前言

:路由器(Router)是重要的网际网路连接设备，它将散布在世界上的区域网路连接起来，形成现在拥有许多虚拟社群的网际网路。笔者在十月号「乙太网路入门」一文中，曾简简要地叙述路由器的功能，为了让各位能更了解这个连接网际网路的重要设备，笔者拟利用本文进一步地介绍路由器的构造、功能与其运作原理。

认识路由器

路由器是一种智慧型的设备，有人称它为选径器。其工作原理跟桥接器与第二层交换器有些类似，可是桥接器与第二层交换器都属于OSI网路七层模型中之第二层的设备，而路由器则属于第三层的设备。它会逐一检视通过它的封包中的网路层位址，再依据终点位址与路径表(Routing Table)，为该封包选择最佳的传送路径。路由器常被用来连接两个或多个相同或异质网路，进行通讯协定转换(Protocol Translation)。路由器可以过滤广播封包，将一个网路区隔成数个子网路(Subnets)，这些子网路拥有独立的广播区域(请参考8月号「浅谈交换器」一文)，使用路由器可以减少广播风暴，增加网路的传输效率。

路由器的架构

现在各位在巿面上所看到的路由器，其实它也是一台电脑，不同的是它是一台专门用来执行选择路由的功能的专属电脑。就硬体架构而言，路由器拥有电脑的所有组成单元，如中央处理器(CPU)、记忆体(Memory)与输出入介面(I/O)等。 (图一)为路由器之架构示意图，所有的资料封包从网路介面输入，然后送到中央处理器进行处理，处理完毕后，再送至网路介面输出。

《图一 路由器架构示意图》

以前没有路由器这种设备时，所有封包过滤、转送与选择最佳路径的工作，全部是由主机或档案伺服器来执行。在档案伺服器上插上多片网路卡，再灌上路由软体，这台档案伺服器除了它原有的功能外，马上可以执行路由器的工作。在目前常见的作业系统中，如Unix、Novell与Windows，您还是可以启动这个功能。话虽如此，除非有特殊原因，一般的公司行号都不会使用这样做，大家都会购买路由器，因为使用路由器可以增加网路的效能、稳定性、弹性与减少故障率。伺服器也可以专心做它该做的事，发挥它最大的效能。

或许您听到别人在讨论路由器时，他们会提到路由器的作业系统或韧体的版本等问题，它们所说的就是指路由器内部所使用的软体​​，它是路由器的智能所在。一般而言，路由器的软体都会储存在机器内的快闪记忆体(Flash Memory)里面或是PCMCIA快闪记忆卡中，而不像家中的个人电脑一样，储存在硬碟机或软碟机内。在开启路由器的电源时，储存在快闪记忆体中的程式会被载入至随机存取记忆体(DRAM)中，然后才开始执行路由器的工作。

当路由器电源被关掉时，所有储存在随机存取记忆体中的程式与资料会全部消失，可是快闪记忆体中的程式与设定值却完好无缺，所以重新开机后，路由器又会恢复正常。快闪记忆体是一种可被重复读写，在电力消失后记忆的内容依旧存在的一种记忆体。所以当路由器厂商发行新版的路由器作业系统软体后，使用者即可依特定的程序，将新版软体载入到快闪记忆体中。在路由器重新启动后，它就可以马上执行新的功能。

功能及其作业原理

路由软体的功能与作业原理，虽然很多样化而且复杂，可是它的主要功用却很简单，就是在找到一条抵达终点的最佳路径。我们在进一步介绍路由软体的选径作业原理前，请各位先看一下(图二)中的黑线，代表两个城巿间唯一的公路，红色的英文字母代表公路的名称。假如您想从台中开车到花莲，您会走那一条路？我想大家都会选K。因为那是一条最快、而且是最近的的路。如果您出发前，知道K公路因为坍方，道路不通，您会选那一条？此时可能性就很多了，如果您只知道K公路，那您只有等K公路修好后才能抵达花莲；如果您知道其他的路，那您可以走BAJI到花莲；也可以选CELH到花莲，当然也可以走CEFGH到花莲。

《》

路由软体的选径功能就好像上例中驾驶在决定路径一样，路由软体在检视过进入路由器的封包，并解读了该封包的终点位址后，参考一些资料，依据某些原则，就​​会决定该由那一条路径抵达目的地端那台电脑所在的网段。路由器将根据随机存取记忆体中的路径表(Routing Table)，告诉资料封包该经由那一介面进入下一个路由器。路径表的作用类似于图二的公路图，一旦我们选定起点与终点后，比对着公路图，就可以决定该走那一条路。

