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路由器原理及常用的路由协议路由算法.doc
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1、路由器原理及常用的路由协议、路由算法 近十年来,随着计算机网络规模的不断扩大,大型互联网络(如Internet)的迅猛发展,路由技术在网络技术中已逐渐成为关键部分,路由器也随之成为最重要的网络设备。用户的需求推动着路由技术的发展和路由器的普及,人们已经不满足于仅在本地网络上共享信息,而希望最大限度地运用全球各个地区、各种类型的网络资源。而在目前的情况下,任何一个有一定规模的计算机网络(如公司网、校园网、智能大厦等),无论采用的是快速以大网技术、FDDI技术,还是ATM技术,都离不开路由器,否则就无法正常运作和管理。 1 网络互连 把自己的网络同其它的网络互连起来,从网络中获取更多的信息和向网络
2、发布自己的消息,是网络互连的最重要的动力。网络的互连有多种方式,其中使用最多的是网桥互连和路由器互连。 1.1 网桥互连的网络 网桥工作在OSI模型中的第二层,即链路层。完毕数据帧(frame)的转发,重要目的是在连接的网络间提供透明的通信。网桥的转发是依据数据帧中的源地址和目的地址来判断一个帧是否应转发和转发到哪个端口。帧中的地址称为“MAC”地址或“硬件”地址,一般就是网卡所带的地址。 网桥的作用是把两个或多个网络互连起来,提供透明的通信。网络上的设备看不到网桥的存在,设备之间的通信就如同在一个网上同样方便。由于网桥是在数据帧上进行转发的,因此只能连接相同或相似的网络(相同或相似结构的数据
3、帧),如以太网之间、以太网与令牌环(token ring)之间的互连,对于不同类型的网络(数据帧结构不同),如以太网与X.25之间,网桥就无能为力了。 网桥扩大了网络的规模,提高了网络的性能,给网络应用带来了方便,在以前的网络中,网桥的应用较为广泛。但网桥互连也带来了不少问题:一个是广播风暴,网桥不阻挡网络中广播消息,当网络的规模较大时(几个网桥,多个以太网段),有也许引起广播风暴(broadcasting storm),导致整个网络全被广播信息充满,直至完全瘫痪。第二个问题是,当与外部网络互连时,网桥会把内部和外部网络合二为一,成为一个网,双方都自动向对方完全开放自己的网络资源。这种互连方式
4、在与外部网络互连时显然是难以接受的。问题的重要根源是网桥只是最大限度地把网络沟通,而不管传送的信息是什么。 1.2 路由器互连网络 路由器互连与网络的协议有关,我们讨论限于TCPIP网络的情况。 路由器工作在OSI模型中的第三层,即网络层。路由器运用网络层定义的“逻辑”上的网络地址(即IP地址)来区别不同的网络,实现网络的互连和隔离,保持各个网络的独立性。路由器不转发广播消息,而把广播消息限制在各自的网络内部。发送到其他网络的数据茵先被送到路由器,再由路由器转发出去。 IP路由器只转发IP分组,把其余的部分挡在网内(涉及广播),从而保持各个网络具有相对的独立性,这样可以组成具有许多网络(子网)
5、互连的大型的网络。由于是在网络层的互连,路由器可方便地连接不同类型的网络,只要网络层运营的是IP协议,通过路由器就可互连起来。 网络中的设备用它们的网络地址(TCPIP网络中为IP地址)互相通信。IP地址是与硬件地址无关的“逻辑”地址。路由器只根据IP地址来转发数据。IP地址的结构有两部分,一部分定义网络号,另一部分定义网络内的主机号。目前,在Internet网络中采用子网掩码来拟定IP地址中网络地址和主机地址。子网掩码与IP地址同样也是32bit,并且两者是一一相应的,并规定,子网掩码中数字为“1”所相应的IP地址中的部分为网络号,为“0”所相应的则为主机号。网络号和主机号合起来,才构成一个
