弱电工程路由器工作原理和技术讲义

网络系统集成技术

NetworksSystemIntegrating

第四章路由器工作原理和技术第四章路由器工作原理和技术本章主要内容4.1路由器的概念4.2路由器的分类4.3主要路由协议4.4路由器的连接4.5路由器的配置4.6路由器主要技术AboutRoutersAninternetisacombinationofnetworksconnectedbyrouters.Whenadatagramgoesfromasourcetoadestination,itwillprobablypassthroughmanyroutersuntilitreachestherouterattachedtothedestinationnetwork.Arouterreceivesapacketfromanetworkandpassesittoanothernetwork.Arouterisusuallyattachedtoseveralnetworks.Whenitreceivesapacket,towhichnetworkshoulditpassthepacket?Thedecisionisbasedonoptimization:whichoftheavailablepathwaysistheoptimumpathway?4.1路由器的概念工作在OSI参考模型第三层(网络层)的数据包转发设备具有判断网络地址和选择路径的功能根据收到的数据包中的网络层地址和路由器内部维护的路由表决定输出端口和下一跳地址通过动态维护路由表来反映当前的网络拓扑,并通过与网络上其他路由器交换路由和链路信息来维护路由表路由与桥接：性能特点两者均为网络互联,但桥接功能发生在数据链路层，转发的依据是帧中的信息（MAC地址）。硬件处理，转发速度较快，无广播抑制功能，价格较低，适合于局域网、企业网等内部子网间互联。路由功能发生在网络层，转发的依据是数据报中的信息（IP地址）。软件处理，转发速度较慢，可完全抑制广播，价格较高，适用于大网络和复杂网络拓扑结构，主要用在外网与内网的隔离处或在广域网中作中间转发结点。路由器的工作流程路由器的功能异种网络的互联可用完全不同的数据分组和介质访问方法互联各种子网。只接收源站或其他路由器的信息，而不关心各子网所用的硬件设备（但要求运行与网络层协议相一致的软件）。网络地址判断、最佳路由选择和数据处理(加密/优先级/过滤等）支持复杂的网络拓扑结构网络互联和路由选择（中间节点路由器）分隔子网和隔离广播（边界路由器）4.2路由器的分类形形色色的路由器Cisco12000SeriesRouters

Cisco837ADSLBroadbandRouterCISCO3800SERIESINTEGRATEDSERVICESROUTERS按性能档次分类高端路由器背板交换能力大于40GbpsCISCO12000/7500/7200系列中端路由器背板交换能力大于25～40GbpsCISCO4000/3600系列低端路由器背板交换能力小于25GbpsCISCO3600系列以下划分标准和型号仅供参考按结构分类类模块化路由由器（下图图）通常为中高高端路由器器非模块化路路由器（右右图）通常为低端端路由器按网络位置置分类核心层（骨骨干级）路路由器位于网络中中心，要求求高速可靠靠（热备份份/双电源/双数据通路路等），用用于实现企企业级网络络的互联。。分发层（企企业级）路路由器中大型企业业和因特网网服务供应应商（ISP）或分级系系统中的中中级系统访问层（接接入级）路路由器位于网络边边缘，应用用最广泛，，主要用于于中小企业业和大型企企业分支机机构中。目目前最常用用的接入路路由器是宽宽带路由器器。按功能分类类通用路由器器专用路由器器为实现某种种特定功能能对路由器器接口、硬硬件等做专专门优化（（如拨号、、VPN）线速路由器器以线路速率率高速转发发数据（高高端路由器器）非线速由器器转发时有一一定间断和和延时（中中低端路由由器）4.3主要路由协协议路由器工作作方式所谓“互连连网络”，，就是由若若干路由器器连接起来来的一组网网络。路由由器的主要要作用是将将所接收到到的信息包包按其附加加的地址信信息传送给给另一个网网络。