第4章路由技術及配置本章主要內容4.1路由器的作用與構成4.1.1路由器的作用4.1.2路由器的構成4.2路由表4.2.1路由表的構成4.2.2路由的分類4.3路由選擇協議4.3.1基本概念4.3.2內部網關協議RIP4.3.3內部網關協議OSPF4.3.4外部網關協議BGP4.4路由技術綜合應用案例習題與思考題四4.1路由器的作用與構成4.1.1路由器的作用路由是把信息從源主機傳遞到目的主機的行為，在這條路徑上至少遇到一個中間節點。路由發生在第三層（網絡層）。在網絡中承擔路由任務的節點，就是路由器，它是完成網絡互聯的重要設備，這種互聯既可以是同種網絡的互聯，也可以是異種網絡的互聯，如圖5-1所示。圖4-1路由器完成異種網絡互聯互聯網局域網局域網廣域網路由器圖4-2直接交付與間接交付間接交付間接交付間接交付ABC直接交付直接交付路由包含兩個基本動作：確定最佳路徑和通過網絡傳輸信息，后者也稱為數據轉發。數據轉發相對來說比較簡單，而選擇路徑很復雜。1．路徑選擇度量值（Metric）是路由算法用以確定到達目的地最佳路徑的計量標準，如路徑長度。為了幫助選路，路由算法初始化并維護包含路徑信息的路由表，路徑信息根據使用的路由算法不同而不同。路由表的產生有多種方式，可以是動態的，也可以是靜態的，關于路由表將會在4.2節中詳細介紹。當數據報到達路由器時，路由器會從數據報的IP頭部解析出相關地址信息，與路由表中的信息比對，選出一條可到達目的主機的路徑，如有多條路徑存在，則選擇一條最佳路徑。在此環節，通往目的主機的下一跳路由器的IP地址便產生了。2．數據轉發數據轉發算法相對而言較簡單，對大多數路由協議是相同的。通過上面的路徑選擇環節，路由器得出下一跳路由器的IP地址，下一步便是通過ARP協議獲取下一跳路由器的MAC地址，隨之將數據報打包，將源MAC地址填充上自己的物理地址，將目的MAC地址變換為下一跳路由器的MAC地址，源IP、目的IP保持不變寫入數據報頭中。繼而完成轉發動作，整個過程如圖4-3所示。圖4-3數據轉發4.1.2路由器的構成路由器系統由路由器硬件系統和路由器軟件系統構成。軟件系統主要指路由器的操作系統。在此主要討論路由器的硬件系統的構成。典型的硬件系統如圖4-4所示。圖4-4典型的路由器的結構3——網絡層2——數據鏈路層1——物理層路由選擇路由選擇處理機路由選擇協議路由表3輸入端口3交換結構輸入端口輸出端口分組轉發轉發表分組處理輸出端口……11133122224.2路由表4.2.1路由表的構成路由器是互聯網中的中轉站，網絡中的數據包通過路由器轉發到目的網絡。在路由器的內部都有一個路由表，正是由于路由表的存在，路由器可以依據它進行數據轉發。每個路由表中都存放著通向網絡中任何一臺主機或網絡的路由信息列表。在支持分類IP地址的網絡中，每條路由信息中最主要的是兩個字段：目的網絡地址和下一跳路由器的地址，通過圖4-5可以看到路由器R2中的路由表信息。圖4-5路由器的路由網110.0.0.0網440.0.0.0網330.0.0.0網220.0.0.010.0.0.440.0.0.430.0.0.220.0.0.920.0.0.7目的主機所在的網絡下一跳路由器的地址20.0.0.030.0.0.010.0.0.040.0.0.020.0.0.730.0.0.1直接交付，接口1直接交付，接口0路由器R2的路由表30.0.0.1R2R3R101當有數據報到達路由器R2時，路由器從數據報的首部提取目的站的IP地址D，得出目的網絡地址為N。這時，路由器將N與路由表中“目的主機所在的網絡”一列中的數值做一一對比，若匹配，說明路由表中有到達網絡N的路由，則將數據報傳送給路由表指明的下一跳路由器，如找不到匹配項，而路由表中有一個默認路由，則將數據報傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，報告轉發分組出錯。在“下一跳路由器的地址”中可以看到兩種情況，一種是最普遍的情況，該地址中存放的是另一個路由器的地址，也就是數據需要下一跳路由器繼續轉發的情況；另一種是“直接交付，接口X”，也就是網絡N與此路由器直接相連，數據不需要再進行轉發，路由器將數據報從指定接口X發出，直接交付給目的主機。隨著劃分子網及無分類編址網絡的出現，路由器中的字段又多了一項，變為：目的網絡地址，子網掩碼，下一跳路由器的地址，如表5-1所示。目的網絡地址子網掩碼下一跳路由器的地址128.30.33.0

