ในการกำหนดเส้นทาง (routing) ระนาบข้อมูล (data plane ) ซึ่งบางครั้งเรียกว่าระนาบการส่งต่อ (forwarding plane)หรือ ระนาบ ผู้ใช้ (user plane ) จะกำหนดส่วนหนึ่งของ สถาปัตยกรรม เราเตอร์ที่ทำหน้าที่กำหนดว่าควรทำอย่างไรกับแพ็กเก็ตที่เข้ามาทางอินเทอร์เฟซขาเข้า โดยทั่วไปแล้ว จะหมายถึงตารางที่เราเตอร์ใช้ค้นหาที่อยู่ปลายทางของแพ็กเก็ตขาเข้าและดึงข้อมูลที่จำเป็นเพื่อกำหนดเส้นทางจากองค์ประกอบที่รับข้อมูล ผ่านโครงสร้างการส่งต่อ ภายใน ของเราเตอร์ และไปยังอินเทอร์เฟซขาออกที่เหมาะสม

ในบางกรณี ตารางอาจระบุว่าควรทิ้งแพ็กเก็ต ในกรณีเช่นนั้น เราเตอร์อาจส่งข้อความ ICMP "ปลายทางไม่สามารถเข้าถึงได้" หรือรหัสที่เหมาะสมอื่นๆ อย่างไรก็ตาม นโยบายด้านความปลอดภัยบางอย่างกำหนดให้เราเตอร์ควรทิ้งแพ็กเก็ตโดยไม่แจ้งให้ทราบ เพื่อป้องกันไม่ให้ผู้โจมตีทราบว่าเป้าหมายกำลังได้รับการปกป้อง

องค์ประกอบการส่งต่อขาเข้าจะลดค่าฟิลด์เวลาในการคงอยู่ (TTL) ของแพ็กเก็ตลง และหากค่าใหม่เป็นศูนย์ แพ็กเก็ตนั้นจะถูกทิ้ง ในขณะที่ ข้อกำหนดของ โปรโตคอลอินเทอร์เน็ต (IP) ระบุว่า ควรส่งข้อความ ICMP ( Internet Control Message Protocol ) เกินเวลาไปยังผู้ส่งแพ็กเก็ต (เช่น โหนดที่ระบุโดยที่อยู่ต้นทาง) เราเตอร์อาจถูกกำหนดค่าให้ทิ้งแพ็กเก็ตโดยไม่แจ้งให้ทราบ (อีกครั้งตามนโยบายความปลอดภัย)

ขึ้นอยู่กับการใช้งานเราเตอร์เฉพาะนั้นๆ ตารางที่ใช้ค้นหาที่อยู่ปลายทางอาจเป็นตารางกำหนดเส้นทาง (หรือที่เรียกว่าฐานข้อมูลข้อมูลการกำหนดเส้นทาง, RIB) หรือฐานข้อมูลข้อมูลการส่งต่อ (FIB) แยกต่างหาก ซึ่งถูกเติมข้อมูล (เช่น โหลด) โดยระนาบควบคุมการกำหนดเส้นทางแต่ถูกใช้โดยระนาบการส่งต่อสำหรับการค้นหาด้วยความเร็วที่สูงกว่ามาก ก่อนหรือหลังการตรวจสอบปลายทาง อาจมีการตรวจสอบตารางอื่นๆ เพื่อพิจารณาว่าจะจัดการแพ็กเก็ตอย่างไรโดยอิงจากลักษณะอื่นๆ เช่น ที่อยู่ต้นทาง ฟิลด์ตัวระบุโปรโตคอล IP หรือ หมายเลขพอร์ต ของ Transmission Control Protocol (TCP) หรือUser Datagram Protocol (UDP)

