第11章 路由及交換

1、第11章 路由與交換 IPIP網的鋼筋混凝土網的鋼筋混凝土v構建構建IPIP網的最基本材料是網的最基本材料是線路線路、HUBHUB、以太網交換以太網交換機機和和路由器路由器。v其中，線路屬于傳輸網，其中，線路屬于傳輸網，HUBHUB、以太網交換機和路、以太網交換機和路由器是由器是IPIP網絡的核心部件，是網絡的核心部件，是IPIP網的節(jié)點。網的節(jié)點。v研究如何合理搭配這些網絡設備，使真實數(shù)據能研究如何合理搭配這些網絡設備，使真實數(shù)據能快速順利地到達目的終端，并盡可能節(jié)約資源和快速順利地到達目的終端，并盡可能節(jié)約資源和保證安全。保證安全。IPIP網的鋼筋混凝土網的鋼筋混凝土HUBHUB和交換機和

2、交換機vHUBHUB：即集線器，工作于總線模式，所有接在：即集線器，工作于總線模式，所有接在HUBHUB上上的計算機共享總線資源，通過競爭來獲得發(fā)送數(shù)據的計算機共享總線資源，通過競爭來獲得發(fā)送數(shù)據的權利，工作于的權利，工作于物理層物理層，支持的協(xié)議為，支持的協(xié)議為CSMA/CDCSMA/CD。是是“共享式以太網共享式以太網”的核心設備。的核心設備。v原理原理：廣播。一個數(shù)據包需要送達所有端口。：廣播。一個數(shù)據包需要送達所有端口。v缺點缺點：資源浪費，會給網絡帶來：資源浪費，會給網絡帶來“廣播風暴廣播風暴”。v改進改進：引入：引入“交換式以太網交換式以太網”，使多組通信同時進，使多組通信同時進行

3、。行。v以太網交換機以太網交換機：保存每個終端的：保存每個終端的MACMAC地址對應表，地址對應表，可以直接傳送數(shù)據，無需廣播所有端口。因為不共可以直接傳送數(shù)據，無需廣播所有端口。因為不共享總線資源，帶寬大大增加，而且相互不影響。享總線資源，帶寬大大增加，而且相互不影響。v分類分類：二層交換機和三層交換機。：二層交換機和三層交換機。v二層交換機工作在二層交換機工作在數(shù)據鏈路層數(shù)據鏈路層，不負責任何路由功，不負責任何路由功能，所連接終端在同一個能，所連接終端在同一個IPIP地址段。地址段。v三層交換機工作在第三層交換機工作在第2 2層和第層和第3 3層，帶有路由功能，層，帶有路由功能，所連接終端

4、可在也可不在同一所連接終端可在也可不在同一IPIP地址段。地址段。HUBHUB和交換機和交換機HUBHUB和交換機和交換機交換式以太網性價比高于共享式以太網，但是交換式以太網性價比高于共享式以太網，但是兩者價格相當，所以交換式以太網應用廣泛。兩者價格相當，所以交換式以太網應用廣泛。v 路由器路由器：有多種接口，常見的接口類型有通用串行接口，：有多種接口，常見的接口類型有通用串行接口，E1/T1E1/T1，POSPOS，ATMATM，E3/T3E3/T3，POSPOS，ISDN, 10/100/1000MISDN, 10/100/1000M以太以太網接口，網接口，F(xiàn)DDIFDDI，令牌環(huán)接口等。

5、，令牌環(huán)接口等。路由器路由器v 路由器路由器：工作在：工作在IPIP網絡層網絡層，實現(xiàn)子網之間的數(shù)據轉發(fā)。其，實現(xiàn)子網之間的數(shù)據轉發(fā)。其工作就是工作就是存儲和轉發(fā)存儲和轉發(fā)。v 它內部分為它內部分為控制平面部分控制平面部分和和數(shù)據通道部分數(shù)據通道部分。v 控制平面的核心是控制平面的核心是路由表路由表以及以及路由協(xié)議路由協(xié)議，路由器，路由器轉發(fā)數(shù)據轉發(fā)數(shù)據包的依據是包的依據是路由表路由表。v 路由表和交通指示牌的內容相似，路由表有目的網段和子路由表和交通指示牌的內容相似，路由表有目的網段和子網掩碼，到達該目的地地址的本路由器的出端口，下一跳網掩碼，到達該目的地地址的本路由器的出端口，下一跳路由器

