《工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用（微課版）》 課件 第5章 路由技術(shù)

天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)李穎工業(yè)控制系統(tǒng)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)第5章路由技術(shù)第5章路由技術(shù)以太網(wǎng)交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層，用于在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。而工廠網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)一般會比較復(fù)雜，不同的部門，或者總部和分支可能處在不同的網(wǎng)絡(luò)中，此時就需要使用路由器或三層交換機來連接不同的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。5.1路由基礎(chǔ)路由（routing）是指分組從源到目的地時，決定端到端路徑的網(wǎng)絡(luò)范圍的進程，通俗的講路由是指路由器從一個接口上收到數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包的目的地址進行定向并轉(zhuǎn)發(fā)到另一個接口的過程。5.1.1路由功能概述路由工作在OSI參考模型第三層（網(wǎng)絡(luò)層）。路由器通過轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。路由器通常連接兩個或多個由IP子網(wǎng)或點到點協(xié)議標識的邏輯端口，至少擁有1個物理端口。路由器根據(jù)收到數(shù)據(jù)包中的網(wǎng)絡(luò)層地址以及路由器內(nèi)部維護的路由表決定輸出端口以及下一跳地址，并且重寫鏈路層數(shù)據(jù)包頭實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。1.路由器的主要功能確定發(fā)送數(shù)據(jù)包的最佳路徑；將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目的地。5.1.1路由功能概述2.網(wǎng)關(guān)與下一跳地址網(wǎng)關(guān)（Gateway）就是一個網(wǎng)絡(luò)連接到另一個網(wǎng)絡(luò)的“關(guān)口”，也就是網(wǎng)絡(luò)關(guān)卡。如圖5-1所示，兩臺PC處于不同的網(wǎng)絡(luò)中，要實現(xiàn)通信就要由中間的兩個三層交換機配置路由功能來完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。對于PC1而言，它的網(wǎng)關(guān)地址就是所連接的XM408-1交換機的入口地址192.168.1.1；對于PC2而言，它的網(wǎng)關(guān)地址就是所連接的XM408-2交換機的入口地址192.168.2.1。5.1.1路由功能概述下一跳的地址通常指的是當前路由條目要到達的目標地址需要經(jīng)過的本路由器能夠達到的下一個路由器的IP。如圖5-1所示，因為圖中只有兩個路由設(shè)備，因此對于XM408-1而言，它的下一跳必然是去往XM408-2的，下一跳地址就是所連接的對端接口的IP地址192.168.3.2；反過來對于XM408-2而言，它的下一跳必然是去往XM408-1的，下一跳地址就是所連接的對端接口的IP地址192.168.3.1。5.1.2路由表所謂路由表，指的是路由器、三層交換機或者其他互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上存儲的表，該表中存有到達特定網(wǎng)絡(luò)終端的路徑，在某些情況下，還有一些與這些路徑相關(guān)的度量。1.路由表的信息構(gòu)成路由器的路由表存儲下列信息：（1）直連路由。這些路由來自于活動的路由接口。當接口配置了IP地址并激活時，路由設(shè)備會自動將直連路由添加到路由表中。（2）遠程路由。這些路由是連接到其他路由器的遠程網(wǎng)絡(luò)。路由設(shè)備可通過兩種方式獲知遠程網(wǎng)絡(luò)：一是手動方式，使用靜態(tài)路由將遠程網(wǎng)絡(luò)手動輸入到路由表中；二是動態(tài)方式，使用動態(tài)路由協(xié)議（如RIP、OSPF）自動獲取遠程路由。2.度量度量是用于衡量給定網(wǎng)絡(luò)距離的量化值。指向網(wǎng)絡(luò)的路徑中，度量最低的路徑即為最佳路徑。5.1.3第三層交換技術(shù)第三層交換技術(shù)也稱為IP交換技術(shù)、高速路由技術(shù)等。第三層交換技術(shù)是相對于傳統(tǒng)交換概念而提出的。