ฟังก์ชันระนาบการส่งต่อทำงานในองค์ประกอบการส่งต่อ^{[ 1 ]} เราเตอร์ประสิทธิภาพสูงมักมีองค์ประกอบการส่งต่อแบบกระจายหลายตัว เพื่อให้เราเตอร์เพิ่มประสิทธิภาพด้วยการประมวลผลแบบขนาน

อินเทอร์เฟซขาออกจะห่อหุ้มแพ็กเก็ตด้วยโปรโตคอลดาต้าลิงก์ที่เหมาะสม ขึ้นอยู่กับซอฟต์แวร์เราเตอร์และการกำหนดค่า ฟังก์ชันต่างๆ ซึ่งโดยปกติจะถูกใช้งานที่อินเทอร์เฟซขาออก อาจตั้งค่าฟิลด์ต่างๆ ในแพ็กเก็ต เช่น ฟิลด์ DSCPที่ใช้โดยบริการที่แตกต่างกัน

โดยทั่วไปแล้ว เส้นทางจากอินเทอร์เฟซขาเข้าไปยังอินเทอร์เฟซขาออกโดยตรง ผ่านโครงข่ายโดยมีการปรับเปลี่ยนน้อยที่สุดที่อินเทอร์เฟซขาออก เรียกว่าเส้นทางด่วน (fast path ) ของเราเตอร์ หากแพ็กเก็ตต้องการการประมวลผลอย่างมาก เช่น การแบ่งส่วนหรือการเข้ารหัส อาจต้องผ่านเส้นทางที่ช้ากว่า ซึ่งบางครั้งเรียกว่าระนาบบริการ (service plane ) ของเราเตอร์ ระนาบบริการสามารถตัดสินใจเกี่ยวกับการส่งต่อหรือการประมวลผลโดยอาศัยข้อมูลระดับสูงกว่า เช่น URL ของเว็บไซต์ที่อยู่ในส่วนข้อมูลของแพ็กเก็ต

ระนาบข้อมูลคือส่วนของซอฟต์แวร์ที่ประมวลผลคำขอข้อมูล^{[ 2 ]}  ในทางตรงกันข้ามระนาบควบคุมคือส่วนของซอฟต์แวร์ที่กำหนดค่าและปิดการทำงานของระนาบข้อมูล^{[ 3 ]}

การแยกแนวคิดของระนาบข้อมูลออกจากระนาบควบคุมได้ดำเนินการมานานหลายปีแล้ว^{[ 3 ]}ตัวอย่างแรกๆ คือUnixซึ่งการดำเนินการไฟล์พื้นฐานคือการเปิด ปิด สำหรับระนาบควบคุม และการอ่าน เขียน สำหรับระนาบข้อมูล^{[ 4 ]}

การแยกแนวคิดของระนาบข้อมูลออกจากระนาบควบคุมในการเขียนโปรแกรมซอฟต์แวร์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ใน สาขา การสลับแพ็ก เก็ต ซึ่งเป็นต้นกำเนิด ในเครือข่ายระนาบข้อมูลบางครั้งเรียกว่าระนาบการส่งต่อ เนื่องจากเป็นการแยกส่วนที่เกี่ยวข้อง: ระนาบข้อมูลได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับความเร็วในการประมวลผล ความเรียบง่าย และความสม่ำเสมอ ระนาบควบคุมได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อให้สามารถกำหนดค่า จัดการนโยบาย จัดการสถานการณ์พิเศษ และโดยทั่วไปแล้วอำนวยความสะดวกและทำให้การประมวลผลระนาบข้อมูลง่ายขึ้น^{[ 5 ] [ 6 ]}

ผู้ผลิตออกแบบเราเตอร์สำหรับตลาดเฉพาะกลุ่ม การออกแบบเราเตอร์สำหรับใช้ในบ้าน ซึ่งอาจรองรับพีซีหลายเครื่องและระบบโทรศัพท์ VoIP นั้น เน้นการลดต้นทุนให้เหลือน้อยที่สุด ในเราเตอร์ประเภทนี้ จะไม่มีโครงสร้างการส่งต่อข้อมูลแยกต่างหาก และมีเพียงเส้นทางการส่งต่อข้อมูลที่ใช้งานอยู่เพียงเส้นทางเดียว คือ เข้าสู่โปรเซสเซอร์หลักและออกจากโปรเซสเซอร์หลัก

