路由器提供了异构网互联的机制，实现将一个网络的数据包发送到另一个网络，路由是指导IP数据包发送的路径信息，路由协议是在路由指导IP数据包发送过程中事先约定好的规定和标准。

路由协议通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议。路由信息在相邻路由器之间传递，确保所有路由器知道到其他路由器的路径。路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构。路由协议与路由器协同工作，执行路由选择和数据包转发功能。

路由协议主要运行于路由器上，路由协议是用来确定到达路径的，起到一个地图导航、负责找路的作用，包括RIP、IGRP、EIGRP、OSPF、ISIS、BGP，工作在网络层。

路由分为静态路由和动态路由，其相应的路由表称为静态路由表和动态路由表。静态路由表由网络管理员在系统安装时根据网络的配置情况预先设定，网络结构发生变化后由网络管理员手工修改路由表。动态路由随网络运行情况的变化而变化，路由器根据路由协议提供的功能自动计算数据传输的最佳路径，由此得到动态路由表。根据路由算法，动态路由协议可分为距离向量路由协议（distance vector routing protocol）和链路状态路由协议（link state routing protocol）。距离向量路由协议基于Bellman-Ford算法，主要有RIP、IGRP；链路状态路由协议基于图论中非常著名的Dijkstra算法，即最短优先路径（shortest path first，SPF）算法，如OSPF。在距离向量路由协议中，路由器将部分或全部的路由表传递给与其相邻的路由器；而在链路状态路由协议中，路由器将链路状态信息传递给在同一区域内的所有路由器。根据路由器在自治系统（AS）中的位置，可将路由协议分为内部网关协议和外部网关协议。域间路由协议有两种：外部网关协议（EGP）和边界网关协议（BGP）。EGP是为一个简单的树型拓扑结构而设计的，在处理选路循环和设置选路策略时，具有明显的缺点，目前已被BGP代替。

主要包括RIP、GRP、EIGRP、OSPF、BGP等。

路由信息协议（routing information protocol，RIP）是路由器生产商之间使用的第1个开放标准，是最广泛的路由协议，在所有IP路由平台上都可以得到。使用RIP时，一台Cisco路由器可以与其他厂商的路由器连接。

RIP有RIPv1和RIPv2两个版本，均基于经典的距离向量路由算法，最大跳数为15。RIPv1是有类路由（classful routing）协议，因路由上不包括掩码信息，所以网络上的所有设备必须使用相同的子网掩码，不支持VLSM。RIPv2可发送子网掩码信息，是无类路由（classless routing）协议，支持VLSM。

RIP使用UDP数据包更新路由信息。路由器每隔30秒更新一次路由信息，如果在180秒内没有收到相邻路由器的回应，则认为去往该路由器的路由不可用，该路由器不可到达。如果在240秒后仍未收到该路由器的应答，则把有关该路由器的路由信息从路由表中删除。

RIP配置简单、适用于小型网络。RIP的算法简单，但在路径较多时收敛速度慢，广播路由信息时占用的带宽资源较多，适用于网络拓扑结构相对简单且数据链路故障率极低的小型网络，在大型网络中一般不使用RIP。

内部网关路由协议（interior gateway routing protocol，IGRP）是20世纪80年代Cisco开发的一种动态的、长跨度（最大可支持255跳）的路由协议，使用度量（向量）确定到达一个网络的最佳路由，由延时、带宽、可靠性和负载等来计算最优路由，在同个自治系统内具有高跨度，适合复杂的网络。Cisco IOS允许路由器管理员对IGRP的网络带宽、延时、可靠性和负载进行权重设置，以影响度量的计算，但IGRP为Cisco专有，仅限于Cisco产品。

IGRP同RIP一样使用UDP发送路由表项，每个路由器每隔90秒更新一次路由信息，如果270秒内没有收到某路由器的回应，则认为该路由器不可到达；如果630秒内仍未收到应答，则IGRP进程将从路由表中删除该路由。与RIP相比，IGRP的收敛时间更长，但传输路由信息所需的带宽减少，此外，IGRP的分组格式中无空白字节，提高了IGRP的报文效率。

