家用路由器内部设计

 

Overview

一直对路由器的内部设计存在疑惑，实际在找资料过程中也发现路由器有着不同的设计。

下面是我找到的一张路由器的参考设计：

 

 

这张图描述的路由器架构是十分清晰的。首先路由器对外接口有5个，这5个接口都接在一个可编程的交换机里面。

这些接口的数据随后会汇聚成一路，到路由器的芯片里面。

 

那么这5个物理接口是如何区分WAN口和LAN口的呢，这里是通过VLAN来将其引入路由器的核心模块。

因为这个交换机是可编程的，于是我认为经过稍加修改，这个路由器可以修改成为多WAN口的路由器。

 

外部的wifi接口通过桥接来巧妙地接到VLAN0上。

 

这里将WAN口单独赋予一个VLAN，可以将WAN口和LAN口区分开，因为最终要汇聚成一路来引入

到eth0里面。如果WAN口直接连接到CPU上，我想应该就不用为它单独划分一个VLAN了。

为它单独划分VLAN的好处我想是可以通过修改软件设计，将这个路由器改成一个5口的交换机。

 

提到改交换机这个思路，一般的做法是关闭路由器的DHCP，那么关闭DHCP后的路由器行为目前还不清楚，

我想就是将VLAN0和路由器内部一些机制的通路给关了，

 

后面通过学习openwrt应该可以进一步理解路由器的架构，不过不同路由器的架构设计是不一样的。

 

下面再看一下dlink825的设计，这里有6口的交换机，P0-P3是做LAN口，wifi直接连接到路由器芯片，

WAN口直通到eth1。这里大体的设计和上面的图是差不多的。

 

 

下面再分享一篇文章，有助于加深对路由器内部结构的理解。

 

http://www.diffen.com/difference/LAN_vs_WAN

 

下面是其中的一张表格(翻译）

 

LAN	WAN
代表	局域网	广域网
覆盖	本地(家庭，学校，办公室)	广大的区域(比如城市)
速度	1000Mbps	小于150Mbps
案例	一个办公室内的网络	internet
技术	Ethernet	MPLS, ATM, Frame Relay 和 X.25
组成	二层的交换机和网桥	路由器、多层次的交换机，ATM，Frame-relay的交换机
产生的问题	LAN很少出问题，因为只是管理很少的机器	因为是一个大的系统，所以比较容易出问题
数据传输错误	很少的传输错误	大量的传输错误
拥有者	个人也可以拥有	WAN（像Internet） 不是属于任何人的，而是需要国际之间协作、维护的
花费	便宜	像海底电缆这样的设置肯定要花很多钱，但是使用WAN的成本是很低的
带宽	大量的带宽	带宽比较小，比如国家之间的出口带宽
拥堵	小	大量

 

因为个人用户一般是连接到ISP来上网的，带宽受限，所以设置一个WAN口来连接internet，多个LAN口来做局域网是合理的。

如果关闭DHCP，两台电脑连接到LAN口我想也可以互相通信（交换机模式），只要手动设置IP地址就可以了。

 

数据包分析

 

家用路由器不同于一般的路由器，一般教科书上所讲到的路由器是多WAN口的路由器，

而现在市面上的家用路由器只有一个WAN口，有多个LAN口。下面用数据包发送的流程来分析一下家用路由器的

工作流程。

 

家用路由器的和商业路由器的区别我认为有以下几点：

1.通过交换机实现多LAN口

2.单WAN口

3采用NAT来实现共享上网

4.成本低，功能少

 

1.通过交换机实现多LAN口

 

这个设计相当于一个交换机和一个路由器连接。下面仔细分析一下计算机间的通讯流程。

这里假设计算机里面已经有了指向网关（也就是路由器）的一个项路由表项。

 

一般用户需要使用网络，比如HTTP应用，都是在网络层之上的。而路由器和交换机工作在IP层和MAC层。

所以一般来说，用户的数据都需要加上IP头和MAC头。

 

DHCP

实际上DHCP就是方便计算机自动获取IP地址，这样用户就不用操心了，否则用户就需要自己配IP地址了。

 

LAN口之间的计算机通信

这种情况和两台电脑之间直连的情况是一样的。电脑上首先要填入自己的IP，默认的网关和子网掩码

当电脑发出去的包的目的IP是在同一个子网内的时候，会发送给同一个子网的电脑。所以说只经过交换机就行了。

当然了，802.3帧格式要求application前面要加上IP头和MAC帧头，所以需要知道对方的MAC地址。

通过广播ARP请求就可以知道对方的MAC地址，然后将帧包好发出去。

LAN口和WAN口之间的通讯

LAN口的计算机数据要过WAN口，需要通过交换机和路由器。

首先，电脑检测自己的目标IP地址不在同一个网段中，这时候就需要路由器帮忙了。

它会将这个数据发送给路由器，让路由器来处理。不过，有了IP地址不够，要在ethernet上传输

还需要有MAC地址，于是它发送一个arp请求给网关，然后就得到了网关的MAC地址。接下来就可以

将帧封装好发送给网关了。这里的网关就是家用路由器内部的路由器模块，更实际的说，是在一块CPU里面。

网关内部将这个数据包做NAT转换就可以发送到下一跳了，一般是ISP的机器。

WAN口到ISP之间的协议就不一样了，根据抓包可以看到多了一层PPPOE的协议

 

 VLAN的处理

这里WAN口和LAN口做在了一个交换机上面。通过VLAN的隔离（MAC层隔离），交换机上的WAN口和LAN口的数据就不会互通了。VLAN的数据需要路由模块的转发。

 

2.NAT

关于NAT，网上的资料很多，这里就不提了。位于NAT内的机器是不能直接被暴露到

internet的。一些运营商的做法，使得家庭用户无法暴露自己的设备（如监控摄像头）到internet，因为

他们采用了NAT。部分网友采用投诉的办法来让运营商取消对自己做的NAT。