6、入口路由器入口IPIP地址等，路由器根據路由表為數(shù)據包選擇相地址等，路由器根據路由表為數(shù)據包選擇相應的出端口。如果在路由表中找不到某個數(shù)據包的路由信應的出端口。如果在路由表中找不到某個數(shù)據包的路由信息，丟棄。息，丟棄。路由器路由器路由器路由器v路由器的數(shù)據通道部分從輸入線路接收數(shù)據后，路由器的數(shù)據通道部分從輸入線路接收數(shù)據后，分析與修改包頭，查找輸出端口，把數(shù)據搬運到分析與修改包頭，查找輸出端口，把數(shù)據搬運到輸出線路上。輸出線路上。v路由器是根據路由器是根據轉發(fā)表轉發(fā)表來轉發(fā)數(shù)據來轉發(fā)數(shù)據。轉發(fā)表又是根。轉發(fā)表又是根據路由表生成的，其表項和路由表項有直接對應據路由表生成的，其表項和路由表項有直

7、接對應關系，但轉發(fā)表的格式和路由表的格式不同，更關系，但轉發(fā)表的格式和路由表的格式不同，更適合快速查找。適合快速查找。v其關系類似交叉路口和立交橋的關系。其關系類似交叉路口和立交橋的關系。路由器路由器路由器路由器路由和轉發(fā)就像交叉路口和立交橋路由和轉發(fā)就像交叉路口和立交橋v因特網采用因特網采用分層次的路由選擇協(xié)議分層次的路由選擇協(xié)議。v因特網的規(guī)模非常大。如果讓所有的路由器知道因特網的規(guī)模非常大。如果讓所有的路由器知道所有的網絡應怎樣到達，則這種路由表將非常大，所有的網絡應怎樣到達，則這種路由表將非常大，處理起來也太花時間。而所有這些路由器之間交處理起來也太花時間。而所有這些路由器之間交換路由

8、信息所需的帶寬就會使因特網的通信鏈路換路由信息所需的帶寬就會使因特網的通信鏈路飽和。飽和。v許多單位不愿意外界了解自己單位網絡的布局細許多單位不愿意外界了解自己單位網絡的布局細節(jié)和本部門所采用的路由選擇協(xié)議（這屬于本部節(jié)和本部門所采用的路由選擇協(xié)議（這屬于本部門內部的事情），但同時還希望連接到因特網上。門內部的事情），但同時還希望連接到因特網上。 路由的發(fā)現(xiàn)路由的發(fā)現(xiàn)路由協(xié)議路由協(xié)議自治系統(tǒng)自治系統(tǒng)(autonomous system) (autonomous system) v 因特網將整個互聯(lián)網劃分為許多較小的自治系統(tǒng)。因特網將整個互聯(lián)網劃分為許多較小的自治系統(tǒng)。v ASAS定義定義：自治

9、域是擁有同一選路策略，在同一技術管理部：自治域是擁有同一選路策略，在同一技術管理部門下運行的一組路由器。是工作在一起以提供內部選路的門下運行的一組路由器。是工作在一起以提供內部選路的路由器的匯集。路由器的匯集。其最重要的特點就是自治系統(tǒng)有權自主地其最重要的特點就是自治系統(tǒng)有權自主地決定在本系統(tǒng)內應采用何種路由選擇協(xié)議。決定在本系統(tǒng)內應采用何種路由選擇協(xié)議。 v 舉例舉例：163,169163,169，承載，承載NGNNGN業(yè)務的業(yè)務的IPIP網，某行業(yè)企業(yè)的專用網，某行業(yè)企業(yè)的專用I PI P 網 等 。 自 治 域 一 般 有 編 號 ， 比 如網 等 。 自 治 域 一 般 有 編 號 ，

