《路由交換技術與應用》課件第16章

第16章路?由?器?基?礎16.1路由器的定義16.2路由器的作用16.3路由器的工作原理16.4同一網(wǎng)絡內部的通信16.5不同網(wǎng)絡之間的通信16.6路由過程示例16.7VLAN間通信的路由選擇小結

主要內容：

路由器的定義

路由器的作用

路由器的工作原理

同一網(wǎng)段內部的通信

不同網(wǎng)段之間的通信

IP通信及路由過程

VLAN路由過程

單臂路由技術

三層交換機(路由交換機)

所謂路由，就是指通過相互連接的網(wǎng)絡把信息從源地點移動到目標地點的活動。一般來說，在路由過程中，信息至少會經(jīng)過一個或多個中間節(jié)點。16.1路由器的定義路由器是用于連接不同網(wǎng)絡的專用計算機設備，是在不同網(wǎng)絡間轉發(fā)數(shù)據(jù)單元、互連網(wǎng)絡的樞紐。

我們這樣來打個比喻：如果把Internet的傳輸線路看做一條信息公路的話，組成Internet的各個網(wǎng)絡相當于分布于公路上的各個信息城市，它們之間傳輸?shù)男畔?數(shù)據(jù))相當于公路上的車輛，而路由器就是進出這些城市的大門、公路上的驛站和“交通警察”，它負責在公路上為車輛指引道路和在城市邊緣安排車輛進出。因此，作為不同網(wǎng)絡之間互相連接的樞紐，路由器系統(tǒng)構成了基于TCP/IP的國際互連網(wǎng)絡Internet的主體脈絡，是Internet的骨架。在園區(qū)網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)乃至整個Internet研究領域中，路由器技術始終處于核心地位，其發(fā)展歷程和方向成為整個Internet研究的一個縮影。由于未來的寬帶IP網(wǎng)絡仍然使用IP協(xié)議來進行路由(或基于該路由技術的某些改進)，路由器將扮演著重要的角色。路由器之所以在互連網(wǎng)絡中處于關鍵地位，是因為它處于網(wǎng)絡層，一方面它屏蔽了下層網(wǎng)絡的技術細節(jié)，能夠跨越不同的物理網(wǎng)絡類型(DDN、FDDI、以太網(wǎng)等)，使各類網(wǎng)絡都統(tǒng)一為IP，這種一致性使全球范圍用戶之間的通信成為可能；另一方面在邏輯上將整個互連網(wǎng)絡分割成邏輯上獨立的網(wǎng)絡單位，使網(wǎng)絡具有一定的邏輯結構。同時路由器還負責對IP包進行靈活的路由選擇，把數(shù)據(jù)逐段向目的地轉發(fā)，使全球范圍用戶之間的通信成為現(xiàn)實。這里面所說的不同網(wǎng)絡，指的是運行同一通信協(xié)議(如IP或IPX)的不同邏輯網(wǎng)段。其數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可以相同，也可以不同，如路由器可以在以太網(wǎng)之間做數(shù)據(jù)轉發(fā)，也可以在以太網(wǎng)與幀中繼(FrameRelay)網(wǎng)絡之間進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，但其上層(網(wǎng)絡層)協(xié)議必須一致。路由器不能在不同的三層網(wǎng)絡之間做數(shù)據(jù)轉發(fā)，如路由器不能在IP與IPX網(wǎng)絡之間做數(shù)據(jù)轉發(fā)。

路由器的核心作用是實現(xiàn)異構網(wǎng)絡的互連，即在不同網(wǎng)絡之間轉發(fā)數(shù)據(jù)單元。

為實現(xiàn)在不同網(wǎng)絡間轉發(fā)數(shù)據(jù)單元的功能，路由器必須具備以下條件：16.2路由器的作用

(1)路由器上多個三層接口要連接在不同的網(wǎng)絡上，每個三層接口連接到一個邏輯網(wǎng)段。這里所說的三層接口，可以是物理接口，也可以是各種邏輯接口或子接口。在實際組網(wǎng)中確實存在只有一個接口的情況，這種方式我們稱之為單臂路由。單臂路由應用很少。

(2)路由器協(xié)議至少向上實現(xiàn)到網(wǎng)絡層。由于路由器工作在網(wǎng)絡層，根據(jù)目的網(wǎng)絡地址進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，所以協(xié)議至少向上實現(xiàn)到網(wǎng)絡層。