128.30.33.128

128.30.36.0255.255.255.128

255.255.255.128

255.255.255.0接口0

接口1

R2這時，在數據報尋址過程中情況發生了變化。當有數據報到達路由器時，從收到的分組的首部提取目的IP地址D。先用各網絡的子網掩碼和D逐位相“與”，看是否和相應的網絡地址匹配。若匹配，則將分組直接交付，否則就是間接交付。對路由表中的每一行的子網掩碼和D逐位相“與”，若其結果與該行的目的網絡地址匹配，則將分組傳送給該行指明的下一跳路由器；否則，若路由表中有一個默認路由，則將分組傳送給路由表中所指明的默認路由器；否則，報告轉發分組出錯。路由表還可以包括其他信息，如metric（度量值）、管理距離及路由的存活時間等。在不同廠家、不同型號的路由器中，路由表的表述形式有所不同，但信息含義是基本相同的。圖4-6是在銳捷路由器上截獲的一張路由表的實例，通過它可以看到路由表中的信息狀況。圖4-6路由表實例R2.0.0.0/8 [120,1]via1.1.1.1(onFastEthernet0/0)現將各表項含義解釋如下：R：路由信息的來源（RIP）2.0.0.0/8：目標網絡（或子網）。120：管理距離，也就是路由的可信度。管理距離可以用來選擇采用哪個IP路由協議。管理距離值越低，學到的路由越可信1：量度值（路由的可到達性）。via172.16.7.9：下一跳地址（下個路由器）。onFastEthernet0/0：出站接口。4.2.2路由的分類路由表中含有用以選擇最佳路徑的信息。但是路由表是怎樣建立的呢？路由信息根據產生方式及作用的不同可分為以下幾種：1．直連路由直連路由是對一個路由器而言，通向與它直接相連的網絡的路由。這種路由不需要特別設置，當為路由器的接口配置好IP地址后，直連路由便會出現在路由表中。比如，在圖5-7中，該路由器有三個以太網接口，分別為F0、F1、F2，分別有鏈路通向三個網段，分別為192.168.1.0/24、192.168.2.0/24、192.168.3.0/24，為了使到達該路由器的數據能到達三個目標網段，只要將三個接口的IP地址設置好即可。192.168.1.1/24192.168.2.1/24192.168.3.1/24F0F2F1現在分別把F0端口IP地址設為192.168.1.1/24，把F1端口IP地址設為192.168.2.1/24，把F2端口IP地址設為192.168.3.1/24，那么路由表中便會出現三條路由表項，如表5-2所示。路由信息來源目的網絡出站接口C192.168.1.0Fastethernet0C192.168.2.0Fastethernet1C192.168.3.0Fastethernet2分別對應三個字段：（路由方式，目標網段，出口），C即connected，代表該路由為直連路由。第一行的意思是通向目標網段192.168.1.0要從Fastethernet0轉發，該網絡直接與路由器相連。2．靜態路由靜態路由指由網絡管理員手工配置的路由信息。除非網絡管理員干預，否則靜態路由不會發生變化。由于靜態路由不能對網絡的改變做出反應，一般用于網絡規模不大、拓撲結構固定的網絡中。靜態路由的優點是簡單、高效、可靠及保密性好。在所有的路由中，靜態路由的優先級最高。默認情況下當動態路由與靜態路由發生沖突時，以靜態路由為準。當網絡的拓撲結構或鏈路的狀態發生變化時，網絡管理員需要手工修改路由表中相關的靜態路由信息。靜態路由信息在默認情況下是私有的，不會傳遞給其他的路由器。當然，網管員也可以通過對路由器進行設置使之成為共享的。大型和復雜的網絡環境通常不宜采用靜態路由。