第五章 路由技术基础

所谓路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间节点。 5.1 路由基本概念 5.1.1 路由与路由器 1.路由 所谓路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间节点。 是指寻找一条将数据报从源主机传往目的主机的传输路径的过程。

Router A Router B

路由技术的构成 通常所说的路由技术其实是由两项最基本的活动组成，即决定最优路径和传输信息单元（也被称为数据包）。 其中，数据包的传输和交换相对较为简单和直接，而路由的确定则更加复杂一些。

2.路由器 路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读”懂对方的数据，从而构成一个更大的网络。

简单网络扩展后出现的问题： （1）带宽资源耗尽。 （2）每台计算机都浪费许多时间处理无关的广播数据。 （3）网络变得无法管理，任何错误都可能导致整个网络瘫痪。 （4）每台计算机都可以监听到其他计算机的通信。

5.1.2 使用路由器的原因 1.集成 网络B 网络C 网络A

2.隔离

3.隔绝“广播风暴” 4.提供“防火墙”技术增强安全性 路由器连接两个子网，形成两个逻辑网段。可以杜绝“广播风暴”，防止多个网络受某个网络的影响太大。 4.提供“防火墙”技术增强安全性 SPX/IPX TCP/IP XNS TCP/IP

路由器有两大典型功能，即数据通道功能和控制功能。 路由器的两大功能： 路由器有两大典型功能，即数据通道功能和控制功能。 数据通道功能包括转发决定、背板转发及输出链路调度等，一般由特定的硬件来完成； 控制功能一般用软件来实现，包括与相邻路由器之间的信息交换、系统配置、系统管理等。

路由器的优点： ◆ 适用于大规模的网络； ◆ 复杂的网络拓扑结构，负载共享和最优路径； ◆ 能更好地处理多媒体； ◆ 安全性高； ◆ 隔离不需要的通信量； ◆ 节省局域网的频宽； ◆ 减少主机负担。

路由器的缺点：    ◆ 它不支持非路由协议 ◆ 安装复杂 ◆ 价格高

5.1.4 路由技术 1.路由选择 ◆ 静态路由 网络管理员必须人工建立路由表，该表必须是一个包含通向所有网络的所有可能的路径的数据库。 ◆ 动态路由 路由表能够通过一种特殊的的封包自动维护自己的路径，并能随着网络环境的改变而改变。

2.路由器的工作流程 路由器仅接受源站点或另外的路由器发出的附有自己地址的信息。 封包的目的网络地址被保存在路由表中, 路由器据此判断哪一条路径是最佳路径。

3.路由发现方法 （1）距离矢量法（distance vector ）： 路由器每隔一定时间向网络发出整张路由表。此方法占用带宽大，多用于小型网络。 （2）状态连接法（link state）： 路由器向网络发出变化的路由表。此方法占用带宽小，有效的支持大型的互联网络。

4.路由协议分类 （1）内部网关协议（IGP） 域内路由协议用于自治系统内部，包括核心系统。 （2）外部网关协议（EGP） 域间路由协议用于自治系统之间，主要是自治系统与核心系统之间。

5.几种常用的路由协议 （1）域内路由协议： RIP、OSPF、IS-IS （2）域间路由协议： BGP4

路由与桥接 网桥只能连接数据链路层相同（或类似）的网络，路由器则不同，它可以连接任意两种网络，只要主机使用的是相同的网络层协议。 网络层 物理层 数据链路层 网络层 网桥

5.2 静态路由与动态路由 静态路由是在路由器中设置的固定的路由表。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。由于静态路由不能对网络的改变作出反映，一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由优先级最高。当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。

静态路由表 Loopback0 127.0.0.1 Direct 20.0.0.1/32 Ethernet0 20.0.0.1 Direct 20.0.0.1/32 Ethernet0 20.0.0.1 20.0.0.0/8 Serial0 120.0.0.2 60 Static 11.0.0.0 4 100 RIP 9.1.0.0/16 20.0.0.2 50 10 OSPF 9.0.0.0/8 3 8.0.0.0/8 0.0.0.0/0 Interface Nexthop Metric Pref Proto Destination/Mask