增强内部网关路由线路协议（enhanced interior gateway routing protocol，EIGRP）是Cisco的私有协议，属于混合协议，它既有距离向量路由协议的特点，同时又继承了链路状态路由协议的优点。EIGRP使用与IGRP相同的路由算法，但它集成了链路状态路由协议和距离向量路由协议的长处，同时加入散播更新算法（DUAL）。

EIGRP具有如下特点：①快速收敛。②减少了带宽的消耗。③减少路由器CPU的利用。④支持可变长子网掩码。⑤IGRP和EIGRP可自动移植。⑥EIGRP为模块化设计，支持3种可路由的协议（IP、IPX、AppleTalk），更新版本支持IPv6。⑦支持非等值路径的负载均衡。

EIGIP是Cisco开发的专用协议，因此当Cisco设备和其他供应商设备互联时，不能使用EIGRP。

开放式最短路径优先协议（open shortest path first，OSPF）是IP网络开发的内部网关路由选择协议，由IETF开发并推荐使用。OSPF协议由Hello协议、交换协议和扩散协议组成。Hello协议负责检查链路是否可用，并完成指定路由器及备份指定路由器；交换协议完成主、从路由器的指定并交换各自的路由数据库信息；扩散协议完成各路由器中路由数据库的同步维护。

OSPF协议具有以下优点：①OSPF能够在自己的链路状态数据库内表示整个网络，减少了收敛时间，同时支持大型异构网络的互联，提供了一个异构网络间通过同一种协议交换网络信息的途径，并且不容易出现错误的路由信息。②OSPF支持通往相同目的的多重路径。③OSPF使用路由标签区分不同的外部路由。④OSPF支持路由验证，只有互相通过路由验证的路由器之间才能交换路由信息；可以对不同的区域定义不同的验证方式，从而提高了网络的安全性。⑤OSPF支持费用相同的多条链路上的负载均衡。⑥OSPF是一个无类路由协议，路由信息不受跳数的限制，减少了因分级路由带来的子网分离问题。⑦OSPF支持VLSM和无类路由查表，有利于网络地址的有效管理。⑧OSPF使用AREA对网络进行分层，减少了协议对CPU处理时间和内存的需求。

边界网关协议（border gateway protocol，BGP）用于连接Internet。BGPv4是一种外部的路由协议，可认为是一种高级的距离向量路由协议。BGP使用可靠的会话管理，TCP中的179端口用于触发Update和Keepalive信息到它的邻居，以传播和更新BGP路由表。

IGP和BGP最大的不同之处在于运行协议的设备之间通过的附加信息的总数不同。IGP使用的路由更新包比BGP使用的路由更新包更小（因此BGP承载更多的路由属性），BGP可在给定的路由上附上很多属性。

路由器集群又称路由器矩阵或多机框互联，是将多台路由器互联形成的一套逻辑上一体的路由器系统。路由器集群技术是目前解决路由器容量瓶颈的最有效方式，是路由器发展史上一个极大的飞跃，它打破了传统的路由器扩展模式，同时保留了网络结构的清晰度，便于运营管理。目前路由器集群技术还没有大规模商用，各方面的稳定可靠性也有待考证，但它将是核心路由器未来的发展方向。

集群技术通过集中化、一体化的控制管理，使集群系统各台路由器单机之间能够协同工作，极大地扩展了路由器的容量，突破了单机在开发技术的限制。由于集群系统中各台路由器通过高速光背板互连，节省了额外的内部互联端口，大大减少了投资。更为重要的是，由于集群路由器对外仅体现为一台路由器，使得网络拓扑和路由策略变得简单和清晰，维护也更加方便快捷。