เราเตอร์สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการประสิทธิภาพสูงกว่า จะยอมรับต้นทุนและความซับซ้อนที่มากขึ้น เพื่อให้ได้ปริมาณการรับส่งข้อมูลที่สูงขึ้นในระนาบการส่งต่อข้อมูล

ปัจจัยการออกแบบหลายประการส่งผลต่อประสิทธิภาพการส่งต่อข้อมูลของเราเตอร์:

• การประมวลผลและการแยกแพ็กเก็ตในเลเยอร์ดาต้าลิงก์
• การถอดรหัสส่วนหัวของแพ็กเก็ต
• การค้นหาที่อยู่ปลายทางในส่วนหัวของแพ็กเก็ต
• การวิเคราะห์ข้อมูลในฟิลด์อื่นๆ ในแพ็กเก็ต
• ส่งแพ็กเก็ตผ่าน "โครงสร้าง" ที่เชื่อมต่ออินเทอร์เฟซขาเข้าและขาออกเข้าด้วยกัน
• การประมวลผลและการห่อหุ้มข้อมูลลิงก์ที่อินเทอร์เฟซขาออก

เราเตอร์อาจมีโปรเซสเซอร์หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น ในการออกแบบแบบโปรเซสเซอร์เดี่ยว พารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพเหล่านี้ได้รับผลกระทบไม่เพียงแค่จากความเร็วของโปรเซสเซอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแย่งชิงทรัพยากรโปรเซสเซอร์ด้วย เราเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่ามักจะมีองค์ประกอบการประมวลผลหลายตัว ซึ่งอาจเป็นชิปประมวลผลอเนกประสงค์หรือวงจรรวมเฉพาะงาน (ASIC) ก็ได้

ผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพสูงมากจะมีองค์ประกอบการประมวลผลหลายตัวบนการ์ดอินเทอร์เฟซแต่ละตัว ในการออกแบบเช่นนี้ โปรเซสเซอร์หลักจะไม่เกี่ยวข้องกับการส่งต่อข้อมูล แต่จะทำหน้าที่เฉพาะในส่วนควบคุมและประมวลผลการจัดการเท่านั้น

ใน คณะทำงาน ด้านวิศวกรรมอินเทอร์เน็ต (Internet Engineering Task Force ) มีกลุ่มทำงานสองกลุ่มในส่วนงานปฏิบัติการและบำรุงรักษาที่ดูแลด้านประสิทธิภาพ กลุ่มงานการวัดประสิทธิภาพระหว่างผู้ให้บริการ (Interprovider Performance Measurement หรือ IPPM) มุ่งเน้นไปที่การวัดประสิทธิภาพการดำเนินงานของบริการตามชื่อกลุ่ม ส่วนการวัดประสิทธิภาพของเราเตอร์เดี่ยว หรือระบบเราเตอร์ที่กำหนดไว้อย่างแคบนั้น เป็นหน้าที่ของกลุ่มทำงานด้านการเปรียบเทียบมาตรฐาน (Benchmarking Working Group หรือ BMWG)

RFC 2544 เป็นเอกสารหลักของ BMWG ^{[ 7 ]}เกณฑ์มาตรฐาน RFC 2544 แบบคลาสสิกใช้พอร์ตครึ่งหนึ่งของเราเตอร์ (เช่นอุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ (DUT)) สำหรับอินพุตของโหลดที่กำหนด และวัดเวลาที่เอาต์พุตปรากฏที่พอร์ตเอาต์พุต

