路由器原理及路由協(xié)議

路由器原理及路由協(xié)議

本文通過(guò)闡述TCP／IP網(wǎng)絡(luò )中路由器的基本工作原理，介紹了IP路由器的幾大功能，給出了靜態(tài)路由協(xié)議和動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，以及內部網(wǎng)關(guān)協(xié)議和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議的概念，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了目前最常見(jiàn)的RIP、OSPF、BGP和BGP-4這幾種路由協(xié)議，然后描述了路由算法的設計目標和種類(lèi)，著(zhù)重介紹了鏈路狀態(tài)法和距離向量法。在文章的最后，扼要講述了新一代路由器的特征。

近十年來(lái)，隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )規模的不斷擴大，大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )（如Internet）的迅猛發(fā)展，路由技術(shù)在網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中已逐漸成為關(guān)鍵部分，路由器也隨之成為最重要的網(wǎng)絡(luò )設備。用戶(hù)的需求推動(dòng)著(zhù)路由技術(shù)的發(fā)展和路由器的普及，人們已經(jīng)不滿(mǎn)足于僅在本地網(wǎng)絡(luò )上共享信息，而希望最大限度地利用全球各個(gè)地區、各種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )資源。而在目前的情況下，任何一個(gè)有一定規模的計算機網(wǎng)絡(luò )（如企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)、智能大廈等），無(wú)論采用的是快速以大網(wǎng)技術(shù)、FDDI技術(shù)，還是ATM技術(shù)，都離不開(kāi)路由器，否則就無(wú)法正常運作和管理。

1.網(wǎng)絡(luò )互連

把自己的網(wǎng)絡(luò )同其它的網(wǎng)絡(luò )互連起來(lái)，從網(wǎng)絡(luò )中獲取更多的信息和向網(wǎng)絡(luò )發(fā)布自己的消息，是網(wǎng)絡(luò )互連的最主要的動(dòng)力。網(wǎng)絡(luò )的互連有多種方式，其中使用最多的是網(wǎng)橋互連和路由器互連。

1.1 網(wǎng)橋互連的網(wǎng)絡(luò )

網(wǎng)橋工作在OSI模型中的第二層，即鏈路層。完成數據幀（frame）的轉發(fā)，主要目的是在連接的網(wǎng)絡(luò )間提供透明的通信。網(wǎng)橋的轉發(fā)是依據數據幀中的源地址和目的地址來(lái)判斷一個(gè)幀是否應轉發(fā)和轉發(fā)到哪個(gè)端口。幀中的地址稱(chēng)為“MAC”地址或“硬件”地址，一般就是網(wǎng)卡所帶的地址。

網(wǎng)橋的作用是把兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )互連起來(lái)，提供透明的通信。網(wǎng)絡(luò )上的設備看不到網(wǎng)橋的存在，設備之間的通信就如同在一個(gè)網(wǎng)上一樣方便。由于網(wǎng)橋是在數據幀上進(jìn)行轉發(fā)的，因此只能連接相同或相似的網(wǎng)絡(luò )（相同或相似結構的數據幀），如以太網(wǎng)之間、以太網(wǎng)與令牌環(huán)（token ring）之間的互連，對于不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )（數據幀結構不同），如以太網(wǎng)與X.25之間，網(wǎng)橋就無(wú)能為力了。

網(wǎng)橋擴大了網(wǎng)絡(luò )的規模，提高了網(wǎng)絡(luò )的性能，給網(wǎng)絡(luò )應用帶來(lái)了方便，在以前的網(wǎng)絡(luò )中，網(wǎng)橋的應用較為廣泛。但網(wǎng)橋互連也帶來(lái)了不少問(wèn)題：一個(gè)是廣播風(fēng)暴，網(wǎng)橋不阻擋網(wǎng)絡(luò )中廣播消息，當網(wǎng)絡(luò )的規模較大時(shí)（幾個(gè)網(wǎng)橋，多個(gè)以太網(wǎng)段），有可能引起廣播風(fēng)暴（broadcasting storm），導致整個(gè)網(wǎng)絡(luò )全被廣播信息充滿(mǎn)，直至完全癱瘓。第二個(gè)問(wèn)題是，當與外部網(wǎng)絡(luò )互連時(shí)，網(wǎng)橋會(huì )把內部和外部網(wǎng)絡(luò )合二為一，成為一個(gè)網(wǎng)，雙方都自動(dòng)向對方完全開(kāi)放自己的網(wǎng)絡(luò )資源。這種互連方式在與外部網(wǎng)絡(luò )互連時(shí)顯然是難以接受的。問(wèn)題的主要根源是網(wǎng)橋只是最大限度地把網(wǎng)絡(luò )溝通，而不管傳送的信息是什么。