一方面，網絡管理員難以全面地了解整個網絡的拓撲結構；另一方面，當網絡的拓撲結構和鏈路狀態發生變化時，路由器中的靜態路由信息需要大范圍地調整，這一工作的難度和復雜程度非常高。靜態路由的一般配置步驟如下：（1）為路由器的每個接口配置IP地址。（2）確定本路由器有哪些直連網段的路由信息。（3）確定網絡中有哪些屬于本路由器的非直連網段。（4）添加本路由器的非直連網段的相關的路由信息。以圖4-8中網絡拓撲為例，各子網的掩碼為255.255.255.0，IP地址如圖4-8所示。從圖中可以看出，PC1、PC2在兩個網段中，要使PC1與PC2通信，中間要經過兩個路由器轉發數據。在路由器A和B的路由表中一定要有從PC1到PC2及從PC2到PC1的路由信息。現在可以用設置靜態路由的方式填寫路由表信息。172.16.2.2S0172.16.2.1BABS0192.168.10.1202.99.8.1F0F0192.168.10.5202.99.8.3PC1PC2圖4-8兩機通信網絡拓撲172.16.2.2S0172.16.2.1BABS0192.168.10.1202.99.8.1F0F0192.168.10.5202.99.8.3PC1PC2按照上述靜態路由的一般配置步驟，首先分別為路由器A、B的F0、S0端口設置如圖4-8所示的IP地址，根據前面的學習可以知道，現在路由器中各會出現兩條直連路由信息。對于A來說，192.168.10.0/24與172.16.2.0/24為其直連網段，對于B來說，202.99.8.0/24與172.16.2.0/24是其直連網段。同樣可以看出，202.99.8.0/24是A的非直連網段，192.168.10.0/24是B的非直連網段。判斷出這一點，下面要做的事就是添加路由器的非直連網段相關的路由信息了。配置靜態路由用命令iproute：router(config)#iproute[網絡號][子網掩碼][下一跳路由器的IP地址/本地接口]具體到本例中，為路由器A配置靜態路由的命令如下：router(config)#iproute202.99.8.0255.255.255.0172.16.2.2或router(config)#iproute202.99.8.0255.255.255.0S03．動態路由動態路由是由路由選擇協議產生的，其產生是一個由路由器之間相互通信、傳遞路由信息、利用收到的路由信息更新路由表的過程。如果路由更新信息表明發生了網絡變化，路由選擇軟件就會重新計算路由，并發出新的路由更新信息。這些信息通過各個網絡，引起各路由器重新啟動其路由算法，并更新各自的路由表以動態地反映網絡拓撲結構變化。動態路由適用于網絡規模大、網絡拓撲結構復雜的網絡。當然，各種動態路由協議會不同程度地占用網絡帶寬和CPU資源。動態路由機制的運作依賴路由器的兩個基本功能：對路由表的維護，路由器之間適時的路由信息交換。路由器之間的路由信息交換是基于路由選擇協議實現的。路由選擇協議將在下一節進行介紹。4．默認路由默認路由也稱為缺省路由，指路由表中未直接列出目標網絡的路由選擇項，它用于在不明確的情況下指示數據幀下一跳的方向。如果路由器配置了默認路由，則所有未指明目標網絡的數據包都按缺少路由進行轉發。默認路由一般使用在stub網絡中（稱末端或存根網絡），stub網絡是只有一條出口路徑的網絡。使用默認路由來發送那些目標網絡沒有包含在路由表中的數據包。默認路由可以看作是靜態路由的一種特殊情況。Internet上大約99.99%的路由器上都存在一條默認路由!配置默認路由使用如下命令：router(config)#iproute0.0.0.00.0.0.0[下一跳路由器的IP地址/本地接口]0.0.0.00.0.0.0是默認路由的標識。4.3路由選擇協議4.3.1基本概念1．理想的路由算法（1）算法必須是正確的和完整的。（2）算法在計算上應簡單。（3）算法應能適應通信量和網絡拓撲的變化，這就是說，要有自適應性。（4）算法應具有穩定性。（5）算法應是公平的。（6）算法應是最佳的。2．