路由基本概念及靜態(tài)路由配置實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、路由基本概念及靜態(tài)路由配置實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、 實(shí)驗(yàn)原理1. 路由器的定義和作用路由器用于網(wǎng)絡(luò)互連的計(jì)算機(jī)設(shè)備路由器的核心作用是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由（尋徑）：路由表建立、刷新交換：在網(wǎng)絡(luò)之間轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)隔離廣播，指定訪問規(guī)則異種網(wǎng)絡(luò)互連2. 基本概念路由表：路由器為執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑選擇所需要的信息被包含在路由器的一個(gè)表項(xiàng)中，稱為“路由表” 。當(dāng)路由器檢查到包的目的IP地址時(shí)，它就可以根據(jù)路由表的內(nèi)容決定包應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)到哪個(gè)下一跳地址上去。路由表被存放在路由器的RAM上。路由表的構(gòu)成：目的網(wǎng)絡(luò)地址（Dest），掩碼（Mask），下一跳地址（Gw），發(fā)送的物理端口（interface）路由信息的來源（O

2、wner），路由優(yōu)先級(jí)（pri），度量值（metric） 路由信息根據(jù)產(chǎn)生的方式和特點(diǎn)可以分為以下幾種：直連路由，缺省路由，靜態(tài)路由，動(dòng)態(tài)路由；其中缺省路由可以由靜態(tài)路由配置，也可以由動(dòng)態(tài)路由產(chǎn)生。直連路由：當(dāng)接口配置了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議地址并狀態(tài)正常時(shí)，既物理連接正常，并且可以正常檢測(cè)到數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的keepalive信息時(shí)，接口上配置的網(wǎng)段地址自動(dòng)出現(xiàn)在路由表中并與接口關(guān)聯(lián)。其中產(chǎn)生方式（onwer）為直連（direct），路由優(yōu)先級(jí)為0，擁有最高路由優(yōu)先級(jí)。其metric值為0，表示擁有最小metric值。直連路由會(huì)隨接口的狀態(tài)變化在路由表中自動(dòng)變化，當(dāng)接口的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層狀態(tài)正常時(shí)，此直連

3、路由會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)在路由表中，當(dāng)路由器檢測(cè)到此接口down掉后此條路由會(huì)自動(dòng)消失。 系統(tǒng)管理員手工設(shè)置的路由稱之為靜態(tài)（static）路由，一般是在系統(tǒng)安裝時(shí)就根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的配置情況預(yù)先設(shè)定的，它不會(huì)隨未來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變自動(dòng)改變。優(yōu)點(diǎn):不占用網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)資源、安全；缺點(diǎn):需網(wǎng)絡(luò)管理員手工逐條配置，不能自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化做出調(diào)整。在無冗余連接網(wǎng)絡(luò)中，靜態(tài)路由可能是最佳選擇。靜態(tài)路由是否出現(xiàn)在路由表中取決于下一跳是否可達(dá)。靜態(tài)路由在路由表中中產(chǎn)生方式（onwer）為靜態(tài)（static），路由優(yōu)先級(jí)為1，其metric值為0。缺省路由：缺省路由是一個(gè)路由表?xiàng)l目，用來指明一些在下一跳沒有明確地列于路由表中的

4、數(shù)據(jù)單元應(yīng)如何轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于在路由表中找不到明確路由條目的所有的數(shù)據(jù)包都將按照缺省路由條目指定的接口和下一跳地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。缺省路由可以是管理員設(shè)定的靜態(tài)路由，也可能是某些動(dòng)態(tài)路由協(xié)議自動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)果。 優(yōu)點(diǎn)：極大減少路由表?xiàng)l目 缺點(diǎn)：不正確配置可能導(dǎo)致路由環(huán)路；可能導(dǎo)致非最佳路由在 stub 網(wǎng)絡(luò)出口路由器上，缺省路由是最佳選擇。動(dòng)態(tài)路由：動(dòng)態(tài)路由協(xié)議通過路由信息的交換生成并維護(hù)轉(zhuǎn)發(fā)引擎需要的路由表。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)自動(dòng)更新路由表，并負(fù)責(zé)決定數(shù)據(jù)傳輸最佳路徑。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)是可以自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，自動(dòng)維護(hù)路由信息而不用網(wǎng)絡(luò)管理員的參與。其缺為由于需要相互交換路由信息，需要占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，并