集群技术根据组织方式分为背对背和n拖m两种。背对背即是将2台路由器单机直接互联，无需通过交换矩阵，扩展性较差，属于过渡期的暂代方案。n拖m是指将m台路由器单机通过1台或n台交换矩阵机箱互联。集群系统内各台设备之间采用专门的光纤束进行互连，扩展性较好，是目前路由器集群技术的主流方式。

交换结构是路由器的核心技术，直接决定了整个系统的主要性能。在引入交换方式之前，路由器大多采用共享总线的分布式处理技术。共享总线实现简单，但由于不能避免产生内部冲突，使得高速率总线的设计受到限制，难度也越来越大。交换技术借鉴了ATM交换机的各种优势，解决了共享总线的不足。交换结构分为单级交换和多级交换两种。

目前使用较多的单级交换结构是共享内存和Crossbar。共享内存结构通过共享输入和输出端口存储器件，减少了对总体存储空间的需求。分组交换通过指针调度实现提高交换容量。共享内存结构相对简单，交换效率可根据需求不断优化。共享内存交换结构的交换性能取决于共享内存的存取速率，可扩展性较差，尤其当板卡端口数量较多时，交换效率有所下降。并且共享内存的稳定一般，直接影响了整个交换体系。Crossbar是一种严格的非阻塞交换结构，输入输出之间可建立多条通路。Crossbar交换结构包括集中式（输入＞输出）、扩展式（输入＜输出）和连接式（输入=输出）。典型的Crossbar采用连接式，即N×N的交叉矩阵。Crossbar使用调度器，根据各输入点相关的信息，运算调度算法得到输入和输出之间的一个匹配，并配置相应交叉点。调度器的效率非常关键，决定了Crossbar的交换速率，因此调度算法必须高度完善。

Crossbar同样存在扩展性的问题，即交换矩阵的交叉点将随着输入输出数量的增多呈指数增长。为维持无阻塞交换，需不断完善和改进调度算法，开发的技术成本越来越高。Crossbar同样也不能避免排队仲裁，传输效率受到一定影响和限制。但相比共享内存结构，Crossbar效率和扩展性都比较好，目前大部分高端路由器都使用Crossbar交换结构。

单级交换结构由于受到技术上的各种限制，可扩展性不完善，而且由于无法避免仲裁机制，容易形成瓶颈。因此，单级交换结构不是未来大容量路由器的发展方向，需逐步扩展至多级交换结构。

多级交换通过多个独立的交换矩阵组成一个多级多平面交换矩阵，每个平面配置独立的仲裁器，避免了仲裁器瓶颈问题。多级交换增强了系统扩展能力，目前路由器集群都是采用多级交换结构。

多级交换结构的基本组成单位称交换单元，每个交换单元具有输入和输出功能。各个交换单元通过一定的逻辑顺序相互连接，形成一个巨大的、可扩展的交换网络。多级交换结构的形式有很多种，包括Clos、Banyan、Butterfly和Benes等，各种交换结构的不同主要在于交换单元的互联方式。多级交换结构分为有阻塞和无阻塞，其中无阻塞交换包括严格无阻塞、可重排无阻塞和广义无阻塞。严格无阻塞交换是指只要这个连接的起点和终点是空闲的，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接。可重排无阻塞网络是指只要某个连接的起点、终点是空闲的，任何时刻都可以在交换网络中直接或间接对已有的连接重新选路来建立一个连接。广义无阻塞网络是指在顺序建立连接时按照一定的规则选路，也可以在任何时刻建立连接。

Benes属于可重排无阻塞网络，Benes使用方形交换单元（输入输出端口数相同）。一个典型的三级Benes N×N交换结构可在每个输入端和输出端间形成n个可能的通路，如图2-3-8所示。Benes输出可以扩展至任意奇数级。Benes的主要优点是实现简单，缺点是建立连接时需要重新选路，将增加数据传输时延。目前Cisco的CRS集群路由器系统采用此方案。

