路由器工作原理和技術(shù).ppt

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 保定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 程治國(guó),第五章：網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備,5.1 路由器的概念 5.2 路由器的分類(lèi) 5.3 主要路由協(xié)議 5.4 路由器的連接,5.1 路由器的概念,路由器是一臺(tái)工作在OSI參考模型第三層(網(wǎng)絡(luò)層)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。其主要作用如下： 具有判斷網(wǎng)絡(luò)地址和選擇路徑的功能 根據(jù)收到的數(shù)據(jù)包中的網(wǎng)絡(luò)層地址和路由器內(nèi)部維護(hù)的路由表決定輸出端口和下一跳地址 通過(guò)動(dòng)態(tài)維護(hù)路由表來(lái)反映當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?并通過(guò)與網(wǎng)絡(luò)上其他路由器交換路由和鏈路信息來(lái)維護(hù)路由表,路由與橋接：性能特點(diǎn),兩者均為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián), 橋接 功能發(fā)生在數(shù)據(jù)鏈路層，轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)是幀中的信息（MAC地址）。硬件處理，轉(zhuǎn)發(fā)速度較快，無(wú)廣播抑制功能，價(jià)格較低，適合于局域網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)等內(nèi)部子網(wǎng)間互聯(lián)。 路由 功能發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)層，轉(zhuǎn)發(fā)的依據(jù)是數(shù)據(jù)報(bào)中的信息（IP地址）。軟件處理，轉(zhuǎn)發(fā)速度較慢，可完全抑制廣播，價(jià)格較高，適用于大網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要用在外網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)的隔離處或在廣域網(wǎng)中作中間轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)點(diǎn)。,路由器的功能,異種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián) 可用完全不同的數(shù)據(jù)分組和介質(zhì)訪問(wèn)方法互聯(lián)各種子網(wǎng)。只接收源站或其他路由器的信息，而不關(guān)心各子網(wǎng)所用的硬件設(shè)備（但要求運(yùn)行與網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議相一致的軟件）。 網(wǎng)絡(luò)地址判斷、最佳路由選擇和數(shù)據(jù)處理(加密/優(yōu)先級(jí)/過(guò)濾等） 支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和路由選擇（中間節(jié)點(diǎn)路由器） 分隔子網(wǎng)和隔離廣播（邊界路由器）,5.2 路由器的分類(lèi),形形色色的路由器,Cisco 12000 Series Routers,Cisco 837 ADSL Broadband Router,CISCO 3800 SERIES INTEGRATED SERVICES ROUTERS,按性能檔次分類(lèi),高端路由器 背板交換能力大于40Gbps CISCO12000/7500/7200系列 中端路由器 背板交換能力大于2540Gbps CISCO4000/3600系列 低端路由器 背板交換能力小于25Gbps CISCO3600系列以下 劃分標(biāo)準(zhǔn)和型號(hào)僅供參考,按結(jié)構(gòu)分類(lèi),模塊化路由器（下圖） 通常為中高端路由器 非模塊化路由器（右圖） 通常為低端路由器,按網(wǎng)絡(luò)位置分類(lèi),核心層（骨干級(jí)）路由器 位于網(wǎng)絡(luò)中心，要求高速可靠（熱備份/雙電源/雙數(shù)據(jù)通路等），用于實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。 分發(fā)層（企業(yè)級(jí)）路由器 中大型企業(yè)和因特網(wǎng)服務(wù)供應(yīng)商（ISP）或分級(jí)系統(tǒng)中的中級(jí)系統(tǒng) 訪問(wèn)層（接入級(jí)）路由器 位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，應(yīng)用最廣泛，主要用于中小企業(yè)和大型企業(yè)分支機(jī)構(gòu)中。目前最常用的接入路由器是寬帶路由器。