6、完整的IP地址。同一个网络中的主机IP地址,其网络号必须是相同的,这个网络称为IP子网。 通信只能在具有相同网络号的IP地址之间进行,要与其它IP子网的主机进行通信,则必须通过同一网络上的某个路由器或网关(gateway)出去。不同网络号的IP地址不能直接通信,即使它们接在一起,也不能通信。 路由器有多个端口,用于连接多个IP子网。每个端口的IP地址的网络号规定与所连接的IP子网的网络号相同。不同的端口为不同的网络号,相应不同的IP子网,这样才干使各子网中的主机通过自己子网的IP地址把规定出去的IP分组送到路由器上。1.3.1、路由与桥接 路由相对于 2 层的桥接 / 互换是高层的概念,不涉及
7、网络的物理细节。在可路由的网络中,每台主机都有同样的网络层地址格式(如 IP 地址),而无论它是运营在以太网、令牌环、 FDDI 还是广域网。网络层地址通常由两部分构成:网络地址和主机地址。 网桥只能连接数据链路层相同(或类似)的网络,路由器则不同,它可以连接任意两种网络,只要主机使用的是相同的网络层协议。1.3.2路由器连接网络层与数据链路层 网络层下面是数据链路层,为了它们可以互通,需要“粘合”协议。 ARP (地址解析协议)用于把网络层 (3 层 ) 地址映射到数据链路层 (2 层 ) 地址, RARP( 反向地址解析协议 ) 则反之。 虽然 ARP 的定义与网络层协议无关,但它通常用于
8、解析 IP 地址;最常见的数据链路层是以太网。因此下面的 ARP 和 RARP 的例子基于 IP 和以太网,但要注意这些概念对其他协议也是同样的。 1 、地址解析协议 网络层地址是由网络管理员定义的抽象映射,它不去关心下层是哪种数据链路层协议。然而,网络接口只能根据 2 层地址来互相通信, 2 层地址通过 ARP 从 3 层地址得到。 并不是发送每个数据包都需要进行 ARP 请求,回应被缓存在本地的 ARP 表中,这样就减少了网络中的 ARP 包。 ARP 的维护比较容易,是一个比较简朴的协议。 2 、简介 假如接口 A 想给接口 B 发送数据,并且 A 只知道 B 的 IP 地址,它必须一方
9、面查找 B 的物理地址,它发送一个具有 B 的 IP 地址的 ARP 广播请求 B 的物理地址,接口 B 收到该广播后,向 A 回应其物理地址。 注意,虽然所有接口都收到了信息,但只有 B 回应当请求,这保证了回应的对的且避免了过期的信息。要注意的是,当 A 和 B 不在同一网段时, A 只向下一跳的路由器发送 ARP 请求,而不是直接向 B 发送。 下图为接受到 ARP 分组后的解决,注意发送者的 对被存到接受 ARP 请求的主机的本地 ARP 表中,一般 A 想与 B 通信时, B 也许也需要与 A 通信。 2 路由原理 2.1 IP 地址 在可路由的网络层协议中,协议地址必须具有两部分信
10、息:网络地址和主机地址。存贮这种信息最明显的方法是用两个分离的域,这样我们必须考虑到两个域的最大长度,有些协议 ( 如 IPX) 就是这样的,它在小型和中型的网络里可以工作的很好。 另一种方案是减少主机地址域的长度,如 24 位网络地址、 8 位主机地址,这样就有了较多的网段,但每个网段内的主机数目很少。这样一来,对于多于 256 个主机的网络,就必须分派多个网段,其问题是很多的网络给路由器导致了难以忍受的承担。 IP 把网络地址和主机地址一起包装在一个 32 位的域里,有时主机地址部分很短,有时很长,这样可以有效运用地址空间,减少 IP 地址的长度,并且网络数目不算多。有两种将主机地址分离出
11、来的方法:基于类的地址和无类别的地址。 1 、主机和网关 主机和网关的区别常产生混淆,这是由于主机意义的转变。在 RFC 中 (1122/3 和 1009) 中定义为: 主机是连接到一个或多个网络的设备,它可以向任何一个网络发送和从其接受数据,但它从不把数据从一个网络传向另一个。 网关是连接到多于一个网络的设备,它选择性的把数据从一个网络转发到其它网络。 换句话说,过去主机和网关的概念被人工地区分开来,那时计算机没有足够的能力同时用作主机和网关。主机是用户工作的计算机,或是文献服务器等。现代的计算机的能力足以同时担当这两种角色,因此,现代的主机定义应当如此: 主机是连接到一个或多个网络的设备,