分層次的路由選擇協議因特網將整個互聯網劃分為許多較小的自治系統（AutonomousSystem，AS）。一個自治系統是一個互聯網，其最重要的特點是自治系統有權自主地決定在本系統內采用何種路由選擇協議。一個自治系統內的所有網絡都屬于一個行政單位來管轄。但一個自治系統的所有路由器在本自治系統內必須是連通的。這樣因特網就把路由選擇協議劃分為兩大類：（1）內部網關協議IGP（InteriorGatewayProtocol）。即在一個自治系統內部使用的路由選擇協議，目前這類路由選擇協議使用得最多，如RIP和OSPF協議。（2）外部網關協議EGP（ExternalGatewayProtocol）。若源站和目的站處在不同的自治系統中（這兩個自治系統使用不同的內部網關協議），當數據報傳到一個自治系統的邊界時，就需要使用一種協議將路由選擇信息傳遞到另一個自治系統中。這樣的協議就是外部網關協議EGP。在外部網關協議中目前使用最多的是BGP-4。4.3.2內部網關協議RIP1．工作原理路由信息協議（RoutingInformationProtocol）是內部網關協議IGP中最先得到廣泛使用的協議。RIP是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協議，是因特網的標準協議，其最大優點就是簡單。RIP協議要求網絡中的每個路由器都要維護從它自己到其他每一個目的網絡的距離。（因此，這是一組距離，即“距離向量”。）RIP協議將“距離”定義如下：從一路由器到直接連接的網絡的距離定義為1。從一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。加1是因為到達目的網絡后就進行直接交付。而到直接連接的網絡的距離已經定義為1。RIP協議的距離也稱為跳數，每經過一個路由器，跳數就加1。RIP認為一個好的路由就是它通過的路由器的數目少，即距離短。RIP允計一條路徑最多只能包含15個路由器。因此距離的最大值為16時相當于不可達。可見RIP只適用于小型互聯網。RIP協議有三個要點：（1）僅和相鄰路由器交換信息。（2）交換的信息是當前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。（3）按固定的時間間隔交換路由信息。這里要強調一點，路由器剛剛開始工作時，只知道到直接連接的網絡的距離（此距離定義為1）。以后，每個路由器也只和數目非常有限的相鄰路由器交換并更新路由器信息。經過若干次的更新后，所有的路由器最終都會知道到達本自治系統中任何一個網絡的最短距離和下一跳路由器的地址。RIP協議的收斂（convergence）過程較快。所謂收斂就是在自治系統中所有的節點都得到正確的路由選擇信息的過程。路由表中最主要的信息是：到某個網絡的距離（即最短距離），以及應經過的下一跳地址。路由表更新的原則是找出到每個目的網絡的最短距離。這種更新算法又稱為距離向量算法。2．路由信息協議的工作過程RIP協議是通過在路由器間相互傳遞RIP報文來交換路由信息的，RIP報文主要包含以下信息：網絡地址，子網掩碼，下一跳路由器地址及距離（1～16之間）當一個路由器收到相鄰路由器（其地址為X）的一個RIP報文時，便執行以下算法：（1）先修改此RIP報文中的所有項目：將“下一跳”字段小的地址都改為X，并將所有的“距離”字段的值加1。（2）對修改后的RIP報文中的每個項目，重復以下步驟： 若項目中的目的網絡不在路由表中，則將該項目添加到路由表中。 否則 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器中的項目。 否則 若收到的項目中的距離小于路由表中的距離，則進行更新。 否則 什么也不做。（3）若3分鐘還沒有收到相鄰路由器的更新路由，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。3．RIP協議的配置同樣還是以圖4-8中的拓撲結構為例來說明RIP的配置方法。首先要做的是配置好各路由器的接口IP地址及掩碼等信息。