數(shù)據通信基礎知識培訓——路由協(xié)議

1、數(shù)據通信基礎知識培訓江蘇十方通信有限公司南通分公司2010年11月路由路由是指導IP報文發(fā)送的路徑信息路由器提供了將異構網互聯(lián)的機制，實現(xiàn)將一個數(shù)據包從一個網絡發(fā)送到另一個網絡。建立路由表當路由器收到一個數(shù)據包時檢查其目的地址，如果目的地址不是本地路由器的接口地址，則查找路由表。根據路由表決定應使用哪個端口來將數(shù)據包轉發(fā)到目的地。根據來源的不同，路由表中的路由分為三類： 鏈路層協(xié)議發(fā)現(xiàn)的路由（也成為接口路由或直連路由） 由網絡管理員手工配置的靜態(tài)路由 動態(tài)路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)的路由路由的來源鏈路層發(fā)現(xiàn)的路由鏈路層發(fā)現(xiàn)的路由不需要維護，減少了維護的工作；而不足之處是鏈路層只能發(fā)現(xiàn)接口所在的直連網段的路由

2、，無法發(fā)現(xiàn)跨網段的路由。路由的來源靜態(tài)路由靜態(tài)路由是由管理員手工配置的，通過配置靜態(tài)路由同樣可以達到網絡互聯(lián)的目的。但這種配置會存在問題，當網絡發(fā)生故障時，靜態(tài)路由不會自動修正，必須由管理員重新修改其配置。路由的來源動態(tài)路由協(xié)議發(fā)現(xiàn)的路由靜態(tài)和動態(tài)路由對比 靜態(tài)路由必須由管理員手工指定。當網絡拓撲發(fā)生變化時，需要管理員手工更新配置。同時靜態(tài)路由只適合簡單小型的網絡，當網絡結構復雜路由條目繁多的時候，靜態(tài)路由無法勝任。 動態(tài)路由通過網絡中運行的路由協(xié)議收集網絡信息。當網絡拓撲發(fā)生變化時，路由器會更新路由信息，不必管理員手工去更新。路由協(xié)議路由協(xié)議是路由器之間交互信息的一種語言。路由器之間通過路由

3、協(xié)議共享網絡狀態(tài)和網絡可達性的一些信息。相互通信的雙方必須使用同一種語言才能交互路由信息。路由協(xié)議定義了一套路由器之間通信時使用的規(guī)則。路由器維護路由表、提供最佳轉發(fā)路徑。路由協(xié)議分類作用范圍自治系統(tǒng)（AS）是被統(tǒng)一管理的一組網絡。每個自治系統(tǒng)都有唯一的自治系統(tǒng)編號，這個編號是由IANA分配的。通過不同的編號來區(qū)分不同的自治系統(tǒng)。自治系統(tǒng)的編號范圍是從1到65535，其中1到64511是注冊的因特網編號，64512到65535是私有網絡編號。根據作用的范圍，路由協(xié)議可分為：1、IGP (Interior Gateway Protocol) 內部網關協(xié)議用于自治系統(tǒng)內部交換路由信息的路由協(xié)議，包

4、括：RIP、OSPF、ISIS、IGRP、EIGRP等2、EGP (Exterior Gateway Protocol) 外部網關協(xié)議用于自治系統(tǒng)之間交換路由選擇信息的路由協(xié)議，包括BGP等。路由協(xié)議分類協(xié)議算法根據協(xié)議算法分類1、距離矢量路由選擇協(xié)議（Distance-Vector）包括RIP和BGP。其中，BGP也被稱為路徑矢量協(xié)議（Path-Vector）2、鏈路狀態(tài)路由選擇協(xié)議（Link-State)又稱為最短路徑優(yōu)先路由選擇協(xié)議，包括OSPF和ISIS兩種算法的主要區(qū)別在于發(fā)現(xiàn)連路由和計算路由的方法。距離矢量路由協(xié)議關注到目的地的跳數(shù)（轉發(fā)次數(shù)），鏈路狀態(tài)關注網絡的拓撲結構，以及鏈路