1.2 路由器互連網(wǎng)絡(luò )

路由器互連與網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議有關(guān)，我們討論限于TCP／IP網(wǎng)絡(luò )的情況。

路由器工作在OSI模型中的第三層，即網(wǎng)絡(luò )層。路由器利用網(wǎng)絡(luò )層定義的“邏輯”上的網(wǎng)絡(luò )地址（即IP地址）來(lái)區別不同的網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的互連和隔離，保持各個(gè)網(wǎng)絡(luò )的獨立性。路由器不轉發(fā)廣播消息，而把廣播消息限制在各自的網(wǎng)絡(luò )內部。發(fā)送到其他網(wǎng)絡(luò )的數據茵先被送到路由器，再由路由器轉發(fā)出去。

IP路由器只轉發(fā)IP分組，把其余的部分擋在網(wǎng)內（包括廣播），從而保持各個(gè)網(wǎng)絡(luò )具有相對的獨立性，這樣可以組成具有許多網(wǎng)絡(luò )（子網(wǎng)）互連的大型的網(wǎng)絡(luò )。由于是在網(wǎng)絡(luò )層的互連，路由器可方便地連接不同類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )，只要網(wǎng)絡(luò )層運行的是IP協(xié)議，通過(guò)路由器就可互連起來(lái)。

網(wǎng)絡(luò )中的設備用它們的網(wǎng)絡(luò )地址（TCP／IP網(wǎng)絡(luò )中為IP地址）互相通信。IP地址是與硬件地址無(wú)關(guān)的“邏輯”地址。路由器只根據IP地址來(lái)轉發(fā)數據。IP地址的結構有兩部分，一部分定義網(wǎng)絡(luò )號，另一部分定義網(wǎng)絡(luò )內的主機號。目前，在Internet網(wǎng)絡(luò )中采用子網(wǎng)掩碼來(lái)確定IP地址中網(wǎng)絡(luò )地址和主機地址。子網(wǎng)掩碼與IP地址一樣也是32bit，并且兩者是一一對應的，并規定，子網(wǎng)掩碼中數字為“1”所對應的IP地址中的部分為網(wǎng)絡(luò )號，為“0”所對應的則為主機號。網(wǎng)絡(luò )號和主機號合起來(lái)，才構成一個(gè)完整的IP地址。同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的主機IP地址，其網(wǎng)絡(luò )號必須是相同的，這個(gè)網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為IP子網(wǎng)。

通信只能在具有相同網(wǎng)絡(luò )號的IP地址之間進(jìn)行，要與其它IP子網(wǎng)的主機進(jìn)行通信，則必須經(jīng)過(guò)同一網(wǎng)絡(luò )上的某個(gè)路由器或網(wǎng)關(guān)（gateway）出去。不同網(wǎng)絡(luò )號的IP地址不能直接通信，即使它們接在一起，也不能通信。

路由器有多個(gè)端口，用于連接多個(gè)IP子網(wǎng)。每個(gè)端口的IP地址的網(wǎng)絡(luò )號要求與所連接的IP子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )號相同。不同的端口為不同的網(wǎng)絡(luò )號，對應不同的IP子網(wǎng)，這樣才能使各子網(wǎng)中的主機通過(guò)自己子網(wǎng)的IP地址把要求出去的IP分組送到路由器上。

2.路由原理

當IP子網(wǎng)中的一臺主機發(fā)送IP分組給同一IP子網(wǎng)的另一臺主機時(shí)，它將直接把IP分組送到網(wǎng)絡(luò )上，對方就能收到。而要送給不同IP于網(wǎng)上的主機時(shí)，它要選擇一個(gè)能到達目的子網(wǎng)上的路由器，把IP分組送給該路由器，由路由器負責把IP分組送到目的地。如果沒(méi)有找到這樣的路由器，主機就把IP分組送給一個(gè)稱(chēng)為“缺省網(wǎng)關(guān)（default gateway）”的路由器上。“缺省網(wǎng)關(guān)”是每臺主機上的一個(gè)配置參數，它是接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的某個(gè)路由器端口的IP地址。

路由器轉發(fā)IP分組時(shí)，只根據IP分組目的IP地址的網(wǎng)絡(luò )號部分，選擇合適的端口，把IP分組送出去。同主機一樣，路由器也要判定端口所接的是否是目的子網(wǎng)，如果是，就直接把分組通過(guò)端口送到網(wǎng)絡(luò )上，否則，也要選擇下一個(gè)路由器來(lái)傳送分組。路由器也有它的缺省網(wǎng)關(guān)，用來(lái)傳送不知道往哪兒送的IP分組。這樣，通過(guò)路由器把知道如何傳送的IP分組正確轉發(fā)出去，不知道的IP分組送給“缺省網(wǎng)關(guān)”路由器，這樣一級級地傳送，IP分組最終將送到目的地，送不到目的地的IP分組則被網(wǎng)絡(luò )丟棄了。

