第七章 路由器技術和路由選擇協議

1、于銀輝于銀輝 教授教授吉林大學吉林大學通信工程學院通信工程學院2 3 7.1.1 路由器的層次結構及用途l1路由器的層次結構l路由器(Router)是在網絡層實現網絡互連，可實現網絡層、鏈路層和物理層協議轉換（以OSI參考模型為例）。4l2路由器的用途 （1）局域網之間的互連。 （2）局域網與廣域網（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WAN只是低三層協議不同。5l路由器是一種具有多個輸入端口和多個輸出端口的專用計算機，其任務是對傳輸的分組進行路由選擇并轉發(fā)分組（網絡層的數據傳送單位是X.25分組或IP數據報，以后統稱為分組）。l圖7-3給出了一種典型

2、的路由器的基本構成框圖。6圖圖7-3 典型的路由器的結構典型的路由器的結構7l1、路由選擇部分l路由選擇部分主要由路由選擇處理機構成，其功能是根據所采取的路由選擇協議建立路由表，同時經?；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路由表。8l2、分組轉發(fā)部分l 輸入端口功能邏輯上均包括三層：物理層、數據鏈路層和 l 網絡層l 輸出端口功能邏輯上均包括三層：物理層、數據鏈路層和網l 絡層l 交換結構交換方式：l 通過總線進行交換l 通過存儲器進行交換l 通過縱橫交換結構進行交換9l路由器接口將路由器連接到網絡，可分為兩類。1、局域網接口l主要包括以太網、令牌環(huán)、令牌總線、FDDI等網絡接口

3、。10l2、廣域網接口l主要包括ElT1、E3T3、通用串行口(可轉換成X21DTEDCE、V35DTEDCE、RS-232DTEDCE、RS-449DTEDCE等)、ATM接口、POS接口等網絡接口。11l選擇最佳傳輸路由l實現IP、ICMP、TCP、UDP等互聯網協議l流量控制和差錯指示l分段和重新組裝功能l提供網絡管理和系統支持機制12按能力劃分 中高端路由器l 中低端路由器按結構劃分 模塊化結構路由器l 非模塊化結構路由器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的比較工作層次不同數據轉發(fā)所

4、依據的對象不同廣播控制功能不同應用場合不一樣15l2、路由器與三層交換機的比較主要功能不同主要適用的環(huán)境不一樣性能體現不一樣16 7.2.1 IP網的路由選擇協議概述l1路由選擇算法分類l路由選擇算法按照其能否隨網絡的拓撲結構或通信量自適應地進行調整變化進行分類，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路由選擇算法，這是一種不測量、不利用網絡狀態(tài)信息，僅按照某種固定規(guī)律進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是簡單和開銷較小，但不能適應網絡狀態(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式路

5、由選擇算法，是依靠當前網絡的狀態(tài)信息進行決策，從而使路由選擇結果在一定程度上適應網絡拓樸與網絡通信量的變化。19l動態(tài)路由選擇算法的特點是能較好地適應網絡狀態(tài)的變化，但實現起來較為復雜，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)點通過定期地與相鄰節(jié)點交換路由選擇的狀態(tài)信息來修改各自的路由表，這樣使整個網絡的路由選擇經常處于一種動態(tài)變化的狀況。21l集中式路由選擇算法是網絡中設置一個節(jié)點，專門收集各節(jié)點定期發(fā)送的狀態(tài)信息，然后由該節(jié)點根據網絡狀態(tài)信息，動態(tài)地計算出每個節(jié)點的路由表，再將新的路由表發(fā)送給各個節(jié)點。22l2IP網的

6、路由選擇協議的特點及分類 （1）自治系統AS的概念l由于IP網規(guī)模龐大，為了路由選擇的方便和簡化，一般將整個IP網劃分為許多較小的區(qū)域，稱為自治系統AS。23 （2）IP網的路由選擇協議的特點屬于自適應的(即動態(tài)的)；是分布式路由選擇協議；IP網采用分層次的路由選擇協議，即分自治系統內部和自治系統外部路由選擇協議。24 （3）IP網的路由選擇協議分類l內部網關協議IGP在一個自治系統內部使用的路由選擇協議。具體的協議有RIP和OSPF等。25l外部網關協議EGP兩個自治系統（使用不同的內部網關協議）之間使用的路由選擇協議。目前使用最多的是BGP（即BGP-4）。注意此處的網關實際指的是路由器。

7、26l1、RIP協議的工作原理 (1)RIP協議的概念lRIP是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協議，它要求網絡中的每一個路由器都要維護從自己到其他每一個目的網絡的最短距離記錄。27lRIP協議中“距離”（也稱為“跳數”）的定義為:從一路由器到直接連接的網絡的距離定義為1。28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加1。（每經過一個路由器，跳數就加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個路由器。l“距離”的最大值為16時即相當于不可達。29l2、RIP2協議的報文格式RIP2的報文由首部和路由部分組成。30圖圖7

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

9、本自治系統以外的路由選擇信息。34網絡地址（4個字節(jié)）表示目的網絡的IP地址。子網掩碼（4個字節(jié)）表示目的網絡的子網掩碼。35下一跳路由器地址（4個字節(jié)）表示要到達目的網絡的下一跳路由器的IP地址。距離（4個字節(jié)）表示到目的網絡的距離。36l3、距離向量算法l設某路由器收到相鄰路由器（其地址為X）的一個RIP報文：37 （1）先修改此RIP報文中的所有項目：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行路由表的更新）38 （2）對修改后的RIP報文中的每一個項目，重復以下步驟：若項目中的目的網絡不在路由表中，則將該項目加到路由表中。（表明這是新的目的網