一个个路由器通通常连接几几个网络，，如果通往往目标网络络有几条传传输路径可可行，路由由器将根据据预先设定定的所谓““计量标准准”（metric）选选择择最最佳佳路路径径。。路由由选选择择———选择择最最佳佳路路径径最佳佳判判断断———计量量标标准准路由由器器工工作作图图在此此通通信信过过程程中中，，数数据据包包的的协协议议地地址址始始终终不不变变，，而而物物理理地地址址在在不不同同子子网网中中有有不不同同的的值值。。路由由器器常常用用计计量量标标准准(Metric)跳数数（（hop）———数据据包包到到达达目目的的地地所所必必须须经经过过的的路路由由器器数数目目带宽宽（（bandwidth）———链路路传传输输数数据据流流容容量量的的能能力力延时时（（delay）———从源源节节点点发发送送一一个个数数据据包包到到目目的的节节点点所所需需时时间间负载载（（load）———网络络资资源源（（如如路路由由器器、、链链路路等等））的的繁繁忙忙程程度度可靠靠性性（（reliability）———指每每一一链链路路的的可可靠靠性性（（通通常常用用误误码码率率来来描描述述））滴答答数数（（tick）———在数数据据链链路路上上用用IBMPC时钟钟表表示示的的延延时时（（1tick=1/18s，约约55ms）开销销（（cost）———基于于带带宽宽、、费费用用或或其其他他因因素素的的任任意意值值，，通通常常由由网网络络管管理理员员指指定定路由由选选择择协协议议路由由协协议议（（routedprotocol）含有有使使数数据据包包路路由由用用的的寻寻址址和和控控制制信信息息（（故故又又称称为为““路路由由协协议议””））。。它它们们根根据据路路由由选选择择协协议议实实现现互互连连网网络络之之间间的的路路由由。。常常用用路路由由协协议议有有：：IP协议议，，AppleTalk，DECnet和NovellNetWare等。。路由由选选择择协协议议（（routingprotocol）执行行某某个个路路由由算算法法实实现现路路由由功功能能。。路路由由算算法法用用于于初初始始化化和和定定期期更更新新““路路由由表表””（（routingtable）中中的的信信息息，，并并进进行行实实际际的的路路径径选选择择。。IdentifyingStaticandDynamicRoutesStaticRouteUsesaroutethatanetworkadministratorentersintotheroutermanuallyDynamicRouteUsesaroutethatanetworkroutingprotocoladjustsautomaticallyfortopologyortrafficchanges路由由器器中中一一张张存存储储了了网网络络拓拓扑扑信信息息内内容容的的表表，，它它包包含含一一组组条条目目，，指指定定可可以以到到达达其其他他网网络络的的路路由由器器端端口口的的IP地址。静态路由表：：网络管理员人人工设置和更更新维护动态路由表：：由路由选择协协议自动生成成和更新维护护静态路由和动动态路由静态路由的优优点是简单、、高效、可靠靠。在所有的的路由中，静静态路由优先先级最高。当当动态路由与与静态路由发发生冲突时，，以静态路由由为准。动态路由适用用于网络规模模大、网络拓拓扑复杂的网网络。各种动动态路由协议议会不同程度度地占用网络络带宽和CPU资源。静态路由和动动态路由有各各自的特点和和适用范围，，因此在网络络中动态路由由通常作为静静态路由的补补充。当一个个数据报在路路由器中进行行寻径时，路路由器首先查查找静态路由由，如果查到到则根据相应应的静态路由由转发分组；；否则再查找找动态路由。。内部路由和外外部路由今天，一个互互联网络可能能很大，以致致一个路由协协议无法完成成为所有路由由器更新路由由表的任务。。为此，需要要将一个互联联网络分为若若干“自治系统”（autonomoussystems，AS）。一个“自自治系统”是是指由同一个个管理员管理理的一组网络络和路由器。。自治系统内内部的路由称称为“内部路路由”，自治治系统之间的的路由称为““外部路由””。