Part 2IP路由器基本原理(6学时)

1、天津工业大学 电子与信息工程学院IP路由器原理与技术Part 2 IP路由器基本原理天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由器工作在网络层，实现不同网络之间的连接，是Internet的枢纽。天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU 学习完本单元，你应该：掌握路由器的概念与功能掌握路由器的基本工作原理掌握静态与动态路由算法天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 L

2、TD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU第1节 路由器的概念与功能第2节 路由器的基本工作原理第3节 静态路由第4节 动态路由算法天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由的概念PC2：198.168.1.1/24PC1：125.168.1.1/16重点 路由是指导报文发送的路径信息路由：路标，指示出一条源地址与目的地址之间的路径。 路由的过程是报文中继转发的过程Hop by Hop：路由器不知道完整转发路径，只

3、知道到达目的地的最近的下一跳如何走天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU重点路由器的三大功能 网络连接 分割子网 路径选择HUAWEI 学 电子与信息工CO.,IP路由ConfidentialTJPU网络连接应用层传输层IP层子网层天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.应用层传输层IP层子网层应用层协议传输层协议IP协议路由器屏蔽下层细节HUAWEI器原理与技术IP协议天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAW

4、EI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU网络连接 由于路由器工作在网络层（IP层），信息在传递过程中可能要经过多个路由器的逐级转发。例如，主机A和主机B位于两个不同的网络中，如果它们之间要通信则必须通过一系列的路由器把其所在的网络连接起来，二者在通信中传送的信息也必须经过各个路由器的转发。 对传输层和应用层来说，下层的细节对它们来说是透明的，所看到的只是一条端到端的连接，就好象A和B直接相连一样。天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU192.11.1.0192.1

5、1.2.0192.11.3.0网络连接 路由器总是有多个LAN和WAN端口，每个端口所联的网段是一个独立的网络或子网号。192.11.4.0WAN192.11.5.0掩码：255.255.255.0天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU分割子网 分割网络路由器所连网络的广播包被隔离在本网段之内，起到了防火墙作用。HUAWEI 学 电子与信息工CO.,IP路由Confidential路径选择和数据转发 寻径的依据是经过每个路由器中的路由表。 路由表指明了从源站点到目的站点的一条路径

6、。 路由器按照路由表对数据包进行查询转发。RTCRTDHUAWEI器原理与技术RTERTA（N,RTB）（N,RTC）（N,RTD）（N,RTE）RTBPC天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.网络NServerTJPU天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由器三大功能侧重点 对于不同规模的网络，路由器作用的侧重点有所不同：在主干网上，路由器的主要作用是路径选择在地区网中，路由器的主要作用是网络连接和路径选择在园区网内部，路由器的主要作用是分隔子网天津工业大 TE

7、CHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU第1节 路由器的概念与功能第2节 路由器的基本工作原理（*）第3节 静态路由第4节 动态路由算法与路由协议综述天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI器原理与技术TJPU重点IP包转发的物理过程在此通信过程中，数据包的IP地址始终不变，而物理地址在不同子网中有不同的值。天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由器A 路由

8、器BIP寻径 IP数据报 IP寻径逻辑网IP层去帧头帧传输和直接寻径数据链路层 加帧头物理层IP包转发的物理过程HUAWEI 学 电子与信息工CO.,IP路由Confidential表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层TJPUIP包转发的物理过程应用层ABCDERouter A网络层数据链路层物理层Router B网络层数据链路层物理层Router C网络层数据链路层物理层天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPUIP包转发的物理过程举例 举例：A、B、C、D四个网络通过路由器连

9、接在一起，现假设网络A中一个用户A1要向C网络中的C3用户发送一个请求信号，信号传输过程如何？路由器又是如何发挥其路由、数据转发的作用的？天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPUIP包转发的物理过程举例 用户A1判断出目的用户C3不在同一网段，则将数据包发送给网关A5。若不知道网关MAC地址，则广播ARP查询查找出网关的MAC地址。 路由器A5端口收到用户A1的数据帧后，进行帧校验、解帧。然后，从IP报头中取出目的用户C3的IP地址，并根据路由表计算出发往用户C3的最佳路径。从分析

10、得知到C3的网络ID号与路由器的C5网络ID号相同，所以由路由器的A5端口直接发向路由器的C5端口应是信号传递的最佳途径。 路由器的C5端口根据目的用户C3的IP地址查询MAC地址表，经交换机发送至C3，一个完整的数据通信转发过程也完成了。若MAC表中没有C3的MAC地址，则路由器广播出ARP查询，查找到C3的MAC地址，并记录到MAC表中。 对于更复杂的网络，路由器的C5端口会将数据报转发给下一个路由器的端口，如此逐个转发，最终到达目的主机所在的网络。天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由Confidenti

11、alTJPU重点路由表 路由器须维护一个路由表，并通过查询路由表来决定向哪个方向转发数据路由表反映网络的拓扑结构，一条表项应该包含数据报的必须会写一个给定网络拓扑结构中的各路由器的路由表！考试重点！天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU172.172. 16.16. 1.1. 0 0255.255. 255.255. 255.255. 0 010.10. 120.120. 2.2. 0 0255.255. 255.255. 255.255. 0 0E0E0路由器R1的路由表来源直