(3)路由器必須具有存儲、轉發(fā)、尋徑功能。下面將路由器需要具備的主要功能解釋如下：

(1)路由功能(尋徑功能)：包括路由表的建立、維護和查找。

(2)交換功能：路由器的交換功能與以太網(wǎng)交換機執(zhí)行的交換功能不同，路由器的交換功能是指在網(wǎng)絡之間轉發(fā)分組數(shù)據(jù)的過程，涉及到從接收接口收到數(shù)據(jù)幀，解封裝，對數(shù)據(jù)包做相應處理，根據(jù)目的網(wǎng)絡查找路由表，決定轉發(fā)接口，做新的數(shù)據(jù)鏈路層封裝等過程。

(3)隔離廣播、指定訪問規(guī)則：路由器阻止廣播的通過；可以設置訪問控制列表(ACL)，對流量進行控制。

(4)異種網(wǎng)絡互連：支持不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，連接異種網(wǎng)絡。

(5)子網(wǎng)間的速率匹配：路由器有多個接口，不同接口具有不同的速率，路由器需要利用緩存及流控協(xié)議進行速率適配。對于不同規(guī)模的網(wǎng)絡，路由器作用的側重點有所不同：

(1)在骨干網(wǎng)上，路由器的主要作用是路由選擇。骨干網(wǎng)上的路由器必須知道到達所有下層網(wǎng)絡的路徑，這就需要維護龐大的路由表，并對連接狀態(tài)的變化作出盡可能迅速的反應。路由器的故障將會導致嚴重的信息傳輸問題。

(2)在地區(qū)網(wǎng)中，路由器的主要作用是網(wǎng)絡連接和路由選擇，即連接下層各個基層網(wǎng)絡單位——園區(qū)網(wǎng)，同時負責下層網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)。

(3)在園區(qū)網(wǎng)內部，路由器的主要作用是分隔子網(wǎng)。早期的互連網(wǎng)基層單位是局域網(wǎng)，其中所有主機處于同一個邏輯網(wǎng)絡中。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，局域網(wǎng)演變成以高速骨干和路由器連接的多個子網(wǎng)所組成的園區(qū)網(wǎng)。其中的各個子網(wǎng)在邏輯上獨立，而路由器就是唯一能夠分隔它們的設備，它負責子網(wǎng)間的報文轉發(fā)和廣播隔離，邊界上的路由器則負責與上層網(wǎng)絡的連接。

路由器從一個端口收到一個報文后，去除鏈路層封裝，交給網(wǎng)絡層處理。網(wǎng)絡層首先檢查報文是否是送給本機的，若是，則去掉網(wǎng)絡層封裝，送給上層協(xié)議處理。若不是，則根據(jù)報文的目的地址查找路由表，若找到路由，將報文交給相應端口的數(shù)據(jù)鏈路層，封裝端口對應的鏈路層協(xié)議后，發(fā)送報文。

16.3路由器的工作原理若找不到路由，將報文丟棄。(路由器查找的路由表可以是管理員手工配置的，也可以是通過動態(tài)路由協(xié)議自動學習形成的。為了實現(xiàn)正確的路由功能，路由器管理維護路由表)。路由器的交換/轉發(fā)指的是數(shù)據(jù)在路由器內部傳送與處理的過程：從路由器一個接口接收數(shù)據(jù)，然后選擇合適接口轉發(fā)，其間做幀的解封裝與封裝，并對數(shù)據(jù)包做相應處理。

我們知道了路由器兩個基本功能是路由功能和交換功能，下面分析路由器的工作過程即工作原理。

1.需要學習與維護的基本信息

路由器的路由過程需要學習與維護以下幾個基本信息：

(1)路由協(xié)議。

(2)接口的IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關IP地址。在接口上啟動了IP協(xié)議，缺省情況下IP路由是打開的，路由器一旦在接口上配置了三層的地址信息并且接口狀態(tài)正常，就可以利用這個接口轉發(fā)數(shù)據(jù)包。

(3)目的網(wǎng)絡IP地址。通常IP數(shù)據(jù)包的轉發(fā)依據(jù)的是目的網(wǎng)絡地址，路由表中必須有能夠匹配得上的路由條目，才能夠轉發(fā)此數(shù)據(jù)包，否則此IP數(shù)據(jù)包將被丟棄。

(4)下一跳IP地址。路由表中還包含為將數(shù)據(jù)包轉發(fā)至目的網(wǎng)絡而需要將此數(shù)據(jù)包從哪個端口發(fā)送出和應轉發(fā)到的下一跳地址等信息。