10、 比 如AS701,AS1239,AS9929,AS4134AS701,AS1239,AS9929,AS4134等。等。v 一個自治系統(tǒng)的所有路由器在本自治系統(tǒng)內都必須是連通一個自治系統(tǒng)的所有路由器在本自治系統(tǒng)內都必須是連通的。的。路由的發(fā)現(xiàn)路由的發(fā)現(xiàn)路由協(xié)議路由協(xié)議v路由協(xié)議路由協(xié)議是為了滿足路由器獲取路由表的需要而制定的是為了滿足路由器獲取路由表的需要而制定的標準化協(xié)議。只負責獲取路由表。標準化協(xié)議。只負責獲取路由表。v分類分類：靜態(tài)路由協(xié)議靜態(tài)路由協(xié)議與與動態(tài)路由協(xié)議動態(tài)路由協(xié)議。v路由獲取方式路由獲取方式：（1 1）靜態(tài)路由中，一類是人工設定該路由表項；另一類為）靜態(tài)路由中，一類是人工

11、設定該路由表項；另一類為“缺省路由缺省路由”，提供默認出口；，提供默認出口；（2 2）動態(tài)路由中，采用動態(tài)路由協(xié)議獲取路由信息。常用）動態(tài)路由中，采用動態(tài)路由協(xié)議獲取路由信息。常用的協(xié)議有內部協(xié)議的協(xié)議有內部協(xié)議RIP2RIP2，OSPFOSPF，IS-ISIS-IS，EIGRPEIGRP，IGRPIGRP和外和外部協(xié)議部協(xié)議BGPBGP等。等。動態(tài)路由協(xié)議動態(tài)路由協(xié)議v動態(tài)路由協(xié)議動態(tài)路由協(xié)議可以適應網絡環(huán)境的變化而在可以適應網絡環(huán)境的變化而在一定一定范圍范圍內快速進行路由表的更新。內快速進行路由表的更新。v不同的協(xié)議選擇不同的協(xié)議選擇“最佳路徑最佳路徑”的依據不同的依據不同，包括，包括路由

12、跳數(shù)，路由成本等。路由跳數(shù)，路由成本等。v每種路由協(xié)議都有一套規(guī)則，來衡量任何兩個節(jié)每種路由協(xié)議都有一套規(guī)則，來衡量任何兩個節(jié)點間的鏈路的可通過程度。點間的鏈路的可通過程度。動態(tài)路由協(xié)議分類動態(tài)路由協(xié)議分類 v內部網關協(xié)議內部網關協(xié)議 IGPIGP (Interior Gateway Protocol) (Interior Gateway Protocol) 即在一個自治系統(tǒng)內部使用的路由選擇協(xié)議。目前這類路由即在一個自治系統(tǒng)內部使用的路由選擇協(xié)議。目前這類路由選擇協(xié)議使用得最多，如選擇協(xié)議使用得最多，如 RIPRIP 和和 OSPFOSPF 協(xié)議。協(xié)議。v外部網關協(xié)議外部網關協(xié)議EGPEGP

13、 (External Gateway Protocol) (External Gateway Protocol) 若源站和目的站處在不同的自治系統(tǒng)中，當數(shù)據報傳到一個若源站和目的站處在不同的自治系統(tǒng)中，當數(shù)據報傳到一個自治系統(tǒng)的邊界時，就需要使用一種協(xié)議將路由選擇信息傳自治系統(tǒng)的邊界時，就需要使用一種協(xié)議將路由選擇信息傳遞到另一個自治系統(tǒng)中。這樣的協(xié)議就是外部網關協(xié)議遞到另一個自治系統(tǒng)中。這樣的協(xié)議就是外部網關協(xié)議 EGPEGP。在外部網關協(xié)議中目前使用最多的是在外部網關協(xié)議中目前使用最多的是 BGP-4BGP-4。 R1H1H2內部網關協(xié)議IGP（例如，RIP）自治系統(tǒng) A自治系統(tǒng) B自治系

14、統(tǒng) CIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPEGPEGPEGP內部網關協(xié)議IGP（例如，OSPF）外部網關協(xié)議EGP（例如，BGP-4）IGPR3R2自治系統(tǒng)和自治系統(tǒng)和內部網關協(xié)議、外部網關協(xié)議內部網關協(xié)議、外部網關協(xié)議 動態(tài)內部路由協(xié)議動態(tài)內部路由協(xié)議1. RIP21. RIP2和和RIPngRIPng：距離向量協(xié)議：距離向量協(xié)議 RIP RIP：距離向量協(xié)議：距離向量協(xié)議原理原理：路由器每隔：路由器每隔3030秒將秒將“距離向量距離向量”信息發(fā)送信息發(fā)送到相鄰路由器，路由表只存儲到目的地站點的到相鄰路由器，路由表只存儲到目的地站點的最佳路徑的下一跳地址。