5、帶寬資源等信息。路由協(xié)議分類業(yè)務應用根據業(yè)務應用分類1、單播路由協(xié)議（Unicast Routing Protocol）包括RIP、OSPF、BGP和IS-IS等2、組播路由協(xié)議（Multicast Routing Protocol）包括DVMRP、PIM-SM、PIM-DM等路由表目的地址：用來標識IP包的目的地址或目的網絡網絡掩碼：可得到相應的網段信息。當路由表中有多個目的地址相同的路由信息時，路由器選擇器掩碼較長的一項作為匹配。輸出接口：說明IP包從該路由器哪個接口轉發(fā)下一跳IP地址：說明IP包所經由的下一個路由器的接口地址路由優(yōu)先級(Preference)當存在多個路由來源時，具有較高

6、優(yōu)先級（數(shù)值越小表明優(yōu)先級越高）的路由來源提供的路由將被激活，用于指導報文的轉發(fā)。華為缺省的路由優(yōu)先級路由協(xié)議路由協(xié)議優(yōu)先級優(yōu)先級DIRECT0OSPF10IS-IS15STATIC60RIP100OSPF ASE150IBGP225EBGP255Untrustworthy2550表示直接連接的路由，255表示任何來自不可信源端的路由路由的花費路由的花費(Metric)標識了到達這條路由所指的目的地址的代價，通常路由的花費值會受到線路延遲、帶寬、線路占有率、線路可信度、跳數(shù)、最大傳輸單元等因素的影響，不同的動態(tài)路由協(xié)議會選擇其中的一種或幾種因素來計算花費值（如RIP用跳數(shù)來計算花費值）。該花費

7、值只在同一種路由協(xié)議內有比較意義，不同的路由協(xié)議之間的路由花費值沒有可比性，也不存在換算關系，靜態(tài)路由的花費值為0。路由器A到路由器D有兩條路由： Path1: ABCD，總路由花費是9 Path2: AEFCD，總路由花費是12路由器優(yōu)選較小花費值的路由，并加入到路由等價路由：ECMP等價路由：ECMP，Equal Cost Multi-Path 到同一個目的地有幾條相同花費的路由，當路由優(yōu)先級相同時，這些路由都會被加入到路由表中，IP包會在這幾個鏈路上負載分擔。目前的實現(xiàn)中，支持負載分擔的路由協(xié)議為RIP、OSPF、BGP和IS-IS，靜態(tài)路由也支持負載分擔。路由環(huán)路(Routing LO

8、OP)“路由環(huán)路”是指某個報文從一臺路由器發(fā)出，經過幾次轉發(fā)之后又回到初始的路由器。當產生路由環(huán)路時，報文會在幾個路由器之間循環(huán)轉發(fā)，直至TTL=0時才被丟棄，極大地浪費了網絡資源，因此應該盡量避免“路由環(huán)路”的產生。路由環(huán)路產生的原因： 路由收斂過程中產生的臨時環(huán)路 路由算法的缺陷 在不同的路由域相互引入路由時丟失了可以防止環(huán)路的信息 配置錯誤靜態(tài)路由靜態(tài)路由是由管理員手工配置而成的。靜態(tài)路由的不足：當一個網絡發(fā)生故障后，靜態(tài)路由不會自動發(fā)生改變，必須由管理員手工的去改變配置。靜態(tài)路由適合于網絡拓撲結構比較簡單的網絡。靜態(tài)路由的配置靜態(tài)路由的配置命令為：Quidwayip route-sta

9、tic | | preference reject | blackhole配置了靜態(tài)路由后，可以使用“display ip routing-table”命令查看路由表。靜態(tài)路由的負載分擔負載分擔：到一個目的地有幾條相同花費的路徑（即等價路由），IP包在這幾個鏈路上輪流發(fā)送。靜態(tài)路由支持負載分擔。靜態(tài)路由的路由備份路由備份：同一目的地的多條路由，其中一條路由的優(yōu)先級最高，作為主路由，其余的路由優(yōu)先級較低，作為備份路由。靜態(tài)路由也支持路由備份。使用命令：display ip routing-table protocol static 查看靜態(tài)路由的信息，可發(fā)現(xiàn)主路由的狀態(tài)為Active，備份路由的

