计算机网络工程课件第4章

第4章路由技术及配置本章主要内容4.1路由器的作用与构成4.1.1路由器的作用4.1.2路由器的构成4.2路由表4.2.1路由表的构成4.2.2路由的分类4.3路由选择协议4.3.1基本概念4.3.2内部网关协议RIP4.3.3内部网关协议OSPF4.3.4外部网关协议BGP4.4路由技术综合应用案例习题与思考题四4.1路由器的作用与构成4.1.1路由器的作用路由是把信息从源主机传递到目的主机的行为，在这条路径上至少遇到一个中间节点。路由发生在第三层（网络层）。在网络中承担路由任务的节点，就是路由器，它是完成网络互联的重要设备，这种互联既可以是同种网络的互联，也可以是异种网络的互联，如图5-1所示。图4-1路由器完成异种网络互联互联网局域网局域网广域网路由器图4-2直接交付与间接交付间接交付间接交付间接交付ABC直接交付直接交付路由包含两个基本动作：确定最佳路径和通过网络传输信息，后者也称为数据转发。数据转发相对来说比较简单，而选择路径很复杂。1．路径选择度量值（Metric）是路由算法用以确定到达目的地最佳路径的计量标准，如路径长度。为了帮助选路，路由算法初始化并维护包含路径信息的路由表，路径信息根据使用的路由算法不同而不同。路由表的产生有多种方式，可以是动态的，也可以是静态的，关于路由表将会在4.2节中详细介绍。当数据报到达路由器时，路由器会从数据报的IP头部解析出相关地址信息，与路由表中的信息比对，选出一条可到达目的主机的路径，如有多条路径存在，则选择一条最佳路径。在此环节，通往目的主机的下一跳路由器的IP地址便产生了。2．数据转发数据转发算法相对而言较简单，对大多数路由协议是相同的。通过上面的路径选择环节，路由器得出下一跳路由器的IP地址，下一步便是通过ARP协议获取下一跳路由器的MAC地址，随之将数据报打包，将源MAC地址填充上自己的物理地址，将目的MAC地址变换为下一跳路由器的MAC地址，源IP、目的IP保持不变写入数据报头中。继而完成转发动作，整个过程如图4-3所示。图4-3数据转发4.1.2路由器的构成路由器系统由路由器硬件系统和路由器软件系统构成。软件系统主要指路由器的操作系统。在此主要讨论路由器的硬件系统的构成。典型的硬件系统如图4-4所示。图4-4典型的路由器的结构3——网络层2——数据链路层1——物理层路由选择路由选择处理机路由选择协议路由表3输入端口3交换结构输入端口输出端口分组转发转发表分组处理输出端口……11133122224.2路由表4.2.1路由表的构成路由器是互联网中的中转站，网络中的数据包通过路由器转发到目的网络。在路由器的内部都有一个路由表，正是由于路由表的存在，路由器可以依据它进行数据转发。每个路由表中都存放着通向网络中任何一台主机或网络的路由信息列表。在支持分类IP地址的网络中，每条路由信息中最主要的是两个字段：目的网络地址和下一跳路由器的地址，通过图4-5可以看到路由器R2中的路由表信息。图4-5路由器的路由网110.0.0.0网440.0.0.0网330.0.0.0网220.0.0.010.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.7目的主机所在的网络下一跳路由器的地址20.0.0.030.0.0.010.0.0.040.0.0.020.0.0.730.0.0.1直接交付，接口1直接交付，接口0路由器R2的路由表30.0.0.1R2R3R101当有数据报到达路由器R2时，路由器从数据报的首部提取目的站的IP地址D，得出目的网络地址为N。这时，路由器将N与路由表中“目的主机所在的网络”一列中的数值做一一对比，若匹配，说明路由表中有到达网络N的路由，则将数据报传送给路由表指明的下一跳路由器，如找不到匹配项，而路由表中有一个默认路由，则将数据报传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，报告转发分组出错。在“下一跳路由器的地址”中可以看到两种情况，一种是最普遍的情况，该地址中存放的是另一个路由器的地址，也就是数据需要下一跳路由器继续转发的情况；另一种是“直接交付，接口X”，也就是网络N与此路由器直接相连，数据不需要再进行转发，路由器将数据报从指定接口X发出，直接交付给目的主机。随着划分子网及无分类编址网络的出现，路由器中的字段又多了一项，变为：目的网络地址，子网掩码，下一跳路由器的地址，如表5-1所示。目的网络地址子网掩码下一跳路由器的地址128.30.33.0