转送封包的方式

路由器转送封包的方式有两种，第一种是利用预先设定好的路径来转送封包，另外一种是使用动态路由协定自动计算出最佳之传送路径。

固定路由

预先设定的路径，又称为固定路由(Static Route)。它是由网路管理者在设定路由器时，手动输入的路径，它的好处有两点：

1.安全：因为所有路由全部是网路管理者设定的，吨括封包移动的方向，均在网路管理者的掌握中；

2.有效率地使用有限资源：因为路径已经储存于路由器内，路由器不必浪费中央处理器的时间去计算路由，使用的记忆体也比较少。

而缺点是固定路由不能发现新的路径，当网路线路中断或拓朴改变时，封包无法绕道而行，如果想要保持​​网路畅通，就必须重新手动设定路由。因此固定路由只适用在只有一条连外线路的网路、小型网路或强调安全控管的网路。固定路由最常被用在连接网际网路服务供应商(ISP)的路由器上，因为大部份的公司只会使用一条线路连接ISP。有些大型网路为了安全的理由，也会使用固定路由，网路管理者会将全部的资料封包传送到安全控管主机，经过严密检查后才能进出网路。

动态路由协定

动态路由协定(Dynamic Routing Protocol)是一种让路由器可以自动交换路由资讯的技术。它包含了发现新路径、更新路径表与网路拓朴资讯的收敛等工作。如果驾驶人使用动态路由的观点来做为决定开车路径的判断原则，在知道台中到花莲的K公路因坍方而中断时，他会再搜集资讯(例如看地图)，寻求另外一条道路，而不会等K公路修好后再去花莲。

动态路由协定依其演算法的不同，可以分为距离向量(Distance Vector)与连结状态(Link State)这两大类，它们的区别在于发现与计算新路由的方法的不同。

距离向量

距离向量(Distance Vector)式的动态路由协定，采用Bellman-Ford 演算法，使用这类协定的路由器会定期将路径表传送给跟它们直接连接的邻近路由器，每个接收者收到路径表后会在距离向量栏内加１后，再传送给下一个路由器。藉由不断地传递，网路中的每一部路由器都会学到其他路由器中的资讯，依据这些资讯，所有路由器都会利用一个数字来标示网路中所有网段的相对距离，然后依据这个数字决定抵达终点最「短」的距离。

以图二为例，从台北到恒春古城，我们可以走ABCEF或JIHG两条路，若使用距离向量路由协定的方式来选择路径，最后我们会选择JIHG这条路，原因是选择JIHG这条路只会经过３个城巿，也就是说距离向量路由协定是依据经过路由器的数目，来决定距离的「远近」。这个方法的缺点是完全没有考虑到路况，假如ABCEF是八线道的高速公路，速限为150公里，而JIHG只有两线道，速限为60公里，虽然它经过的点比较少，可是却要开比较久才会到。

再看(图三)例子，如果我们由台中的10.0.3.x的网段传送一个5Mbytes的档案到花莲的10.0.7.x网段，虽然台中－台南－花莲间的线路的传输速是T1(1544Kbps)，可是经过距离向量判断的结果，路由器会选择经过一个路由器的路径传送，也就是由低速的14.4Kbps线路传送至花莲，而不会选择经过两个路由器的T1线路传送。虽然距离向量动态路由协定比固定路由(Static Route)有弹性，在线路故障时，距离向量协定会自动寻找新的路径，无需网路管理者重新设定，因为它是根据经过的路由器数目，来决定传送封包的最「佳」路径，完全没有考虑到线路速度，虽然它比固定路由好，可是还是有这样的缺点。

《图三 距离向量判断示意图》

距离向量动态路由协定的优点是容易设定、维护与使用。除了对「远近」的判断会发生上例的问题外，它还会有收敛时间太长与收敛时可能导致无穷回圈(Infinite Loop)、浪费频宽等问题。所以这类的路由协定适用于有多重路径(Redundant Path)的小型网路、区域网路与对传输效能要求较不严格的网路。 RIP(Routing Information Protocol)与IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)就是最常被使用的距离向量动态路由协定。

