第11章-路由與交換

第11章

路由與交換

IP網(wǎng)的鋼筋混凝土構(gòu)建IP網(wǎng)的最根本材料是線路、HUB、以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器。其中，線路屬于傳輸網(wǎng)，HUB、以太網(wǎng)交換機(jī)和路由器是IP網(wǎng)絡(luò)的核心部件，是IP網(wǎng)的節(jié)點。研究如何合理搭配這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，使真實數(shù)據(jù)能快速順利地到達(dá)目的終端，并盡可能節(jié)約資源和保證平安。IP網(wǎng)的鋼筋混凝土HUB和交換機(jī)HUB：即集線器，工作于總線模式，所有接在HUB上的計算機(jī)共享總線資源，通過競爭來獲得發(fā)送數(shù)據(jù)的權(quán)利，工作于物理層，支持的協(xié)議為CSMA/CD。是“共享式以太網(wǎng)〞的核心設(shè)備。原理：播送。一個數(shù)據(jù)包需要送達(dá)所有端口。缺點：資源浪費，會給網(wǎng)絡(luò)帶來“播送風(fēng)暴〞。改進(jìn)：引入“交換式以太網(wǎng)〞，使多組通信同時進(jìn)行。以太網(wǎng)交換機(jī)：保存每個終端的MAC地址對應(yīng)表，可以直接傳送數(shù)據(jù)，無需播送所有端口。因為不共享總線資源，帶寬大大增加，而且相互不影響。分類：二層交換機(jī)和三層交換機(jī)。二層交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層，不負(fù)責(zé)任何路由功能，所連接終端在同一個IP地址段。三層交換機(jī)工作在第2層和第3層，帶有路由功能，所連接終端可在也可不在同一IP地址段。HUB和交換機(jī)HUB和交換機(jī)交換式以太網(wǎng)性價比高于共享式以太網(wǎng)，但是兩者價格相當(dāng)，所以交換式以太網(wǎng)應(yīng)用廣泛。路由器：有多種接口，常見的接口類型有通用串行接口，E1/T1，POS，ATM，E3/T3，POS，ISDN,10/100/1000M以太網(wǎng)接口，F(xiàn)DDI，令牌環(huán)接口等。路由器路由器：工作在IP網(wǎng)絡(luò)層，實現(xiàn)子網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其工作就是存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。它內(nèi)局部為控制平面局部和數(shù)據(jù)通道局部。控制平面的核心是路由表以及路由協(xié)議，路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的依據(jù)是路由表。路由表和交通指示牌的內(nèi)容相似，路由表有目的網(wǎng)段和子網(wǎng)掩碼，到達(dá)該目的地地址的本路由器的出端口，下一跳路由器入口IP地址等，路由器根據(jù)路由表為數(shù)據(jù)包選擇相應(yīng)的出端口。如果在路由表中找不到某個數(shù)據(jù)包的路由信息，丟棄。路由器路由器路由器的數(shù)據(jù)通道局部從輸入線路接收數(shù)據(jù)后，分析與修改包頭，查找輸出端口，把數(shù)據(jù)搬運到輸出線路上。路由器是根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)發(fā)表又是根據(jù)路由表生成的，其表項和路由表項有直接對應(yīng)關(guān)系，但轉(zhuǎn)發(fā)表的格式和路由表的格式不同，更適合快速查找。其關(guān)系類似交叉路口和立交橋的關(guān)系。路由器路由器路由和轉(zhuǎn)發(fā)就像交叉路口和立交橋因特網(wǎng)采用分層次的路由選擇協(xié)議。因特網(wǎng)的規(guī)模非常大。如果讓所有的路由器知道所有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)怎樣到達(dá)，那么這種路由表將非常大，處理起來也太花時間。而所有這些路由器之間交換路由信息所需的帶寬就會使因特網(wǎng)的通信鏈路飽和。許多單位不愿意外界了解自己單位網(wǎng)絡(luò)的布局細(xì)節(jié)和本部門所采用的路由選擇協(xié)議〔這屬于本部門內(nèi)部的事情〕，但同時還希望連接到因特網(wǎng)上。路由的發(fā)現(xiàn)——路由協(xié)議自治系統(tǒng)(autonomoussystem)因特網(wǎng)將整個互聯(lián)網(wǎng)劃分為許多較小的自治系統(tǒng)。AS定義：自治域是擁有同一選路策略，在同一技術(shù)管理部門下運行的一組路由器。是工作在一起以提供內(nèi)部選路的路由器的聚集。