128.30.33.128

128.30.36.0255.255.255.128

255.255.255.128

255.255.255.0接口0

接口1

R2这时，在数据报寻址过程中情况发生了变化。当有数据报到达路由器时，从收到的分组的首部提取目的IP地址D。先用各网络的子网掩码和D逐位相“与”，看是否和相应的网络地址匹配。若匹配，则将分组直接交付，否则就是间接交付。对路由表中的每一行的子网掩码和D逐位相“与”，若其结果与该行的目的网络地址匹配，则将分组传送给该行指明的下一跳路由器；否则，若路由表中有一个默认路由，则将分组传送给路由表中所指明的默认路由器；否则，报告转发分组出错。路由表还可以包括其他信息，如metric（度量值）、管理距离及路由的存活时间等。在不同厂家、不同型号的路由器中，路由表的表述形式有所不同，但信息含义是基本相同的。图4-6是在锐捷路由器上截获的一张路由表的实例，通过它可以看到路由表中的信息状况。图4-6路由表实例R2.0.0.0/8 [120,1]via1.1.1.1(onFastEthernet0/0)现将各表项含义解释如下：R：路由信息的来源（RIP）2.0.0.0/8：目标网络（或子网）。120：管理距离，也就是路由的可信度。管理距离可以用来选择采用哪个IP路由协议。管理距离值越低，学到的路由越可信1：量度值（路由的可到达性）。via172.16.7.9：下一跳地址（下个路由器）。onFastEthernet0/0：出站接口。4.2.2路由的分类路由表中含有用以选择最佳路径的信息。但是路由表是怎样建立的呢？路由信息根据产生方式及作用的不同可分为以下几种：1．直连路由直连路由是对一个路由器而言，通向与它直接相连的网络的路由。这种路由不需要特别设置，当为路由器的接口配置好IP地址后，直连路由便会出现在路由表中。比如，在图5-7中，该路由器有三个以太网接口，分别为F0、F1、F2，分别有链路通向三个网段，分别为192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24，为了使到达该路由器的数据能到达三个目标网段，只要将三个接口的IP地址设置好即可。192.168.1.1/24192.168.2.1/24192.168.3.1/24F0F2F1现在分别把F0端口IP地址设为192.168.1.1/24，把F1端口IP地址设为192.168.2.1/24，把F2端口IP地址设为192.168.3.1/24，那么路由表中便会出现三条路由表项，如表5-2所示。路由信息来源目的网络出站接口C192.168.1.0Fastethernet0C192.168.2.0Fastethernet1C192.168.3.0Fastethernet2分别对应三个字段：（路由方式，目标网段，出口），C即connected，代表该路由为直连路由。第一行的意思是通向目标网段192.168.1.0要从Fastethernet0转发，该网络直接与路由器相连。2．静态路由静态路由指由网络管理员手工配置的路由信息。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。由于静态路由不能对网络的改变做出反应，一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。静态路由的优点是简单、高效、可靠及保密性好。在所有的路由中，静态路由的优先级最高。默认情况下当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。当网络的拓扑结构或链路的状态发生变化时，网络管理员需要手工修改路由表中相关的静态路由信息。静态路由信息在默认情况下是私有的，不会传递给其他的路由器。当然，网管员也可以通过对路由器进行设置使之成为共享的。大型和复杂的网络环境通常不宜采用静态路由。一方面，网络管理员难以全面地了解整个网络的拓扑结构；另一方面，当网络的拓扑结构和链路状态发生变化时，路由器中的静态路由信息需要大范围地调整，这一工作的难度和复杂程度非常高。静态路由的一般配置步骤如下：（1）为路由器的每个接口配置IP地址。（2）确定本路由器有哪些直连网段的路由信息。（3）确定网络中有哪些属于本路由器的非直连网段。（4）添加本路由器的非直连网段的相关的路由信息。以图4-8中网络拓扑为例，各子网的掩码为255.255.255.0，IP地址如图4-8所示。从图中可以看出，PC1、PC2在两个网段中，要使PC1与PC2通信，中间要经过两个路由器转发数据。在路由器A和B的路由表中一定要有从PC1到PC2及从PC2到PC1的路由信息。现在可以用设置静态路由的方式填写路由表信息。172.16.2.2S0172.16.2.1BABS0192.168.10.1202.99.8.1F0F0192.168.10.5202.99.8.3PC1PC2图4-8两机通信网络拓扑172.16.2.2S0172.16.2.1BABS0192.168.10.1202.99.8.1F0F0192.168.10.5202.99.8.3PC1PC2按照上述静态路由的一般配置步骤，首先分别为路由器A、B的F0、S0端口设置如图4-8所示的IP地址，根据前面的学习可以知道，现在路由器中各会出现两条直连路由信息。