3.动态路由协议发现的路由（RIP，OSPF） 路由表中路由的来源 1.链路层协议发现的路由（Direct） 开销小，配置简单，无需人工维护，只能发现本接口所属网端的路由。 2.手工配置静态路由（Static） 无开销，配置简单，需人工维护，适用于规模较小的网络。 3.动态路由协议发现的路由（RIP，OSPF） 开销大，配置复杂，无需人工维护，适用于结构复杂的网络。

RIP OSPF IGRP 路由优先级 从优先级最高的协议获得的路由被优先选择加入路由表中。 10.0.0.1 R1 10.0.0.1 R2

路由的花费 路由的花费表示出了到达这条路由所指目的地址的代价，通常以下列因素考虑路由的花费： 线路延迟、带宽、线路占有率、线路可信度、跳数、最大传输单元等。 静态路由和直接路由的花费值为0。不同的动态路由协议会选择以上的一种或几种因素来计算路由花费值。 该花费值只有在同一种路由协议内具有比较意义。不同的路由协议之间的花费值没有可比性，也没有换算关系。

IP报文的传送 IP报文是面向连接的不可靠传输，所有的路由表中只包含目的的IP地址和下一跳的IP地址和端口。不包括来源的IP地址和下两跳的IP地址。

静态路由配置命令 Ip route <ip_address> {<mask>|<masklen>} <interface_name>|<gateway_address> [preference <preference_value>] 例如： Ip route 129.0.0.1 16 10.0.0.2 Ip route 129.1.0.0 255.255.0.0 10.0.0.2 Ip route 129.1.0.0 16 Serial 2 注意只有下一跳的接口属于点对点的类型时，才可以填写<interface_name>，否则必须填写<gateway_address>。

静态路由配置实例 在路由器A上配置： Ip route 129.1.0.0 16 10.0.0.2 129.1.0.0/16 B E0 10.0.0.1 S0 10.0.0.2 B 129.1.0.0/16 E0 在路由器A上配置： Ip route 129.1.0.0 16 10.0.0.2

缺省路由配置实例 在路由器A上配置： Ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.0.0.2 10.0.0.1 S0 A B 10.0.0.2 在路由器A上配置： Ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 10.0.0.2 Interenet上大约99.99％的路由器都有一条缺省路由。 缺省路由并不一定是手工配置的静态路由，有时也 可以由动态路由协议产生。

路由自环 在路由器A上配置： Ip route 20.0.0.0 8 10.0.0.2 10.0.0.1 S0 A B 10.0.0.2 在路由器A上配置： Ip route 20.0.0.0 8 10.0.0.2 Ip route 20.0.0.0 8 10.0.0.1

路由自环 是指某个报文从一台路由器发出，经几次转发后又回到初始路由器。其原因是其中部分路由器的路由表出现错误。产生的原因可能是配置静态的路由有误，也可能是动态路由协议计算的路由出现错误。

5.3 路由选择算法 路由选择算法（Routing Algorithm） 是网络层软件的一部分，负责确定所收到分组应传送的外出路线。

路由选择算法具有的优点： ◆ 正确性（Correctness） ◆ 简单性（Simplicity） ◆ 健壮性（Robustness） ◆ 稳定性（Stability） ◆ 公平性（Fairness） ◆ 最优性（Optimality）

链路层 物理层 动态路由协议所处的位置 IP RawIp TCP UDP BRG RIP OSPF EIGRP IGRP 所有的动态路由协议在TCP/IP协议栈中都是属于应用层。

动态路由协议的基本原理 1.动态路由协议的作用 2.路由方法 计算路由。计算本路由器到网络中其他网段的路由。 路由器会将自己的已知信息发给相邻路由器。最终每台路由器都会收到网络中所有路由器的信息。然后通过相应算法计算出最终路由。 实际上是在计算该路由的下一跳和费用。

动态性的实现 ◆ 天王盖地虎——宝塔镇河妖 每种路由协议都有自己地语言（相应地路由协议报文）。 ◆ 初次见面，请多关照！ ◆ 天王盖地虎——宝塔镇河妖 每种路由协议都有自己地语言（相应地路由协议报文）。 ◆ 初次见面，请多关照！ 新加入的路由器主动地作自我介绍。 ◆ 好久不见，最近可好？ 为防止一场情况，规定两个路由器之间周期性的做协议报文传送。

