分组交换的可靠性来自哪里？

疑问？

我们都知道分组交换采用存储转发的技术，路由器收到相关分组后，会先存储到其内存中，然后查询路由表后再进行转发，如果此时路由器发生故障（如突然断电），那是不是我这个路由器上的存储的分组就丢失了呢？

答案：是的，如果路由器在分组还没有转发出去之前突然故障，这些存储在缓冲区(Buffer)中的分组通常就会丢失。

那实际生产中分组交换的可靠性来自哪里呢？接着往下看。

谁保证了可靠性？

分组交换为什么要存储转发？

假设有一个数据包

PC A │ │ IP Packet ▼ Router1 │ ▼ Router2 │ ▼ Server

Router1收到完整的数据包以后，会经历几个步骤：

① 接收整个数据包 ② 放入缓存(Buffer) ③ 检查IP头 ④ 查询路由表(FIB) ⑤ 找到下一跳 ⑥ 放入发送队列 ⑦ 发出去

所以它确实要"存储"，且这个存储一般不是硬盘，而是内存 RAM(Buffer)，通常就是几十MB、几百MB甚至更大的高速缓存。

如果这时候路由器坏了包会丢吗？

答案：一定会丢。

例如：

PC │ ▼ Router1 ↑ Packet 正在Buffer里面

突然：

Router1 Power Off

那么RAM里的Buffer全部没了

因为RAM断电即失，所以这个Packet真的丢了。

这就是 Packet Loss（丢包），互联网允许发生丢包。

为什么互联网还能正常通信？

答案：IP协议本身就是不可靠协议（Best Effort）。

IP协议只保证：尽力帮你送达。

它不会保证：

• 一定送到
• 一定按顺序
• 一定不重复
• 一定不丢

所以RFC里面把IP叫：Best Effort Delivery（即尽力而为）。

那是谁保证可靠？

答案：主要是 TCP。

例如：

发送100个Packet 1 2 3 4 5 ... 100

Router2坏了，导致：

Packet 45 46 47 丢失

接收端收到：

1 2 3 ... 44 48 49 ... 100

TCP就会马上发现：

45呢？ 没收到

于是：

ACK 一直ACK 44 或者发送SACK信息。

发送端发现：

哦 45没到

重新发送：

45 46 47

因此应用层感觉不到，因为TCP帮你补发了。

UDP怎么办？

答案：UDP没有重传，是一种不可靠的传输协议。

如果 Packet 丢了，就是真的没了。

例如：视频会议第324帧丢了，就直接播放下一帧，不会补，因为补回来已经晚了。

整个路由器坏了后面传输又怎么办？

答案：动态路由

例如：

R2 / PC--R1 \ R3

正常：

PC ↓ R1 ↓ R2 ↓ Server

R2坏了，路由协议会重新收敛：

PC ↓ R1 ↓ R3 ↓ Server

这就是动态路由，设计到的相关协议为：

• OSPF
• IS-IS
• RIP
• BGP

路由器会根据这些协议重新计算最短路径，于是后续Packet就会走另一条路。

注意：已经在R2缓冲区里的那些Packet还是会丢，只是之后的新Packet改走别的路，最终通过 TCP 可靠传输协议对丢失部分的数据进行重传。

其他疑问？

路由器为什么不把Packet写磁盘？

答案：因为磁盘的读写速率太慢。

也许你会想：既然RAM会丢，为什么不存SSD？

原因很简单，磁盘读写速度太慢（即便是 SSD）。

例如：一个100G接口 ≈ 12.5GB/s

如果每个Packet都：

写SSD ↓ 读SSD ↓ 发送

延迟会暴涨，而互联网要求延迟几十微秒、甚至几微秒，SSD根本来不及。

因此，所有高性能路由器都是：

Packet ↓ ASIC ↓ Buffer(RAM) ↓ 发送

而不会落盘。

如果路由器Buffer满了怎么办？

答案：路由器主动丢包

例如：出口1G，入口10G

瞬间：100万个Packet进入

Buffer 放不下，于是直接Drop，这叫 Tail Drop 或 RED(Random Early Detection)，即主动提前丢一些包。

TCP看到丢包以后降低发送速度，形成TCP拥塞控制。

所以，丢包并不是异常，而是互联网正常运行的一部分。

结论

互联网并不是依靠路由器保证数据不丢，而是依靠端到端协议（主要是 TCP）和网络冗余来保证最终可靠。