眾所周知，傳統(tǒng)的交換技術(shù)是在OSI網(wǎng)絡(luò)標準模型中的第二層——數(shù)據(jù)鏈路層進行操作的，而第三層交換技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)模型中的第三層實現(xiàn)了數(shù)據(jù)包的高速轉(zhuǎn)發(fā)。西門子SCALANCEXM408交換機支持以下路由功能：（1）本地路由：實現(xiàn)本地不同VLAN間的通信。（2）靜態(tài)路由：需要在路由表中手動輸入路徑。（3）動態(tài)路由：路由表中的條目會動態(tài)變化并持續(xù)進行更新。使用以下動態(tài)路由協(xié)議之一創(chuàng)建條目：OSPFv2和RIPv2。（4）路由器冗余：通過標準化VRRP（VirtualRouterRedundancyProtocol，虛擬路由器冗余協(xié)議），可使用冗余路由器來提高重要網(wǎng)關(guān)的可用性。5.2靜態(tài)路由靜態(tài)路由是在路由器中設(shè)置的固定的路由表。除非網(wǎng)絡(luò)管理員干預(yù)，否則靜態(tài)路由不會發(fā)生變化。路由器不必為路由表項的生成花費大量資源。由于靜態(tài)路由不能對網(wǎng)絡(luò)的改變作出反映，一般用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大、拓撲結(jié)構(gòu)固定的網(wǎng)絡(luò)中靜態(tài)路由相對于動態(tài)路由有以下優(yōu)勢：（1）靜態(tài)路由不通過網(wǎng)絡(luò)通告，從而能夠提高安全性。（2）靜態(tài)路由比動態(tài)路由協(xié)議使用更少的帶寬，且不需要使用CPU周期計算和交換路由信息。（3）靜態(tài)路由用來發(fā)送數(shù)據(jù)的路徑已知?？傊o態(tài)路由的優(yōu)點是簡單、高效、可靠。在所有的路由中，靜態(tài)路由優(yōu)先級最高。當動態(tài)路由與靜態(tài)路由發(fā)生沖突時，以靜態(tài)路由為準。5.2靜態(tài)路由但靜態(tài)路由也有以下缺點：（1）初始配置和維護耗費時間。（2）配置容易出錯，尤其對于大型網(wǎng)絡(luò)。（3）需要管理員維護變化的路由信息。（4）不能隨著網(wǎng)絡(luò)的增長而擴展；維護會越來越麻煩。（5）需要完全了解整個網(wǎng)絡(luò)的情況才能進行操作。5.2.2默認路由默認路由是匹配所有數(shù)據(jù)包的路由，在數(shù)據(jù)包與路由表中的任何其他更有針對性的路由不匹配時使用。默認路由可以動態(tài)獲取，也可以靜態(tài)配置。默認靜態(tài)路由僅是0.0.0.0/0作為目標IPv4地址的靜態(tài)路由。配置默認靜態(tài)路由將創(chuàng)建在路由表最后，選用網(wǎng)關(guān)。出現(xiàn)以下情況時，便會用到默認靜態(tài)路由：（1）路由表中沒有其他路由與數(shù)據(jù)包的目標IP地址匹配。也就是說，路由表中不存在更為精確的匹配。在公司網(wǎng)絡(luò)中，連接到ISP網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器上往往會配置默認靜態(tài)路由。（2）如果一臺路由設(shè)備僅有另外一臺路由設(shè)備與之相連，在這種情況下，該路由設(shè)備被稱為末節(jié)路由設(shè)備，通常會配置默認靜態(tài)路由。5.3動態(tài)路由動態(tài)路由是與靜態(tài)路由相對的一個概念，指路由設(shè)備能夠根據(jù)相互之間交換的特定路由信息自動地建立自己的路由表，并且能夠根據(jù)鏈路和節(jié)點的變化適時地進行自動調(diào)整。當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點或節(jié)點間的鏈路發(fā)生故障、或存在其它新的可用路由時，動態(tài)路由可以自行選擇最佳的可用路由并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)報文。5.3.1動態(tài)路由概述1.動態(tài)路由的特點與靜態(tài)路由相比，動態(tài)路由具有如下特點：（1）無需管理員手工維護，減輕了管理員的工作負擔(dān)；（2）會占用一定網(wǎng)絡(luò)帶寬、CPU及內(nèi)存資源；（3）在路由器上運行路由協(xié)議，使路由器可以自動根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)的變化調(diào)整路由條目；（4）適合網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、拓撲復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。5.3.1動態(tài)路由概述2.動態(tài)路由協(xié)議概述路由協(xié)議是用于路由器之間交換路由信息的協(xié)議。路由協(xié)議由一組處理進程、算法和消息組成，用于交換路由信息，并將其選擇的最佳路徑添加到路由表中。