路由原理简介1

1、计算机网络通信核心基础系列课程之一2007年3月1本章学习目标通过本节的学习，你可以获得以下收获：了解路由器的构造和组成了解并掌握路由的基本概念和原理了解并掌握路由表的构造，生成和维护了解IP路由的详细过程2路由器可以看成是一台特殊的计算机34控制口：console port:AUX口：辅助控制口广域网络接口:AS/S （V35 ） E1 ATM POS 局域网接口：ET FE GE 物理端口介绍5路由器 内存体系ROM相当于PC机的BIOSFLASH相当于PC机硬盘,包含IOSDRAM动态内存NVRAM 配置文件6内存体系RAM:动态随机存取储器，运行配置或活动配置文件保存这里。开机时解压到

2、此！ROM：用来引导IOS映像。FLASH：存储了功能完备的IOS映像文件。NVRAM：非易失性随机存取存储器存储了初始或启动配置文件。除RAM以外，所有这些类型的存储器都是永久性存储器。7路由器的组成结构路由管理Line Card 1Line Card 2软IP输入、输出接口软IP输入、输出接口交换结构路由控制12348输入/输出接口部分 包转发或交换结构部分 路由计算或处理部分路由器的组成结构9输入接口是物理链路和输入包的进口处。接口通常由线卡提供，一块线卡一般支持4、8或16个接口。一个输入接口具有多种功能：1、进行数据链路层的封装和解封装2、根据输入包的目的地址在路由表中查找目的端口（

3、通常由硬件实现）3、接口对收到的数据包进行业务分类，分成几个预定义的服务级别4、通过交换开关将数据包送到输出端口 低端路由器该部分功能路由器的中央处理器来执行，制约了数据包的转发速率； 高端路由器该部分功能通过接口部分的处理器和大容量的高速缓存来执行输入接口10路由器的包转发机制对路由器的性能影响很大，常见的转发方式：1、进程转发：将数据包从接口缓存拷贝到处理器的缓存中进行处理，先查看路由表再查看ARP表，重新封装数据包后再将数据包拷贝到接口缓存中准备发送，两次查表和拷贝数据极大的占用了CPU的处理时间2、快速转发：将两次查表的结果作了缓存，无需拷贝数据，所以CPU处理数据包的时间缩短了 3、

4、优化转发：在快速交换的基础上略作改进，将缓存表的数据结构作了改变，用深度为4的256叉树代替了深度为32的2叉树或哈希表（hash），CPU的查找时间进一步缩短 4、分布式快速转发：它在每个线卡上构建一个镜像路由表和MAC地址表相结合的转发表，该表是深度为4的256叉树，但每个节点的数据部分是指向另一个称为邻接表的指针，邻接表中含有路由器成帧所需要的全部信息。这种结构使得转发表完全由路由表和ARP表来同步更新，本身不再需要额外的老化进程，克服了其它交换方式需要不断对缓存表进行老化的缺陷 包转发机制11路由器的交换结构对数据包的转发性能影响很大，常见的交换结构包括：1、总线型：所有输入和输出接口

5、挂在一个总线上，同一时间只有两个接口通过总线交换数据。其缺点是其交换容量受限于总线的容量以及为共享总线仲裁所带来的额外开销2、共享内存型：进来的包被存贮在共享存贮器中，所交换的仅是包的指针，这提高了交换容量，但它受限于内存的访问速度和存储器的管理效率，尽管存贮器容量每18个月能够翻一番，但存贮器的存取时间每年仅降低5%，这是共享存贮器交换开关的一个固有限制 3、Crossbar空分结构型：相当于多条并行工作的总线，具有NN个交叉点的交叉开关可以被认为具有2N条总线。如果一个交叉是闭合，输入总线上的数据在输出总线上可用，否则不可用。对流经它的数据不断进行开关切换，可见开关速度决定了交换容量 交换

