第七章 路由器技術(shù)和路由選擇協(xié)議

1、于銀輝于銀輝 教授教授吉林大學(xué)吉林大學(xué)通信工程學(xué)院通信工程學(xué)院2 3 7.1.1 路由器的層次結(jié)構(gòu)及用途l1路由器的層次結(jié)構(gòu)l路由器(Router)是在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層協(xié)議轉(zhuǎn)換（以O(shè)SI參考模型為例）。4l2路由器的用途 （1）局域網(wǎng)之間的互連。 （2）局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)（WAN）之間的互連 （3）WAN與WAN的互連。利用路由器互連WAN，要求兩個(gè)WAN只是低三層協(xié)議不同。5l路由器是一種具有多個(gè)輸入端口和多個(gè)輸出端口的專用計(jì)算機(jī)，其任務(wù)是對傳輸?shù)姆纸M進(jìn)行路由選擇并轉(zhuǎn)發(fā)分組（網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳送單位是X.25分組或IP數(shù)據(jù)報(bào)，以后統(tǒng)稱為分組）。l圖7-3給出了一種典型

2、的路由器的基本構(gòu)成框圖。6圖圖7-3 典型的路由器的結(jié)構(gòu)典型的路由器的結(jié)構(gòu)7l1、路由選擇部分l路由選擇部分主要由路由選擇處理機(jī)構(gòu)成，其功能是根據(jù)所采取的路由選擇協(xié)議建立路由表，同時(shí)經(jīng)?；蚨ㄆ诘睾拖噜徛酚善鹘粨Q路由信息而不斷地更新和維護(hù)路由表。8l2、分組轉(zhuǎn)發(fā)部分l 輸入端口功能邏輯上均包括三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和 l 網(wǎng)絡(luò)層l 輸出端口功能邏輯上均包括三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)l 絡(luò)層l 交換結(jié)構(gòu)交換方式：l 通過總線進(jìn)行交換l 通過存儲器進(jìn)行交換l 通過縱橫交換結(jié)構(gòu)進(jìn)行交換9l路由器接口將路由器連接到網(wǎng)絡(luò)，可分為兩類。1、局域網(wǎng)接口l主要包括以太網(wǎng)、令牌環(huán)、令牌總線、FDDI等網(wǎng)絡(luò)接口

3、。10l2、廣域網(wǎng)接口l主要包括ElT1、E3T3、通用串行口(可轉(zhuǎn)換成X21DTEDCE、V35DTEDCE、RS-232DTEDCE、RS-449DTEDCE等)、ATM接口、POS接口等網(wǎng)絡(luò)接口。11l選擇最佳傳輸路由l實(shí)現(xiàn)IP、ICMP、TCP、UDP等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議l流量控制和差錯指示l分段和重新組裝功能l提供網(wǎng)絡(luò)管理和系統(tǒng)支持機(jī)制12按能力劃分 中高端路由器l 中低端路由器按結(jié)構(gòu)劃分 模塊化結(jié)構(gòu)路由器l 非模塊化結(jié)構(gòu)路由器13按位置劃分 核心路由器 接入路由器按功能劃分 為通用路由器 專用路由器按性能劃分 線速路由器 非線速路由器14l1、路由器與二層交換機(jī)的比較工作層次不同數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)所

4、依據(jù)的對象不同廣播控制功能不同應(yīng)用場合不一樣15l2、路由器與三層交換機(jī)的比較主要功能不同主要適用的環(huán)境不一樣性能體現(xiàn)不一樣16 7.2.1 IP網(wǎng)的路由選擇協(xié)議概述l1路由選擇算法分類l路由選擇算法按照其能否隨網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或通信量自適應(yīng)地進(jìn)行調(diào)整變化進(jìn)行分類，路由選擇算法可分為靜態(tài)路由選擇算法和動態(tài)路由選擇算法。17 （1）靜態(tài)路由選擇算法l靜態(tài)路由選擇策略就是非自適應(yīng)路由選擇算法，這是一種不測量、不利用網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，僅按照某種固定規(guī)律進(jìn)行決策的簡單的路由選擇算法。l靜態(tài)路由選擇算法的特點(diǎn)是簡單和開銷較小，但不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。18 （2）動態(tài)路由選擇算法l動態(tài)路由選擇算法即自適應(yīng)式路