5、且要占用系統(tǒng)資源。另外安全性也不如使用靜態(tài)路由。在有冗余連接的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，適合采用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。目的網(wǎng)絡(luò)是否可達(dá)取決于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài) 。一臺(tái)路由器上可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)路由協(xié)議。路由的優(yōu)先級(jí)：每個(gè)路由協(xié)議都可能發(fā)現(xiàn)到某一相同的目的網(wǎng)絡(luò)的路由，但由于不同路由協(xié)議的選路算法不同，可能選擇不同的路徑作為最佳路徑。路由器必須選擇其中一個(gè)路由協(xié)議計(jì)算出來的最佳路徑作為轉(zhuǎn)發(fā)路徑加入到路由表中。路由器選擇路由協(xié)議的依據(jù)是路由優(yōu)先級(jí)。不同的路由協(xié)議有不同的路由優(yōu)先級(jí)。數(shù)值小的優(yōu)先級(jí)高。從路由優(yōu)先級(jí)最高（優(yōu)先級(jí)數(shù)值最?。┑膮f(xié)議獲取的路由被優(yōu)先選擇加入路由表中。路由優(yōu)先級(jí)數(shù)值范圍為0-255。缺省路由優(yōu)先級(jí)賦值原則為：

6、直連路由具有最高優(yōu)先級(jí)；人工設(shè)置的路由條目優(yōu)先級(jí)高于動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)到的路由條目；度量值算法復(fù)雜的路由協(xié)議優(yōu)先級(jí)高于度量值算法簡單的路由協(xié)議。對(duì)不同路由協(xié)議的路由優(yōu)先級(jí)的賦值是各個(gè)設(shè)備廠商自行決定的，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。所以有可能不同廠商的設(shè)備上路由優(yōu)先級(jí)是不同的，并且通過配置可以修改缺省路由優(yōu)先級(jí)。3. 路由器的工作原理路由器被認(rèn)為執(zhí)行兩個(gè)最重要的基本功能：路由功能與交換功能路由功能是指路由器通過運(yùn)行動(dòng)態(tài)路由協(xié)議或其他方法來學(xué)習(xí)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)知識(shí)的機(jī)制，產(chǎn)生和維護(hù)路由表。路由器的交換/轉(zhuǎn)發(fā)功能與以太網(wǎng)交換機(jī)所執(zhí)行的交換功能概念不同，指的是數(shù)據(jù)在路由器內(nèi)部移動(dòng)與處理的過程：從路由器一個(gè)接口接收，然后選擇

7、合適接口轉(zhuǎn)發(fā)，其間做幀的解封裝與封裝，并對(duì)包做相應(yīng)處理。首先當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)幀到達(dá)某一端口，端口對(duì)幀進(jìn)行CRC校驗(yàn)并檢查其目的數(shù)據(jù)鏈路層地址是否與本端口符合，如通過檢查則去掉幀的封裝并讀出IP數(shù)據(jù)包中的目的地址信息，查詢路由表，決定轉(zhuǎn)發(fā)接口與下一跳地址。獲得了轉(zhuǎn)發(fā)接口與下一跳地址信息后路由器將查找緩存中是否已經(jīng)有了在外出接口上進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層封裝所需的信息，如果沒有這些信息路由器將通過適當(dāng)?shù)倪M(jìn)程獲得這些信息：外出接口如果是以太網(wǎng)將通過ARP協(xié)議獲得下一跳IP地址所對(duì)應(yīng)的MAC地址；而如果外出接口是廣域網(wǎng)接口將通過手工配置或自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的映射過程獲得相應(yīng)的2層地址信息。然后做新的數(shù)據(jù)鏈路層封裝并依據(jù)外出接口

8、上所做的QOS策略入相應(yīng)的隊(duì)列，等待端口空閑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 路由功能：學(xué)習(xí)和維持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)知識(shí)的機(jī)制被認(rèn)為是路由功能。完成路由功能需要路由器學(xué)習(xí)與維護(hù)以下幾個(gè)基本信息：首先需要知道被路由協(xié)議的是什么，一旦在接口上配置了IP地址，子網(wǎng)掩碼，既在接口上啟動(dòng)了IP協(xié)議，缺省情況下IP路由是打開的，路由器一旦在接口上配置了三層的地址信息就可以轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包。目的地址是否已存在。通常IP數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)依據(jù)的是目的網(wǎng)絡(luò)地址，路由表中必須有目的網(wǎng)絡(luò)的路由條目才能夠轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，否則IP數(shù)據(jù)包將被路由器丟棄。路由表中還包含為將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至目的網(wǎng)絡(luò)需要將此數(shù)據(jù)包從哪個(gè)端口發(fā)送出和應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)到那一個(gè)下一跳地址等信息。路由工

