第11章

路由與交換

IP網的鋼筋混凝土構建IP網的最根本材料是線路、HUB、以太網交換機和路由器。其中，線路屬于傳輸網，HUB、以太網交換機和路由器是IP網絡的核心部件，是IP網的節點。研究如何合理搭配這些網絡設備，使真實數據能快速順利地到達目的終端，并盡可能節約資源和保證平安。IP網的鋼筋混凝土HUB和交換機HUB：即集線器，工作于總線模式，所有接在HUB上的計算機共享總線資源，通過競爭來獲得發送數據的權利，工作于物理層，支持的協議為CSMA/CD。是“共享式以太網〞的核心設備。原理：播送。一個數據包需要送達所有端口。缺點：資源浪費，會給網絡帶來“播送風暴〞。改進：引入“交換式以太網〞，使多組通信同時進行。以太網交換機：保存每個終端的MAC地址對應表，可以直接傳送數據，無需播送所有端口。因為不共享總線資源，帶寬大大增加，而且相互不影響。分類：二層交換機和三層交換機。二層交換機工作在數據鏈路層，不負責任何路由功能，所連接終端在同一個IP地址段。三層交換機工作在第2層和第3層，帶有路由功能，所連接終端可在也可不在同一IP地址段。HUB和交換機HUB和交換機交換式以太網性價比高于共享式以太網，但是兩者價格相當，所以交換式以太網應用廣泛。路由器：有多種接口，常見的接口類型有通用串行接口，E1/T1，POS，ATM，E3/T3，POS，ISDN,10/100/1000M以太網接口，FDDI，令牌環接口等。路由器路由器：工作在IP網絡層，實現子網之間的數據轉發。其工作就是存儲和轉發。它內局部為控制平面局部和數據通道局部。控制平面的核心是路由表以及路由協議，路由器轉發數據包的依據是路由表。路由表和交通指示牌的內容相似，路由表有目的網段和子網掩碼，到達該目的地地址的本路由器的出端口，下一跳路由器入口IP地址等，路由器根據路由表為數據包選擇相應的出端口。如果在路由表中找不到某個數據包的路由信息，丟棄。路由器路由器路由器的數據通道局部從輸入線路接收數據后，分析與修改包頭，查找輸出端口，把數據搬運到輸出線路上。路由器是根據轉發表來轉發數據。轉發表又是根據路由表生成的，其表項和路由表項有直接對應關系，但轉發表的格式和路由表的格式不同，更適合快速查找。其關系類似交叉路口和立交橋的關系。路由器路由器路由和轉發就像交叉路口和立交橋因特網采用分層次的路由選擇協議。因特網的規模非常大。如果讓所有的路由器知道所有的網絡應怎樣到達，那么這種路由表將非常大，處理起來也太花時間。而所有這些路由器之間交換路由信息所需的帶寬就會使因特網的通信鏈路飽和。許多單位不愿意外界了解自己單位網絡的布局細節和本部門所采用的路由選擇協議〔這屬于本部門內部的事情〕，但同時還希望連接到因特網上。路由的發現——路由協議自治系統(autonomoussystem)因特網將整個互聯網劃分為許多較小的自治系統。AS定義：自治域是擁有同一選路策略，在同一技術管理部門下運行的一組路由器。是工作在一起以提供內部選路的路由器的聚集。其最重要的特點就是自治系統有權自主地決定在本系統內應采用何種路由選擇協議。舉例：163,169，承載NGN業務的IP網，某行業企業的專用IP網等。自治域一般有編號，比方AS701,AS1239,AS9929,AS4134等。一個自治系統的所有路由器在本自治系統內都必須是連通的。路由的發現——路由協議路由協議是為了滿足路由器獲取路由表的需要而制定的標準化協議。只負責獲取路由表。分類：靜態路由協議與動態路由協議。路由獲取方式：〔1〕靜態路由中，一類是人工設定該路由表項；另一類為“缺省路由〞，提供默認出口；〔2〕動態路由中，采用動態路由協議獲取路由信息。常用的協議有內部協議RIP2，OSPF，IS-IS，EIGRP，IGRP和外部協議BGP等。動態路由協議動態路由協議可以適應網絡環境的變化而在一定范圍內快速進行路由表的更新。不同的協議選擇“最正確路徑〞的依據不同，包括路由跳數，路由本錢等。每種路由協議都有一套規那么，來衡量任何兩個節點間的鏈路的可通過程度。動態路由協議分類內部網關協議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。外部網關協議EGP(ExternalGatewayProtocol)假設源站和目的站處在不同的自治系統中，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。R1H1H2內部網關協議IGP（例如，RIP）自治系統A自治系統B自治系統CIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPEGPEGPEGP內部網關協議IGP（例如，OSPF）外部網關協議EGP（例如，BGP-4）IGPR3R2自治系統和