对于A来说，192.168.10.0/24与172.16.2.0/24为其直连网段，对于B来说，202.99.8.0/24与172.16.2.0/24是其直连网段。同样可以看出，202.99.8.0/24是A的非直连网段，192.168.10.0/24是B的非直连网段。判断出这一点，下面要做的事就是添加路由器的非直连网段相关的路由信息了。配置静态路由用命令iproute：router(config)#iproute[网络号][子网掩码][下一跳路由器的IP地址/本地接口]具体到本例中，为路由器A配置静态路由的命令如下：router(config)#iproute202.99.8.0255.255.255.0172.16.2.2或router(config)#iproute202.99.8.0255.255.255.0S03．动态路由动态路由是由路由选择协议产生的，其产生是一个由路由器之间相互通信、传递路由信息、利用收到的路由信息更新路由表的过程。如果路由更新信息表明发生了网络变化，路由选择软件就会重新计算路由，并发出新的路由更新信息。这些信息通过各个网络，引起各路由器重新启动其路由算法，并更新各自的路由表以动态地反映网络拓扑结构变化。动态路由适用于网络规模大、网络拓扑结构复杂的网络。当然，各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源。动态路由机制的运作依赖路由器的两个基本功能：对路由表的维护，路由器之间适时的路由信息交换。路由器之间的路由信息交换是基于路由选择协议实现的。路由选择协议将在下一节进行介绍。4．默认路由默认路由也称为缺省路由，指路由表中未直接列出目标网络的路由选择项，它用于在不明确的情况下指示数据帧下一跳的方向。如果路由器配置了默认路由，则所有未指明目标网络的数据包都按缺少路由进行转发。默认路由一般使用在stub网络中（称末端或存根网络），stub网络是只有一条出口路径的网络。使用默认路由来发送那些目标网络没有包含在路由表中的数据包。默认路由可以看作是静态路由的一种特殊情况。Internet上大约99.99%的路由器上都存在一条默认路由!配置默认路由使用如下命令：router(config)#iproute0.0.0.00.0.0.0[下一跳路由器的IP地址/本地接口]0.0.0.00.0.0.0是默认路由的标识。4.3路由选择协议4.3.1基本概念1．理想的路由算法（1）算法必须是正确的和完整的。（2）算法在计算上应简单。（3）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。（4）算法应具有稳定性。（5）算法应是公平的。（6）算法应是最佳的。2．分层次的路由选择协议因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统（AutonomousSystem，AS）。一个自治系统是一个互联网，其最重要的特点是自治系统有权自主地决定在本系统内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来管辖。但一个自治系统的所有路由器在本自治系统内必须是连通的。这样因特网就把路由选择协议划分为两大类：（1）内部网关协议IGP（InteriorGatewayProtocol）。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。（2）外部网关协议EGP（ExternalGatewayProtocol）。若源站和目的站处在不同的自治系统中（这两个自治系统使用不同的内部网关协议），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。4.3.2内部网关协议RIP1．工作原理路由信息协议（RoutingInformationProtocol）是内部网关协议IGP中最先得到广泛使用的协议。RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，是因特网的标准协议，其最大优点就是简单。RIP协议要求网络中的每个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离。（因此，这是一组距离，即“距离向量”。）RIP协议将“距离”定义如下：从一路由器到直接连接的网络的距离定义为1。从一路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加1。加1是因为到达目的网络后就进行直接交付。而到直接连接的网络的距离已经定义为1。RIP协议的距离也称为跳数，每经过一个路由器，跳数就加1。RIP认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少，即距离短。