9、作過程總結(jié)：對(duì)于一個(gè)特定的路由協(xié)議，可以發(fā)現(xiàn)到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的所有路徑，根據(jù)選路算法賦予每一條路徑metric值，并比較metric值，選擇metric數(shù)值最小的路徑為最佳路徑。一臺(tái)路由器上可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同的路由協(xié)議，每個(gè)路由協(xié)議都會(huì)根據(jù)自己的選路算法計(jì)算出到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑，但是由于選路算法不同，不同的路由協(xié)議對(duì)某一個(gè)特定的目的網(wǎng)絡(luò)可能選擇的最佳路徑不同。此時(shí)路由器根據(jù)路由優(yōu)先級(jí)選擇將具有最高路由優(yōu)先級(jí)（數(shù)值最小）的路由協(xié)議計(jì)算出的最佳路徑放置在路由表中，作為到達(dá)這個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。而在路由器的交換過程中查找路由時(shí)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)能匹配上多條路由條目。此時(shí)路由器將根據(jù)最長匹配原則進(jìn)行數(shù)據(jù)的

10、轉(zhuǎn)發(fā)。路由器會(huì)選擇匹配最深的，也就是 說可以匹配的掩碼長度最長的一條路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。4. IP路由過程同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信：我們從簡單的問題開始討論：在同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信。為了便于討論，不妨假設(shè)“IP層眼中的網(wǎng)絡(luò)”一圖中，網(wǎng)絡(luò)A是一個(gè)以太網(wǎng)，內(nèi)部有兩臺(tái)主機(jī)想要互相通信：通信過程圖示：首先主機(jī)A通過本機(jī)的HOSTS表或WINS系統(tǒng)或DNS系統(tǒng)先將主機(jī)B的計(jì)算機(jī)名轉(zhuǎn)換為IP地址，然后用自己的IP地址與子網(wǎng)掩碼計(jì)算出自己所處的網(wǎng)段，比較目的主機(jī)B的IP地址，發(fā)現(xiàn)與自己是處于相同的網(wǎng)段。于是在自己的ARP緩存中查找是否有主機(jī)B的MAC地址，如果能找到就直接做數(shù)據(jù)鏈路層封裝并通過網(wǎng)卡將封裝好的以太數(shù)據(jù)幀發(fā)送

11、到物理線路上去；如果ARP緩存表中沒有主機(jī)B的MAC地址，主機(jī)A將啟動(dòng)ARP協(xié)議通過在本地網(wǎng)絡(luò)上的ARP廣播來查詢主機(jī)B的MAC地址，獲得主機(jī)B的MAC地址后寫入ARP緩存表、進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層封裝、發(fā)送數(shù)據(jù)。不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信：了解了同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信之后，我們?cè)賮砜床煌W(wǎng)絡(luò)之間的通信。假設(shè)“IP層眼中的網(wǎng)絡(luò)”一圖中，網(wǎng)絡(luò)A中有一臺(tái)主機(jī)想要和網(wǎng)絡(luò)B中一臺(tái)主機(jī)通信，而網(wǎng)絡(luò)A是一個(gè)以太網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)B是一個(gè)X.25網(wǎng)絡(luò)：不同網(wǎng)段的通信過程：不同的數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)必須分配不同網(wǎng)段的IP地址并且由路由器將其連接起來。主機(jī)A通過本機(jī)的HOSTS表或WINS系統(tǒng)或DNS系統(tǒng)先將主機(jī)B的計(jì)算機(jī)名轉(zhuǎn)換為IP地址，然后用

12、自己的IP地址與子網(wǎng)掩碼計(jì)算出自己所處的網(wǎng)段，比較目的主機(jī)B的IP地址，發(fā)現(xiàn)與自己處于不同的網(wǎng)段。于是主機(jī)A將知道應(yīng)該將此數(shù)據(jù)包發(fā)送給自己的缺省網(wǎng)關(guān)，即路由器的本地接口。主機(jī)A在自己的ARP緩存中查找是否有缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址，如果能找到就直接做數(shù)據(jù)鏈路層封裝并通過網(wǎng)卡將封裝好的以太數(shù)據(jù)幀發(fā)送到物理線路上去；如果ARP緩存表中沒有缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址，主機(jī)A將啟動(dòng)ARP協(xié)議通過在本地網(wǎng)絡(luò)上的ARP廣播來查詢?nèi)笔【W(wǎng)關(guān)的MAC地址，獲得缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址后寫入ARP緩存表、進(jìn)行數(shù)據(jù)鏈路層封裝、發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)幀到達(dá)路由器的接收接口后首先解封裝，變成IP數(shù)據(jù)包，對(duì)IP數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，根據(jù)目的IP地址