10、絡）39若項目中的目的網絡在路由表中：l若下一跳字段給出的路由器地址是同樣的，則將收到的項目替換原路由表中的項目。（因為要以最新的消息為準）40l否則 若收到項目中的距離小于路由表 l 中的距離，則進行更新。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的路由器，即將距離置為16（距離為16表示不可達）。 （4）返回。42l利用上述距離向量算法，互聯網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，每一個路由器都知道到各個目的網絡的最短路由。43l下面舉例說明因特網內部網關協議采用RIP時，各路由器路由表的建

11、立、交換和更新情況。l例：幾個用路由器互連的網絡結構圖如下，分別標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絡的路由信息：4647l收到了相鄰路由器的路由表，進行路由表的更新。4849l4、RIP協議的優(yōu)缺點實現簡單；開銷較小。（1）優(yōu)點50當網絡出現故障時，要經過比較長的時間才能將此信息傳送到所有的路由器，即壞消息傳播得慢。因為RIP“距離”的最大值限制為15，所以也影響了網絡的規(guī)模。（2）主要缺點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，隨著網絡規(guī)模的擴大，開銷必然會增加。RIP協議適合規(guī)模較小的網絡。l為了克服RIP協議的缺點，1989年開發(fā)

12、了另一種內部網關協議OSPF協議。521、OSPF協議的要點lOSPF是分布式的鏈路狀態(tài)協議。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、時延、費用、帶寬等。l歸納起來，OSPF協議有以下幾個要點：54 （1）OSPF使用洪泛法向本自治系統中的所有路由器發(fā)送信息，即每個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）只有當鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，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鏈路狀態(tài)數據庫，它與全網的拓撲結構圖相對應。每一個路由器使用鏈路狀態(tài)數據庫中的數據可構造出自己的路由表。57 （4）OSPF還規(guī)定每隔一段時間，如30分鐘，要刷新一次數據庫中的鏈路狀態(tài)。以確保鏈路狀態(tài)數據庫的同步（即每個路由器所具有的全網拓撲結構圖都是一樣的）。58l2、OSPF分組（OSPF數據報） （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)現和維持鄰站的可達性。類型2，數據庫描述分組，向鄰站給出自己的鏈路狀態(tài)數據庫中的所有鏈路狀態(tài)項目的摘要信息。61類型3，鏈路狀態(tài)請求分組，向對方請求發(fā)

14、送某些鏈路狀態(tài)項目的詳細信息。類型4，鏈路狀態(tài)更新分組，用洪泛法對全網更新鏈路狀態(tài)。62類型5，鏈路狀態(tài)確認分組，對鏈路狀態(tài)更新分組的確認。l類型3、4、5三種分組是當鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，各路由器之間交換的分組，以達到鏈路狀態(tài)數據庫的同步。63l3、OSPF的特點 （1）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)，因而與整個互聯網的規(guī)模并無直接關系，因此OSPF適合規(guī)模較大的網絡。64 （2）OSPF是動態(tài)算法，能自動和快速地適應網絡環(huán)境的變化。 （3）OSPF沒有“壞消息傳播得慢”的問題，其響應網絡變化的時間小于100ms。65 （4）OSPF支持基于服務類型的路由選擇。 （5）

15、如果到同一個目的網絡有多條相同代價的路徑，OSPF可以將通信量分配給這幾條路徑多路徑間的負載平衡。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劃分和無分類編址CIDR。671、BGP協議的概念lBGP是不同自治系統的路由器之間交換路由信息的協議，它是一種路徑向量路由選擇協議。68lBGP協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因為Internet的規(guī)模龐大，自治系統之間的路由選擇非常復雜，要尋找最佳路由很不容易實現。69l而且，自治系統之間的路由選擇還要考慮一些與政治、經濟和安全有關的策略。 所以BGP與內部網關協議RIP和OSP

16、F不同，它只能是力求尋找一條能夠到達目的網絡且比較好的路由，而并非要尋找一條最佳路由。70l2、BGP協議基本原理 （1）BGP協議的基本功能交換網絡的可達性信息；建立AS路徑列表，從而構建出一幅AS和AS間的網絡連接圖。71lBGP路由器BGP協議是通過BGP路由器來交換自治系統之間網絡的可達性信息的。l每一個自治系統要確定至少一個路由器作為該自治系統的BGP路由器，一般就是自治系統邊界路由器。lBGP路由器和自治系統AS的關系如圖7-20所示。72圖圖7-20 BGP路由器和自治系統路由器和自治系統AS的關系的關系73（2）BGP交換路由信息的過程l一個BGP路由器與其他自治系統中的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、撤消了過時的路由及報告出差錯情況等。75l使用TCP連接交換路由信息的兩個BGP路由器，彼此成為對方的鄰站或對等站。l每個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BGP路由器不是定期地向它的鄰站提供到每個可能目的地的開銷，而是向鄰站說明它正在使用的確切路由。77lBGP路由器互相交換網絡可達性的信息（就是要到達某個網絡所要經過的一系列自治系統）后，各BGP路由器根據所采用的策略就可從收到的路由信息中找出到達各自治系統的比較好的路由，即構造出對應上圖自治系統的連通圖，如圖7-22所示。78圖圖7-22 自治系統的連通圖自治系統的連通圖79l3、BGP協議的特點（1）BGP協議是在自治系統中BGP路由器之