RIP允计一条路径最多只能包含15个路由器。因此距离的最大值为16时相当于不可达。可见RIP只适用于小型互联网。RIP协议有三个要点：（1）仅和相邻路由器交换信息。（2）交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。（3）按固定的时间间隔交换路由信息。这里要强调一点，路由器刚刚开始工作时，只知道到直接连接的网络的距离（此距离定义为1）。以后，每个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由器信息。经过若干次的更新后，所有的路由器最终都会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址。RIP协议的收敛（convergence）过程较快。所谓收敛就是在自治系统中所有的节点都得到正确的路由选择信息的过程。路由表中最主要的信息是：到某个网络的距离（即最短距离），以及应经过的下一跳地址。路由表更新的原则是找出到每个目的网络的最短距离。这种更新算法又称为距离向量算法。2．路由信息协议的工作过程RIP协议是通过在路由器间相互传递RIP报文来交换路由信息的，RIP报文主要包含以下信息：网络地址，子网掩码，下一跳路由器地址及距离（1～16之间）当一个路由器收到相邻路由器（其地址为X）的一个RIP报文时，便执行以下算法：（1）先修改此RIP报文中的所有项目：将“下一跳”字段小的地址都改为X，并将所有的“距离”字段的值加1。（2）对修改后的RIP报文中的每个项目，重复以下步骤： 若项目中的目的网络不在路由表中，则将该项目添加到路由表中。 否则 若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则将收到的项目替换原路由器中的项目。 否则 若收到的项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新。 否则 什么也不做。（3）若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由，则将此相邻路由器记为不可达的路由器，即将距离置为16（距离为16表示不可达）。（4）返回。3．RIP协议的配置同样还是以图4-8中的拓扑结构为例来说明RIP的配置方法。首先要做的是配置好各路由器的接口IP地址及掩码等信息。接下来就可以在路由器上配置RIP协议了。以路由器A为例说明其配置方法：RouterA(config)#routerrip !开启RIP协议进程RouterA(config-router)#network172.16.1.0 !声明本设备的直连网段RouterA(config-router)#network172.16.2.0RouterA(config-router)#version2 !定义RIP协议v2RouterA(config-router)#noauto-summary !关闭路由信息的自动汇总功能RouterA(config-router)#exitRouterA(config)#4.3.3内部网关协议OSPFOSPF协议的全称为开放最短路径优先（OpenShortestPathFirst），它是为克服RIP的缺点在1989年被开发出来的。1．OSPF协议的主要特点（1）使用分布式的链路状态协议。（2）路由器发送的信息是本路由器与哪些路由器相邻，以及链路状态（距离、时延、带宽等）信息。（3）当链路状态发生变化时用洪泛法向所有路由器发送。（4）所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库。（5）为了能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的区域（area），一个区域内的路由器数不超过200个。2．自治系统内部的区域划分划分区域的好处是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络的通信量。在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑情况。一个自治系统内部划分成若干区域与主干区域（BackboneArea），如图4-9所示，主干区域的标识符规定为0.0.0.0，其作用是连接多个其他的下层区域，主干区域内部的路由器叫做主干路由器（BackboneRouter），连接各个区域的路由器叫做区域边界路由器（AreaBorderRouter）。区域边界路由器接收从其他区域来的信息，在主干区域内还要有一个路由器专门和该自治系统之外的其他自治系统交换路由信息。这种路由器叫做自治系统边界路由器。图4-9将一个自治系统划分为多个区域的结构示意图网络3路由器2网络5区域0.0.0.2路由器8网络4网络2网络1区域0.0.0.1路由器1路由器3路由器7路由器5路由器4路由器6主干区域0.0.0.0至其他自治