12、连学习获得目的网络10.120.2.0172.16.1.0子网掩码255.255.255.0255.255.255.0下一跳地址192.168.0.5转发接口E0S0192.192. 168.168. 0.0. 5 5R1S0S0重点路由表天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由表 注意：路由表中的目的IP地址一般是目的主机所在网络的网络地址无论采用主机地址还是网络地址，数据最后都要被传到连接目的子网的路由器上若为每台主机都建立路由表项，那么路由表的规模一定大的不可想象，路由器

13、也会因此而崩溃 但不意味着不允许在路由表中使用主机地址，即主机路由 实际上主机路由的优先级最高，即在搜索路由表时先查找主机路由 默认网关：在路由表中没有找到匹配的路由时，就会把数据送到“默认网关”上去天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPUIP路由基本规则 IP包的“转发”开始于主机，主机需要确定发出该包的最佳方式，然后将该包发往下一跳目的主机和源主机位于同一个子网上时：IP包可以直接发送给目的端站，而只需涉及ARP或者查找地址映射表不在同一个子网上时：它必须将该包发给主机的IP配

14、置的“默认网关”，由它再做进一步的转发 路由器应该有多个网络接口，每个接口都连接在一个LAN或者WAN子网上 每个路由器接口都必须配置一个唯一的IP地址，每个地址都具有自己唯一的前缀，即“前导位”每个端口的IP地址的网络号要求与所连接IP子网的网络号相同。天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPUIP路由基本规则 当路由器收到一份IP数据报后，判断该报文：若数据报无效或错误的（如TTL字段超过了规定的数值），路由器会把报文丢弃；否则路由器会根据数据报的目的IP地址转发该报文 转发前，

15、需再判断该报文：若它的目的IP地址在与路由器直接相连的一个子网上，路由器会通过相应的接口把报文转发到目的子网上去；否则会把它转发到下一跳路由器 数据报的目的地址与下一跳路由器之间的对应关系和网络的拓扑结构有关 路由器总是认为下一跳更接近数据报的目的地。天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU练习 写出下面网络拓扑中各个路由器的路由表，表项包括：目的IP地址、下一跳IP地址、出接口、跳数天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAW

16、EI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU基于路由表的路由器两大操作 路由器要实现数据转发的功能，至少需要完成两方面的工作：路径选择（path determination）：根据数据包的目的地和网络的拓扑结构选择一条最佳路径，把对应不同目的地的最佳路径存放在路由表中建立路由表数据转发（data switching）：搜索路由表，决定向哪个端口转发数据，并执行相应的操作查找路由表天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由表的查找 路由器按以下规则搜索，一旦查到匹配的表

17、项，路由器就会把数据从相应的接口发送出去首先搜索匹配的主机地址如果没有，再搜索匹配的网络地址（可能需要子网掩码）最后搜索默认路由 在具体查找时，可以使用不同的路由查询算法，例如Hash算法、Radix树算法等，算法的好坏直接影响查表的效率路由查询算法第三章将具体讲解天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由表的建立：接口直连网段路由 链路层协议发现的路由开销小，配置简单，无需人工维护只能发现本接口所属网段的路由或协商到的对端的路由天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD

18、.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由表的建立：手工添加静态路由 手工配置静态路由几乎无开销，配置简单需管理员人工维护，适合简单拓朴结构的网络天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由表的建立：动态路由学习 动态路由协议发现的路由 开销大，配置复杂，无需人工维护，适合复杂拓朴结构的网络 路由算法动态计算生成路由表的方法。天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,H

19、UAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU第1节 路由器的概念与功能第2节 路由器的基本工作原理第3节 静 态 路 由第4节 动态路由算法天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU 在小型网络中适宜设置静态路由。使用静态路由可有效保障网络安全、节约带宽。 静态路由必须在参与通信的两端路由器上进行双向配置。172.16.2.1172.16.2.2NetworkAB B静态路由Stub Network172.16.1.0SO天津工业大 TECHNOLOGIES程学院

20、LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPUip route 172.16.1.0 255.255.255.0 172.16.2.1172.16.2.1静态路由Stub Network172.16.1.0SO172.16.2.2NetworkAB B 这是一条单方向的路径，必须配置一条相反的路径。华为：ip route 172.16.1.024172.16.2.1CISCO:天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPUi

21、p route 0.0.0.0 0.0.0.0 172.16.2.2 使用缺省路由，Stub Network可到达路由器A以外的网络。0.0.0.0 0.0.0.0 代表任何网络 默认路由最后起作用，即仅当路由表中没有明确的匹配项时才使用默认路由 如报文的目的地不在路由表中且路由中没有缺省路由，那么该报文被丢弃的同时，返回源端一个ICMP报文指明该目的地址或网络不可达。172.16.2.1缺省路由Stub Network172.16.1.0SO172.16.2.2NetworkAB B天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与

