第9章 路由器與路由選擇

1、第9章 路由器與路由選擇9.1 路由基礎9.2 路由表的建立與更新9.3 路由協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議9.5 路由器的基本知識9.6 實訓：網絡互聯(lián)教學目標與教學要求本章主要介紹IP路由技術的基礎知識。通過本章的學習，應該理解IP路由的基本概念；理解RIP和OSPF路由協(xié)議；掌握路由表的相關知識；掌握路由器的基本使用方法和常見命令；掌握RIP路由協(xié)議配置方法；掌握OSPF路由協(xié)議配置方法。教學目標:教學要求:知識要點知識要點能力要求能力要求相關知識相關知識IPIP路由路由理解IP地址及IP網絡，掌握IP路由概念。IP協(xié)議路由表路由表理解路由表的建立與更新，掌握靜態(tài)路由配置。IP協(xié)議路由協(xié)議

2、路由協(xié)議理解RIP和OSPF路由協(xié)議，掌握其配置方法。路由算法路由配置路由配置掌握思科或銳捷的路由器的基本配置方法。路由器9.1 路由基礎在IP互聯(lián)網中，路由選擇是指選擇一條路徑發(fā)送IP數據報的過程，而進行這種路由選擇的通信設備就叫做路由器（router）。Internet就是由路由器將多個網絡連接而成的?；ヂ?lián)網中的每個路由器獨立地處理IP數據報。IP數據報到達路由器，路由器就要為這些數據報選擇路由，將它們從源主機送往目的主機。9.1 路由基礎把IP數據報從一個網絡傳輸到另一個網絡的過程就叫IP數據報的轉發(fā)。路由器根據IP數據報的目的IP地址確定轉發(fā)路徑，從而完成IP數據報的轉發(fā)。路由器能轉發(fā)

3、數據報的秘密在于路由表。每一臺路由器都存儲著一張關于路徑信息的表格，稱為路由表。在需要傳送IP數據報時，它就查詢該路由表，從而決定把數據報發(fā)往何處。9.1.1 路由表9.1 路由基礎一個路由表至少包括4個部分：目的網絡地址、子網掩碼、下一跳地址、出站接口：9.1.1 路由表9.1 路由基礎路由表中各個字段的含義如下：1） 目的網絡：用于指出路由器可到達網絡的網絡號。2） 子網掩碼：目的地網絡所使用的子網掩碼。使用此子網掩碼和待轉發(fā)的IP數據包目的IP地址進行按位相與運算，即可計算出目的IP地址的網絡號。3） 下一跳地址：用于指出IP數據報要轉發(fā)到下一個路由器的IP地址。4） 出站接口：用于指出

4、IP數據報從當前路由器的哪個物理接口轉發(fā)出去。9.1.1 路由表9.1 路由基礎在路由表中最重要、最基礎的是目的網絡地址和下一跳地址，理解了它們的關系也就理解了路由器的工作原理。只要路由器的路由表正確、完整，無論哪個子網的主機都可以把IP數據報發(fā)送到另一個子網的主機。因此，路由表主要包含網絡地址，一般不包含主機地址（除非是特殊路由）。9.1.1 路由表9.1 路由基礎1. 默認路由為了進一步隱藏網絡網段細節(jié)，縮小路由表的長度，常常使用默認路由（Default Route，缺省路由）。在路由選擇過程中，如果路由表沒有明確指明一條到達目的網絡的路由信息，就可以把數據報轉發(fā)到默認路由指定的路由器。9

5、.1.2 特殊路由9.1 路由基礎默認路由在路由表中目的網絡和子網掩碼都記為：0.0.0.0。9.1.2 特殊路由9.1 路由基礎2. 特定主機路由路由表的主要表項（包括默認路由）都是基于網絡地址的。但是，IP協(xié)議也允許為一特定的主機建立路由表表項。對單個主機（而不是網絡）指定一條特別的路徑就是特定主機路由。9.1.2 特殊路由9.1 路由基礎特定主機路由在路由表中子網掩碼記為：255.255.255.255。9.1.2 特殊路由9.1 路由基礎當路由器需要轉發(fā)一個IP數據報時，它遵循如下的轉發(fā)步驟：1）從數據報的首部提取目的IP地址。2）先判斷是否為直接交付。對路由器直接相連的網絡逐個進行檢