動態(tài)路由協(xié)議的用途包括：（1）發(fā)現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)，選擇通往目標網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑；（2）維護最新路由信息，當前路徑無法使用時找出新的最佳路徑。5.3.1動態(tài)路由概述動態(tài)路由協(xié)議按照其應(yīng)用范圍通常分為兩大類，如圖5-2所示。（1）內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（InteriorGatewayProtocol，IGP）：在一個自治系統(tǒng)內(nèi)部使用的路由選擇協(xié)議，常用的有RIP和OSPF協(xié)議。（2）外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（ExternalGatewayProtocol，EGP）：在不同自治系統(tǒng)之間進行路由選擇時使用的協(xié)議，使用最多的是BGP-4協(xié)議。自治系統(tǒng)（AutonomousSystem，AS）是指在單一技術(shù)管理下的許多網(wǎng)絡(luò)、IP地址以及路由器，在每一個AS內(nèi)部采用單一的、一致的路由選擇策略，使用相同的路由選擇協(xié)議和共同的度量。整個互聯(lián)網(wǎng)被劃分為許多較小的自治系統(tǒng)AS，方便采用分層次的路由選擇協(xié)議。5.3.2RIP動態(tài)路由協(xié)議路由信息協(xié)議（RoutingInformationProtocol，簡稱RIP）是應(yīng)用較早、使用較普遍的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，作為一種分布式的、基于距離向量的路由選擇協(xié)議，也是互聯(lián)網(wǎng)的標準協(xié)議，它最大的優(yōu)點是配置簡單。1.RIP協(xié)議的度量RIP協(xié)議定義路由器到直連網(wǎng)絡(luò)的距離為1，到非直連網(wǎng)絡(luò)的距離等于所經(jīng)過的路由器數(shù)加1。RIP協(xié)議中的“距離”也稱為“跳數(shù)”（hopcount），每經(jīng)過一個路由器跳數(shù)就加1，如圖5-3所示。5.3.2RIP動態(tài)路由協(xié)議RIP使用單個路由選擇標準（跳數(shù)）來度量源網(wǎng)絡(luò)到目標網(wǎng)絡(luò)之間的距離。跳數(shù)最小即為最佳路由，跳數(shù)相同則為等代價路由。如圖5-3所示，路由A-B-E的距離為2，路由A-C-D-E的距離為3，因此A-B-E為最佳路由。由于RIP協(xié)議最多支持的跳數(shù)為15，跳數(shù)16表示不可達，因此對伸縮性有一定的限制，不適用于大型網(wǎng)絡(luò)。5.3.2RIP動態(tài)路由協(xié)議2.RIP路由更新過程RIP路由更新是通過UDP報文來和相鄰路由器交換路由選擇信息，每30秒周期性發(fā)送一次，當網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時也發(fā)送消息。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(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大開銷也會增加。如圖5-4所示，當路由器在完成配置后的協(xié)議初始化階段，各自的路由表中只有直連鏈路的相關(guān)路由信息。5.3.2RIP動態(tài)路由協(xié)議經(jīng)過一段時間，到達路由更新周期后，三臺路由器之間開始執(zhí)行第一次完整的路由表更新，結(jié)果如圖5-5所示。5.3.2RIP動態(tài)路由協(xié)議再經(jīng)過一個路由更新周期，各路由器發(fā)起第二次路由更新，同樣的，將各自完整的路由表廣播發(fā)送給鄰居路由器，結(jié)果如圖5-6所示。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議OSPF是OpenShortestPathFirst的縮寫，意為開放最短路徑優(yōu)先，它是一個基于鏈路狀態(tài)的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。在IP網(wǎng)絡(luò)上，OSPF通過收集和傳遞自治系統(tǒng)的鏈路狀態(tài)來動態(tài)地發(fā)現(xiàn)并傳播路由信息，使用IP組播的方式發(fā)送和接收報文。OSPF是一種相對復(fù)雜的路由協(xié)議，適用于大型復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。1.OSPF協(xié)議術(shù)語（1）路由器ID（RouterID）RouterID用于標識OSPF路由器。