虚拟路由器的体系结构研究

孙亚旭

（曲阜师范大学，山东 日照 276826）

随着网络规模的不断扩大，互联网业务的不断发展已经对路由器系统提出更高的要求。另一方面，计算机网络的管理性和控制性也渐渐复杂，人们对网络的核心设备——路由器也就有了更多的需求。传统路由器技术正在面临许多新的问题及挑战，近年来虚拟路由器的出现使得网络的控制模型需求得到了很好的解决，本文从此处着笔，分析了虚拟路由器的核心竞争力和面临的挑战，并对此提出了少许建议。

1 虚拟路由器的体系结构和应用

虚拟路由器的整个结构体系大体上就是新型的软件设计算法：网络提供商通过模拟过程，为提供客户传统的物理路由器的结构层，从而达到让互联网结构模型和协议代码能够独立运行在同一平台上的目的，并使得在此结构上的互联网用户能够分享他们的CPU 和IP 接口以及其他资源。应用虚拟路由器技术，网络提供商可以为企业或高级用户提供更高级的互联网虚拟服务以及特殊的控制要求或功能，并能节省大量开支。

在这种虚拟路由器的体系结构中，TCP/IP 管理协议构成了核心结构，我们将这种通过相同的对象代码来执行的虚拟模板称之为虚拟路由器的体系，而所有软件路由器系统的代码集构成了虚拟路由器的实例，虚拟路由器的模板集的一个子集就是实例的一部分功能。也就是说，如果这个体系结构中未能包含协议的代码，那么虚拟路由器的实例功能将不被支持，例如无IP的协议实现模板就是不能成立的。

一般情况下，虚拟路由器作为整个网络虚拟模型中的第三层，其主要功能就是为不同的网络结构实行数据结构转发。所有的路由器都通过路由表来进行打包传输，所以，虚拟路由器的技术的核心部分即是虚拟路由转发表，我们称之为VRF。每个虚拟路由器都有一个专用的IP 端口，缓冲地址空间以及专属的网络管理协议。

实际上，传统路由器进行数据输送时，是依靠优良的硬件实现传输的高速率，而虚拟路由器则是在转发的过程中，将数据转发过程和其他进程运用两个完全不同的端口，从而保证了数据的安全性。通过虚拟路由器的配置，网络服务商可以为终端客户提供成本较低的个人专用线路控制和安全管理等功能。每个路由器的数据传输过程与其它路由器的传输过程都是相互隔离开的，从而保证了数据的高度安全性。

2 虚拟路由器所面临的挑战和困难

路由器作为整个互联网的核心设备和许多网络技术的基本载体，随着互联网对路由器的性能和功能的要求越来越高，传统路由器所面临的技术瓶颈亟待解决。虚拟路由器在性能和功能方面的强大固然是传统路由器无法比拟的，但传输带宽和网络传输的限制和要求也使得虚拟路由器的功能受到了一定的影响。另一方面，随着多媒体视频点播、云服务的运用，宽带应用技术也对虚拟路由器提出了更高的要求。从目前的情况来看，1 000Mbps 的端口主要运用于国家的骨干网络，而大部分用户的互联网访问服务器则是采用10 000Mbps 网络。随着用户的数量迅速增加，全球网络化的程度也将越来越高，这就对虚拟路由器的节点和端口密度提出了更苛刻的要求。同时，新的协议的推出以及已有协议的功能扩展，也是虚拟路由器所面临的一个挑战。

而在功能方面，随着网络的商业化竞争脚步的加快以及多媒体应用范围的拓广，用户对网络的多功能性有了更多的需求，路由器功能已不能仅仅局限于基础的路由和转发，而是要提供面向用户应用需求的多功能保证，包括网络安全防护墙、内外网PI 地址转换等功能。这就使得路由表容量不断增加，对计算处理能力的要求也就越来越高。

3 用户对虚拟路由器的体验和需求

高端用户需要Internet 提供最新、 最完善的服务，而VPN就是其中一种成本相对较高的服务。为了确保能在网络设备的边界提供VPN 服务，网络服务商需要复杂的访问控制和路由过滤机制，确保路由信息用户之间能够相互隔离开来。但与此同时，有许多用户需要一个单独的路由进行私人的配置信息。服务提供商为了提供这些额外的路由器，就必须付出更大的开支，这种方法很明显是不明智的。如果换做虚拟路由器的话，对于用户而言，虚拟路由器既作为一个单独的路由器使用，也可以满足公共应用的要求，既具有安全可靠的特点，又非常灵活。这种高性价比的虚拟路由器很容易得到用户的青睐。