6、结构12 路由计算或处理部分主要是运行动态路由协议。该部分的主要功能：接收和发送路由信息，计算出路由表，为数据包的转发提供依据。 各种档次的路由器的路由表条目的大小存在很大差异，从几千条到几百万条不等，因此高端路由器路由表的构造对路由查找速度影响很大，其路由表的数据结构常采用二叉树的形式，查找与更新的速度都比较快。 路由计算及处理13 输出端口在包被发送到输出链路之前对包存贮，可以实现复杂的调度算法以支持优先等级要求（组织不同优先级的队列，满足不同QoS的需求 ）。与输入端口一样，输出端口同样要能支持数据链路层的封装和解封装，以及许多较高级协议。输出接口14基本概念可路由协议（routed p

7、rotocol）路由协议（routing protocol）静态路由（static route）动态路由（dynamic route）缺省路由（default route）度量值（metric）15可路由协议（Routed Protocol） 指任何在网络层地址中提供了足够信息的网络协议，该网络协议允许将数据包从一个端系统传送到另一个端系统，以寻址方案为基础。可路由协议定义了数据包内各字段的格式和用途。IP协议就是一个可路由协议。 路由选择协议（Routing Protocol） 通过提供共享路由选择信息机制来支持被动路由协议。路由选择协议消息在路由器之间传送。路由选择协议允许路由器与其他路由

8、器通信来修改和维护路由选择表。路由选择协议有：RIP、OSPF、IGRP等。 16NetworkProtocolDestinationNetworkConnectedRIPIGRP10.120.2.0172.16.2.0172.17.3.0Exit InterfaceE0S0S1Routed Protocol: IPRouting protocol: RIP, IGRP172.17.3.0172.16.2.010.120.2.0E0S017直接路由 路由进程仅在同一台路由器设备，通过该设备内部的路由进程使不同网段的计算机相互通信。间接路由 路由进程同时作用在至少两台以上路由器设备上 路由的分类

9、（1）1810.1.0.010.2.0.010.3.0.0E0=10.1.23.7E1=10.2.5.3E2=10.3.15.14仅仅启动ip routing 路由进程就可以满足不同的网段通信了！直接路由1910.1.0.010.2.0.010.3.0.0S0=10.5.2.1E1=10.2.5.3S2=10.5.2.2这时不仅要启动路由进程，在多台路由器之间还必须启用路由协议了间接路由10.1.0.120静态路由 由系统管理员事先设置好固定的路由称之为静态（static）路由，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随未来网络拓扑结构的改变而改变。动态路由 根据网络系统的运行

10、情况而自动调整的路由。路由器根据路由选择协议提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据传输的最佳路径。使用动态路由可以很好的适应拓扑结构的变化。它可以在网络的不同路径间改变流量方向。此时网络可达性依赖于网络的存在和状态。缺省路由 是一个路由表入口，用来指明一些在下一跳没有明确地列于路由表中的帧。缺省路由可以说是管理员的静态配置的结果 路由的分类（2）21域内路由IGP 在一个自治域内部，可以静态、缺省、RIP IGRP EIGRP OSPF ISIS等路由进程的集合，最重要的事情是在IGP中通过上述路由协议或算法，从源点到目的点找到一条最佳的路径。域间路由BGP 自治域间的路

11、由，EBGP路由，为internet网络最本质的路由协议，最重要的事情是在不同的AS间形成可以达到的路径，在很多情况下，这条路径往往不是最优的。路由的分类（3）22R1H1H2内部网关协议IGP（例如，RIP）自治系统 A自治系统 B自治系统 CIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPEGPEGPEGP内部网关协议IGP（例如，OSPF）外部网关协议EGP（例如，BGP-4）IGPR3R2自治系统和内部网关协议、外部网关协议 23Internet today24静态路由示例静态路由Stub Networkip add route 172.16.1.0 /24 g

