进行承载、处理、发送的迫切需求，极大地增强了对互联网的整体支持。在可预见的未来，以路由技术为代表的通信技术，必然有着更为广阔的发展空间。

参考文献

[1]李希源，郑岩雷.分布式路由收敛特性分析[J].计算机科学，2015（6）.

[2]刘岩鹏.一种基于蚁群算法的分布式路由算法[J].电路与系统学报，2008（3）.

[3]邱洋.基于OpenFlow的路由机制研究[J].电子设计工程，2017（5）.