內部網關協議、外部網關協議動態內部路由協議1.RIP2和RIPng：距離向量協議RIP：距離向量協議原理：路由器每隔30秒將“距離向量〞信息發送到相鄰路由器，路由表只存儲到目的地站點的最正確路徑的下一跳地址。允許最大跳數為15跳〔Hop，即通過的網絡節點數〕，超過15跳認為是不可達。RIP2是RIP的升級版，RIPng是IPv6中的版本。“距離〞的定義從一路由器到直接連接的網絡的距離定義為1。從一個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。RIP協議中的“距離〞也稱為“跳數〞(hopcount)，因為每經過一個路由器，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允許一條路徑只能包含最多15個路由器?！熬嚯x〞的最大值為16時即相當于不可達。可見RIP只適用于小型互聯網。RIP不能在兩個網絡之間同時使用多條路由。RIP選擇一個具有最少路由器的路由〔即最短路由〕，哪怕還存在另一條高速(低時延)但路由器較多的路由。“距離〞的定義RIP協議的三個要點僅和相鄰路由器交換信息。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。按固定的時間間隔交換路由信息，例如，每隔30秒。路由表的建立路由器在剛剛開始工作時，只知道到直接連接的網絡的距離〔此距離定義為1〕。以后，每一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信息。經過假設干次更新后，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)過程較慢，即在自治系統中所有的結點都得到正確的路由選擇信息的過程長。RIP協議的優缺點缺點：〔1〕當網絡出現故障時，要經過比較長的時間才能將此信息傳送到所有的路由器；〔2〕限制了網絡的規模，它能使用的最大距離為15〔16表示不可達〕；〔3〕路由器之間交換的路由信息是路由器中的完整路由表，因而隨著網絡規模的擴大，開銷也就增加。優點：實現簡單，開銷較小。動態內部路由協議2.OSPF：開放最短路徑優先算法：SPF〔最短路由優先〕算法，或稱為“Dijkstra算法〞。算法原理：每臺路由器作為一個“根〞來計算其到每一個目的地路由器的距離，每臺路由器根據統一的數據庫計算出網絡拓撲結構圖，結構圖類似樹，即“最短路徑樹〞。動態內部路由協議2.OSPF：開放最短路徑優先OSPF的工作步驟：〔1〕路由器進行初始化或網絡結構變化時，路由器產生鏈路狀態播送數據包LSA〔Link-StateAdvertisement〕；〔2〕所有路由器通過泛洪向相鄰路由器發送LSA；〔3〕相互傳送LSA之后，每個路由器根據SPF算法計算到達所有網段的最短路徑，編寫路由表項。此協議“收斂〞，網絡“趨于平穩〞。OSPF使用的是可靠的洪泛法t更新報文ACK報文RRRRt1t2t3t4路由的發現——路由協議路由表的生成〔以OSPF為例〕OSPF的特點OSPF的鏈路狀態數據庫能較快地進行更新，使各個路由器能及時更新其路由表。OSPF的更新過程收斂得快是其重要優點。OSPF對不同的鏈路可根據IP分組的不同效勞類型而設置成不同的代價。因此，OSPF對于不同類型的業務可計算出不同的路由。OSPF還規定每隔一段時間，如30分鐘，要刷新一次數據庫中的鏈路狀態。由于一個路由器的鏈路狀態只涉及到與相鄰路由器的連通狀態，因而與整個互聯網的規模并無直接關系。因此當互聯網規模很大時，OSPF協議要比距離向量協議RIP好得多。動態內部路由協議3.IS-IS：中間系統互連協議IS〔IvnteractiveSystem〕即中間系統，如路由器。ES〔EndSystem〕即末端系統，如一臺主機。ES-IS是提供ES和IS之間通信的協議。IS-IS是提供IS和IS之間通信的協議。原理：使用SPF算法來算出最正確路徑，采用Hello報文來查找和維護鄰居關系。應用：中國聯通的AS4837網，AS9929網，中國電信的AS