12、ateway 172.16.2.1172.16.2.1SO172.16.1.0B172.16.2.2NetworkAB这是一条单向路由，还需要在对方的路由器上配置一条相反的路由。25缺省路由示例缺省路由Stub Networkip add route default gateway 172.16.2.2172.16.2.1SO172.16.1.0B172.16.2.2NetworkAB这条路由可以配置在只有一条出口的“根状网络” 的出口路由器上，可以访问“未知的” 目的网络。26度量值 当一个路由选择算法改变路由表时，它首先要确定包含在表中的最佳信息。每个路由选择算法以自己的方式来判断最佳路径

13、。每条路径都会生成一个度量值（metric）。该度量值越小，这条路径就越好。Mertic（度量值）56T156T1Ticks, hop countBAHop countIPXRIPIGRPBandwidthDelayLoadReliabilityMTU27用于度量值计算的常用路径特征跳数（hop count）：数据包到达目的必须通过的路由器个数。跳数越少，该路由越好。路径长用到达目的的跳数来描述；带宽（Bandwidth）：链路传输数据的能力；时延（delay）：把数据包从源送到目的地所需的时间；负荷（load）：网络资源如路由器和链路上的活动数量；可靠性（reliability）：指每条网络

14、链路上的差错率；最大传输单元（MTU）：指端口可以传送的最大的数据单元。 Mertic（度量值）的计算28 有关路由选择协议的几个基本问题1. 理想的路由算法算法必须是正确的和完整的。 算法在计算上应简单。 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，这就是说，要有自适应性。 算法应具有稳定性。 算法应是公平的。 算法应是最佳的。 29代价 在研究路由选择时，需要给每一条链路指明一定的代价。这里“代价”并不是指“钱”，而是由一个或几个因素综合决定的一种度量(metric)，如链路长度、数据率、链路容量、是否要保密、传播时延等，甚至还可以是一天中某一个小时内的通信量、结点的缓存被占用的程度、链路差错率等

15、。 30最佳路由 不存在一种绝对的最佳路由算法。所谓“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。实际的路由选择算法，应尽可能接近于理想的算法。 路由选择是个非常复杂的问题它是网络中的所有结点共同协调工作的结果。路由选择的环境往往是不断变化的，而这种变化有时无法事先知道。 31从路由算法 的自适应性考虑静态路由选择策略即非自适应路由选择，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。 动态路由选择策略即自适应路由选择，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。32 分层次的路由选择协议因特网采用分层次的路由选择协议。因特网的规模非常大。如果让

16、所有的路由器知道所有的网络应怎样到达，则这种路由表将非常大，处理起来也太花时间。而所有这些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信链路饱和。许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议（这属于本部门内部的事情），但同时还希望连接到因特网上。 33自治系统(autonomous system) 因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统 AS。一个自治系统是一个互联网，其最重要的特点就是自治系统有权自主地决定在本系统内应采用何种路由选择协议。 一个自治系统内的所有网络都属于一个行政单位(例如，一个公司，一所大学，政府的一个部门，等等)来管辖。 一个自治系统的

17、所有路由器在本自治系统内都必须是连通的。 34因特网有两大类路由选择协议 内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol) 即在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多，如 RIP 和 OSPF 协议。外部网关协议EGP (External Gateway Protocol) 若源站和目的站处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议 EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4。 35执行路由操作所需要的信息被包含在路由器的一个表项中，称

18、为“路由表”它是由一个或多个路由选择协议进程生成。路由表包含了包到达目的地所要经由的路径（硬件接口）。路由器在创建路由表时并不关心单个的节点地址，它们只关心某组包应往哪个网段上传输。当路由器检查到包的逻辑地址时，它就可以根据路由表的内容决定包应该转发到哪个子网上去。路由表36路由表的构成，建立和维护路由表的构成内容是什么？路由表最开始是如何建立起来的？在路由表建立起来之后，是如何进行维护的？37路由表的构成1、路由信息的来源（origin）：表示该路由信息是怎样学习到的 2、目的网络地址（destination）：目的地逻辑网络或子网络地址 3、管理距离（administrative dist