6、查：用各網絡的子網掩碼和目的IP地址逐位相“與”（AND操作），得出目的網絡地址，看結果是否和相應的表項網絡地址相匹配，若匹配，則把IP數據報進行直接交付。否則執(zhí)行（3）。3）若路由表中有特定主機路由，并且與目的IP地址一致，則把數據報轉發(fā)給表項所指明的下一跳路由。否則執(zhí)行（4）。9.1.3 IP數據報的轉發(fā)9.1 路由基礎4）對路由表中的剩下的表項（目的網絡地址，子網掩碼，下一跳地址），用其中的子網掩碼和目的IP地址逐位相“與”(AND操作），得出目的網絡地址。若得出目的網絡地址與該行的目的網絡地址匹配，則把數據報轉發(fā)給該行指明的下一跳路由器。否則執(zhí)行（5）。5）若路由表中有一個默認路由，則

7、把數據報轉發(fā)給默認路由器；若沒有默認路由則執(zhí)行（6）。6）沒有任何匹的配路由表項，丟棄此數據報，并向發(fā)送此數據報的源主機（源IP地址）發(fā)送一條ICMP不可達的消息。需要注意的是，在進行IP數據報轉發(fā)時，路由器轉發(fā)依賴的不是整個目的IP地址，而是這個目的IP地址的網絡號部分，因此表項中子網掩碼的是不可或缺的。9.1.3 IP數據報的轉發(fā)9.2 路由表的建立與更新路由器轉發(fā)數據報完全依賴于路由表，因此只要保證路由表正確、完整，路由器就能正常工作。如果路由表出現錯誤，IP數據報就不可能按照正確的路徑轉發(fā)，甚至不能到達目的地，導致網絡通訊中斷。最初的路由表是怎么來的：因為路由器的每個接口都連接了不同的

8、網絡，路由器在使用前必須配置這些接口（2個或更多）的IP地址及子網掩碼，所以路由器根據此信息即可建立最初的路由表，即路由器自動添加直接相連網絡的路由，這種路由稱為直連路由。9.2.1 路由表的建立9.2 路由表的建立與更新直連路由：9.2.1 路由表的建立9.2 路由表的建立與更新路由表的更新的目的在于：使路由表的內容與網絡的實際情況保持一致，即所謂的“路由收斂”。網絡可能在不斷地發(fā)生變化，路由表為了保持一致，也必須不斷地更新。路由可以分為靜態(tài)路由和動態(tài)路由兩類。靜態(tài)路由是通過人工設定的，而動態(tài)路由則是路由器通過自己的學習得到的。9.2.2 路由表的更新9.2 路由表的建立與更新1. 靜態(tài)路由

9、靜態(tài)路由是由人工管理的。根據網絡的拓撲結構和連接方式，網絡管理員可以為一個路由器建立靜態(tài)路由。9.2.2 路由表的更新9.2 路由表的建立與更新靜態(tài)路由的主要優(yōu)點是簡單直觀，避免了動態(tài)路由選擇的開銷。在網絡結構不太復雜、網絡不經常變動的情況下，可使用靜態(tài)路由。但是，對于復雜的互聯(lián)網拓撲結構，靜態(tài)路由的配置工作量會很大、很容易出錯，并且人工更新速度可能趕不上網絡的變化，并導致錯誤的路由。9.2.2 路由表的更新9.2 路由表的建立與更新2. 動態(tài)路由與靜態(tài)路由不同，動態(tài)路由協(xié)議通過多個路由器之間相互交換路由信息，自動生成和維護相應的路由表。當到達目標網絡有多條路徑，而正在使用的路徑失效時，動態(tài)路