10、狀態(tài)為Inactive。缺省路由缺省路由可以通過靜態(tài)路由配置，某些動態(tài)路由協(xié)議也可以生成缺省路由，如OSPF和IS-IS。在路由表中，缺省路由以到網絡0.0.0.0（掩碼為0.0.0.0）的路由形式出現(xiàn)。當路由器收到一個目的地在路由表中查找不到的數(shù)據包時，會將數(shù)據包轉發(fā)給缺省路由指向的下一跳。缺省路由也支持路由的負載分擔與路由備份。動態(tài)路由協(xié)議動態(tài)計算路由，適應網絡變化，找出本地路由器到網絡中其他網段的路由。動態(tài)路由協(xié)議不僅完成確定路徑，而且當?shù)竭_目的地最佳路徑不可用時，可以確定另一個最好路徑。而當網絡拓撲發(fā)生變化時，這一點變得尤為重要，這也是動態(tài)路由協(xié)議優(yōu)于靜態(tài)路由的地方。動態(tài)路由協(xié)議RIP

11、: Routing Information Protocol，路由信息協(xié)議OSPF: Open Shortest Path First，開放式最短路徑優(yōu)先IS-IS: Intermediate System to Intermediate System，中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)BGP: Border Gateway Protocol，邊界網關協(xié)議目前常見的動態(tài)路由協(xié)議就是以上四種，RIP路由協(xié)議配置簡單，收斂速度慢，常用語中小型網絡；OSPF協(xié)議由IETF開發(fā)，協(xié)議原理本身比較復雜，使用非常廣泛；ISIS設計思想簡單，擴展性好，目前在大型SP的網絡中被廣泛配置；BGP用于AS之間交換路由信息。路由協(xié)

12、議之間的互操作某些情況下，需要在不同的路由協(xié)議中共享路由信息，例如從RIP學到的路由信息可能需要引入到OSPF協(xié)議中去。這種在不同路由協(xié)議中間交換路由信息的過程被稱為路由引入。路由引入可以是單向的，也可以是雙向的。不同路由協(xié)議之間的花銷不存在可比性，也不存在換算關系，所以在引入路由時必須重新設置引入路由的Metric值，或者使用系統(tǒng)默認的數(shù)值。距離矢量路由協(xié)議距離矢量路由協(xié)議基于貝爾曼-福特算法(Bellman-ford)，使用D-V算法的路由器通常以一定的時間間隔向相鄰的路由器發(fā)送他們完整的路由表。接收到路由表的鄰居路由器將收到的路由表和自己的路由表進行比較，新的路由或到已知網絡但開銷更小的

13、路由都被加入到路由表中。相鄰路由器然后繼續(xù)向外廣播它自己的路由表（包括更新后的路由）。距離矢量路由協(xié)議以矢量（Distance,Direction)方式通過路由信息，其中Distance使用Metric表示，方向使用下一跳來表示。距離矢量路由協(xié)議的優(yōu)點：配置簡單，占用較少的內存和CPU處理時間缺點：擴展性較差，比如RIP最大跳數(shù)不能超過16跳。路由泛洪初始化初始化目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.1.0- -010.1.2.0- -0t0目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.2.0- -010.1.3.0- -0目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.30- -010

14、.1.4.0- -0路由器啟動時對路由表進行初始化，對每個與自己直接相連的網絡生成一個表項。每個初始表項跳數(shù)為0周期性更新周期性更新目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.1.0- -010.1.2.0- -010.1.3.010.1.2.21t1目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.2.0- -010.1.3.0- -010.1.1.010.1.2.1110.1.4.010.1.3.21目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.3.0- -010.1.4.0- -010.1.2.010.1.3.11每個路由器直接向其相連的其他路由器周期性發(fā)送自己的路由表周期性更新周期性更新