15、允許最大跳數(shù)為最佳路徑的下一跳地址。允許最大跳數(shù)為1515跳跳（HopHop，即通過的網絡節(jié)點數(shù)），超過，即通過的網絡節(jié)點數(shù)），超過1515跳認跳認為是不可達。為是不可達。RIP2RIP2是是RIPRIP的升級版，的升級版，RIPngRIPng是是IPv6IPv6中的版本。中的版本。“距離距離”的定義的定義 v從一路由器到直接連接的網絡的距離定義為從一路由器到直接連接的網絡的距離定義為1 1。v從一個路由器到非直接連接的網絡的距離定義從一個路由器到非直接連接的網絡的距離定義為所經過的路由器數(shù)加為所經過的路由器數(shù)加1 1。vRIPRIP協(xié)議中的協(xié)議中的“距離距離”也稱為也稱為“跳數(shù)跳數(shù)”(hop

16、 (hop count)count)，因為每經過一個路由器，跳數(shù)就加，因為每經過一個路由器，跳數(shù)就加1 1。 vRIP RIP 認為一個好的路由就是它通過的路由器的數(shù)認為一個好的路由就是它通過的路由器的數(shù)目少，即目少，即“距離短距離短”。vRIP RIP 允許一條路徑只能包含允許一條路徑只能包含最多最多15 15 個路由器個路由器。v“距離距離”的最大值為的最大值為16 16 時即相當于不可達?？梢姇r即相當于不可達?？梢?RIP RIP 只適用于小型互聯(lián)網只適用于小型互聯(lián)網。vRIP RIP 不能在兩個網絡之間同時使用多條路由。不能在兩個網絡之間同時使用多條路由。RIP RIP 選擇一個具有最

17、少路由器的路由（即最短路由），選擇一個具有最少路由器的路由（即最短路由），哪怕還存在另一條高速哪怕還存在另一條高速( (低時延低時延) )但路由器較多的但路由器較多的路由。路由。 “距離距離”的定義的定義 RIP RIP 協(xié)議的三個要點協(xié)議的三個要點 v僅和相鄰路由器交換信息。僅和相鄰路由器交換信息。 v交換的信息是當前本路由器所知道的全部信交換的信息是當前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。息，即自己的路由表。 v按固定的時間間隔交換路由信息，例如，每按固定的時間間隔交換路由信息，例如，每隔隔 30 30 秒。秒。 路由表的建立路由表的建立 v路由器在剛剛開始工作時，只知道到直接連路由

18、器在剛剛開始工作時，只知道到直接連接的網絡的距離（此距離定義為接的網絡的距離（此距離定義為1 1）。）。v以后，每一個路由器也只和數(shù)目非常有限的以后，每一個路由器也只和數(shù)目非常有限的相鄰路由器交換并更新路由信息。相鄰路由器交換并更新路由信息。v經過若干次更新后，所有的路由器最終都會經過若干次更新后，所有的路由器最終都會知道到達本自治系統(tǒng)中任何一個網絡的最短知道到達本自治系統(tǒng)中任何一個網絡的最短距離和下一跳路由器的地址。距離和下一跳路由器的地址。vRIP RIP 協(xié)議的協(xié)議的收斂收斂(convergence)(convergence)過程較慢，即過程較慢，即在自治系統(tǒng)中所有的結點都得到正確的路由

19、在自治系統(tǒng)中所有的結點都得到正確的路由選擇信息的過程長。選擇信息的過程長。 RIP RIP 協(xié)議的優(yōu)缺點協(xié)議的優(yōu)缺點 v缺點缺點：（1 1）當網絡出現(xiàn)故障時，要經過比較長的時間才能將此信）當網絡出現(xiàn)故障時，要經過比較長的時間才能將此信息傳送到所有的路由器；息傳送到所有的路由器；（2 2）限制了網絡的規(guī)模，它能使用的最大距離為）限制了網絡的規(guī)模，它能使用的最大距離為 1515（16 16 表示不可達）；表示不可達）；（3 3）路由器之間交換的路由信息是路由器中的完整路由表，）路由器之間交換的路由信息是路由器中的完整路由表，因而隨著網絡規(guī)模的擴大，開銷也就增加。因而隨著網絡規(guī)模的擴大，開銷也就增加