เดิมที ปลายทางทั้งหมดจะถูกค้นหาใน RIB (Registered Route Table) บางทีขั้นตอนแรกในการเพิ่มความเร็วให้กับเราเตอร์ก็คือการแยก RIB และ FIB ไว้ในหน่วยความจำหลัก โดย FIB ซึ่งโดยทั่วไปจะมีจำนวนรายการน้อยกว่า RIB จะถูกจัดระเบียบเพื่อให้ค้นหาปลายทางได้อย่างรวดเร็ว ในทางตรงกันข้าม RIB ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการอัปเดตอย่างมีประสิทธิภาพโดยโปรโตคอลการกำหนดเส้นทาง

เราเตอร์แบบประมวลผลเดี่ยวในยุคแรกมักจัดระเบียบ FIB ในรูปแบบตารางแฮชในขณะที่ RIB อาจเป็นรายการเชื่อมโยงทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน FIB อาจมีจำนวนรายการน้อยกว่า RIB หรืออาจมีจำนวนรายการเท่ากันก็ได้

เมื่อเราเตอร์เริ่มมีโปรเซสเซอร์ส่งต่อข้อมูลแยกต่างหาก โปรเซสเซอร์เหล่านี้มักจะมีหน่วยความจำน้อยกว่าโปรเซสเซอร์หลักมาก ทำให้โปรเซสเซอร์ส่งต่อข้อมูลสามารถเก็บได้เฉพาะเส้นทางที่ใช้งานบ่อยที่สุดเท่านั้น ตัวอย่างเช่น ใน Cisco AGS+ และ 7000 รุ่นแรกๆ แคชของโปรเซสเซอร์ส่งต่อข้อมูลสามารถเก็บรายการเส้นทางได้ประมาณ 1,000 รายการ ในองค์กรขนาดใหญ่ การทำงานแบบนี้มักจะใช้ได้ดีทีเดียว เพราะมีเซิร์ฟเวอร์หรือซับเน็ตปลายทางยอดนิยมอื่นๆ น้อยกว่า 1,000 ซับเน็ต อย่างไรก็ตาม แคชดังกล่าวมีขนาดเล็กเกินไปสำหรับการกำหนดเส้นทางอินเทอร์เน็ตทั่วไป การออกแบบเราเตอร์ที่แตกต่างกันจะทำงานในลักษณะที่แตกต่างกันเมื่อปลายทางไม่อยู่ในแคช

สภาวะ แคชพลาดอาจส่งผลให้แพ็กเก็ตถูกส่งกลับไปยังโปรเซสเซอร์หลัก เพื่อค้นหาในเส้นทางที่ช้ากว่าซึ่งสามารถเข้าถึงตารางการกำหนดเส้นทางทั้งหมดได้ ขึ้นอยู่กับการออกแบบเราเตอร์ แคชพลาดอาจทำให้เกิดการอัปเดตแคชฮาร์ดแวร์ที่รวดเร็วหรือแคชที่รวดเร็วในหน่วยความจำหลัก ในบางการออกแบบ วิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดคือการทำให้แคชที่รวดเร็วไม่ถูกต้องเมื่อเกิดแคชพลาด ส่งแพ็กเก็ตที่ทำให้เกิดแคชพลาดผ่านโปรเซสเซอร์หลัก แล้วเติมแคชใหม่ด้วยตารางใหม่ที่รวมปลายทางที่ทำให้เกิดแคชพลาด วิธีการนี้คล้ายกับระบบปฏิบัติการที่มีหน่วยความจำเสมือนซึ่งเก็บข้อมูลที่ใช้ล่าสุดไว้ในหน่วยความจำทางกายภาพ