連續(xù)的OSPF路由器組成的網(wǎng)絡(luò)叫OSPF域，域內(nèi)RouterID必須唯一，也就是在同一個域內(nèi)不允許出現(xiàn)兩臺相同RouterID的路由器。RouterID可以手動設(shè)置，也可以自動生成。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議（2）鄰居表運行OSPF協(xié)議的路由器之間會建立鄰居關(guān)系、形成鄰居表，鄰居表中存放與當前路由器是鄰居關(guān)系的設(shè)備信息，路由器通過鄰居表向其他路由器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)拓撲。OSPF使用Hello報文來動態(tài)發(fā)現(xiàn)鄰居并維護鄰居關(guān)系。（3）鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（LSDB）當路由器建立了鄰居表以后，運行OSPF路由協(xié)議的路由器會互相通告自己所知道的網(wǎng)絡(luò)拓撲從而建立LSDB，在同一個區(qū)域內(nèi)的所有路由器應(yīng)該形成相同的LSDB。（4）LSA和LSU運行OSPF路由協(xié)議的路由器在發(fā)現(xiàn)鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，會觸發(fā)地發(fā)出鏈路狀態(tài)通告（LSA）。該通告記錄了鏈路狀態(tài)變化信息的數(shù)據(jù)，它必須封裝在鏈路狀態(tài)更新包（LSU）中在網(wǎng)絡(luò)上傳遞。一個LSU可以包含多個LSA。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議（5）DR和BDR當幾臺路由器工作在同一網(wǎng)段上時，為了減少網(wǎng)絡(luò)中路由信息的交換數(shù)量，OSPF定義了指定路由器（DesignatedRouter，DR）和備份指定路由器BDR（BackupDesignatedRouter，BDR）。DR和BDR負責(zé)收集網(wǎng)絡(luò)中的鏈路狀態(tài)通告，并且將它們集中發(fā)送給其他的路由器。（6）區(qū)域OSPF路由協(xié)議會把大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)劃分成為小的區(qū)域，這樣可以有效地減少路由選擇協(xié)議對路由器的CPU和內(nèi)存的占用。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議2.OSPF協(xié)議工作過程（1）建立鄰接關(guān)系在發(fā)送任何LSA通告前，OSPF路由器都必須首先發(fā)現(xiàn)它們的鄰居路由表并建立鄰接關(guān)系。鄰居建立關(guān)聯(lián)關(guān)系的最終目的是為了形成鄰居之間的鄰接關(guān)系，以相互傳送路由選擇信息。兩個路由器相互發(fā)送Hello數(shù)據(jù)包，路由器根據(jù)收到的Hello數(shù)據(jù)包了解附近有哪些OSPF路由器，同時會檢查Hello數(shù)據(jù)包的內(nèi)容。在點對點網(wǎng)絡(luò)中，當兩個路由都收到來自對方的Hello數(shù)據(jù)包之后，就可直接建立連接（鄰接）。如果可以訪問網(wǎng)絡(luò)中的多個鄰居路由器，則需根據(jù)Hello數(shù)據(jù)包的信息來選舉DR和BDR。最高優(yōu)先級的路由器被選舉成DR；如果優(yōu)先級相同則最高RouterID的路由器被選舉成DR。選舉完成后，路由器只需與指定路由器DR建立連接（鄰接）。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議（2）數(shù)據(jù)庫同步鄰居路由器首先決定由哪個路由器啟動信息交換。在點對點網(wǎng)絡(luò)中，RouterID較大的路由器將成為主路由器，開始和對端從路由器相互交換鏈路狀態(tài)信息；在多路訪問網(wǎng)絡(luò)中，DR與BDR相互交換鏈路狀態(tài)信息，并同時與本網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他路由器交換鏈路狀態(tài)信息。鏈路狀態(tài)信息包含OSPF網(wǎng)絡(luò)拓撲內(nèi)的詳細鏈路信息，信息交換完成后，路由器之間將建立完全鄰接關(guān)系，同時每個路由器都會擁有自己獨立的、完整的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（LSDB）。在同一個區(qū)域內(nèi)的所有路由器應(yīng)該形成相同的LSDB。