5、由選擇算法，是依靠當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息進(jìn)行決策，從而使路由選擇結(jié)果在一定程度上適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓樸與網(wǎng)絡(luò)通信量的變化。19l動態(tài)路由選擇算法的特點(diǎn)是能較好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但實(shí)現(xiàn)起來較為復(fù)雜，開銷也比較大。l動態(tài)路由選擇算法主要包括分布式路由選擇算法和集中式路由選擇算法。20l分布式路由選擇算法是每一節(jié)點(diǎn)通過定期地與相鄰節(jié)點(diǎn)交換路由選擇的狀態(tài)信息來修改各自的路由表，這樣使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由選擇經(jīng)常處于一種動態(tài)變化的狀況。21l集中式路由選擇算法是網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，專門收集各節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送的狀態(tài)信息，然后由該節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，動態(tài)地計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由表，再將新的路由表發(fā)送給各個(gè)節(jié)點(diǎn)。22l2IP網(wǎng)的

6、路由選擇協(xié)議的特點(diǎn)及分類 （1）自治系統(tǒng)AS的概念l由于IP網(wǎng)規(guī)模龐大，為了路由選擇的方便和簡化，一般將整個(gè)IP網(wǎng)劃分為許多較小的區(qū)域，稱為自治系統(tǒng)AS。23 （2）IP網(wǎng)的路由選擇協(xié)議的特點(diǎn)屬于自適應(yīng)的(即動態(tài)的)；是分布式路由選擇協(xié)議；IP網(wǎng)采用分層次的路由選擇協(xié)議，即分自治系統(tǒng)內(nèi)部和自治系統(tǒng)外部路由選擇協(xié)議。24 （3）IP網(wǎng)的路由選擇協(xié)議分類l內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP在一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)部使用的路由選擇協(xié)議。具體的協(xié)議有RIP和OSPF等。25l外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議EGP兩個(gè)自治系統(tǒng)（使用不同的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）之間使用的路由選擇協(xié)議。目前使用最多的是BGP（即BGP-4）。注意此處的網(wǎng)關(guān)實(shí)際指的是路由器。

7、26l1、RIP協(xié)議的工作原理 (1)RIP協(xié)議的概念lRIP是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協(xié)議，它要求網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)路由器都要維護(hù)從自己到其他每一個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)的最短距離記錄。27lRIP協(xié)議中“距離”（也稱為“跳數(shù)”）的定義為:從一路由器到直接連接的網(wǎng)絡(luò)的距離定義為1。28從一個(gè)路由器到非直接連接的網(wǎng)絡(luò)的距離定義為所經(jīng)過的路由器數(shù)加1。（每經(jīng)過一個(gè)路由器，跳數(shù)就加1）lRIP所謂的“最短距離”指的是選擇具有最少路由器的路由。lRIP允許一條路徑最多只能包含15個(gè)路由器。l“距離”的最大值為16時(shí)即相當(dāng)于不可達(dá)。29l2、RIP2協(xié)議的報(bào)文格式RIP2的報(bào)文由首部和路由部分組成。30圖圖7

8、-9 RIP2的報(bào)文格式的報(bào)文格式31 （1）RIP2報(bào)文的首部lRIP2報(bào)文的首部有4個(gè)字節(jié)：命令字段占1個(gè)字節(jié)，用于指出報(bào)文的意義；版本字段占1個(gè)字節(jié)，指出RIP協(xié)議的版本；填充字段的作用是填“0”使首部補(bǔ)齊4字節(jié)。32 （2）RIP2報(bào)文的路由部分lRIP2報(bào)文中的路由部分由若干個(gè)路由信息組成，每個(gè)路由信息需要用20個(gè)字節(jié)，用于描述到某一目的網(wǎng)絡(luò)的一些信息。 RIP協(xié)議規(guī)定路由信息最多可重復(fù)出現(xiàn)25個(gè)。33l每個(gè)路由信息中各部分的作用如下：地址族標(biāo)識符（AFI，2個(gè)字節(jié)）用來標(biāo)志所使用的地址協(xié)議，IP的AFI為2。路由標(biāo)記（2個(gè)字節(jié)）路由標(biāo)記填入自治系統(tǒng)的號碼，這是考慮使RIP有可能收到