连结状态路由协定

使用连结状态动态路由协定，可以避免距离向量动态路由协定所产生的问题，让路由器更精确地自动计算传送封包的最佳路径。使用此类路由器必须建立一个相当复杂的网路拓朴资料库，完全记录网路上所有路由器与其连接介面的状态，在网路发生变化时，立即交换各介面最新的连结状态。在路由器收到这些发自于其他路由器的连结状态通知(LSA: Link-State Advertisement)资讯后，会使用最短路径为先演算法(Shortest Path First Algorithm)更新路径表。这个演算法的好处是，有事就说，没事闭嘴。只有在网路状态发生变化时，才会进行连结状态通知，因此每个路由器在收到邻近路由器传来的通知后，可以马上计算出新的路径，所以它的收敛时间比较短，所占用的网路频宽也比较少。它根据沿路经过的路由器数目、各介面的状态、线路的速度与是否壅塞等参数来计算最佳传送路径。

连结状态路由协定也不是没有缺点，它的缺点是刚开始启动时，因为网路上的所有路由器都要了解其他路由器的状态，所以他们会传送大量的资料，导致网路的速度会明显地变慢。其次是需要用到许多记忆体与中央处理器的时间，如果网路比较复杂，路由器的购置成本就会相对提高。所以，连结状态路由协定适用于大型、需要具备高度可扩充性与复杂的网路，OSPF(Open Shortest Path First)就属于这类的动态路由协定。

采购路由器须知

:在了解路由器的功能与作业原理后，各位一定会想到一个问题，如果想要帮公司采购路由器，应该注意那些重点？笔者建议如下：

1.管理性：为了易于管理并与网管程式整合，路由器最好支援SNMP(Simple Network Management Protocol)，接受Telnet远端登入，也可利用拨接数据机登入，如此一来在远端就可设定这台路由器。

2.处理效能：路由器的型录上，代表路由器处理效能的数据是每秒转送64 Bytes长度的封包数目(PPS: Packet Per Second)，您必须依据您的效能需求进行采购，否则将会造成传输瓶颈。举例而言，若您需要一台具有两个10Base-T 连接埠的路由器，因为乙太网路的理论传输封包数目为14880 PPS，所以您选择的路由器最好是每秒可以转送14880个长度为64Bytes的封包。

3.介面模组的种类：路由器制造厂常会针对模组化路由器，设计多样化的介面选项，如此可以增加设备未来运用的弹性。路由器的介面模组可以分为区域网路介面模组与广域网路介面模组这两大类，前者提供区域网路介面，常见区域网路介面有Ethernet、Token Ring、FDDI、ATM等。后者提供广域网路介面，常见的广域网路介面有V.35、V.24、RS-449、ISDN等。透过这些广域网路介面，可以连接CSU/DSU、数据机与ISDN线路，广域网路介面常使用的协定，请参考(表一)。

《表一 Framing Protocol》

4.模组化：可以依据需求，针对某部份进行升级，例如增加记忆体。对于故障的模组，可以在不关闭电源的情况下，就可以进行模组更换。

5.记忆体的大小：快取记忆体与随机存取记忆体的容量，会影响到路由器的效能。当您连接的路由器数目很多时，路径表会变很大，此时随机存取记忆体的容量就很重要。

6.支援的协定：该路由器的软体支援的协定是否符合您需求？最好是该制造公司提供许多不同的组合，以后要增加某些协定时，只需进行软体或部份硬体升级就可以了，无需重新购置硬体。

7.支援RIP与OSPF：由于这两个动态路由协定最常见，为了增加未来应用的弹性，在选购路由器时，最好选择同时具备这两种协定的设备。

8.供应商的技术支援能力：由于路由器是一个复杂的网路设备，它的设定不是一件容易的事，如果您选择的厂商的支援能力不佳，未来将对您造成诸多困扰。支援能力好的厂商，可以在初期提供您建置规划与采购建议，在发生故障时，可以迅速将您的网路恢复原状。

结语

路由器是一个相当复杂的网路设备，不像集线器、桥接器与第二层交换器一样，随插即用。随着路由器制造商的研发能力与巿场定位的不同，每个厂牌的路由器常会有许多不同的功能，例如有些路由器有封包过滤的功能，可以针对封包中来源或终点位址进行过滤，决定是否让封包通过；也有些路由器具备语音介面，可以将类比式的语音转换成IP封包在网路上传送；另有路由器有网路位址转译(NAT)的功能。

虽然如此，路由器最重要的工作还是为封包找出一条最佳的传送路径，为了让刚接触网路的朋友，能对路由器有一个最基本的了解，所以本文只针对最基本的部份进行简单的介绍，至于其他功能不在本文中赘述。

(作者任职于精业公司电信业务处，电子邮件：ian_tw@kimo.com，本专栏隔月刊载)