10、由會自動切換到另一條路徑。動態(tài)路由有更多的自主性和靈活性，特別適合于拓撲結構復雜、網絡規(guī)模龐大的網絡環(huán)境。9.2.2 路由表的更新9.2 路由表的建立與更新在動態(tài)路由協(xié)議中，其核心是路由選擇算法，即根據某種方法和步驟來更新路由表。路由選擇算法通常要保證達到以下目標：1） 最優(yōu)化。2） 最簡化。3） 健壯性。4） 收斂快。5） 靈活性。6） 可擴展性。9.2.2 路由表的更新9.2 路由表的建立與更新當路由器自動刷新和修改路由表時，它的首要目標是要保證路由表中包含有最佳的路徑信息。為了區(qū)分路由的好壞，需要給每條路徑生成一個評價數值，該評價數值被稱為度量值（Metric）。度量值通常也保存在路由表

11、中。每個路由選擇算法用它自己的方式來解釋什么是度量值。復雜的路由選擇算法能夠把路由選擇建立在多種度量標準基礎上，使它們合并為單一的復合度量標準。度量值大小表示這條路徑的好壞。通常度量標準越小，路徑就越佳。9.2.2 路由表的更新9.2 路由表的建立與更新度量標準一般由一種或幾種不同特征來計算。路由選擇協(xié)議使用常見的度量標準有以下幾種：1） 帶寬。2） 跳數。3） 延遲。4） 負載。5） 可靠性。6） 代價。7） 最大傳輸單元（MTU）。9.2.2 路由表的更新9.3 路由協(xié)議由選擇是個比較非常復雜的問題，因為它是網絡中的所有路由器共同協(xié)調工作的結果。網絡環(huán)境往往是不斷變化的，而這種變化有時無法

12、事先知道，例如，網絡中出了某處線路斷開、某個交換機壞掉等。此外，當網絡發(fā)生擁塞時，就特別需要有能緩解這種擁塞的路由選擇策略，但恰好在這種條件下，很難從網絡中的其他路由器獲得所需的路由選擇信息。動態(tài)路由選擇也叫做自適應路由選擇，其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。因此，動態(tài)路由選擇適用于較復雜的大中型網絡。9.3 路由協(xié)議因特網將整個互聯(lián)網劃分為許多較小的自治系統(tǒng)AS（Autonomous System）。因此，在目前的因特網中，路由選擇協(xié)議也劃分為兩大類，即：1） 內部網關協(xié)議IGP（Interior Gateway Protocol）。即在一個自治系統(tǒng)內部使

13、用的路由選擇協(xié)議，而這與在互聯(lián)網中的其他自治系統(tǒng)選用什么路由選擇協(xié)議無關。目前這類路由選擇協(xié)議使用得最多，如RIP和OSPF協(xié)議。2） 外部網關協(xié)議EGP（External Gateway Protocol)。目前使用最多的外部網關協(xié)議是BGP的版本4（BGPv4）。自治系統(tǒng)之間的路由選擇也叫做域間路由選擇（Interdomain Routing），而在自治系統(tǒng)內部的路由選擇叫做域內路由選擇（Intradomain Routing）。9.3.1 內部網關協(xié)議和外部網關協(xié)議9.3 路由協(xié)議內部網關協(xié)議和外部網關協(xié)議9.3.1 內部網關協(xié)議和外部網關協(xié)議9.3 路由協(xié)議路由協(xié)議在路由選擇更新中不支

14、持子網信息，路由器將只能依據傳統(tǒng)的分類地址方式進行數據轉發(fā)，這樣的路由協(xié)議就屬于有類路由協(xié)議，如RIPv1(RIP 1.0)和BGPv3(BGP 3.0)路由協(xié)議。路由協(xié)議在路由選擇更新中支持子網信息、傳輸子網掩碼，路由器也可以忽略分類地址進行數據報的轉發(fā)，這樣的路由協(xié)議就屬于無類路由協(xié)議。只有無類路由協(xié)議才能支持VLSM（變長子網掩碼）和CIDR（無類域間路由），例如RIPv2、OSPF、和BGPv4都屬于支持無類路由的協(xié)議。9.3.2 有類路由協(xié)議和無類路由協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議目前，使用最多的內部的網關路由協(xié)議有兩種，一種叫做路由信息協(xié)議RIP（Routing Informatio