,按功能分類(lèi),通用路由器 專(zhuān)用路由器 為實(shí)現(xiàn)某種特定功能對(duì)路由器接口、硬件等做專(zhuān)門(mén)優(yōu)化（如撥號(hào)、VPN） 線速路由器 以線路速率高速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)（高端路由器） 非線速由器 轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)有一定間斷和延時(shí)（中低端路由器）,5.3 主要路由協(xié)議,路由器工作方式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)、路由選擇 所謂“互連網(wǎng)絡(luò)”，就是由若干路由器連接起來(lái)的一組網(wǎng)絡(luò)。路由器的主要作用是將所接收到的信息包按其附加的地址信息傳送給另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)路由器通常連接幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)，如果通往目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)有幾條傳輸路徑可行，路由器將根據(jù)預(yù)先設(shè)定的所謂“計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)”（metric）選擇最佳路徑。,路由器工作圖,在此通信過(guò)程中，數(shù)據(jù)包的協(xié)議地址始終不變，而物理地址在不同子網(wǎng)中有不同的值。,路由選擇協(xié)議,路由協(xié)議（routed protocol） 含有使數(shù)據(jù)包路由用的尋址和控制信息（故又稱(chēng)為“路由協(xié)議”）。它們根據(jù)路由選擇協(xié)議實(shí)現(xiàn)互連網(wǎng)絡(luò)之間的路由。常用路由協(xié)議有：IP協(xié)議，AppleTalk，DECnet和Novell NetWare等。 路由選擇協(xié)議（routing protocol） 執(zhí)行某個(gè)路由算法實(shí)現(xiàn)路由功能。路由算法用于初始化和定期更新“路由表” （routing table）中的信息，并進(jìn)行實(shí)際的路徑選擇。,靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由,路由器中一張存儲(chǔ)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?nèi)容的表，它包含一組條目，指定可以到達(dá)其他網(wǎng)絡(luò)的路由器端口的IP地址。 靜態(tài)路由表：網(wǎng)絡(luò)管理員人工設(shè)置和更新維護(hù) 動(dòng)態(tài)路由表：由路由選擇協(xié)議自動(dòng)生成和更新維護(hù) 靜態(tài)路由的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、高效、可靠。在所有的路由中，靜態(tài)路由優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)動(dòng)態(tài)路由與靜態(tài)路由發(fā)生沖突時(shí)，以靜態(tài)路由為準(zhǔn)。 動(dòng)態(tài)路由適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。各種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議會(huì)不同程度地占用網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU資源。 靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由有各自的特點(diǎn)和適用范圍，因此在網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)路由通常作為靜態(tài)路由的補(bǔ)充。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)在路由器中進(jìn)行尋徑時(shí)，路由器首先查找靜態(tài)路由，如果查到則根據(jù)相應(yīng)的靜態(tài)路由轉(zhuǎn)發(fā)分組；否則再查找動(dòng)態(tài)路由。,內(nèi)部路由和外部路由,今天，一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可能很大，以致一個(gè)路由協(xié)議無(wú)法完成為所有路由器更新路由表的任務(wù)。為此，需要將一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)分為若干“自治系統(tǒng)”（autonomous systems，AS）。一個(gè)“自治系統(tǒng)”是指由同一個(gè)管理員管理的一組網(wǎng)絡(luò)和路由器。自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由稱(chēng)為“內(nèi)部路由”，自治系統(tǒng)之間的路由稱(chēng)為“外部路由”。每個(gè)自治系統(tǒng)都可以選擇一個(gè)內(nèi)部路由協(xié)議來(lái)處理該自治系統(tǒng)內(nèi)部的路由。但是，自治系統(tǒng)之間的路由通常只能使用一個(gè)外部路由協(xié)議來(lái)處理。