15、目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.1.0- -010.1.2.0- -010.1.3.010.1.2.2110.1.4.010.1.2.22t2目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.2.0- -010.1.3.0- -010.1.1.010.1.2.1110.1.4.010.1.3.21目標網絡目標網絡下一跳下一跳跳數(shù)跳數(shù)10.1.3.0- -010.1.4.0- -010.1.2.010.1.3.1110.1.1.010.1.3.12每個路由器直接向其相連的其他路由器周期性發(fā)送自己的路由表，通過這種周期性的更新機制，每臺路由器可以知道每個網點的路由，最終實現(xiàn)網絡收斂。路由

16、環(huán)路網絡故障可能會引起路徑與實際網絡拓撲結構不一致而導致網絡不能快速收斂，這時可能會發(fā)生路由環(huán)路現(xiàn)象。Routing Table目標網絡接口跳數(shù)11.1.0.0E0011.2.0.0S0011.3.0.0S0111.4.0.0S04Routing Table目標網絡接口跳數(shù)11.2.0.0S0011.3.0.0S1011.4.0.0S1311.1.0.0S01Routing Table目標網絡接口跳數(shù)11.3.0.0S0011.4.0.0S0211.2.0.0S0111.1.0.0S02如上，發(fā)生路由環(huán)路時，路由器去往網絡11.4.0.0的跳數(shù)會不斷地增大，網絡無法收斂。未解決這個問題，我們給

17、跳數(shù)定義了一個最大值，在RIP路由協(xié)議中，允許跳數(shù)最大值為16。當跳數(shù)到達最大值時，網絡11.4.0.0被認為是不可達的。路由器會在路由表中顯示網絡不可達信息，并不再更新到達網絡11.4.0.0的路由。定義最大值只是補救措施，不能避免環(huán)路產生，因為在最大權值到達之前，路由環(huán)路還是會存在。因此路由協(xié)議的設計者又提供了水平分割、路由抑制、抑制時間和觸發(fā)更新等降低環(huán)路產生幾率的方案。水平分割分析產生路由環(huán)路的原因，其中一條就是因為路由器將從某個鄰居學到的路由信息又告訴了這個鄰居。水平分割的思想就是在路由信息傳送過程中，不再把路由信息發(fā)送到接收此路由信息的接口上。路由抑制路由抑制(Route Pois

18、oning)是對水平分割的補充，可以在一定程度上避免路由環(huán)路產生，同時也可以抑制因復位接口等原因，引起的網絡動蕩。這種方法在網絡故障或接口復位時，抑制相應的路由，同時啟動抑制時間，控制路由器在抑制時間內不要輕易更新自己的路由表。從而，避免環(huán)路產生、抑制網絡動蕩。觸發(fā)更新觸發(fā)更新機制是在路由信息產生某些改變時，立即發(fā)送給相鄰路由器一種稱為觸發(fā)更新的信息。路由器監(jiān)測到網絡拓撲變化，立即依次發(fā)送觸發(fā)更新信息給相應路由器，如果每個路由器都這樣做，這個更新會很快傳播到整個網絡。為了確保觸發(fā)信息有足夠的時間在網絡中傳播，將抑制時間和觸發(fā)更新相結合。抑制時間方法有一個規(guī)則就是，當?shù)侥骋荒康木W絡的路徑出現(xiàn)故障

19、，在一定時間內，路由器不輕易接收到這一目的網絡的路徑信息。RIP路由協(xié)議RIP：Routing Information Protocol （路由信息協(xié)議）一種距離矢量路由協(xié)議，屬于IGP協(xié)議RIP協(xié)議適用于中小型網絡，有RIPv1和RIPv2使用UDP進行路由信息的交互，端口號520RIP支持：水平分割、毒性逆轉和觸發(fā)更新RIP每隔30秒向外發(fā)送一次更新報文。如果路由器經過180秒沒有收到來自對端的路由更新報文，則將所有來自此路由器的路由信息標志為不可達；若在其后120秒內仍未收到更新報文，就將該條路由從路由表中刪除。RIPv1 vs. RIPv2RIPv1為有類別路由協(xié)議，不支持VLSM和C