自治系统 由统一机构管理，使用同一组选路策略的路由器的集合。

IGP&EGP 外部路由协议（EGP） 自治系统AS 自治系统AS 内部路由协议（IGP） ● RIP ● IGRP ● EIGRP ● OSPF ● IS－IS

按寻径方法划分 ◆ 距离矢量算法 RIP、IGRP、EIGRP、BGP ◆ 链路状态算法 OSPF、IS－IS

衡量路由协议的一些性能指标： ◆正确性 ◆快收敛 能够快速适应网络结构的改变 ◆低开销 　占用内存、cpu、带宽较小　 ◆安全性 ◆普适性

距离矢量算法基本原理 Distance Vector(D-V)算法的数学模型 如果i,j两点是直连的，定义d(i,j)表示i和j两点之间的距离 定义D(i,j)表示非直连的两个节点i和j之间的最短距离 则D(i,j)=min[d(i,k)+D(k,j)] 其中k表示所有的与结点I相连的结点 k

路由自环 10.1.0.0 10.2.0.0 10.3.0.0 10.4.0.0 4 S0 10.4.0.0 1 10.3.0.0 10.2.0.0 E0 10.1.0.0 Routing Table 3 S0 10.4.0.0 1 S1 10.3.0.0 10.2.0.0 10.1.0.0 Routing Table 2 S0 10.4.0.0 1 10.3.0.0 E0 10.2.0.0 10.1.0.0 Routing Table

从减轻自环的后果考虑，缺点是限制了网络的规模。 解决方案 1.设置最大值 从减轻自环的后果考虑，缺点是限制了网络的规模。 16 S0 10.4.0.0 1 10.3.0.0 E0 10.2.0.0 10.1.0.0 Routing Table

2.水平分割 10.2.0.0 10.3.0.0 10.1.0.0 10.4.0.0 缺点是只对两台路由器有效，对三台以上的路由器无效 2 S0 10.4.0.0 1 10.3.0.0 10.2.0.0 E0 10.1.0.0 Routing Table 1 S0 10.4.0.0 S1 10.3.0.0 10.2.0.0 10.1.0.0 Routing Table 2 S0 10.4.0.0 1 10.3.0.0 E0 10.2.0.0 10.1.0.0 Routing Table 缺点是只对两台路由器有效，对三台以上的路由器无效

3.触发更新 10.2.0.0 10.3.0.0 10.1.0.0 10.4.0.0 发现故障，立即通知相邻路由器， 而不必等待更新时间。 从减少自环发生的概率考虑。

4.抑制时间 10.1.0.0 10.2.0.0 10.3.0.0 10.4.0.0 开始抑制时间 设定一个数倍于更新时间的抑制时间，尽量让网络中所有 的路由器都收到故障信息。在抑制时间内即使接收到故障 网络的信息，也不予理睬。 缺点是一些特殊情况下，会导致慢收敛。

多路径情况下的解决方案 1.确定路径不可达； 2.启动抑制时间； 3.开始触发更新。

最优化原则： 如果路由器J在从路由器I到K的最佳路由上，那么从J到K的最佳线路就会在同一路由之中。 假设称从I到J的路由为r1，而路由其余部分成为r2。如果J到K还有在一条比r2更好的路由，那么它可以同r1联系起来，以改进I到K的路由，这与r1r2是最优路由的断言相悖。

汇集树（sink tree） 从所有源端到目的端的最佳路由集合，形成了以目的地为根的树。 A A 一个子网 路由器A的汇集树

最短路由选择 A B E G H F C D 2 6 1 7 4 3

5.4 RIP协议 RIP（Routing Information Protocol）路由信息协议，适用于小型网络。

RIP路由表的初始化 初始路由表 初始路由表 Request Response RIP默认每隔30秒向外广播一次报文 内容包含本路由器已知的路由信息。

RIP的路由发现 10.1.0.0 10.2.0.0 10.3.0.0 10.4.0.0 2 S0 10.4.0.0 1 10.3.0.0 10.2.0.0 E0 10.1.0.0 Routing Table 1 S0 10.4.0.0 S1 10.3.0.0 10.2.0.0 10.1.0.0 Routing Table 2 S0 10.4.0.0 1 10.3.0.0 E0 10.2.0.0 10.1.0.0 Routing Table

RIP路由表的更新 R1 R2 网络结构发生变化 Response Rn 6 R2 net2 2 net1 Metric GW Dest 4 7 R2 net1 Metric GW Dest Response 6 net1 R1 R2 5 net3 3 net2 Response 网络结构发生变化 Rn