9、本自治系統(tǒng)以外的路由選擇信息。34網(wǎng)絡(luò)地址（4個(gè)字節(jié)）表示目的網(wǎng)絡(luò)的IP地址。子網(wǎng)掩碼（4個(gè)字節(jié)）表示目的網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)掩碼。35下一跳路由器地址（4個(gè)字節(jié)）表示要到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的下一跳路由器的IP地址。距離（4個(gè)字節(jié)）表示到目的網(wǎng)絡(luò)的距離。36l3、距離向量算法l設(shè)某路由器收到相鄰路由器（其地址為X）的一個(gè)RIP報(bào)文：37 （1）先修改此RIP報(bào)文中的所有項(xiàng)目：將“下一跳”字段中的地址都改為X，并將所有的“距離”字段的值加1。（這樣做是為了便于進(jìn)行路由表的更新）38 （2）對修改后的RIP報(bào)文中的每一個(gè)項(xiàng)目，重復(fù)以下步驟：若項(xiàng)目中的目的網(wǎng)絡(luò)不在路由表中，則將該項(xiàng)目加到路由表中。（表明這是新的目的網(wǎng)

10、絡(luò)）39若項(xiàng)目中的目的網(wǎng)絡(luò)在路由表中：l若下一跳字段給出的路由器地址是同樣的，則將收到的項(xiàng)目替換原路由表中的項(xiàng)目。（因?yàn)橐宰钚碌南闇?zhǔn)）40l否則 若收到項(xiàng)目中的距離小于路由表 l 中的距離，則進(jìn)行更新。l 否則，什么也不做。41 （3）若3分鐘還沒有收到相鄰路由器的更新路由表，則將此相鄰路由器記為不可達(dá)的路由器，即將距離置為16（距離為16表示不可達(dá)）。 （4）返回。42l利用上述距離向量算法，互聯(lián)網(wǎng)中的所有路由器都和自己的相鄰路由器不斷交換路由信息，并不斷更新其路由表，這樣，每一個(gè)路由器都知道到各個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)的最短路由。43l下面舉例說明因特網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議采用RIP時(shí)，各路由器路由表的建

11、立、交換和更新情況。l例：幾個(gè)用路由器互連的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下，分別標(biāo)出各路由器的初始路由表和最終路由表。4445l一開始，各路由表只有到相鄰網(wǎng)絡(luò)的路由信息：4647l收到了相鄰路由器的路由表，進(jìn)行路由表的更新。4849l4、RIP協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)實(shí)現(xiàn)簡單；開銷較小。（1）優(yōu)點(diǎn)50當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，要經(jīng)過比較長的時(shí)間才能將此信息傳送到所有的路由器，即壞消息傳播得慢。因?yàn)镽IP“距離”的最大值限制為15，所以也影響了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。（2）主要缺點(diǎn)51由于路由器之間交換的路由信息是路由器中的完整路由表，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，開銷必然會增加。RIP協(xié)議適合規(guī)模較小的網(wǎng)絡(luò)。l為了克服RIP協(xié)議的缺點(diǎn)，1989年開發(fā)

12、了另一種內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議OSPF協(xié)議。521、OSPF協(xié)議的要點(diǎn)lOSPF是分布式的鏈路狀態(tài)協(xié)議。l“鏈路狀態(tài)”是說明本路由器都和哪些路由器相鄰，以及該鏈路的“度量”。53l“度量”的含義是廣泛的，它可表示距離、時(shí)延、費(fèi)用、帶寬等。l歸納起來，OSPF協(xié)議有以下幾個(gè)要點(diǎn)：54 （1）OSPF使用洪泛法向本自治系統(tǒng)中的所有路由器發(fā)送信息，即每個(gè)路由器向所有其它相鄰路由器發(fā)送信息（但不再發(fā)送給剛剛發(fā)來信息的那個(gè)路由器）。所發(fā)送的信息就是與本路由器相鄰的所有路由器的鏈路狀態(tài)。55 （2）只有當(dāng)鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，路由器才用洪泛法向所有路由器發(fā)送此信息。56 （3）各路由器之間頻繁地交換鏈路狀態(tài)信息，所有

13、的路由器最終都能建立一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，它與全網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖相對應(yīng)。每一個(gè)路由器使用鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)可構(gòu)造出自己的路由表。57 （4）OSPF還規(guī)定每隔一段時(shí)間，如30分鐘，要刷新一次數(shù)據(jù)庫中的鏈路狀態(tài)。以確保鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的同步（即每個(gè)路由器所具有的全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖都是一樣的）。58l2、OSPF分組（OSPF數(shù)據(jù)報(bào)） （1）OSPF分組格式59 圖圖7-19 OSPF分組格式分組格式60（2）OSPF的五種分組類型類型1，問候分組，用來發(fā)現(xiàn)和維持鄰站的可達(dá)性。類型2，數(shù)據(jù)庫描述分組，向鄰站給出自己的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中的所有鏈路狀態(tài)項(xiàng)目的摘要信息。61類型3，鏈路狀態(tài)請求分組，向?qū)Ψ秸埱蟀l(fā)