系统区域0.0.0.3路由器9网络6网络7自治系统3．OSPF协议的执行过程（1）路由器的初始化过程。每个路由器用数据库描述分组和相邻路由器交换本数据库中已有的链路状态摘要信息，路由器使用链路状态请求分组，向对方请求发送自己所缺少的某些链路状态项目的详细信息，通过一系列的分组交换，建立全网同步的链路数据库。（2）网络运行过程。路由器的链路状态发生变化，该路由器就要使用链路状态更新分组，用洪泛法向全网更新链路状态。每个路由器计算出以本路由器为根的最短路径树，根据最短路径树更新路由表。4.3.4外部网关协议BGP1989年公布了新的外部网关协议——边界网关协议BGP。BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。目前版本是1995年发表的BGP-4。1．外部网关协议设计的基本思想BGP使用的环境与内部网关协议不同。（1）因特网的规模太大，使得自治系统之间的路由选择非常困难。（2）对于自治系统之间的路由选择，要寻找最佳路由是很不现实的。（3）自治系统之间的路由选择必须考虑有关政治、安全或经济方面的策略。基于上述情况，BGP只能力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻找一条最佳路由。图4-10外部网关协议设计的基本思想网络网络网络自治系统1自治系统4BGP发言人BGP发言人网络网络网络BGP发言人BGP发言人自治系统2网络BGP发言人自治系统3自治系统5网络网络2．BGP路由选择协议的工作过程在BGP刚开始运行时，BGP边界路由器与相邻的边界路由器交换整个的BGP路由表，以后只需要在发生变化时更新有变化的部分。当两个边界路由器属于两个不同的自治系统时，边界路由器之间定期地交换路由信息，维持相邻关系，当某个路由器或链路出现故障时，BGP发言人可以从不止一个相邻边界路由器获得路由信息。BGP路由选择协议在执行过程中使用了打开（open）、更新（update）、保活（keepalive）与通知（notification）等4种分组。4.4路由技术综合应用案例下面将综合路由技术设计一个组网案例，以此说明路由技术的应用与配置方法。现一公司A与公司B有实现通信的需求，两个公司各有一个出口路由器，型号为锐捷R1762。公司A的网络较为复杂，其核心交换机为一台型号为锐捷S3550的三层交换机，该交换机连到校园网的出口路由器，网络内部划分VLAN。公司B为一个小型的二层交换网络。现做适当规划与配置，实现两个公司间的相互通信。由以上描述可得出拓扑结构图如图4-11所示。现将路由器分别命名为R1，R2，路由器之间通串口采用V.35DCE/DTE电缆连接，DCE端连接到R1上。S3550交换机命名为S1，在S1上划分VLAN10和VLAN20，其中VLAN10用于连接R1，VLAN20用于连接公司A内部网络。PC1，PC2分别代表两公司的内部网络的任何一台主机，假设PC1的IP地址和缺省网关为172.16.5.11和172.16.5.1，PC2的IP地址和缺省网关分别为172.16.3.22和172.16.3.1，网络掩码都是255.255.255.0。在本方案中，采用OSPF作为网络选择协议。设备地址配置设备名称设备地址接口连接S1VLAN10:172.16.1.2/24F0/1连接R1F1/0VLAN20:192.168.5.1/24F0/2连接内部网络R1F1/0：172.16.1.1/24F1/0连接R2S1/2S1/2：172.16.2.1/24S1/2连接S1F0/1R2F1/0：172.16.3.1/24F1/0连接内部网络S1/2：172.16.2.2/24S1/2连接R1S1/21基本配置

(1)三层交换机基本配置S1#configureterminalS1(config)#vlan10S1(config-vlan)#exitS1(config)#vlan20S1(config-vlan)#exitS1(config)#interfacef0/1S1(config-if)#switchportaccessvlan10！创建VLAN虚接口S1(config-if)#exitS1(config)#interfacef0/2S1(config-if)#switchportaccessvlan20S1(config-if)#exitS1(config)#interfacevlan10S1(config-if)#ipaddress172.16.1.2255.255.255.0！配置虚接口IPS1(config-if)#noshutdownS1(config-if)#exitS1(config)#interfacevlan20S1(config-if)#ipaddress172.16.5.2255.255.255.0S1(config-if)#noshutdownS1(config-if)#exit(2)路由器基本配置R1(config)#interfacefastethernet1/0R1(config-if)#ipaddress172.16.1.1255.255.255.0R1(config-if)#noshutdownR1(config-if)#exitR1(config)#interfaceserial1/2R1(config-if)#ipaddress172.16.2.1255.255.255.0R1(config-if)#clockrate64000！为DCE设置时钟频率R1(config-if)#noshutdownR1(config-if)#exitR2(config)#interfacefastethernet1/0R2(config-if)#ipaddress172.16.3.1255.255.255.0R2(con