2.路由器的交換/轉發(fā)過程

數(shù)據(jù)在路由器內從路由器一個接口接收，然后選擇合適接口轉發(fā)，其間做幀的解封裝與封裝，并對包做相應處理：

(1)當一個數(shù)據(jù)幀到達某一端口時，端口對幀進行CRC校驗并檢查其目的數(shù)據(jù)鏈路層地址是否與本端口符合，如果通過檢查，則去掉幀的封裝并讀出IP數(shù)據(jù)包中的目的地址信息，查詢路由表，決定轉發(fā)接口與下一跳地址。

(2)獲得了轉發(fā)接口與下一跳地址信息后，路由器將查找緩存中是否已經(jīng)有了在外出接口上進行數(shù)據(jù)鏈路層封裝所需的信息。如果沒有這些信息則路由器將通過適當?shù)倪M程獲得這些信息：外出接口如果是以太網(wǎng)接口，將通過ARP協(xié)議獲得下一跳IP地址所對應的MAC地址；如果外出接口是廣域網(wǎng)接口則將通過手工配置或自動實現(xiàn)的映射過程獲得相應的2層地址信息。

(3)做新的數(shù)據(jù)鏈路層封裝并依據(jù)外出接口上所做的QOS策略進入相應的隊列，等待端口空閑進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。

IP路由在同一網(wǎng)絡內部的通信過程如圖16-1所示，網(wǎng)絡A是一個以太網(wǎng)，內部有兩臺主機想要互相通信。16.4同一網(wǎng)絡內部的通信

圖16-1IP路由在同一網(wǎng)絡內部的通信過程首先主機A通過本機的HOSTS表或WINS系統(tǒng)或DNS系統(tǒng)將主機B的計算機名轉換為IP地址，然后用自己的IP地址與子網(wǎng)掩碼計算出自己所處的網(wǎng)段，比較目的主機B的IP地址。發(fā)現(xiàn)對方與自己處于相同的網(wǎng)段，便在自己的ARP緩存中查找是否有主機B的MAC地址。如果能找到，就直接做數(shù)據(jù)鏈路層封裝并通過網(wǎng)卡將封裝好的以太數(shù)據(jù)幀發(fā)送到物理線路上去；如果ARP緩存表中沒有主機B的MAC地址，主機A將啟動ARP協(xié)議通過在本地網(wǎng)絡上的ARP廣播來查詢主機B的MAC地址，獲得主機B的MAC地址后寫入ARP緩存表，進行數(shù)據(jù)鏈路層封裝，發(fā)送數(shù)據(jù)。如圖16-2所示。

圖16-2主機A與主機B間的通信

了解了同一網(wǎng)絡內部的通信之后，我們再來看不同網(wǎng)絡之間的通信。如圖16-3所示，假設網(wǎng)絡A中有一臺主機(設為主機A)想要和網(wǎng)絡B中一臺主機(設為主機B)通信，而網(wǎng)絡A是一個以太網(wǎng)，網(wǎng)絡B是一個X.25網(wǎng)絡。16.5不同網(wǎng)絡之間的通信

圖16-3不同網(wǎng)絡之間的通信不同的數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡必須分配不同網(wǎng)段的IP地址并且由路由器將其連接起來。

主機A通過本機的HOSTS表或WINS系統(tǒng)或DNS系統(tǒng)先將主機B的計算機名轉換為IP地址，然后用自己的IP地址與子網(wǎng)掩碼計算出自己所處的網(wǎng)段，比較目的主機B的IP地址，發(fā)現(xiàn)其與自己處于不同的網(wǎng)段。于是主機A將知道應該將此數(shù)據(jù)包發(fā)送給自己的缺省網(wǎng)關，即路由器的本地接口。主機A在自己的ARP緩存中查找是否有缺省網(wǎng)關的MAC地址，如果能找到就直接做數(shù)據(jù)鏈路層封裝并通過網(wǎng)卡將封裝好的以太數(shù)據(jù)幀發(fā)送到物理線路上去；如果ARP緩存表中沒有缺省網(wǎng)關的MAC地址，主機A將啟動ARP協(xié)議，通過在本地網(wǎng)絡上的ARP廣播來查詢缺省網(wǎng)關的MAC地址，獲得缺省網(wǎng)關的MAC地址后寫入ARP緩存表，進行數(shù)據(jù)鏈路層封裝，發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀到達路由器的接收接口后首先解封裝，變成IP數(shù)據(jù)包，對IP數(shù)據(jù)包進行處理，根據(jù)目的IP地址查找路由表，決定轉發(fā)接口后做適應轉發(fā)接口數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的幀的封裝，并發(fā)送到下一跳路由器。此過程繼續(xù)，直至到達目的網(wǎng)絡與目的主機。