由于虚拟路由器可以在拥有完整网络协议的条件下独立运行，所以每个虚拟路由器都会拥有一个独立的网络地址，这就使得一个集群中所有的虚拟路由器不会发生任何冲突。除此之外，终端用户拥有对各个虚拟路由器监控和管理的操作许可权，保证自己的信息安全。在管理方面，虚拟路由器是通过连接在单独的实例路由器上来进行的，这也从另一个角度保证了信息的安全性。通过用户提供的信息进行认证，某个虚拟路由器只会为某个单独的用户所使用。采用虚拟路由器还能保证某个用户通信的数据流量将只在属于用户自身路由器上产生，而不会对其他的路由器上的数据服务造成影响，从而保证了网络的性能稳定性，并能避免非法盗取数据流量，避免用户遭受损失。此外，虚拟路由器还提供独立的TCP/IP 协议，使虚拟路由器可以为客户提供优质的个人服务。网络服务商通过配置虚拟路由器的IP 端口，能够保证数据量不会超越预定的协议；同时，虚拟路由器还能根据不同的数据分组，运用不同的数据端口，将数据包分配到不同的队列，以达到不同的服务质量。

4 虚拟路由器的优势及核心竞争力

与己有的路由器相比，虚拟路由器在控制体系结构方面除了具有更好的开放性和可扩展性，还有如下优点：

（1）增加了可靠性和可用性。减少转发实体的硬件规模，提高转发数据的完整性。同时，虚拟路由器的独立性可以方便地通过提高控制数据冗余度增强系统的可用性和减少数据的丢错率。

（2）增加了可伸缩性。虚拟路由器可以借助通用服务器技术方便地提高处理性能，并能有效克服内存容量的局限。

（3）扩展新功能容易。和各种传统的路由器相比，虚拟路由器的开发成本较低、开发周期较短。而且随着通用计算机平台的不断发展，解除了运行平台对虚拟路由器配置的约束，可以实现在原来专用系统上难以实现的功能，取得专用系统上难以达到的性能。

（4）降低用户建网成本。不同数据包的分离和传输，允许用户根据实际需要灵活配置路由器的规模和功能，从而有效地降低初始组网费用。还可以通过添加或替换部分功能部件进行功能或性能升级，有效地保护用户的原有投资。

（5）可以更方便地适应各种新型网络体系与新型应用。比如对于用户控制功能，对于面向应用感知等方面，使得用户可以便利地支持诸如应用层网络、叠加网络、网络测量与监控等应用模式。

通过将虚拟路由器与已有路由器结构及网络控制技术进行对比，不难看出虚拟路由器在多个方面具有较好的均衡性和普适性。

5 总结

本文重点研究分析了虚拟路由器的整个结构体系结构以及虚拟路由器的可扩展性，以及虚拟路由器应用的整个网络结构的研究现状。虚拟路由器引入到网络设备中以后，充分解决了传统路由器所面临的技术瓶颈，通过向虚拟路由器配套的设备中注入可执行代码，可使得网络设备的功能增加起来变得更为简单。可编程的虚拟路由器结合了主动网络与软件的可编程性，通过开放的API 配置模式，提升了路由器配置和构成的功能性。另一方面，虚拟路由器相对于传统实体路由器是较为开放的结构体系，很好地把传统网络结构的思想引入到了路由器的结构体系当中，使得各方面既能独立创新，也可以增强路由器的整体控制能力，更能使将来的路由器越来越智能化。总而言之，虚拟路由器充分利用了网络的灵活性和自身结构的特殊性，提供了针对用户多样化网络结构需求发展的新思路，值得进行普遍推广。

[1]刘刚.一种虚拟路由器的体系结构及实现[J].计算机工程.2004，6(12):87-88.

[2]王宝生，卢西城.新型路由器体系结构研究综述[J].计算机工程与科学.2007，29(4):6-8.

[3]刘宏义.软件路由器体系结构研究与设计[J].现在电子技术.2008，8(4):49-51.