19、ance）：决定了来自不同路由表源端的路由信息的优先权 4、度量值（metric）：度量值用于表示每条可能路由的代价，度量值最小的路由就是最佳路由5、下一跳地址（next hop）：与之相连的路由器的端口地址 6、计时（age）：表示路由条目已存在的时间，也就是路由信息的新旧程度7、发送的物理端口（local interface）：学习到该路由条目的接口，也是数据包离开路由器去往目的地将经过的接口 路由表的构成38路由表构成示例I 172.16.8.0100/118654 via 172.16.7.9, 00:00:23, Serial0 I- How the route was learne

20、d (IGRP)172.16.8.0- Destination logical network or subnet100- Administrative distance (trustworthiness factor)/118654- Metric value (reachability)via 172.16.7.9- Next-hop logical address (next router)00:00:23- Age of entry (in hours:minutes:seconds)Serial0- Interface through which the route was lear

21、ned and through which the packet will leave路由表的构成39路由表构成示例cisco12008# show ip route路由表的构成40收敛状态（convergence）路由生成机制（install）路由表创建41路由表的维护路由表可以是由系统管理员固定设置好的，当网络拓扑发生变换时，由管理员手动调整，也可以由系统依据动态路由协议进行修改。RIP只维护一张表：路由表。OSPF、BGP除了维护一张路由表外，至少还维护另外的两张表：相邻路由器表和拓扑表（路径表）。42Connected interface 0Static route out an in

22、terface0Static route to a next hop1EIGRP summary route5External BGP20Internal EIGRP90IGRP100OSPF110IS-IS 115RIP v1, v2120EGP140External EIGRP170Internal BGP200Unknown255Route SourceDefault Distance各种路由选择协议缺省管理距离43缺省管理距离优先原则人工设置的路由条目优先级高于动态学习到的路由直连路由静态路由度量值低的路由度量值高的路由缺省管理距离优先原则44路由选择原则：最长匹配精确匹配原则：匹配程

23、度最长的路由永远最优先，不管其度量大小如何45最长前缀匹配D AND (11111111 11111111 11111100 00000000) = 206.0.68.0/22 匹配D AND (11111111 11111111 11111111 10000000) = 206.0.71.128/25 匹配选择两个匹配的地址中更具体的一个，即选择最长前缀的地址。 46路由器的工作原理路由功能：学习和维护网络拓扑结构知识的机制，从而进行路径决定交换/转发功能：通过路由器转发数据流的功能（从路由器一个接口输入，然后选择合适接口输出）47路由是将对象从一个地方转发到另一个地方的中继过程。学习和维持

24、网络拓扑结构知识的机制被认为是路由功能。完成路由功能的几个基本步骤：路由的是什么协议？目的地是否已存在?从哪个端口发送出去？如何进行封装？路由功能48路由器工作过程49同一网络内部的通信 我们从简单的问题开始讨论：在同一网络内部的通信。为了便于讨论，不妨假设“IP层眼中的网络”一图中，网络A是一个以太网，内部有两台主机想要互相通信：网络A通向路由器1通信需求50通信过程图示IP地址：192.168.1.2MAC地址：00:20:AF:00:00:02IP地址：192.168.1.1MAC地址：00:20:AF:00:00:01以太网IP层上层协议这里无需考虑封装IP包包发往IP地址192.16

25、8.1.2以太网IP层封装MAC帧帧发往MAC地址00:20:AF:00:00:02封装MAC帧收到MAC帧ARP拆封IP包收到IP包网络情况协议层次51数据包封装图示以太网IP层信息发往IP地址192.168.1.2信息发往MAC地址00:20:AF:00:00:02ARP以太网IP层发送端接收端IP包头用户数据帧头用户数据帧尾封装IP包MAC帧IP包头用户数据帧头用户数据帧尾拆封IP包MAC帧拆封MAC帧收到MAC帧拆封IP包收到IP包52不同网络之间的通信网络B 了解了同一网络内部的通信之后，我们再来看不同网络之间的通信。假设“IP层眼中的网络”一图中，网络A中有一台主机想要和网络B中一