接下來就可以在路由器上配置RIP協議了。以路由器A為例說明其配置方法：RouterA(config)#routerrip !開啟RIP協議進程RouterA(config-router)#network172.16.1.0 !聲明本設備的直連網段RouterA(config-router)#network172.16.2.0RouterA(config-router)#version2 !定義RIP協議v2RouterA(config-router)#noauto-summary !關閉路由信息的自動匯總功能RouterA(config-router)#exitRouterA(config)#4.3.3內部網關協議OSPFOSPF協議的全稱為開放最短路徑優先（OpenShortestPathFirst），它是為克服RIP的缺點在1989年被開發出來的。1．OSPF協議的主要特點（1）使用分布式的鏈路狀態協議。（2）路由器發送的信息是本路由器與哪些路由器相鄰，以及鏈路狀態（距離、時延、帶寬等）信息。（3）當鏈路狀態發生變化時用洪泛法向所有路由器發送。（4）所有的路由器最終都能建立一個鏈路狀態數據庫。（5）為了能夠用于規模很大的網絡，OSPF將一個自治系統再劃分為若干個更小的區域（area），一個區域內的路由器數不超過200個。2．自治系統內部的區域劃分劃分區域的好處是將利用洪泛法交換鏈路狀態信息的范圍局限于每個區域而不是整個的自治系統，這就減少了整個網絡的通信量。在一個區域內部的路由器只知道本區域的完整網絡拓撲，而不知道其他區域的網絡拓撲情況。一個自治系統內部劃分成若干區域與主干區域（BackboneArea），如圖4-9所示，主干區域的標識符規定為0.0.0.0，其作用是連接多個其他的下層區域，主干區域內部的路由器叫做主干路由器（BackboneRouter），連接各個區域的路由器叫做區域邊界路由器（AreaBorderRouter）。區域邊界路由器接收從其他區域來的信息，在主干區域內還要有一個路由器專門和該自治系統之外的其他自治系統交換路由信息。這種路由器叫做自治系統邊界路由器。圖4-9將一個自治系統劃分為多個區域的結構示意圖網絡3路由器2網絡5區域0.0.0.2路由器8網絡4網絡2網絡1區域0.0.0.1路由器1路由器3路由器7路由器5路由器4路由器6主干區域0.0.0.0至其他自治

系統區域0.0.0.3路由器9網絡6網絡7自治系統3．OSPF協議的執行過程（1）路由器的初始化過程。每個路由器用數據庫描述分組和相鄰路由器交換本數據庫中已有的鏈路狀態摘要信息，路由器使用鏈路狀態請求分組，向對方請求發送自己所缺少的某些鏈路狀態項目的詳細信息，通過一系列的分組交換，建立全網同步的鏈路數據庫。（2）網絡運行過程。路由器的鏈路狀態發生變化，該路由器就要使用鏈路狀態更新分組，用洪泛法向全網更新鏈路狀態。每個路由器計算出以本路由器為根的最短路徑樹，根據最短路徑樹更新路由表。4.3.4外部網關協議BGP1989年公布了新的外部網關協議——邊界網關協議BGP。BGP是不同自治系統的路由器之間交換路由信息的協議。目前版本是1995年發表的BGP-4。1．外部網關協議設計的基本思想BGP使用的環境與內部網關協議不同。（1）因特網的規模太大，使得自治系統之間的路由選擇非常困難。（2）對于自治系統之間的路由選擇，要尋找最佳路由是很不現實的。（3）自治系統之間的路由選擇必須考慮有關政治、安全或經濟方面的策略。基于上述情況，BGP只能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。圖4-10外部網關協議設計的基本思想網絡網絡網絡自治系統1自治系統4BGP發言人BGP發言人網絡網絡網絡BGP發言人BGP發言人自治系統2網絡BGP發言人自治系統3自治系統5網絡網絡2．BGP路由選擇協議的工作過程在BGP剛開始運行時，BGP邊界路由器與相鄰的邊界路由器交換整個的BGP路由表，以后只需要在發生變化時更新有變化的部分。