Clos属于严格无阻塞方式，是Benes的延伸，由非方形交换单元组成。Clos交换结构在任一输入与输出之间存在多条可达路径。要保证严格的无阻塞，Clos必须满足以下条件，即m＞= 2n-1，其中m是第2级的交换单元数，n是第一级单元的入线数和第3级单元的出线数。典型Clos结构有3级如图2-3-9所示。Clos的优点在于网络结构清晰，传输时延较低。但为了增加容量和降低阻塞，需大量上调m和n的数量，导致技术成本和实现复杂度的增加。Clos适合于在大型网络设计中使用，通过使用较小的交换结构简化网络层次，另外可减少构建无阻塞交换结构所需要的交叉点，降低构建大型交换网络的成本。目前Juniper的TX Marix平台采用此方案。

路由器集群系统涉及的设备多，因此如何协调交换矩阵和用户间的分工成为路由集群技术的另一个争论焦点。目前主流的系统控制方式是集中式和分布式，代表产品分别为Juniper的Tx平台和Cisco的CRS集群系统。

Juniper的Tx Matrix系统，控制平面是集中分布式的，即所有的路由协议、软件进程、控制转发等工作皆由交换矩阵完成，用户机框主要管理本机架工作状态。转发路由通过交换矩阵集中处理再分布式分发到用户机框，然后再到PFE，硬件状态从PFE传到LCC再到TX，是单机JUNOS的完全平滑升级。

CRS-1采用分布式的控制引擎设计，Rack0上的RP为系统DSC，其他Rack上的为DRP。CRS-1支持进程的分布模式，对同一个进程可能有多个实例运行在不同的RP/DRP。

目前支持路由器集群的主流供应商有Cisco、H3C和Juniper。Cisco通过CRS-1单机互联实现，目前可支持CRS集群（4+ 2），即4个交换矩阵加2个用户机框，理论上可以扩展到CRS集群（8+72），容量高达92Tbps。CRS集群采用Benes交换结构。H3C通过路由器横向虚拟化可把多台设备虚拟成一台逻辑设备，减少网元节点数量、简化网络配置、提高网络可靠性。Juniper 的TXMatrix平台通过T640单机互联实现，目前可支持Tx（1+4），即1个交换矩阵加4个用户机框，采用Clos交换结构。Juniper的Tx路由器集群系统已在多个运营商网络中使用，包括德国电信、英国BT等。

SDN概念的出现给网络带来的新的应用模式和选择可能。

SDN具有全局信息，可基于全局信息优化路径，使响应缓慢的全局性需求可以通过新算法实现。SDN具有统一的计算实体和算法，可避免路由器逐台升级带来的对网络冲击过大问题。SDN通过软件化的定义，提供更好的应用程序接口，使应用对网络的管理较好地实现。同时通过SDN可简化对设备控制面和管理面的复杂要求，使设备可集中用于转发，加快技术革新速度。

由于基础路由网络全球性的特征，不可能全球的网络统一整齐地切换为SDN网络，因此采用局部替代的方式。SDN改造的网络需与原有网络完全兼容。一种合理的方式是SDN改造网络局限于一定域内，对外表现与现有网络一致，而对内进行网内优化。同时需要针对域内和域间分别优化：域内通过SDN对控制平面路径计算的接管，实现完全可控、可视和可调的域内路由网络；域间通过SDN的集中调度控制，替代BGP和RR的路径计算，使保护、负载均衡等策略更容易实施。

业界在将SDN概念移植到路由时，应尽量遵循标准协议格式和模型，使所做工作相互促进和提升，达到最终提升产业整体水平的目标。目前在基本协议选择上有了共识，未来在具体实现内容上还需要进一步细化和标准化，理想情况下能实现不同供应商控制器和转发设备的互通。

通过SDN方式的集中化管理，关闭接入节点的路径计算，统一交由控制器负责，可实现路径计算更加可控、接入节点即插即用，同时可简化运维要求，提高网络的可靠性。