在整個通信過程中，數(shù)據(jù)報文的源IP地址、目的IP地址以及IP層向上的內容不會改變。如圖16-4所示。

圖16-4數(shù)據(jù)報文的內容

如圖16-5所示，以兩臺處于不同網(wǎng)段的主機間的通信為例說明數(shù)據(jù)包路由的過程。

當數(shù)據(jù)包被轉發(fā)至R3后會經(jīng)歷與R1、R2相同的處理過程，在R3的路由表中查找目的網(wǎng)段的條目，發(fā)現(xiàn)目的網(wǎng)段為其直連網(wǎng)段，最終數(shù)據(jù)包被轉發(fā)至目的主機B。如圖16-6所示。16.6路由過程示例

圖16-5不同網(wǎng)段主機間的通信數(shù)據(jù)包路由

圖16-6數(shù)據(jù)包被轉發(fā)

VLAN是基于二層的技術，如果VLAN之間的信息需要互通，就需要通過VLAN的三層路由功能來實現(xiàn)。16.7VLAN間通信的路由選擇

VLAN之間的通信的解決方法是：在VLAN之間配置路由器，這樣VLAN內部的流量仍然通過原來的VLAN內部的二層網(wǎng)絡進行，從一個VLAN到另外一個VLAN的通信流量，通過路由在三層上進行轉發(fā)，轉發(fā)到目的網(wǎng)絡后，再通過二層交換網(wǎng)絡把報文最終發(fā)送給目的主機。由于路由器對以太網(wǎng)上的廣播報文采取不轉發(fā)的策略，因此中間配置的路由器仍然不會改變劃分VLAN所達到的廣播隔離的目的。在VLAN之間做互連使用的路由器上，我們可以通過各種配置，比如對路由協(xié)議的配置、對訪問控制的配置等形成對VLAN之間互相訪問的控制策略，使網(wǎng)絡處于受控的狀態(tài)。

在劃分了VLAN并且使用路由器將VLAN互連起來的網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡的主機是怎么相互通信的呢？

首先，我們做這樣一個定義：處于相同VLAN內部的主機叫做本地主機，與本地主機之間的通信叫做本地通信；處于不同VLAN的主機叫做非本地主機，與非本地主機之間的通信叫做非本地通信。

對于本地通信，通信兩端的主機同處于一個相同的廣播域，兩臺主機之間的流量可以直接相互到達，通信的過程與扁平二層網(wǎng)絡中的情況相同。

對于非本地通信，通信兩端的主機位于不同的廣播域內，兩臺主機的流量不能互相到達，主機通過ARP廣播請求也不能請求到對方的地址，此時的通信必須借助于中間的路由器來完成。

路由器在各個VLAN中間，實際上是作為各個VLAN的網(wǎng)關起作用的。因此要通過路由器來互相通信的主機必須知道這個路由器的存在，并且知道它的地址。在路由器配置好了之后，就要在主機上配置默認網(wǎng)關作為路由器在本VLAN上的接口的地址。如圖16-7所示，主機1.1.1.10要同2.2.2.20通信。

圖16-7主機上配置默認網(wǎng)關首先，主機1.1.1.10根據(jù)本地的子網(wǎng)掩碼比較，發(fā)現(xiàn)目的主機不是本地主機，不能夠直接訪問目的主機；根據(jù)IP通信的規(guī)則，主機1.1.1.10將要查找本機的路由表尋找相應的網(wǎng)關，在實際網(wǎng)絡中，主機通常只配置了默認網(wǎng)關，因此這里主機1.1.1.10找到了默認網(wǎng)關。

然后，主機1.1.1.10在本機的ARPCache中查找默認網(wǎng)關的MAC地址，如果沒有，則啟動一個ARP請求的過程去發(fā)現(xiàn)。得到默認網(wǎng)關的MAC地址后，主機將幀轉發(fā)給默認網(wǎng)關，由路由器轉發(fā)。路由器通過查找路由表將報文轉發(fā)到相應的接口上面，然后查找到目的主機的MAC地址，將報文發(fā)送給目的主機。

目的主機收到報文后，回應的報文經(jīng)歷類似的過程又轉發(fā)回主機1.1.1.10。

了解到以上的過程后，應該可以了解到，VLAN之間的互通就和其他的網(wǎng)絡配置相同，要根據(jù)網(wǎng)絡的實際設計情況，同步地配置網(wǎng)絡各個部分的設置。如果單獨配置了路由器的地址，而沒在主機上配置網(wǎng)關，則VLAN間的通信依然無法運行起來。如上文所述，VLAN之間的通信使用路由器進行，那么在建立網(wǎng)絡的時候就存在連網(wǎng)的選擇問題。目前實現(xiàn)VLAN間路由可采用如下三種方式：