20、IDR以廣播的形式發(fā)送報文不支持驗證RIPv2為無類別路由協(xié)議，支持VLSM，支持路由聚合與CIDR支持以廣播或者組播（224.0.0.9）的形式發(fā)送報文支持明文驗證和MD5密文驗證RIP基本配置默認的RIP版本是1.0?；镜腞IP配置包括： 啟動RIPQuidway RIP 在指定網段使能RIPQuidway network network-address RIP只在指定網段上的接口運行RTA ripRTA-rip-1version 2RTA-rip-1network 192.168.1.0RTA-rip-1network 172.16.0.0RTA ripRTA-rip-1version

21、 2RTA-rip-1network 192.168.1.0RTA-rip-1network 192.168.2.0RTA ripRTA-rip-1version 2RTA-rip-1network 192.168.2.0RTA-rip-1network 10.0.0.0 顯示RIP信息display rip 顯示RIP路由display rip route RIP路由聚合路由聚合是指：同一自然網段內的不同子網的路由在向外發(fā)送時聚合成一條自然掩碼的路由發(fā)送路由聚合對RIPv1不起作用。RIPv2支持無類地址域間路由，缺省情況下，RIPv2啟用路由聚合功能；當需要將所有子網路由廣播出去時，可使用

22、命令undo summary關閉RIPv2的路由聚合功能。引入外部路由可引入到RIP中的路由類型包括：Direct、Static、OSPF、BFP和IS-IS命令：Quidway import-route protocol allow-ibgp cost value route-policy route-policy-name取消引用：Quidway undo import-route protocolOSPFOSPF（開放最短路徑優(yōu)先）是基于鏈路狀態(tài)算法的IGP路由協(xié)議，由互聯(lián)網工程任務組（IETF）開發(fā)。OSPFv1一直處于實驗階段沒有公開使用；目前針對IPv4使用OSPFv2。OSPFv

23、3是針對IPv6技術的版本。OSPF直接運行于IP協(xié)議之上，使用IP協(xié)議號89。Link Layer HeaderIP Packet HeaderOSPF Protocol PacketFrame ChecksumIP 協(xié)議號為協(xié)議號為89OSPF Protocol HeaderOSPF Packet TypesOSPF基本特點 支持無類域間路由(CIDR) 支持區(qū)域劃分OSPF允許自治系統(tǒng)內的網絡被劃分成區(qū)域來管理。通過劃分區(qū)域實現(xiàn)更加靈活的分級管理。 無路由環(huán)路OSPF從設計上保證了無路由環(huán)路。OSPF支持區(qū)域劃分，區(qū)域內部的路由器都使用SPF算法保證了區(qū)域內部的無環(huán)路。區(qū)域之間OSPF通

24、過區(qū)域的鏈接規(guī)則保證了區(qū)域之間無路由子環(huán)。 路由變化收斂速度快OSPF被設計為觸發(fā)更新方式。當網絡拓撲結構發(fā)生變化，新的鏈路狀態(tài)信息會立即泛洪。 使用IP組播收發(fā)協(xié)議數(shù)據OSPF路由器使用組播和單播收發(fā)協(xié)議數(shù)據，因此占用的網絡流量很小。 支持多條等值路由OSPF還支持多條等值路由。當?shù)竭_目的地有多條等值開銷路徑時，流量被均衡地分擔在這些等開銷路徑上，實現(xiàn)負載分擔。更好的利用了鏈路帶寬資源。 支持協(xié)議報文的認證OSPF路由器可以提供認證功能。OSPF路由器之間的報文都可以要經過驗證通過后才能交換，通過驗證可以提高網絡的安全性。鏈路狀態(tài)算法的路由計算過程每個OSPF路由器通過泛洪鏈路狀態(tài)通告LSA