其最重要的特點就是自治系統(tǒng)有權(quán)自主地決定在本系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)采用何種路由選擇協(xié)議。舉例：163,169，承載NGN業(yè)務(wù)的IP網(wǎng)，某行業(yè)企業(yè)的專用IP網(wǎng)等。自治域一般有編號，比方AS701,AS1239,AS9929,AS4134等。一個自治系統(tǒng)的所有路由器在本自治系統(tǒng)內(nèi)都必須是連通的。路由的發(fā)現(xiàn)——路由協(xié)議路由協(xié)議是為了滿足路由器獲取路由表的需要而制定的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議。只負(fù)責(zé)獲取路由表。分類：靜態(tài)路由協(xié)議與動態(tài)路由協(xié)議。路由獲取方式：〔1〕靜態(tài)路由中，一類是人工設(shè)定該路由表項；另一類為“缺省路由〞，提供默認(rèn)出口；〔2〕動態(tài)路由中，采用動態(tài)路由協(xié)議獲取路由信息。常用的協(xié)議有內(nèi)部協(xié)議RIP2，OSPF，IS-IS，EIGRP，IGRP和外部協(xié)議BGP等。動態(tài)路由協(xié)議動態(tài)路由協(xié)議可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化而在一定范圍內(nèi)快速進(jìn)行路由表的更新。不同的協(xié)議選擇“最正確路徑〞的依據(jù)不同，包括路由跳數(shù)，路由本錢等。每種路由協(xié)議都有一套規(guī)那么，來衡量任何兩個節(jié)點間的鏈路的可通過程度。動態(tài)路由協(xié)議分類內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP(InteriorGatewayProtocol)即在一個自治系統(tǒng)內(nèi)部使用的路由選擇協(xié)議。目前這類路由選擇協(xié)議使用得最多，如RIP和OSPF協(xié)議。外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議EGP(ExternalGatewayProtocol)假設(shè)源站和目的站處在不同的自治系統(tǒng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)報傳到一個自治系統(tǒng)的邊界時，就需要使用一種協(xié)議將路由選擇信息傳遞到另一個自治系統(tǒng)中。這樣的協(xié)議就是外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議EGP。在外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議中目前使用最多的是BGP-4。R1H1H2內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP（例如，RIP）自治系統(tǒng)A自治系統(tǒng)B自治系統(tǒng)CIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPEGPEGPEGP內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議IGP（例如，OSPF）外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議EGP（例如，BGP-4）IGPR3R2自治系統(tǒng)和

內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議、外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議動態(tài)內(nèi)部路由協(xié)議1.RIP2和RIPng：距離向量協(xié)議RIP：距離向量協(xié)議原理：路由器每隔30秒將“距離向量〞信息發(fā)送到相鄰路由器，路由表只存儲到目的地站點的最正確路徑的下一跳地址。允許最大跳數(shù)為15跳〔Hop，即通過的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)〕，超過15跳認(rèn)為是不可達(dá)。RIP2是RIP的升級版，RIPng是IPv6中的版本?！熬嚯x〞的定義從一路由器到直接連接的網(wǎng)絡(luò)的距離定義為1。從一個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。RIP協(xié)議中的“距離〞也稱為“跳數(shù)〞(hopcount)，因為每經(jīng)過一個路由器，跳數(shù)就加1。RIP認(rèn)為一個好的路由就是它通過的路由器的數(shù)目少，即“距離短〞。