12、它可以向任何一个网络发送和从其接受数据。它也可以作为网关,但这不是其唯一的目的。 路由器是专用的网关,其硬件通过特殊的设计使其能以极小的延迟转发大量的数据。然而,网关也可以是有多个网卡的标准的计算机,其操作系统的网络层有能力转发数据。由于专用的路由硬件较便宜,计算机用作网关已经很少见了,在只有一个拨号连接的小站点里,还也许使用计算机作为非专用的网关。 2 、基于类的地址 最初设计 IP 时,地址根据第一个字节被提成几类: 0: 保存 1-126: A 类 ( 网络地址 :1 字节,主机地址 :3 字节 ) 127: 保存 128-191: B 类 ( 网络地址 :2 字节,主机地址 :2 字节
13、 ) 192-223: C 类 ( 网络地址 :3 字节,主机地址 :1 字节 ) 224-255: 保存 3 、子网划分 虽然基于类的地址系统对因特网服务提供商来说工作得很好,但它不能在一个网络内部做任何路由,其目的是使用第二层 ( 桥接 / 互换 ) 来导引网络中的数据。在大型的 A 类网络中,这就成了个特殊的问题,由于在大型网络中仅使用桥接 / 互换使其非常难以管理。在逻辑上其解决办法是把大网络分割成若干小的网络,但在基于类的地址系统中这是不也许的。为了解决这个问题,出现了一个新的域:子网掩码。子网掩码指出地址中哪些部分是网络地址,哪些是主机地址。在子网掩码中,二进制 1 表达网络地址位
14、,二进制 0 表达主机地址位。传统的各类地址的子网掩码为: A 类: 255.0.0.0 B 类: 255.255.0.0 C 类: 255.255.255.0 假如想把一个 B 类网络的地址用作 C 类大小的地址,可以使用掩码 255.255.255.0 。 用较长的子网掩码把一个网络提成多个网络就叫做划分子网。要注意的是,一些旧软件不支持子网,由于它们不理解子网掩码。例如 UNIX 的 routed 路由守护进程通常使用的路由协议是版本 1 的 RIP ,它是在子网掩码出现前设计的。 上面只介绍了三种子网掩码: 255.0.0.0 、 255.255.0.0 和 255.255.255.0
15、 ,它们是字节对齐的子网掩码。但是也可以在字节中间对其进行划分,这里不进行具体讲解,请参照相关的 TCP/IP 书籍。 子网使我们可以拥有新的规模的网络,涉及很小的用于点到点连接的网络(如掩码 255.255.255.252 , 30 位的网络地址, 2 位的主机地址:两个主机的子网),或中型网络(如掩码 255.255.240.0 , 20 位网络地址, 12 位主机地址: 4094 个主机的子网)。 注意 DNS 被设计为只允许字节对齐的 IP 网络 ( 在 in-addr.arpa. 域中 ) 。 4 、超网 (supernetting) 超网是与子网类似的概念 -IP 地址根据子网掩码
16、被分为独立的网络地址和主机地址。但是,与子网把大网络提成若干小网络相反,它是把一些小网络组合成一个大网络 - 超网。 假设现在有 16 个 C 类网络,从 201.66.32.0 到 201.66.47.0 ,它们可以用子网掩码 255.255.240.0 统一表达为网络 201.66.32.0 。但是,并不是任意的地址组都可以这样做,例如 16 个 C 类网络 201.66.71.0 到 201.66.86.0 就不能形成一个统一的网络。但是这其实没关系,只要策略得当,总能找到合适的一组地址的。 5 、可变长子网掩码 (VLSM) 假如你想把你的网络提成多个不同大小的子网,可以使用可变长子网
17、掩码,每个子网可以使用不同长度的子网掩码。例如:假如你按部门划分网络,一些网络的掩码可认为 255.255.255.0( 多数部门 ) ,其它的可为 255.255.252.0( 较大的部门 ) 。 6 、无类别地址 (CIDR) 因特网上的主机数量增长超过了原先的设想,虽然还远没达成 232 ,但地址已经出现匮乏。 1993 年发表的 RFC1519- 无类别域间路由 CIDR(Classless Inter-Domain Routing)- 是一个尝试解决此问题的方法。 CIDR 试图延长 IPv4 的寿命,与 128 位地址的 IPv6 不同,它并不能最终解决地址空间的耗尽,但 IPv6