當兩個邊界路由器屬于兩個不同的自治系統時，邊界路由器之間定期地交換路由信息，維持相鄰關系，當某個路由器或鏈路出現故障時，BGP發言人可以從不止一個相鄰邊界路由器獲得路由信息。BGP路由選擇協議在執行過程中使用了打開（open）、更新（update）、保活（keepalive）與通知（notification）等4種分組。4.4路由技術綜合應用案例下面將綜合路由技術設計一個組網案例，以此說明路由技術的應用與配置方法。現一公司A與公司B有實現通信的需求，兩個公司各有一個出口路由器，型號為銳捷R1762。公司A的網絡較為復雜，其核心交換機為一臺型號為銳捷S3550的三層交換機，該交換機連到校園網的出口路由器，網絡內部劃分VLAN。公司B為一個小型的二層交換網絡。現做適當規劃與配置，實現兩個公司間的相互通信。由以上描述可得出拓撲結構圖如圖4-11所示。現將路由器分別命名為R1，R2，路由器之間通串口采用V.35DCE/DTE電纜連接，DCE端連接到R1上。S3550交換機命名為S1，在S1上劃分VLAN10和VLAN20，其中VLAN10用于連接R1，VLAN20用于連接公司A內部網絡。PC1，PC2分別代表兩公司的內部網絡的任何一臺主機，假設PC1的IP地址和缺省網關為172.16.5.11和172.16.5.1，PC2的IP地址和缺省網關分別為172.16.3.22和172.16.3.1，網絡掩碼都是255.255.255.0。在本方案中，采用OSPF作為網絡選擇協議。設備地址配置設備名稱設備地址接口連接S1VLAN10:172.16.1.2/24F0/1連接R1F1/0VLAN20:192.168.5.1/24F0/2連接內部網絡R1F1/0：172.16.1.1/24F1/0連接R2S1/2S1/2：172.16.2.1/24S1/2連接S1F0/1R2F1/0：172.16.3.1/24F1/0連接內部網絡S1/2：172.16.2.2/24S1/2連接R1S1/21基本配置

(1)三層交換機基本配置S1#configureterminalS1(config)#vlan10S1(config-vlan)#exitS1(config)#vlan20S1(config-vlan)#exitS1(config)#interfacef0/1S1(config-if)#switchportaccessvlan10！創建VLAN虛接口S1(config-if)#exitS1(config)#interfacef0/2S1(config-if)#switchportaccessvlan20S1(config-if)#exitS1(config)#interfacevlan10S1(config-if)#ipaddress172.16.1.2255.255.255.0！配置虛接口IPS1(config-if)#noshutdownS1(config-if)#exitS1(config)#interfacevlan20S1(config-if)#ipaddress172.16.5.2255.255.255.0S1(config-if)#noshutdownS1(config-if)#exit(2)路由器基本配置R1(config)#interfacefastethernet1/0R1(config-if)#ipaddress172.16.1.1255.255.255.0R1(config-if)#noshutdownR1(config-if)#exitR1(config)#interfaceserial1/2R1(config-if)#ipaddress172.16.2.1255.255.255.0R1(config-if)#clockrate64000！為DCE設置時鐘頻率R1(config-if)#noshutdownR1(config-if)#exitR2(config)#interfacefastethernet1/0R2(config-if)#ipaddress172.16.3.1255.255.255.0R2(con