RIP允許一條路徑只能包含最多15個路由器?！熬嚯x〞的最大值為16時即相當(dāng)于不可達(dá)?？梢奟IP只適用于小型互聯(lián)網(wǎng)。RIP不能在兩個網(wǎng)絡(luò)之間同時使用多條路由。RIP選擇一個具有最少路由器的路由〔即最短路由〕，哪怕還存在另一條高速(低時延)但路由器較多的路由?！熬嚯x〞的定義RIP協(xié)議的三個要點僅和相鄰路由器交換信息。交換的信息是當(dāng)前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。按固定的時間間隔交換路由信息，例如，每隔30秒。路由表的建立路由器在剛剛開始工作時，只知道到直接連接的網(wǎng)絡(luò)的距離〔此距離定義為1〕。以后，每一個路由器也只和數(shù)目非常有限的相鄰路由器交換并更新路由信息。經(jīng)過假設(shè)干次更新后，所有的路由器最終都會知道到達(dá)本自治系統(tǒng)中任何一個網(wǎng)絡(luò)的最短距離和下一跳路由器的地址。RIP協(xié)議的收斂(convergence)過程較慢，即在自治系統(tǒng)中所有的結(jié)點都得到正確的路由選擇信息的過程長。RIP協(xié)議的優(yōu)缺點缺點：〔1〕當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，要經(jīng)過比較長的時間才能將此信息傳送到所有的路由器；〔2〕限制了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，它能使用的最大距離為15〔16表示不可達(dá)〕；〔3〕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(kuò)大，開銷也就增加。優(yōu)點：實現(xiàn)簡單，開銷較小。動態(tài)內(nèi)部路由協(xié)議2.OSPF：開放最短路徑優(yōu)先算法：SPF〔最短路由優(yōu)先〕算法，或稱為“Dijkstra算法〞。算法原理：每臺路由器作為一個“根〞來計算其到每一個目的地路由器的距離，每臺路由器根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫計算出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖類似樹，即“最短路徑樹〞。動態(tài)內(nèi)部路由協(xié)議2.OSPF：開放最短路徑優(yōu)先OSPF的工作步驟：〔1〕路由器進(jìn)行初始化或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化時，路由器產(chǎn)生鏈路狀態(tài)播送數(shù)據(jù)包LSA〔Link-StateAdvertisement〕；〔2〕所有路由器通過泛洪向相鄰路由器發(fā)送LSA；〔3〕相互傳送LSA之后，每個路由器根據(jù)SPF算法計算到達(dá)所有網(wǎng)段的最短路徑，編寫路由表項。此協(xié)議“收斂〞，網(wǎng)絡(luò)“趨于平穩(wěn)〞。OSPF使用的是可靠的洪泛法t更新報文ACK報文RRRRt1t2t3t4路由的發(fā)現(xiàn)——路由協(xié)議路由表的生成〔以O(shè)SPF為例〕OSPF的特點OSPF的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫能較快地進(jìn)行更新，使各個路由器能及時更新其路由表。OSPF的更新過程收斂得快是其重要優(yōu)點。OSPF對不同的鏈路可根據(jù)IP分組的不同效勞類型而設(shè)置成不同的代價。因此，OSPF對于不同類型的業(yè)務(wù)可計算出不同的路由。OSPF還規(guī)定每隔一段時間，如30分鐘，要刷新一次數(shù)據(jù)庫中的鏈路狀態(tài)。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(lián)網(wǎng)的規(guī)模并無直接關(guān)系。因此當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模很大時，OSPF協(xié)議要比距離向量協(xié)議RIP好得多。動態(tài)內(nèi)部路由協(xié)議3.IS-IS：中間系統(tǒng)互連協(xié)議IS〔IvnteractiveSystem〕即中間系統(tǒng)，如路由器。ES〔EndSystem〕即末端系統(tǒng)，如一臺主機(jī)。ES-IS是提供ES和IS之間通信的協(xié)議。IS-IS是提供IS和IS之間通信的協(xié)議。原理：使用SPF算法來算出最正確路徑，采用Hello報文來查找和維護(hù)鄰居關(guān)系。應(yīng)用：中國聯(lián)通的AS4837網(wǎng)，AS9929網(wǎng)，中國電信的AS