14、送某些鏈路狀態(tài)項(xiàng)目的詳細(xì)信息。類型4，鏈路狀態(tài)更新分組，用洪泛法對全網(wǎng)更新鏈路狀態(tài)。62類型5，鏈路狀態(tài)確認(rèn)分組，對鏈路狀態(tài)更新分組的確認(rèn)。l類型3、4、5三種分組是當(dāng)鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，各路由器之間交換的分組，以達(dá)到鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫的同步。63l3、OSPF的特點(diǎn) （1）由于一個(gè)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(gè)互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模并無直接關(guān)系，因此OSPF適合規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)。64 （2）OSPF是動態(tài)算法，能自動和快速地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化。 （3）OSPF沒有“壞消息傳播得慢”的問題，其響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)變化的時(shí)間小于100ms。65 （4）OSPF支持基于服務(wù)類型的路由選擇。 （5）

15、如果到同一個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)有多條相同代價(jià)的路徑，OSPF可以將通信量分配給這幾條路徑多路徑間的負(fù)載平衡。66 （6）OSPF有分級支持能力。 （7）有良好的安全性。 （8）支持可變長度的子網(wǎng)劃分和無分類編址CIDR。671、BGP協(xié)議的概念lBGP是不同自治系統(tǒng)的路由器之間交換路由信息的協(xié)議，它是一種路徑向量路由選擇協(xié)議。68lBGP協(xié)議的路由度量方法鏈路是否穩(wěn)定、速度是否快和可靠性是否高等。l因?yàn)镮nternet的規(guī)模龐大，自治系統(tǒng)之間的路由選擇非常復(fù)雜，要尋找最佳路由很不容易實(shí)現(xiàn)。69l而且，自治系統(tǒng)之間的路由選擇還要考慮一些與政治、經(jīng)濟(jì)和安全有關(guān)的策略。 所以BGP與內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議RIP和OSP

16、F不同，它只能是力求尋找一條能夠到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)且比較好的路由，而并非要尋找一條最佳路由。70l2、BGP協(xié)議基本原理 （1）BGP協(xié)議的基本功能交換網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性信息；建立AS路徑列表，從而構(gòu)建出一幅AS和AS間的網(wǎng)絡(luò)連接圖。71lBGP路由器BGP協(xié)議是通過BGP路由器來交換自治系統(tǒng)之間網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性信息的。l每一個(gè)自治系統(tǒng)要確定至少一個(gè)路由器作為該自治系統(tǒng)的BGP路由器，一般就是自治系統(tǒng)邊界路由器。lBGP路由器和自治系統(tǒng)AS的關(guān)系如圖7-20所示。72圖圖7-20 BGP路由器和自治系統(tǒng)路由器和自治系統(tǒng)AS的關(guān)系的關(guān)系73（2）BGP交換路由信息的過程l一個(gè)BGP路由器與其他自治系統(tǒng)中的BGP

17、路由器要交換路由信息，步驟為：74l首先建立TCP連接。l在此連接上交換BGP報(bào)文以建立BGP會話。l利用BGP會話交換路由信息，如增加了新的路由、撤消了過時(shí)的路由及報(bào)告出差錯情況等。75l使用TCP連接交換路由信息的兩個(gè)BGP路由器，彼此成為對方的鄰站或?qū)Φ日?。l每個(gè)BGP路由器記錄的是使用的確切路由，而不是到某目的地的開銷。76l每個(gè)BGP路由器不是定期地向它的鄰站提供到每個(gè)可能目的地的開銷，而是向鄰站說明它正在使用的確切路由。77lBGP路由器互相交換網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性的信息（就是要到達(dá)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)所要經(jīng)過的一系列自治系統(tǒng)）后，各BGP路由器根據(jù)所采用的策略就可從收到的路由信息中找出到達(dá)各自治系統(tǒng)的比較好的路由，即構(gòu)造出對應(yīng)上圖自治系統(tǒng)的連通圖，如圖7-22所示。78圖圖7-22 自治系統(tǒng)的連通圖自治系統(tǒng)的連通圖79l3、BGP協(xié)議的特點(diǎn)（1）BGP協(xié)議是在自治系統(tǒng)中BGP路由器之