,IGP和EGP,在每個(gè)自治系統(tǒng)中，所有路由器都運(yùn)行一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議以自由地交換路由信息。不同自治系統(tǒng)之間則使用外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，它限制在這些互連的自治系統(tǒng)之間交換的路由信息總量，并允許按不同方式管理它們。,常用路由協(xié)議,路由協(xié)議分為：內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP,Interior Gateway Protocol）和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EGP,Exterior Gateway Protocol）。前者用來(lái)交換同一自治系統(tǒng)中所有路由器間的所有路由信息，適用于某一大型網(wǎng)絡(luò)中的路由器組使用。后者以可控制的方式在不同自治系統(tǒng)中傳送路由信息，適合于在因特網(wǎng)之類(lèi)網(wǎng)關(guān)經(jīng)常變化的系統(tǒng)間進(jìn)行路由信息交換。,這里”網(wǎng)關(guān)”是路由器的舊稱(chēng),距離矢量協(xié)議和鏈路狀態(tài)協(xié)議 Distance-Vector&link-States,內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議根據(jù)學(xué)習(xí)路徑的方式可以分為距離矢量路由協(xié)議和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議兩大類(lèi) 距離矢量協(xié)議（如RIP、IGRP等）周期性地通過(guò)廣播進(jìn)行路由更新，并只與直接相連的相鄰路由器交換信息。而且在每次路由更新中都發(fā)送所有的路由表表項(xiàng)。每個(gè)路由器只認(rèn)識(shí)相鄰的路由器和到目標(biāo)的路離。 鏈路狀態(tài)協(xié)議（如OSPF等）使每個(gè)路由器在其區(qū)域內(nèi)維護(hù)相同的數(shù)據(jù)庫(kù)，在網(wǎng)絡(luò)里的每個(gè)路由器能看見(jiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，鏈路狀態(tài)更新通告所有其他路由器的只是有關(guān)其鄰接和鏈接鏈路的信息，而非整個(gè)路由表。而且它無(wú)須周期性地更新，只有改變后才傳播出去。,距離矢量路由協(xié)議 Distance-Vector Routing Protocols,基于Bellman-Ford算法 周期性地將路由表信息的拷貝在路由器間傳送 每個(gè)路由器都不了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，只知道與自己直接相連的網(wǎng)絡(luò)情況。 距離矢量路由器關(guān)心的是到目的網(wǎng)段的距離（Metric）和矢量（方向，從哪個(gè)端口轉(zhuǎn)發(fā)）。 距離矢量信息類(lèi)似于十字路口指向目的地的路標(biāo)，沿路標(biāo)的指向前進(jìn)，在下一個(gè)十字路口，會(huì)再看到一個(gè)距離目的地更近的新路標(biāo)。 優(yōu)點(diǎn)：配置簡(jiǎn)單，占用較少內(nèi)存和CPU處理時(shí)間 缺點(diǎn)：收斂速度慢，報(bào)文量大，占用較多的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷(xiāo),Distance-Vector,鏈路狀態(tài)路由協(xié)議 Link-States Routing Protocols,基于Dijkstra算法 亦稱(chēng)“最短路徑優(yōu)先算法” 通過(guò)收集和傳遞自治系統(tǒng)的鏈路狀態(tài)來(lái)動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)并傳播路由信息。通過(guò)這種方式使區(qū)域內(nèi)的每臺(tái)路由器都建立了一個(gè)本區(qū)域的完整的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。 采用增量更新機(jī)制，只有鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)才發(fā)送路由更新信息。 優(yōu)點(diǎn)：提供比距離矢量算法更大的擴(kuò)展性的快速收斂性 缺點(diǎn)：耗費(fèi)更多的路由器內(nèi)存和CPU處理能力。,Link-State, RIP協(xié)議,RIP（Routing Information Protocol，路由信息協(xié)議）簡(jiǎn)單實(shí)用，是目前最常用的協(xié)議。RIP每30秒發(fā)送一次路由信息，而且規(guī)定如果180秒內(nèi)沒(méi)有聽(tīng)到其他網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)路由信息，它就不再是可用的，路由器便將發(fā)送一個(gè)特殊的信息將不可用的路由通知給相鄰的路由器。RIP選擇具有最少“跳數(shù)（hop count）”（度量）的路由作為最佳路徑。 RIP的跳數(shù)表示數(shù)據(jù)在到達(dá)其目的地之前必須通過(guò)的網(wǎng)關(guān)數(shù)量（直接相連的度量值為0）。