เมื่อต้นทุนด้านหน่วยความจำลดลงและความต้องการด้านประสิทธิภาพสูงขึ้น จึงเกิด FIB ขึ้นมา ซึ่งมีจำนวนรายการเส้นทางเท่ากับใน RIB แต่จัดเรียงไว้สำหรับการค้นหาอย่างรวดเร็วแทนที่จะเป็นการอัปเดตอย่างรวดเร็ว เมื่อใดก็ตามที่รายการใน RIB เปลี่ยนแปลง เราเตอร์ก็จะเปลี่ยนแปลงรายการ FIB ที่เกี่ยวข้องด้วย

FIB ประสิทธิภาพสูงบรรลุความเร็วได้ด้วยการผสมผสานอัลกอริธึมและฮาร์ดแวร์เฉพาะทางที่ออกแบบมาให้เหมาะสมกับการใช้งานแต่ละประเภท

มีการใช้ อัลกอริธึมการค้นหาหลายแบบสำหรับการค้นหาแบบ FIB (First-In, First-Out) แม้ว่าโครงสร้างข้อมูลทั่วไปที่เป็นที่รู้จักกันดี เช่นตารางแฮช จะถูกนำมาใช้ก่อน แต่ ต่อมาก็มีอัลกอริธึมเฉพาะทางที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับที่อยู่ IP เกิดขึ้น ซึ่งได้แก่:

• ต้นไม้ไบนารี
• ต้นไม้ราก
• สี่ทาง
• ต้นไม้แพทริเซีย^{[ 8 ]}

สถาปัตยกรรม CPU แบบมัลติคอร์มักใช้ในการสร้างระบบเครือข่ายประสิทธิภาพสูง แพลตฟอร์มเหล่านี้อำนวยความสะดวกในการใช้สถาปัตยกรรมซอฟต์แวร์ซึ่งการประมวลผลแพ็กเก็ตประสิทธิภาพสูงจะดำเนินการภายใน สภาพแวดล้อม เส้นทางที่รวดเร็วบนคอร์เฉพาะ เพื่อเพิ่มปริมาณงานของระบบให้สูงสุด รูปแบบการทำงานจนเสร็จสมบูรณ์จะช่วยลดโอเวอร์เฮดและเวลาแฝงของระบบปฏิบัติการ^{[ 9 ]}

มีการใช้ RAM ความเร็วสูงหลายรูปแบบ และในที่สุดก็ มีการใช้ หน่วยความจำที่สามารถระบุเนื้อหาได้ (CAM) พื้นฐานเพื่อเร่งความเร็วในการค้นหา CAM แม้ว่าจะมีประโยชน์ในสวิตช์เลเยอร์ 2 ที่ต้องการค้นหาที่อยู่ MAC ที่ มีความยาวคงที่จำนวนค่อนข้างน้อย แต่ก็มีประโยชน์จำกัดกับที่อยู่ IP ที่มีคำนำหน้าการกำหนดเส้นทางที่มีความยาวแปรผัน (ดูการกำหนดเส้นทางระหว่างโดเมนแบบไม่มีคลาส ) CAM แบบไตรภาค (CAM) แม้ว่าจะมีราคาแพง แต่ก็เหมาะสำหรับการค้นหาคำนำหน้าที่มีความยาวแปรผัน^{[ 10 ]}

หนึ่งในความท้าทายของการออกแบบการค้นหาแบบส่งต่อคือการลดปริมาณหน่วยความจำเฉพาะที่จำเป็นให้น้อยที่สุด และยิ่งไปกว่านั้นคือการลดพลังงานที่ใช้โดยหน่วยความจำให้น้อยที่สุด^{[ 11 ]}