15、n Protocol)，另一種叫做開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議OSPF（Open Shortest Path First）。為了使用動態(tài)路由，網絡中的路由器必須運行相同的路由選擇協(xié)議，執(zhí)行相同的路由選擇算法。不管采用何種路由選擇協(xié)議和算法，路由信息應以精確的、一致地反映新的網絡拓撲結構。當一個網絡中的所有路由器都運行著相同的、精確的、足以反映當前網絡拓撲結構的路由信息時，我們就說路由已經收斂（Convergence）?？焖偈諗渴锹酚蛇x擇協(xié)議最希望具有的特征，因為它可以盡量避免路由器使用過時的路由信息選擇可能是不經濟或不正確的路由。9.4 內部網關路由協(xié)議RIP協(xié)議是內部網關協(xié)議中最先廣泛使用的一種協(xié)

16、議。RIP是一種基于距離向量路由選擇算法的協(xié)議。1. 距離向量路由選擇算法距離向量路由選擇算法也稱為貝爾曼-福特（Bellman-Ford）算法。其基本思想是路由器周期性地向其相相鄰的路由器廣播自己的路由信息，用于通知相鄰路由器自己可以到達的網絡以及到達該網絡的距離，相鄰路由器可以根據收到的路由信息修改和刷新自己的路由表。距離通常用“跳數”（Hop Count）表示。從路由器到直接連接的網絡的跳數一般定義為0。IP數據報每經過一個路由器“跳數”就加1。RIP認為好的路由就是它通過的路由器的數目少，即“距離”短、“跳數”小。RIP最多允許一條路徑包含15個路由器。因此“距離”等于16時認為不可達

17、，是“無限遠”。這個特點決定了RIP只能用于中小型的網絡。9.4.1 RIP協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議距離向量路由選擇算法的基本工作過程：9.4.1 RIP協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議距離向量路由選擇算法的最大優(yōu)點是算法簡單、易于實現。但是，由于路由器的路徑變化需要像漣漪波浪一樣從相鄰路由器傳播出去，過程較為緩慢，有可能造成慢收斂等問題，因此，它不適合應用于路由劇烈變化的或大型的互聯(lián)網網絡環(huán)境。另外，向量距離路由選擇算法要求互聯(lián)網中的每個路由器都參與路由信息的交換和計算，而且需要交換的路由信息報文與自己的路由表的大小幾乎一樣，因此，需要交換的信息量較大。9.4.1 RIP協(xié)議9.4 內部網關

18、路由協(xié)議2. RIP協(xié)議特點RIP協(xié)議是距離向量路由選擇算法具體實現。它規(guī)定了路由器之間交換路由信息的時間、交換信息的格式、錯誤的處理等內容。RIP主要特點有：1） 僅與相鄰的路由器交換信息。2） 路由器交換的信息就是自己的路由表。3） 按固定時間交換信息。RIP協(xié)議最典型的特征是：好消息傳播得快，而壞消息傳播得慢。9.4.1 RIP協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議RIP協(xié)議最大的優(yōu)點就是實現簡單，開銷較小。但RIP協(xié)議的缺點也較明顯：1） RIP限制了網絡的規(guī)模，它能使用的最大距離為15（16表示不可達）。2） 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

19、。3） “壞消息傳播得慢”，使更新過程的收斂時間過長。因此，對于規(guī)模較大的網絡RIP協(xié)議并不適用。然而，目前在規(guī)模較小的網絡中，仍然廣泛的使用RIP協(xié)議。9.4.1 RIP協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議OSPF（Open Shortest Path First）協(xié)議是為克服RIP協(xié)議的局限性而開發(fā)的，因為性能遠遠優(yōu)于RIP協(xié)議，OSPF協(xié)議在大中型網絡中得到了廣泛使用。OSPF的原理很簡單，但實現起來卻比較復雜。1. 鏈路狀態(tài)路由選擇算法OSPF協(xié)議使用鏈路狀態(tài)路由選擇算法，也稱為最短路徑優(yōu)先（Shortest Path First，SPF)算法。其基本思想是互聯(lián)網上的每個路由器周期性地向其他路