目前TCP／IP網(wǎng)絡(luò )，全部是通過(guò)路由器互連起來(lái)的，Internet就是成千上萬(wàn)個(gè)IP子網(wǎng)通過(guò)路由器互連起來(lái)的國際性網(wǎng)絡(luò )。這種網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為以路由器為基礎的網(wǎng)絡(luò )（router based network），形成了以路由器為節點(diǎn)的“網(wǎng)間網(wǎng)”。在“網(wǎng)間網(wǎng)”中，路由器不僅負責對IP分組的轉發(fā)，還要負責與別的路由器進(jìn)行聯(lián)絡(luò )，共同確定“網(wǎng)間網(wǎng)”的路由選擇和維護路由表。

路由動(dòng)作包括兩項基本內容：尋徑和轉發(fā)。尋徑即判定到達目的地的最佳路徑，由路由選擇算法來(lái)實(shí)現。由于涉及到不同的路由選擇協(xié)議和路由選擇算法，要相對復雜一些。為了判定最佳路徑，路由選擇算法必須啟動(dòng)并維護包含路由信息的路由表，其中路由信息依賴(lài)于所用的路由選擇算法而不盡相同。路由選擇算法將收集到的不同信息填入路由表中，根據路由表可將目的網(wǎng)絡(luò )與下一站（nexthop）的關(guān)系告訴路由器。路由器間互通信息進(jìn)行路由更新，更新維護路由表使之正確反映網(wǎng)絡(luò )的拓撲變化，并由路由器根據量度來(lái)決定最佳路徑。這就是路由選擇協(xié)議（routing protocol），例如路由信息協(xié)議（RIP）、開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF）和邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）等。

轉發(fā)即沿尋徑好的最佳路徑傳送信息分組。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何將分組發(fā)送到下一個(gè)站點(diǎn)（路由器或主機），如果路由器不知道如何發(fā)送分組，通常將該分組丟棄；否則就根據路由表的相應表項將分組發(fā)送到下一個(gè)站點(diǎn)，如果目的網(wǎng)絡(luò )直接與路由器相連，路由器就把分組直接送到相應的端口上。這就是路由轉發(fā)協(xié)議（routed protocol）。

路由轉發(fā)協(xié)議和路由選擇協(xié)議是相互配合又相互獨立的概念，前者使用后者維護的路由表，同時(shí)后者要利用前者提供的功能來(lái)發(fā)布路由協(xié)議數據分組。下文中提到的路由協(xié)議，除非特別說(shuō)明，都是指路由選擇協(xié)議，這也是普遍的習慣。

3.路由協(xié)議

典型的路由選擇方式有兩種：靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由。

靜態(tài)路由是在路由器中設置的固定的路由表。除非網(wǎng)絡(luò )管理員干預，否則靜態(tài)路由不會(huì )發(fā)生變化。由于靜態(tài)路由不能對網(wǎng)絡(luò )的改變作出反映，一般用于網(wǎng)絡(luò )規模不大、拓撲結構固定的網(wǎng)絡(luò )中。靜態(tài)路由的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、高效、可靠。在所有的路由中，靜態(tài)路由優(yōu)先級最高。當動(dòng)態(tài)路由與靜態(tài)路由發(fā)生沖突時(shí)，以靜態(tài)路由為準。

動(dòng)態(tài)路由是網(wǎng)絡(luò )中的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器表的過(guò)程。它能實(shí)時(shí)地適應網(wǎng)絡(luò )結構的變化。如果路由更新信息表明發(fā)生了網(wǎng)絡(luò )變化，路由選擇軟件就會(huì )重新計算路由，并發(fā)出新的路由更新信息。這些信息通過(guò)各個(gè)網(wǎng)絡(luò )，引起各路由器重新啟動(dòng)其路由算法，并更新各自的路由表以動(dòng)態(tài)地反映網(wǎng)絡(luò )拓撲變化。動(dòng)態(tài)路由適用于網(wǎng)絡(luò )規模大、網(wǎng)絡(luò )拓撲復雜的網(wǎng)絡(luò )。當然，各種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議會(huì )不同程度地占用網(wǎng)絡(luò )帶寬和CPU資源。

靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由有各自的特點(diǎn)和適用范圍，因此在網(wǎng)絡(luò )中動(dòng)態(tài)路由通常作為靜態(tài)路由的補充。當一個(gè)分組在路由器中進(jìn)行尋徑時(shí)，路由器首先查找靜態(tài)路由，如果查到則根據相應的靜態(tài)路由轉發(fā)分組；否則再查找動(dòng)態(tài)路由。