ขั้นตอนต่อไปในการเพิ่มความเร็วของเราเตอร์คือการมีโปรเซสเซอร์ส่งต่อข้อมูลเฉพาะที่แยกต่างหากจากโปรเซสเซอร์หลัก ถึงแม้จะมีเส้นทางเดียว แต่การส่งต่อข้อมูลก็ไม่จำเป็นต้องแข่งขันกับการควบคุมในโปรเซสเซอร์ตัวเดียวอีกต่อไป โปรเซสเซอร์เราเตอร์ความเร็วสูงมักจะมี FIB ขนาดเล็ก พร้อมด้วยหน่วยความจำฮาร์ดแวร์ (เช่นหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มคงที่ (SRAM)) ที่เร็วกว่าและมีราคาแพงกว่า FIB ในหน่วยความจำหลัก ซึ่งโดยทั่วไปแล้วหน่วยความจำหลักจะเป็นหน่วยความจำเข้าถึงแบบสุ่มไดนามิก (DRAM)

ต่อมาเราเตอร์เริ่มมีองค์ประกอบการส่งต่อหลายตัวที่สื่อสารผ่านบัสร่วม ความเร็วสูง ^{[ 12 ]}หรือผ่าน หน่วยความ จำร่วม^{[ 13 ]} Cisco ใช้บัสร่วมจนกระทั่งถึงจุดอิ่มตัว ในขณะที่ Juniper นิยมใช้หน่วยความจำร่วม^{[ 14 ]}

องค์ประกอบการส่งต่อแต่ละรายการมี FIB ของตัวเอง ดูตัวอย่างเช่น Versatile Interface Processor บน Cisco 7500 ^{[ 15 ]}

ในที่สุด ทรัพยากรที่ใช้ร่วมกันก็กลายเป็นคอขวด โดยความเร็วสูงสุดของบัสที่ใช้ร่วมกันนั้นอยู่ที่ประมาณ 2 ล้านแพ็กเก็ตต่อวินาที (Mpps) โครงข่ายครอสบาร์ได้เข้ามาช่วยแก้ปัญหาคอขวดนี้ได้

เมื่อแบนด์วิดท์ในการส่งต่อเพิ่มขึ้น แม้ว่าจะกำจัดค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมจากการพลาดแคชแล้วก็ตาม เส้นทางที่ใช้ร่วมกันก็ยังจำกัดปริมาณงานอยู่ดี ถึงแม้เราเตอร์จะมีเอ็นจิ้นการส่งต่อถึง 16 ตัว แต่ถ้ามีบัสเพียงตัวเดียว ก็จะสามารถส่งแพ็กเก็ตได้ครั้งละหนึ่งแพ็กเก็ตเท่านั้น มีบางกรณีพิเศษที่เอ็นจิ้นการส่งต่ออาจพบว่าอินเทอร์เฟซเอาต์พุตเป็นหนึ่งในอินเทอร์เฟซเชิงตรรกะหรือทางกายภาพที่มีอยู่บนการ์ดส่งต่อ ทำให้การไหลของแพ็กเก็ตเกิดขึ้นภายในตัวส่งต่อทั้งหมด อย่างไรก็ตาม แม้ในกรณีพิเศษนี้ การส่งแพ็กเก็ตออกไปทางบัสและรับกลับจากบัสก็มักจะง่ายกว่า

แม้ว่าบางแบบจะทดลองใช้บัสร่วมหลายตัว แต่แนวทางสุดท้ายคือการปรับใช้โมเดลสวิตช์แบบครอสบาร์ จากสวิตช์โทรศัพท์ ซึ่งแต่ละเอนจินส่งต่อจะมีเส้นทางฮาร์ดแวร์ไปยังเอนจินส่งต่ออื่นๆ ทุกตัว ด้วยจำนวนเอนจินส่งต่อที่ไม่มาก โครงข่ายส่งต่อแบบครอสบาร์จึงใช้งานได้จริงและมีประสิทธิภาพสำหรับการ กำหนด เส้นทางที่มีประสิทธิภาพสูง นอกจากนี้ยังมีดีไซน์แบบหลายขั้นตอนสำหรับระบบครอสบาร์ เช่นเครือข่าย Clos

• ระนาบควบคุม
• แผนการจัดการ
• ตัวประมวลผลเครือข่าย
• เครื่องมือค้นหาเครือข่าย