20、由器廣播（多播）自己與相鄰路由器的連接關系，以使各個路由器都可以畫出一張網絡拓撲結構圖，利用這張圖和最短路徑優(yōu)先算法，路由器就可以計算出自己到達各個網絡的最短路徑。9.4.2 OSPF協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議鏈路狀態(tài)路由選擇算法的基本工作過程：第一步，每個路由器向其它路由器廣播自己與相鄰路由器的連接關系。9.4.2 OSPF協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議鏈路狀態(tài)路由選擇算法的基本工作過程：第二步，路由器R2利用網絡拓撲圖生成路由表：9.4.2 OSPF協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議鏈路狀態(tài)路由選擇算法與向量距離路由選擇算法有很大的不同。向量距離路由選擇算法并不需要路由器了解整個網絡的拓撲結構，

21、它通過相鄰的路由器了解到達每個網絡的可能路徑。而鏈路狀態(tài)路由選擇算法則依賴于整個網絡的拓撲結構圖，利用該圖得到SPF樹，再由SPF樹生成路由表。9.4.2 OSPF協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議2. 分層次劃分區(qū)域和指派路由器為了適應更大規(guī)模的網絡環(huán)境，OSPF協(xié)議通過一系列的辦法來解決這些問題，其中包括分層次劃分區(qū)域和指派路由器。1）分層次劃分區(qū)域為了使OSPF能夠用于規(guī)模很大的網絡，OSPF將一個自治系統(tǒng)劃分為若干個更小的范圍，叫作區(qū)域（Area）。每一個區(qū)域都有一個32位的區(qū)域標識符（用點分十進制表示，看起來像IP地址，也可使用普通數字表示）。9.4.2 OSPF協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)

22、議分層次劃分區(qū)域：9.4.2 OSPF協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議劃分區(qū)域的好處就是把交換鏈路狀態(tài)信息的范圍局限于每一個區(qū)域而不是整個的自治系統(tǒng)，這就減少了整個網絡上的通信量。在一個區(qū)域內部的路由器只知道本區(qū)域的完整網絡拓撲，而不知道其他區(qū)域的網絡拓撲的情況。為了使侮一個區(qū)域能夠和本區(qū)域以外的區(qū)域進行通信，OSPF使用層次結構的區(qū)域劃分。在上層的區(qū)域叫作主干區(qū)域，標識符規(guī)定為0.0.0.0。主干區(qū)域的作用是用來連通其它下層的區(qū)域。其它下層區(qū)域之間的通信必須通過主干區(qū)域中轉。9.4.2 OSPF協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議2）指派路由器而指派路由器則是指在互聯(lián)的局域網中，路由器將自己與相鄰路由器

23、的關系發(fā)送給一個或多個指定路由器，而不是廣播給網絡上的所有路由器。指派路由器生成整個網絡的拓撲結構圖，以便其他路由器查詢。9.4.2 OSPF協(xié)議9.4 內部網關路由協(xié)議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)，因而與整個網絡的規(guī)模并無直接關系。因此當互聯(lián)網規(guī)模很大時，OSPF協(xié)議要比RIP協(xié)議好得多。OSPF沒有“壞消息傳播得慢”的問題，相反，據統(tǒng)計，一般中小型網絡的響應變化的時間小于100ms。OSPF協(xié)議的優(yōu)點是路由收斂快，同時還支持服務類型選路、負載均衡和身份認證等特點，非常適合于在規(guī)模龐大、環(huán)境復雜的互聯(lián)網中使用；缺點是開銷較大，在生成鏈路狀態(tài)數據庫和SPF樹時需要占用

24、較多的CPU和內存資源。不過，對于目前的路由器設備硬件配置水平來講，已經不是問題了。9.4.2 OSPF協(xié)議9.5 路由器的基本知識路由器(Router)是工作在OSI參考模型第三層（網絡層）的數據報轉發(fā)設備。路由器用于連接不同的IP子網或點對點協(xié)議的接口。路由器根據收到的數據報中的IP地址以及路由器內部的路由表，來決定下一跳路由器地址或主機地址。路由器通過更新路由表來反映當前的網絡拓撲結構的變化。路由器實際上上就是一個用于網絡通信的專用計算機，由硬件和軟件兩部分組成。如圖9-10所示。硬件部分主要包括中央處理器、存儲器和各種網絡接口，軟件部分主要包括自引導程序、路由器操作系統(tǒng)、啟動配置文件和