每个自治治系统都可以以选择一个内内部路由协议议来处理该自自治系统内部部的路由。但但是，自治系系统之间的路路由通常只能能使用一个外外部路由协议议来处理。IGP和EGP在每个自治系系统中，所有有路由器都运运行一个内部部网关协议以以自由地交换换路由信息。。不同自治系系统之间则使使用外部网关关协议，它限限制在这些互互连的自治系系统之间交换换的路由信息息总量，并允允许按不同方方式管理它们们。常用路由协议议路由协议分为为：内部网关协议议（IGP,InteriorGatewayProtocol）和外部网关协议议（EGP,ExteriorGatewayProtocol）。前者用来来交换同一自自治系统中所所有路由器间间的所有路由由信息，适用用于某一大型型网络中的路路由器组使用用。后者以可可控制的方式式在不同自治治系统中传送送路由信息，，适合于在因因特网之类网网关经常变化化的系统间进进行路由信息息交换。这里”网关””是路由器的的旧称距离矢量协议议和链路状态态协议Distance-Vector&link-States内部网关协议议根据学习路路径的方式可可以分为距离离矢量路由协协议和链路状状态路由协议议两大类距离矢量协议议（如RIP、IGRP等）周期性地地通过广播进进行路由更新新，并只与直直接相连的相相邻路由器交交换信息。而而且在每次路路由更新中都都发送所有的的路由表表项项。每个路由由器只认识相相邻的路由器器和到目标的的路离。链路状态协议议（如OSPF等）使每个路路由器在其区区域内维护相相同的数据库库，在网络里里的每个路由由器能看见整整个网络，链链路状态更新新通告所有其其他路由器的的只是有关其其邻接和链接接链路的信息息，而非整个个路由表。而而且它无须周周期性地更新新，只有改变变后才传播出出去。距离矢矢量路路由协协议Distance-VectorRoutingProtocols基于Bellman-Ford算法周期性性地将将路由由表信信息的的拷贝贝在路路由器器间传传送每个路路由器器都不不了解解整个个网络络拓扑扑，只只知道道与自自己直直接相相连的的网络络情况况。距离矢矢量路路由器器关心心的是是到目目的网网段的的距离离（Metric）和矢矢量（（方向向，从从哪个个端口口转发发）。。距离矢矢量信信息类类似于于十字字路口口指向向目的的地的的路标标，沿沿路标标的指指向前前进，，在下下一个个十字字路口口，会会再看看到一一个距距离目目的地地更近近的新新路标标。优点：：配置置简单单，占占用较较少内内存和和CPU处理时时间缺点：：收敛敛速度度慢，，报文文量大大，占占用较较多的的网络络开销销Distance-Vector距离矢矢量协协议的的路由由表网络ID跳数下一个路由器………………………链路状状态路路由协协议Link-StatesRoutingProtocols基于Dijkstra算法亦称““最短短路径径优先先算法法”通过收收集和和传递递自治治系统统的链链路状状态来来动态态地发发现并并传播播路由由信息息。通通过这这种方方式使使区域域内的的每台台路由由器都都建立立了一一个本本区域域的完完整的的链路路状态态数据据库。。采用增增量更更新机机制，，只有有链路路状态态发生生变化化时才才发送送路由由更新新信息息。优点：：提供供比距距离矢矢量算算法更更大的的扩展展性的的快速速收敛敛性缺点：：耗费费更多多的路路由器器内存存和CPU处理能能力。。Link-State①RIP协议RIP（RoutingInformationProtocol，路路由由信信息息协协议议））简简单单实实用用，，是是目目前前最最常常用用的的协协议议。。RIP每30秒发发送送一一次次路路由由信信息息，，而而且且规规定定如如果果180秒内内没没有有听听到到其其他他网网关关发发来来路路由由信信息息，，它它就就不不再再是是可可用用的的，，路路由由器器便便将将发发送送一一个个特特殊殊的的信信息息将将不不可可用用的的路路由由通通知知给给相相邻邻的的路路由由器器。。RIP选择择具具有有最最少少““跳跳数数（（hopcount）””（（度度量量））的的路路由由作作为为最最佳佳路路径径。。