20、。v優(yōu)點優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，開銷較小實現(xiàn)簡單，開銷較小。動態(tài)內部路由協(xié)議動態(tài)內部路由協(xié)議2. OSPF2. OSPF：開放最短路徑優(yōu)先：開放最短路徑優(yōu)先算法算法：SPFSPF（最短路由優(yōu)先）算法，或稱為（最短路由優(yōu)先）算法，或稱為“DijkstraDijkstra算法算法”。算法原理算法原理：每臺路由器作為一個：每臺路由器作為一個“根根”來計算其到每來計算其到每一個目的地路由器的距離，每臺路由器根據統(tǒng)一的一個目的地路由器的距離，每臺路由器根據統(tǒng)一的數(shù)據庫計算出網絡拓撲結構圖，結構圖類似樹，即數(shù)據庫計算出網絡拓撲結構圖，結構圖類似樹，即“最短路徑樹最短路徑樹”。動態(tài)內部路由協(xié)議動態(tài)內部路由協(xié)議2.

21、OSPF2. OSPF：開放最短路徑優(yōu)先：開放最短路徑優(yōu)先OSPFOSPF的工作步驟的工作步驟：（1 1）路由器進行初始化或網絡結構變化時，路由器產生鏈路狀）路由器進行初始化或網絡結構變化時，路由器產生鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據包態(tài)廣播數(shù)據包LSALSA（Link-State AdvertisementLink-State Advertisement）；）；（2 2）所有路由器通過）所有路由器通過泛洪向相鄰路由器發(fā)送泛洪向相鄰路由器發(fā)送LSALSA；（3 3）相互傳送）相互傳送LSALSA之后，每個路由器根據之后，每個路由器根據SPFSPF算法計算到達所有算法計算到達所有網段的最短路徑，編寫路由表項。此

22、協(xié)議網段的最短路徑，編寫路由表項。此協(xié)議“收斂收斂”，網絡，網絡“趨于平穩(wěn)趨于平穩(wěn)”。OSPF OSPF 使用的是可靠的洪泛法使用的是可靠的洪泛法 t更新報文ACK報文RRRRt1t2t3t4路由的發(fā)現(xiàn)路由的發(fā)現(xiàn)路由協(xié)議路由協(xié)議路由表的生成（以路由表的生成（以OSPFOSPF為例）為例）OSPFOSPF的特點的特點 v OSPF OSPF 的鏈路狀態(tài)數(shù)據庫能較快地進行更新，使各個路由器能的鏈路狀態(tài)數(shù)據庫能較快地進行更新，使各個路由器能及時更新其路由表。及時更新其路由表。OSPF OSPF 的更新過程收斂得快是其重要優(yōu)點的更新過程收斂得快是其重要優(yōu)點。 v OSPF OSPF 對不同的鏈路可根據

23、對不同的鏈路可根據 IP IP 分組的不同服務類型而設置成分組的不同服務類型而設置成不同的代價。因此，不同的代價。因此，OSPF OSPF 對于不同類型的業(yè)務可計算出不同對于不同類型的業(yè)務可計算出不同的路由的路由。v OSPF OSPF 還規(guī)定每隔一段時間，如還規(guī)定每隔一段時間，如 30 30 分鐘，要刷新一次數(shù)據庫分鐘，要刷新一次數(shù)據庫中的鏈路狀態(tài)。中的鏈路狀態(tài)。 v 由于一個路由器的鏈路狀態(tài)只涉及到與相鄰路由器的連通狀由于一個路由器的鏈路狀態(tài)只涉及到與相鄰路由器的連通狀態(tài)，因而與整個互聯(lián)網的規(guī)模并無直接關系。因此當互聯(lián)網態(tài)，因而與整個互聯(lián)網的規(guī)模并無直接關系。因此當互聯(lián)網規(guī)模很大時，規(guī)模很大時，OSPF OSPF 協(xié)議要比距離向量協(xié)議協(xié)議要比距離向量協(xié)議 RIP RIP 好得多。好得多。 動態(tài)內部路由協(xié)議動態(tài)內部路由協(xié)議3. IS-IS3. IS-I