RIP認(rèn)為最佳路徑就是使用網(wǎng)關(guān)最少的路由。即網(wǎng)關(guān)越少就意味著路徑越短，最短的路徑就是最佳路徑。利用這種方法去選擇最佳路由，有時(shí)就稱(chēng)為“距離矢量算法”。RIP接受的最長(zhǎng)距離是 15跳。如果一條路由的度量大于 15跳，它就認(rèn)為其目的地是達(dá)不到的（RIP協(xié)議中16=“無(wú)限”），并舍棄該路由。為此，RIP不適合于其路由可能超過(guò)15個(gè)網(wǎng)關(guān)以上的超大型自治系統(tǒng)。而且路由器組保持同步時(shí)可能產(chǎn)生大量通信量（廣播風(fēng)暴），適用于小網(wǎng)絡(luò)（1015個(gè)子網(wǎng)或更少）或不使用冗余路由的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中RIP是為小型同類(lèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。,目前最常用的路由協(xié)議是RIP1（第1版）。但不少新型路由器支持RIP 2。RIP2最大的特點(diǎn)是支持認(rèn)證功能和多播功能。前者是為了阻止未經(jīng)許可的路由發(fā)布，在RIP數(shù)據(jù)包中加入認(rèn)證功能。后者則針對(duì)RIP1采用廣播形式向每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)鄰居發(fā)布RIP報(bào)文的缺點(diǎn)（這種情況下，不僅網(wǎng)絡(luò)上所有的路由器接收到數(shù)據(jù)包，而且所有主機(jī)也接收到數(shù)據(jù)包），使用多播地址224.0.0.9，使RIP報(bào)文僅向網(wǎng)絡(luò)中的路由器發(fā)布。 RIP報(bào)文被封裝在UDP用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)中。分配給UDP中RIP使用的公認(rèn)端口號(hào)是520。,IGRP（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議）,IGRP（Interior Gateway Routing Protocol,內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議）是Cisco公司開(kāi)發(fā)的路由協(xié)議，在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)包路由方面具有良好的性能。它的度量值可以超過(guò)160萬(wàn)。IGRP是目前Cisco路由器常用的高級(jí)距離向量協(xié)議。其增強(qiáng)型為EIGRP協(xié)議，但定制更為復(fù)雜。,OSPF(開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議),OSPF（Open Shortest Path First ,開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議）把一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)小子域，稱(chēng)為區(qū)域(area)，并使單個(gè)區(qū)域內(nèi)的每個(gè)路由器都維護(hù)同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，它運(yùn)行最短路徑優(yōu)先算法，用此數(shù)據(jù)庫(kù)的信息來(lái)構(gòu)建路由選擇表，通過(guò)優(yōu)先分析到目標(biāo)的最少開(kāi)銷(xiāo)（cost）路由，把路由添加到表中，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信開(kāi)銷(xiāo)降到最低，適合于超大型網(wǎng)絡(luò)。開(kāi)銷(xiāo)是基于一定的公式計(jì)算出來(lái)的，OSPF使用該接口開(kāi)銷(xiāo)來(lái)選擇到目標(biāo)的最優(yōu)路徑；最優(yōu)路徑是由接口開(kāi)銷(xiāo)總和決定的。 OSPF是按IGP設(shè)計(jì)的，但它能夠從不同的自治系統(tǒng)接收路由，并且向不同的系統(tǒng)發(fā)送路由。 OSPF要求路由器有更多的RAM和更快速的處理器，定制也較為復(fù)雜。,OSPF兩個(gè)主要特性,OSPF第一個(gè)主要的特性是：該協(xié)議是開(kāi)放的，即其規(guī)范是公開(kāi)的。另一個(gè)基本的特性是OSPF基于SPF（最小路徑優(yōu)先）算法，該算法也稱(chēng)為Dijkstra算法，即以創(chuàng)建該算法的人來(lái)命名。 OSPF是個(gè)鏈接狀態(tài)路由協(xié)議，在同一層的區(qū)域內(nèi)與其它所有路由器交換“鏈路狀態(tài)公告”(LSA)信息。OSPF的LSA中包含連接的接口、使用的metric及其它的變量信息。OSPF路由器積累鏈接狀態(tài)信息，并使用SPF算法來(lái)計(jì)算到各節(jié)點(diǎn)的最短路徑。 作為鏈接狀態(tài)路由協(xié)議，OSPF與RIP和IGRP這些距離向量路由協(xié)議是不同的。使用距離向量算法的路由器的工作模式是在路由更新信息中把路由表全部或部分發(fā)送給其相鄰的路由器。,5.4 路由器的接口,局域網(wǎng)接口 AUI端口（15針D型