方式一：普通路由；

方式二：單臂路由；

方式三：三層/多層交換機。16.7.1普通路由

按照傳統(tǒng)的建網(wǎng)原則，我們應該從每一個需要進行互通的VLAN單獨建立一個物理連接到路由器，每一個VLAN都要獨占一個交換機端口和一個路由器的端口。圖16-8路由接口和物理接口對應在這樣的配置下，路由器上的路由接口和物理接口是一對一的對應關系，如圖16-8所示。路由器在進行VLAN間路由的時候就要把報文從一個路由接口上轉發(fā)到另一個路由接口上，同時也是從一個物理接口上轉發(fā)到其他的物理接口上去。

應用這種方式，當需要增加VLAN時在交換機上很容易實現(xiàn)，但在路由器上需要為此VLAN增加新的物理接口，所以這種方式的最大缺點是不具備良好的可擴展性，優(yōu)點是路由器上普通的以太口可用于VLAN間路由。16.7.2單臂路由

如果路由器以太網(wǎng)接口支持802.1Q封裝，則可實現(xiàn)單臂路由。單臂路由的概念在第13章已經(jīng)介紹過，使用這種技術，可以使多個VLAN的業(yè)務流量共享相同的物理連接，通過在單臂路由的物理連接上傳遞打標記的幀將各個VLAN的流量區(qū)分開來。在做VLAN間互通時，對于網(wǎng)絡中多個VLAN，只需要共享一條物理鏈路。在交換機上配置連接到路由器的端口設置為Trunk端口，在路由器上支持802.1Q封裝的以太接口設置多個子接口，將路由器的以太口子接口設置封裝類型為dot1Q。指定此子接口與哪個VLAN關聯(lián)，即此子接口處于哪個VLAN的廣播域之中，然后將子接口的IP地址設置為此VLAN成員的缺省網(wǎng)關地址。如圖16-9所示。

圖16-9Trunk端口如圖16-9配置，路由器上的路由接口和物理接口是多對一的對應關系，路由器在進行VLAN間路由時，把報文從一個路由子接口上轉發(fā)到另一個路由子接口上，但從物理接口上看，是從一個物理接口上轉發(fā)回同一個物理接口上去，但是VLAN標記在轉發(fā)后被替換為目標網(wǎng)絡的標記。

在通常的情況下，VLAN間路由的流量不足以達到鏈路的線速度，使用VLANTrunking的配置，可以提高鏈路的帶寬利用率，節(jié)省端口資源并且簡化管理(例如：當網(wǎng)絡需要增加一個VLAN時，只要維護一下設備的配置就行了，不需要對網(wǎng)絡布線進行修改)。使用VLANTrunking之后，用傳統(tǒng)的路由器進行VLAN之間的路由在性能上還有一定的不足：由于路由器利用通用的CPU，轉發(fā)完全依靠軟件進行，同時支持各種通信接口，給軟件帶來的負擔也比較大。軟件要進行的處理包括報文接收、校驗、查找路由、選項處理、報文分片，導致性能不能做到很高，要實現(xiàn)高的轉發(fā)率就會帶來高昂的成本。由此就誕生了三層交換機，利用三層交換技術來進一步改善性能。16.7.3三層交換機(路由交換機)

三層交換機使用硬件技術，采用巧妙的處理方法把二層交換機和路由器在網(wǎng)絡中的功能集成到一個盒子里。所有三層交換機上可見的物理接口都是具有2層功能的端口(Port)，其3層接口(Interface)可以通過配置創(chuàng)建。創(chuàng)建的3層接口是基于VLAN的，即此VLAN的所有成員可直接訪問到的一個邏輯接口，其IP地址被配置為這個VLAN中其他所有主機的缺省網(wǎng)關地址。而對于三層交換機而言，在本交換機上基于VLAN創(chuàng)建的這些3層接口被視為直連路由。這樣就提高了網(wǎng)絡的集成度，增強了轉發(fā)性能。為了實現(xiàn)各種異構網(wǎng)絡的互連，IP協(xié)議實現(xiàn)了十分豐富的內容，標準的IP路由需要在轉發(fā)每一個IP報文時做很多處理，經(jīng)過很多流程，就像前面所說的給軟件帶來巨大負擔的工作。

但是這樣的工作并不是在處理每一個報文時