25、即向外發(fā)布本地鏈路狀態(tài)信息。每個路由器都通過收集其他路由器發(fā)布的鏈路狀態(tài)通告以及自身生成的本地鏈路狀態(tài)通告，形成一個鏈路狀態(tài)數(shù)據庫LSDB。LSDB描述了路由域內詳細的網絡拓撲結構。在同一個區(qū)域內，所有路由器上的鏈路狀態(tài)數(shù)據庫LSDB是相同。通過LSDB，每臺路由器以SPF算法計算一個以自己為根，以網絡中其他節(jié)點為葉的最短路徑樹。SPF算法生成的是一棵無環(huán)的最短路徑樹。每臺路由器計算的最短路徑樹即給出了到網絡中其他節(jié)點的路由表。目的網絡目的網絡下一跳下一跳開銷開銷.IP路由表路由表OSPF報文類型Hello報文：最常用的一種報文，用于發(fā)現(xiàn)、維護鄰居關系DD（Database Descripti

26、on）報文：兩臺路由器進行LSDB數(shù)據庫同步時，用DD報文來描述自己的LSDB。內容包括LSDB中每一條LSA的Header（LSA的Header可以唯一標識一條LSA），對端路由器根據LSA Header就可以判斷出是否已有這條LSA。LSR（LSA Request）報文：兩臺路由器互相交換過DD報文后，知道對端的路由器有哪些LSA是本地LSDB所缺少的，這是需要發(fā)送LSR報文向對方請求所需的LSA。LSU（LSA Update）報文：用來向對端路由器發(fā)送所需要的LSA，內容是多條LSA（全部內容）的集合。LSACK（Link State Acknowledgment)報文：用來對接收到的L

27、SU報文進行確認。單區(qū)域OSPF Area 區(qū)域：區(qū)域是一組路由器和網絡的集合。如上圖三臺路由器和所連接的網絡被劃分到同一個區(qū)域。單區(qū)域是指所有運行OSPF協(xié)議的路由器被劃分到同一個區(qū)域。OSPF規(guī)定同一區(qū)域內部LSDB是相同。 Router ID：一臺路由器要運行OSPF協(xié)議，必須存在Router ID。LSDB描述的是整個網絡的拓撲結構，包括網絡中的所有的路由器。所以網絡內每個路由器都需要一個唯一的標識，用于在LSDB中表示自己。這個標識Router ID是一個32位的整數(shù)。Router ID的格式和IP地址的格式是一樣的。單區(qū)域OSPF的配置RTArouter id 1.1.1.1RTA

28、ospfRTA-ospf-1area 0RTA-ospf-1-area-0.0.0.0network 1.1.1.1 0.0.0.0RTA-ospf-1-area-0.0.0.0network 10.1.1.0 0.0.0.255RTA-ospf-1-area-0.0.0.0returnOSPF基本配置：router id router-id:指定此路由器的Router ID。如果不手動指定Router ID，則OSPF自動使用Loopback接口中最大的IP地址作為Router ID，如果沒有配置Loopback接口，則使用物理接口中最大的IP地址作為Router ID。ospf proce

29、ss-id：開啟OSPF。OSPF支持多進程，如果不指定進程號，默認使用進程號碼1area area-id：進入區(qū)域視圖network ip-address wildcard：指定區(qū)域中所包含的網段，指定網段時，要使用該網段網絡掩碼的反碼使用命令display ospf routing來顯示OSPF路由表的信息。OSPF多區(qū)域隨著網絡規(guī)模的增大，當一個網絡中的路由器都運行OSPF時，路由器數(shù)量的增多會導致LSDB非常龐大，占用大量的存儲空間，并使運行SPF的復雜度增加，導致CPU負擔很重。在網絡規(guī)模擴大后，拓撲結構發(fā)生變化的概率也增大，網絡會經常處于動蕩之中，造成網絡中大量的OSPF報文在傳遞，降低了網絡的帶寬利用率。更重要的是，每一次變化都會導致網絡中所有的路由器重新