RIP的跳跳数数表表示示数数据据在在到到达达其其目目的的地地之之前前必必须须通通过过的的网网关关数数量量（（直直接接相相连连的的度度量量值值为为0）。。RIP认为为最最佳佳路路径径就就是是使使用用网网关关最最少少的的路路由由。。即即网网关关越越少少就就意意味味着着路路径径越越短短，，最最短短的的路路径径就就是是最最佳佳路路径径。。利利用用这这种种方方法法去去选选择择最最佳佳路路由由，，有有时时就就称称为为““距距离离矢矢量量算算法法””。。RIP接受受的的最最长长距距离离是是15跳。。如如果果一一条条路路由由的的度度量量大大于于15跳，，它它就就认认为为其其目目的的地地是是达达不不到到的的（（RIP协议中16=““无限”）），并舍舍弃该路路由。为为此，RIP不适合于于其路由由可能超超过15个网关以以上的超超大型自自治系统统。而且且路由器器组保持持同步时时可能产产生大量量通信量量（广播播风暴）），适用用于小网网络（10～15个子网或或更少））或不使使用冗余余路由的的网络环环境中——RIP是为小型型同类网网络设计计的。RIP协议(续)目前最常常用的路路由协议议是RIP1（第1版）。但但不少新新型路由由器支持持RIP2。RIP2最大的特特点是支支持认证证功能和和多播功功能。前前者是为为了阻止止未经许许可的路路由发布布，在RIP数据包中中加入认认证功能能。后者者则针对对RIP1采用广播播形式向向每一个个网络邻邻居发布布RIP报文的缺缺点（这这种情况况下，不不仅网络络上所有有的路由由器接收收到数据据包，而而且所有有主机也也接收到到数据包包），使使用多播播地址，使RIP报文仅向向网络中中的路由由器发布布。RIP报文被封封装在UDP用户数据据报中。。分配给给UDP中RIP使用的公公认端口口号是520。②IGRP（内部网网关路由由协议））IGRP（InteriorGatewayRoutingProtocol,内部网关关路由协协议）是是Cisco公司开发发的路由由协议，，在优化化网络间间的数据据包路由由方面具具有良好好的性能能。它的的度量值值可以超超过160万。IGRP是目前Cisco路由器常常用的高高级距离离向量协协议。其其增强型型为EIGRP协议，但但定制更更为复杂杂。③OSPF(开放式最最短路径径优先协协议)OSPF（OpenShortestPathFirst,开放式最最短路径径优先协协议）把把一个大大型网络络分成多多个小子子域，称称为区域域(area)，并使单单个区域域内的每每个路由由器都维维护同一一个数据据库，它它运行最最短路径径优先算算法，用用此数据据库的信信息来构构建路由由选择表表，通过过优先分分析到目目标的最最少开销销（cost）路由，，把路由由添加到到表中，，使整个个网络通通信开销销降到最最低，适适合于超超大型网网络。开开销是基基于一定定的公式式计算出出来的，，OSPF使用该接接口开销销来选择择到目标标的最优优路径；；最优路路径是由由接口开开销总和和决定的的。OSPF是按IGP设计的，，但它能能够从不不同的自自治系统统接收路路由，并并且向不不同的系系统发送送路由。。OSPF要求路由由器有更更多的RAM和更快速的的处理器，，定制也较较为复杂。。AreasinanautonomoussystemOSPF两个主要特特性OSPF第一个主要要的特性是是：该协议议是开放的的，即其规规范是公开开的。另一一个基本的的特性是OSPF基于SPF（最小路径径优先）算算法，该算算法也称为为Dijkstra算法，即以以创建该算算法的人来来命名。OSPF是个链接状状态路由协协议，在同同一层的区区域内与其其它所有路路由器交换换“链路状态态公告”(LSA)信息。OSPF的LSA中包含连接接的接口、、使用的metric及其它的变变量信息。。OSPF路由器积累累链接状态态信息，并并使用SPF算法来计算算到各节点点的最短路路径。作为链接状状态路由协协议，OSPF与RIP和IGRP这些距离向向量路由协协议是不同同的。使用用距离向量量算法的路路由器的工工作模式是是在路由更更新信息中中把路由表表全部或部部分发送给给其相邻的的路由器。。Windows环境下常用用路由操作作命令①route命令route命令的一般般格式：：route[-f][-p][命令短语][目的网络或或主机][MASK子网掩码][通往目的地地的网关][METRIC度量值]其中命令短语:add增加一条路路由print显示路由表表内容delete删除一条路路由change更改已有路路由示例:显示路由表表routeprintrouteprint172*设置静态路路由表条目目routeadd目标网络或或主机mask子网掩码通通往往目标的网网关【例】routeaddmaskCISCO路由器中的的静态路由由配置命令令是Router(config)#iproutenetwork[mask]