18、 的实现是个庞大的任务,因特网目前还没有做好准备。 CIDR 给了我们缓冲的准备时间。 基于类的地址系统工作的不错,它在有效的地址使用和少量的网络数目间做出了较好的折衷。但是随着因特网意想不到的成长出现了两个重要的问题: 已分派的网络数目的增长使路由表大得难以管理,相称限度上减少了路由器的解决速度。 僵化的地址分派方案使很多地址被浪费,特别是 B 类地址十分匮乏。 为了解决第二个问题,可以分派多个较小的网络,例如,用多个 C 类网络而不是一个 B 类网络。虽然这样可以很有效地分派地址,但是更加剧了路由表的膨胀(第一个问题)。 在 CIDR 中,地址根据网络拓扑来分派。连续的一组网络地址可以被分
19、派给一个服务提供商,使整组地址作为一个网络地址(很也许使用超网技术)。例如:一个服务提供商被分派以 256 个 C 类地址,从 213.79.0.0 到 213.79.255.0 ,服务提供商给每个用户分派一个 C 类地址,但服务提供商外部的路由表只通过一个表项 - 掩码为 255.255.0.0 的网络 213.79.0.0- 来分辨这些路由。 这种方法明显减少了路由表的增长, CIDR RFC 的作者估计,假如 90% 的服务提供商使用了 CIDR ,路由表将以每 3 年 54% 的速度增长,而假如没有使用 CIDR ,则增长速度为 776% 。假如可以重新组织现有的地址,则因特网骨干上的
20、路由器广播的路由数量将大大减少。但这实际是不可行的,由于将带来巨大的管理承担。2.2、路由表 假如一个主机有多个网络接口,当向一个特定的IP地址发送分组时,它如何决定使用哪个接口呢?答案就在路由表中。来看下面的例子: 目的 子网掩码 网关 标志 接口 201.66.37.0 255.255.255.0 201.66.37.74 U eth0 201.66.39.0 255.255.255.0 201.66.39.21 U eth1 主机将所有目的地为网络201.66.37.0内主机(201.66.37.1-201.66.37.254)的数据通过接口eth0(IP地址为201.66.37.74)
21、发送,所有目的地为网络201.66.39.0内主机的数据通过接口eth1(IP地址为201.66.39.21)发送。标志U表达该路由状态为“up”(即激活状态)。对于直接连接的网络,一些软件并不象上例中同样给出接口的IP地址,而只列出接口。 此例只涉及了直接连接的主机,那么目的主机在远程网络中如何呢?假如你通过IP地址为201.66.37.254的网关连接到网络73.0.0.0,那么你可以在路由表中增长这样一项: 目的 掩码 网关 标志 接口 73.0.0.0 255.0.0.0 201.66.37.254 UG eth0 此项告诉主机所有目的地为网络73.0.0.0内主机的分组通过201.6
22、6.37.254路由过去。标志G(gateway)表达此项把分组导向外部网关。类似的,也可以定义通过网关到达特定主机的路由,增长标志H(host): 目的 掩码 网关 标志 接口 91.32.74.21 255.255.255.255 201.66.37.254 UGH eth0 下面是路由表的基础,除了特殊表项之外: 目的 掩码 网关 标志 接口 127.0.0.1 255.255.255.255 127.0.0.1 UH lo0 default 0.0.0.0 201.66.37.254 UG eth1 第一项是loopback接口,用于主机给自己发送数据,通常用于测试和运营于IP之上但需
23、要本地通信的应用。这是到特定地址127.0.0.1的主机路由(接口lo0是IP协议栈内部的“假”网卡)。第二项十分故意思,为了防止在主机上定义到因特网上每一个也许到达网络的路由,可以定义一个缺省路由,假如在路由表中没有与目的地址相匹配的项,该分组就被送到缺省网关。多数主机简朴地通过一个网卡连接到网络,因此只有通过一个路由器到其它网络,这样在路由表中只有三项:loopback项、本地子网项和缺省项(指向路由器)。 2、重叠路由 假设在路由表中有下列重叠项: 目的 掩码 网关 标志 接口 1.2.3.4 255.255.255.255 201.66.37.253 UGH eth0 1.2.3.0
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