25、路由器管理程序等。9.5.1 路由器概述9.5 路由器的基本知識路由器有多種接口，用途各異。常見接口有：1） 以太網接口。常用網絡接口，采用RJ-45接口形式，實現雙絞線與以太網的連接。一般地，10Mbps速率接口名字是“Ethernet”，100Mbps速率接口名字是“FastEthernet”。2） 光纖接口。用于與光纖的連接。一般高檔路由器才有。3） 高速同步串口。常用網絡接口，用于廣域網連接。接口名字是一般為“Serial”。4） 配置接口。又稱為Console接口、控制臺接口。Console接口使用專用配置線纜連接路由器和計算機。Console接口形式一般都采用RJ-45接口。9.5

26、.2 路由器的接口9.5 路由器的基本知識要配置路由器，必須將計算機與路由器連接?？梢酝ㄟ^多種方法與路由連接?？刂婆_方式是最常用的方法之一，其連接方法與第5章的5.6.1節(jié)介紹的以太網交換機的連接方法一樣，這里不再贅述。注意：第一次對路由器進行配置時，必須通過控制臺接口進行配置。接口配置好IP以后，則可以通過網絡來進行配置。請安教材的提供步驟操作。9.5.3 連接到路由器9.5 路由器的基本知識下面使用的命令、參數可能與您的其他路由器品牌所提供的內容不完全相同，請查閱隨機配送的參考手冊。盡管命令細節(jié)有一定差別，但整體思路還是基本相同的。1. 命令模式框架與交換機一樣，路由器的命令也是分級的，不

27、同級別的用戶有不同的權限，使用不同的命令集。命令模式實際上就是命令按照類別，分別存放到不同的“文件夾”里面。不同級別的用戶能進入的“文件夾”是不一樣的。要執(zhí)行某個命令，必須先進入命令所在的命令模式。9.5.4 通過命令配置路由器9.5 路由器的基本知識login 普通用戶模式 | enable 特權用戶模式 | configure terminal 全局配置模式 | interface 接口配置模式router 路由配置模式鍵入“?”命令可查看當前模式能使用的命令，在一條命令后面鍵入“?”能查看這條命令能使用的子命令或參數。“exit”命令用于退回上一級模式?！癳nd”命令用于直接返回到特權用

28、戶模式。9.5.4 通過命令配置路由器9.5 路由器的基本知識2. 進入各模式的命令1） 進入特權用戶模式命令：enable （如果設置了密碼則需要輸入密碼）2） 進入全局配置模式命令：configure terminal3） 進入接口配置模式命令9.5.4 通過命令配置路由器9.5 路由器的基本知識路由器常用的接口主要是以太網接口和高速同步串行接口。快速以太網接口配置命令：interface fastethernet X/Y（如：interface fastethernet0/0）命令及參數含義與交換機相同，但注意路由器的快速以太網端口編號一般是0、1兩個，與交換機1-24的編號不同。高速同

29、步串行接口配置命令：interface serial X/Y/Z（如：interface serial 0/3/1）X表示插槽號，Y表示該插槽內的模塊號，Z表示該模塊上的接口號。一般插槽號、模塊號、接口號都從0開始（第一個），其他依次類推。如：“serial 0/3/1”表示在0號插槽的3號模塊上的1號同步串行接口。實際上所有命令均可簡寫成前幾個字母，只要在當前模式下保證簡寫具有唯一可識別性即可，如：int se0/3/1。9.5.4 通過命令配置路由器9.5 路由器的基本知識3. 命令模式提示符常用命令模式提示符有：1） 普通用戶模式。命令提示符形式為：router2） 特權用戶模式。命令提示符形式為：router#3） 全局配置模式。命令提示符形式為：router(config)#4） 接口配置模式。命令提示符形式為：router(config-if)#5） 路由置模式。命令提示符形式為：router(config-router)#9.5.4 通過命令配置路由器9.5 路由器的基本知識4. 配置