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議（3）路由選擇當一臺路由器擁有完整獨立的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫后，OSPF路由器依據(jù)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，獨立地使用SPF最短路徑優(yōu)先算法計算出到每一個目的網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑，即cost值最小的路徑，并將其添加到路由表中。（4）路由維護當鏈路發(fā)生故障時，直連路由器將使用組播地址224.0.0.6向DR發(fā)送LSU鏈路狀態(tài)更新信息；DR收到后將使用組播地址224.0.0.5立即通知OSPF域內(nèi)的其它路由器；其他路由器收到來自DR的LSU后將立即更新自己的路由表。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議3.多區(qū)域OSPFOSPF可以將自治系統(tǒng)AS分成多個不同的區(qū)域，其中區(qū)域0時主干區(qū)域，所有其他區(qū)域都必須連接到該區(qū)域，如圖5-7所示。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議實施多區(qū)域OSPF的主要優(yōu)點是：（1）路由表減小。一個區(qū)域內(nèi)部的路由表條目減少，同時可以匯總區(qū)域之間的網(wǎng)絡(luò)地址。（2）鏈路狀態(tài)更新開銷減少。LSA更新信息只需在區(qū)域內(nèi)部傳遞。（3）SPF重計算次數(shù)減少。只有本區(qū)域內(nèi)發(fā)生拓撲變化時才會啟動SPF重計算最佳路由。5.3.3OSPF動態(tài)路由協(xié)議4.OSPF協(xié)議特點OSPF協(xié)議具有如下特點：（1）OSPF支持各種規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，最多可支持百臺路由器。（2）快速收斂。如果網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，OSPF立即發(fā)送更新報文，使這一變化在自治系統(tǒng)中同步。（3）無自環(huán)。由于OSPF通過收集到的鏈路狀態(tài)用SPF最短路徑樹算法計算路由，故從算法本身保證了不會生成自環(huán)路由。（4）路由分級。OSPF使用4類不同的路由，按優(yōu)先順序來說分別是：區(qū)域內(nèi)路由、區(qū)域間路由、第一類外部路由、第二類外部路由。5.4VRRP虛擬路由冗余在工業(yè)生產(chǎn)中，冗余是非常重要的事情。能夠避免一旦一個設(shè)備出現(xiàn)故障后影響整個生產(chǎn)的進行。同樣網(wǎng)絡(luò)通信中也需要冗余，比如二層通信的冗余，使用的是環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù)：MRP或HRP協(xié)議；那么三層通信的冗余呢？在三層路由的環(huán)境中，如何讓設(shè)備的網(wǎng)關(guān)也可以冗余呢？一旦一個提供網(wǎng)關(guān)的設(shè)備出現(xiàn)問題，可以自動切換到另一臺設(shè)備進行路由轉(zhuǎn)發(fā)。我們可以通過VRRP技術(shù)來實現(xiàn)這樣的應(yīng)用。5.4.1VRRP概述VRRP虛擬路由冗余協(xié)議（VirtualRouterRedundancyProtocol，簡稱VRRP）是由IETF提出的解決局域網(wǎng)中配置靜態(tài)網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)單點失效現(xiàn)象的路由協(xié)議一個局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有主機都設(shè)置缺省路由，當網(wǎng)內(nèi)主機發(fā)出的目的地址不在本網(wǎng)段時，報文將被通過缺省路由發(fā)往外部路由器，從而實現(xiàn)了主機與外部網(wǎng)絡(luò)的通信。當缺省路由器down掉（即端口關(guān)閉）之后，內(nèi)部主機將無法與外部通信，如果路由器設(shè)置了VRRP時，那么這時虛擬路由將啟用備份路由器，從而實現(xiàn)全網(wǎng)通信。5.4.2VRRP中路由器的角色1.VRRP路由器和虛擬路由器VRRP路由器是指運行VRRP的路由器，是物理實體。虛擬路由器是指VRRP協(xié)議創(chuàng)建的，是邏輯概念。網(wǎng)段中的多個VRRP路由器以邏輯組的形式組合在一起協(xié)同工作，共同構(gòu)成一臺虛擬路由器（VirtualRouter，VR）。該組使用虛擬ID進行定義，組中路由器的虛擬ID必須相同，且該虛擬ID不能再用于其它組。虛擬路由器對外表現(xiàn)為一個具有唯一固定的IP地址和MAC地址的邏輯路由器。5.4.2VRRP中路由器的角色2.主路由器和備份路由器處于同一個VRRP組中的路由器具有兩種互斥的角色：主路由器和備份路由器。一個VRRP組中有且只有一臺處于主控角色的路由器，可以有一個或者多個處于備份角色的路由器。VRRP協(xié)議從路由器組中選出一臺作為