22、技术IP路由ConfidentialTJPU路由器A路由器C路由器B路由器D子网8.子网192.168.125.子网182.16.子网192.168.126.路由器目标下一跳AABBCCC182.16.0.0192.168.0.08.0.0.0192.168.0.08.0.0.0182.16.0.0192.168.126.0BCACABD路由器AABBCC目标182.16.0.0192.168.0.08.0.0.0192.168.0.08.0.0.0182.16.0.0下一跳BC（失败）ACA（失败）B静态路由的不足天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信

23、息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU静态路由的不足 静态路由只适用于到某目标只有单个路径的小网络。在这种情况下，静态路由选择可能是最有效的路由选择机制 随着网络的逐渐增大，到某目标增加了冗余路径，静态路由选择就出现了高强度劳动量的倾向。 由于广域网具有更复杂的拓扑特征，广域网的静态路由选择复杂、强度大 即使在大型或复杂的网络中，有时配置静态路由可以增强系统的安全性 静态路由可能是连接具有Stub网络的小本地网到WAN网的最好方式天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由Con

24、fidentialTJPU第1节 路由器的概念与功能第2节 路由器的基本工作原理第3节 静态路由第4节 动态路由算法天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU动态路由算法 何谓动态能适应网络动态变化智能、自动、准确计算出新的路由 如何做到每台路由器将自己已知的路由相关信息发给相邻的路由器传送的过程中保证信息正确可靠的传输由于大家都这样做，最终每台路由器都会收到网络中所有的路由信息运行特定算法，计算出最终的路由来天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子

25、与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU动态路由算法的性能指标 最优性能够正确找到最优的路由，且无自环 简单性协议自身的开销（内存，CPU，网络带宽）最小 快速收敛性当网络的拓扑结构发生变化之后，能够迅速在自治系统中作相应的路由改变 强壮性稳定运行 灵活性适应各种拓扑结构和规模；对新需求的可扩展性好天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU重点距离向量算法（D-V） D-V算法概述D：Distance，到目的地的距离V：Vector，到目的地的

26、方向（下一跳等信息）所有的路由器与邻居交换自己所知的最佳路由信息，然后相互学习并定期通告HUAWEI 学 电子与信息工CO.,IP路由ConfidentialTJPUCD距离向量算法（D-V）BADRoutingTable天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.CRoutingTableHUAWEI器原理与技术BRoutingTableARoutingTableDistanceHow farVectorIn which direction天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由Confidential

27、TJPU 路由表的更新过程将通过路由器之间一步一步来完成AB更新路由表更新路由表网络结构的改变将导致路由表的更新在下一个周期后路由器A发送更新过的路由表距离向量算法天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU距离向量算法的特点 距离矢量路由协议在相邻路由器之间进行路由信息的传递，路由器周期性地把自己的路由表传送给邻居路由器。距离矢量协议路由器直接传递各自的路由表信息，路由器从邻居得到路由信息后更新自己的路由表，并把自己更新后的路由表传给邻居，这样一级一级的传递下去达到整个网络的同步。

28、每个路由器都不知道整个网络的拓补结构，只知道与自己直接相连的网络情况，并根据从邻居得到的路由信息来更新自己的路由表，然后周期性地发给自己的邻居。 类似于十字路口的路标指示牌告诉行车者到达目标走哪个方向、还有多远 实现和管理都比较简单 收敛速度比较慢，周期更新报文数据量大，消耗较多的带宽 为避免路由环路必须进行各种特殊处理天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU重点链路状态算法（L-S） L-S算法概述L-S：Link-State不直接发布路由信息，交换的是描述网络的链路状态每个路由

29、器生成LSA（链路状态通告）描述自己连接的部分网络状况并扩散，同时收集其它扩散过来的LSA所有路由器得到一致的整个网络的完整描述，以此信息依靠SPF算法独立计算出路由天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU路由表ACDLSP数据包拓补结构数据SPF运算最佳路由信息 传递最佳的路径信息给其它的路由器链路状态算法（L-S）B天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU链路状态算

30、法的特点 链路状态路由选择算法也称为最短路径优先算法，每个路由器中都维护了整个网络完整的拓补结构信息。 链路状态路由协议使用LSA（触发更新）、拓补结构数据库、SPF算法、结果SPF树生成自己的路由选择表。 每个路由器都需要了解其相邻路由器的名字、到达该邻居的链路代价，并生成LSA数据包，发送给网络上所有的路由器；路由器在收到LSA数据包后存入自己的数据库，然后利用积累的LSA数据包来建立整个网络的结构，运行SPF算法来生成路由表。 运行链路状态协议需要更多的内存、更强大的处理器，在网络初起过程中由于LSA的大量扩散需要消耗更多的带宽。天津工业大 TECHNOLOGIES程学院 LTD.HUAWEI 学 电子与信息工CO.,HUAWEI器原理与技术IP路由ConfidentialTJPU距离矢量路由选择从网络邻居得到更新的路由表更新自己的