5.5 OSPF协议 ◆ Open Shortest Path First开放最短路径优先协议 ◆ IGP中应用最广、性能最优的一个协议 ◆ Internet广域网和Intranet企业网采用最多、应用最广泛的路由协议之一 ◆ 典型的链路状态Link-state的路由协议

OSPF的特点 ◆ 可适应大规模网络 ◆ 路由变化后收敛速度快 ◆ 无路由自环 ◆ 支持变长子网掩码VLSM ◆ 支持等值路由 ◆ 提供路由分级管理 ◆ 支持验证

OSPF相关基本概念 ◆ROUTE ID 32位无符号整数，是路由器在一个自治系统中的唯一标识。 ◆ 协议号 OSPF协议的协议号为89。 IP HEADER （Protocol ＃89） OSPF Packet ◆ 协议报文不转发 只能传递一跳，设置TTL值为1。

OSPF通过链路状态描述网络拓扑结构 Rid:3.3.3.3. Rid:4.4.4.4 RTF RTE 40.0.0.2 40.0.0.3 10.0.0.1 Ethernet Rid:2.2.2.2 20.0.0.2 ppp Rid:5.5.5.5 Rid:6.6.6.6 30.0.0.2 30.0.0.3 10.0.0.0 Frame Relay X.25 RTA RTB RTC RTD RTE RTF 30.0.0.1 40.0.0.1 40.0.0.2 40.0.0.3 20.0.0.1

对以太网（1-0）的链路状态描述 Link id：10.0.0.0 /*网段*/ data：255.0.0.0 /*掩码*/ type：Subnet（3） /*类型*/ metric：50 /*花费*/

对PPP的链路状态描述 对本接口网段地址的描述 Link id：20.0.0.0 /*网段*/ data：255.0.0.0 /*掩码*/ type：Subnet（3） /*类型*/ metric：5 /*花费*/ 对路由器RTB的描述 Link id：2.2.2.2 /*RTB的route id*/ data：20.0.0.0 /*RTB的接口地址*/ type：Route（1） /*类型*/

对Frame Relay的链路状态描述 Link id：40.0.0.1 /*网段*/ data：255.255.255.255 /*掩码*/ type：Subnet（3） /*类型*/ metric：5 /*花费*/ Link id：3.3.3.3 /* RTF的route id */ data：40.0.0.1 /*与RTF相连的接口地址*/ type：Route（1） /*类型*/ metric：5 /*花费*/ Link id：4.4.4.4 /* RTE的route id */ data：40.0.0.1 /*与RTE相连的接口地址*/ type：Route（1） /*类型*/ metric：5 /*花费*/

对X.25的链路状态描述 Link id：30.0.0.3 /*网段中DR的接口地址*/ data：30.0.0.1 /*本接口的地址*/ type：Transnet（2） /*类型*/ metric：50 /*花费*/ DR（6.6.6.6）生成的LSA Net Mask：255.255.255.0 Attached：30.0.0.1 Router Attached：30.0.0.2 Router Attached：30.0.0.3 Router

运行SPF算法计算路由 Link id:10.0.0.0 Data:255.0.0.0 RTA的RTDB Type:Subnet Metric:50 Link id:20.0.0.0 Metric:5 Link id:2.2.2.2 Data:20.0.0.2 Type:router ……… RTA(1.1.1.1)的LSA RTB(2.2.2.2)的LSA RTC(6.6.6.6)的LSA RTD(5.5.5.5)的LSA RTA的RTDB Link id:50.0.0. Data:255.0.0.0 Type:Subnet Metric:50

OSPF协议计算路由的过程 A B C D LSDB RTA的LSA RTB的LSA RTC的LSA RTD的LSA ①网络拓扑结构 ②每台路由器的链路状态数据库 ①网络拓扑结构 RTA RTB RTC RTD 1 2 5 3 A B C D ③由链路数据库生成的带权有向图 1 2 5 3