26、台主机通信，而网络A是一个以太网，网络B是一个X.25网络：网络A路由器1通信需求53老办法行不通以太网IP层X.25网IP层 有没有可能象刚才那样，把IP地址转换为物理地址，传送过去，在对端解开呢？不可能，因为两个网络结构不同，没有办法把MAC帧发送给X.25网络。IP包MAC帧？54路由与尽力传送 不同网络之间是不能直接通信的。主机发送一个IP包之前，首先会检查目的地的IP地址和子网掩码，判断目的地和自己是否在同一网络内。如果是的话，主机就会象前面讨论的那样，直接做IP地址和物理地址之间的转换，把IP包发送过去。如果不是的话： 主机会查找自己储存的一个表，寻找本网络上哪个路由器可以通向目的

27、地所在的网络，找到后把IP包发往那个路由器。路由器收到IP包之后，读取目的地信息，发现这个IP包的目的地不是自己，然后也会查找自己储存一个表，寻找和自己相连的所有网络上哪个路由器可以通向通向目的地所在的网络，找到把IP包发往那个路由器。如此一站接一站接力，直到IP包到达最终目的地。 上述这个过程就叫做 路由 ，主机和路由器查找的那个表就叫做 路由表 。在整个过程中，主机和路由器都只负责把IP包传给下一台主机或者路由器，并不确认IP包能正确的到达目的地，一旦发生错误，只是简单的把IP包丢弃。这种做法一般称之为 尽力传送 。也因此， IP协议是不可靠的 。55路由表和缺省网关 在路由过程中，路由表

28、起到了关键作用。在“IP层眼中的网络”图中，网络A（192.168.1.0网络）中一台IP地址为192.168.1.15的主机的路由表会象这样： 目标网络地址 目标网络掩码 网关 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.1.15 192.168.2.0 255.255.255.0 192.168.1.1 缺省网关 192.168.1.1 这个路由表做了简化处理，但是已经可以说明问题。表中的网关一项，就是通向目标网络的路由器。当这个主机要发送一个IP包时，它会查找路由表。如果这个IP包处于192.168.1.0网络，也就是本网络，网关就是自己；如果这个IP包处于192

29、.168.2.0网络，它就把IP包转发给IP地址为192.168.1.1的路由器，也就是图中的路由器1。 最后一条缺省网关是什么意思呢？缺省网关就是当要发送的IP包不属于表中前面任何一项描述的网络，就把IP包发往那个网关。这个例子中，缺省网关就是路由器1。56目的网络路由端口10.1.0.0E010.2.0.0E110.3.0.0E2路由器地址10.1.23.710.2.5.310.3.15.1410.1.0.010.2.0.010.3.0.0E0=10.1.23.7E1=10.2.5.3E2=10.3.15.14地址中的网络部分用来选路57网络层协议的操作XYABCApplicationPr

30、esentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalApplicationPresentationSessionTransportNetworkData LinkPhysicalABCXYNetworkData LinkPhysicalNetworkData LinkPhysicalNetworkData LinkPhysical58路由器做了些什么拆封MAC帧收到MAC帧收到IP包路由器以太网接口路由器X.25网接口IP层读IP包头，确定要发往哪个网络（这里是X.25网络）发送IP包IP地址转换为X.121地址（X.25网络使用）封装X.25分

31、组发送X.25分组 路由器做了些什么，可以实现不同网络内主机之间互相通信呢？路由器连接不同网络，在每个网络上都有一个IP地址。它从一个网络读取发送端主机传来的数据，取出其中的IP包，确定应该发往那个网络，把IP包按照目标网络的方式封装，然后发送到目标网络上的目的主机。我们的例子中，源网络是以太网、目标网络是X.25网络。如下图： TCP/IP就是依靠路由器把不同网络之间的通信，转换为一段段同一网络内部的通信。59不同网段的通信过程以太网IP层上层协议这里无需考虑MAC帧X.25网IP层X.25接口以太网接口IP层网络情况协议层次X.25分组IP包IP包IP包IP包发送端主机A接收端主机B路由器60路由过程示例1.目的地址为:192.168.3.3192.1