{address|interface}[distance][permanent]StaticRouteExampleThisisaunidirectionalroute.Youmusthavearouteconfiguredintheoppositedirection.DefaultRoutesThisrouteallowsthestubnetworktoreachallknownnetworksbeyondrouterA.在StubRouter（连接StubNetwork的路由器））上通常配配置缺省路路由，这也也是大多数数企业在接接入INTERNET时所采用的的配置。②tracert命令跟踪本地主主机和目标标主机之间间的连接。。其原理是是向目标主主机发送带带有不断变变化TTL值（第一个个为1，然后每次次增1）的ICMP回应数据包包，直到目目标作出响响应或者TTL达到最大值值（30个中断段））为止，以以确定到目目标主机的的路由。格式:tracertIP地址或域名名③netstat命令显示示协协议议统统计计值值和和当当前前TCP/IP网络络连连接接情情况况。。示例例:c:\>netstatActiveConnectionsProtoLocalAddressForeignAddressStateTCPcyh:1045proxy1:43891EstablishedTCPcyh:1063proyx1:80LISTENINGTCPcyh:1307yzw:nbsessionSYN_SENT………协议议本本地地主主机机名名目目标标主主机机名名连连接接状状态态及端端口口号号及及端端口口号号③netstat命令令netstat–n，则则显显示示主主机机IP地址址而而非非主主机机名名。。netstat–e显示示以以太太网网统统计计数数据据netstat–a显示示所所有有连连接接和和监监听听端端口口netstat–s按协协议议显显示示统统计计结结果果（（默默认认情情况况统统计计TCP、UDP和IP三种种协协议议统统计计结结果果））4.4路由由器器的的连连接接局域域网网接接口口AUI端口口（（15针D型接接口口））接接10BASE-5/-2RJ45端口口接接10/100/1000BASE-TX（双双绞绞线线接接入入））SC端口口接接100/1000BASE-FX（光光纤纤接接入入））广域域网网接接口口Serial（高高速速同同步步串串口口））2.048Mbps，DDN、帧帧中中继继等等高高速速接接入入，，要要求求网网络络两两端端保保持持实实时时同同步步ASYNC（异异步步串串口口））115.2kbps，Modem或Modem池电电话话线线接接入入ISDNBRI端口口128kbps，目目前前越越来来越越少少用用配置置接接口口Console口通通过过专专用用连连线线本本地地配配置置AUX口通通过过Modem远程程配配置置（（为为异异步步串串口口））4.5路由由器器的的配配置置路由由器器不不仅仅在在硬硬件件结结构构上上相相当当复复杂杂，，而而且且集集成成了了丰丰富富的的软软件件。。路路由由器器的的主主要要功功能能通通过过软软件件实实现现。。路由由器器有有自自己己独独立立的的嵌嵌入入式式操操作作系系统统。。不不同同品品牌牌的的路路由由器器操操作作系系统统不不尽尽相相同同。。配置置方方式式控制制台台方方式式通过过console口和和终终端端仿仿真真软软件件远程程拨拨号号方方式式利用用AUX口接接MODEM拨号号设设备备TFTP服务务器器方方式式通过过以以太太网网上上的的TFTP服务务器器配配置置路路由由器器远程程登登录录方