OSPF协议计算路由的过程 ④每台路由器分别以自己作为根的最小生成树 A B C D 1 2 3

两台路由器建立邻居关系的过程 RT2 RT1 full full Hello（DR＝0.0.0.0 Neighbors Seen＝0） Hello（DR＝RT2 Neighbors Seen＝RT1） DD（Seq=x,I=1,M=1,MS=1） DD（Seq=y,I=1,M=1,MS=1） DD（Seq=y,I=0,M=1,MS=0） DD（Seq=y+1,I=1,M=1,MS=1） DD（Seq=y+1,I=0,M=1,MS=0） DD（Seq=y+n,I=1,M=1,MS=1） DD（Seq=y+n,I=0,M=1,MS=0） full full LS Request LS Update LS Ack

OSPF协议的五种协议报文 ◆ Hello报文： 发现及维持邻居关系。 ◆ DD报文： 描述本地LSDB情况。 ◆ LSR报文： 向对方请求自己没有或对方更新的LSA。 ◆ LSU报文： 向对方更新LSA。 ◆ LSAck报文： 收到LSU报文之后，进行确认。

DR（Designated Router） B C D E 网络拓扑结构 A B C D E 未选择DR的邻接关系 A DR B C E 选择DR后的邻接关系

DR的选举过程 1.登记选举者 2.登记候选路由器 3.竞选 4.投票 本网段内的OSPF路由器 本网段内的priority>0的OSPF路由器 3.竞选 所有priority>0的OSPF路由器都自认为DR 4.投票 选priority值最大的，若priority值相等，选Route ID最大的

DR选举中的指导思想 ◆ 选举制 DR是各路由器选举出来的，而非人工指定的。 ◆ 终身制 DR一旦当选，除非出现故障，否则不会更换。 ◆ 世袭制 DR选举的同时，也选举出BDR。DR出现故障后，由BDR替代DR成为新的DR。

OSPF在大型网络中可能出现的问题 ◆ LSDB非常庞大，占用大量的存储空间。 ◆ 计算最小生成树耗时增加，CPU负担很重。 ◆ 网络拓扑结构经常发生变化，网络经常处于“动荡”之中。

OSPF协议的区域划分

◆ Border Gateway Protocol，边界网关协议。 5.6 BGP协议 ◆ Border Gateway Protocol，边界网关协议。 ◆ 用来在AS之间传递路由信息。 ◆ 是一种距离矢量的路由协议，从设计上避免了路由环路的出现。 ◆ 支持CIDR（无类别域间选路）。 ◆ 传送TCP协议，端口号：179。

使用BGP协议的情况 ISP

BGP协议的工作机制 AS100 AS200 RTA(config)#router bgp 100 RTB AS100 AS200 RTA(config)#router bgp 100 RTA(config-router-bgp)#neighbor 160.10.0.2 remote-as 200 RTB(config)#router bgp 200 RTB(config-router-bgp)#neighbor 160.10.0.1 remote-as 100

BGP协议的工作机制 AS1 AS2 AS3 AS4 AS5 AS6 AS7 BGP构造的AS路径树

成为BGP路由的方法 1.纯动态注入 OSPF 把IGP发现路由动态的 发现路由18.0.0.0 注入到RTB的BGP路由中 RTA OSPF RTB 18.0.0.0/8 发现路由18.0.0.0 把IGP发现路由动态的 注入到RTB的BGP路由中

2.静态注入 OSPF 人为规定静态路由18.0.0.0 把认为规定的静态路由 注入到RTB的BGP路由中 18.0.0.0/8 RTB RTA OSPF RTB 18.0.0.0/8 把认为规定的静态路由 注入到RTB的BGP路由中 人为规定静态路由18.0.0.0

BGP的报文种类 ◆ Open报文 打招呼， “你好，交个朋友怎么样？” ◆ KeepAlive报文 “我还在呢，别不理我！” ◆ Update报文 “有新消息………..” ◆ Notification报文 “拜拜，我不和你玩了！”

BGP的报文种类 ◆ Open报文 在邻接路由器之间建立对话机制 RTA RTB AS100 Open

BGP的报文种类 ◆ Keepalive报文 KEEPALIVE报文在BGP相邻体之间周期地发送，以确保连接保持有效。KEEPALIVE数据包（每个数据包19字节）不会导致路由器CPU或链路带宽的紧张，因为它们只占用最小的带宽。 RTA RTB AS100 keepalive

BGP的报文种类 ◆ Update报文 网络结构发生变化后，使用Update报文进行通告。 AS100 Update open RTA RTB AS100 open Update