13、查找路由表，決定轉(zhuǎn)發(fā)接口后做適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)接口數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的幀的封裝，并發(fā)送到目的主機(jī)。通信流程：下圖為源主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)流程。首先通過某種方法將對(duì)端主機(jī)的主機(jī)名轉(zhuǎn)換為IP地址，如通過本機(jī)的HOSTS表或WINS系統(tǒng)或DNS系統(tǒng)進(jìn)行名字解析。然后判斷與對(duì)端是否處于同一網(wǎng)段，判斷的方法為：用自己的IP地址與子網(wǎng)掩碼計(jì)算出自己所處的網(wǎng)段，比較目的主機(jī)B的IP地址，判斷是否與自己處于同一網(wǎng)段。如果對(duì)端主機(jī)與自己處于同一網(wǎng)段，則檢查ARP表是否有對(duì)端主機(jī)的MAC地址，如有就直接做數(shù)據(jù)鏈路層封裝（目的MAC為對(duì)端MAC地址）；如沒有則通過ARP獲得對(duì)端主機(jī)MAC地址并封裝；最后通過物理層發(fā)送數(shù)據(jù)。如果對(duì)端

14、主機(jī)與自己處于不同網(wǎng)段，則檢查ARP表是否有缺省網(wǎng)關(guān)的MAC地址，如有就直接做數(shù)據(jù)鏈路層封裝（目的MAC為對(duì)端MAC地址）；如沒有則通過ARP獲得缺省網(wǎng)關(guān)MAC地址并封裝；最后通過物理層發(fā)送數(shù)據(jù)。如果對(duì)端主機(jī)與自己處于不同網(wǎng)段，并且本主機(jī)沒有配置缺省網(wǎng)關(guān)，則通訊終止，返回錯(cuò)誤信息。 通信流程圖示5. IP通信流程基本概念I(lǐng)P通訊是基于 hop by hop 的方式，數(shù)據(jù)包到達(dá)某路由器后根據(jù)路由表中的路由信息決定轉(zhuǎn)發(fā)的出口和下一跳設(shè)備的地址，數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)發(fā)以后就不再受這臺(tái)路由器的控制。數(shù)據(jù)包每到達(dá)一臺(tái)路由器都是依靠當(dāng)前所在的路由器的路由表中的信息做轉(zhuǎn)發(fā)決定的，所以這種方式被稱為一跳一跳的（ hop

15、 by hop ）方式。數(shù)據(jù)包能否被正確轉(zhuǎn)發(fā)至目的取決于整條路徑上所有的路由器是否都具備正確的路由信息。IP數(shù)據(jù)包在從源到目的的轉(zhuǎn)發(fā)過程中起源地址與目的地址保持不變（假設(shè)沒有設(shè)置NAT），IP數(shù)據(jù)包中的TTL值與包頭的效驗(yàn)位及某些IP數(shù)據(jù)包選項(xiàng)每經(jīng)過一臺(tái)路由器將被改變。每經(jīng)過一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)鏈路層封裝都要做相應(yīng)的重新封裝。數(shù)據(jù)幀被接收接口接收后被解封裝，然后根據(jù)數(shù)據(jù)包里的目的地址信息查找路由表決定轉(zhuǎn)發(fā)出口，被轉(zhuǎn)發(fā)之前還要基于轉(zhuǎn)發(fā)接口的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議類型做相應(yīng)的重新封裝。所以數(shù)據(jù)包每經(jīng)過一個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)其數(shù)據(jù)鏈路層封裝都要被改變一次。返回的數(shù)據(jù)選路與到達(dá)的數(shù)據(jù)選路無關(guān)。一般的數(shù)據(jù)通訊過程都

16、是雙向的過程，假設(shè)數(shù)據(jù)通訊是從A網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)主機(jī)發(fā)起，到達(dá)B網(wǎng)絡(luò)中的一臺(tái)主機(jī)，然后返回回應(yīng)。數(shù)據(jù)包從A到B的的轉(zhuǎn)發(fā)過程中是基于B的網(wǎng)絡(luò)地址決定轉(zhuǎn)發(fā)路徑的，而返回的數(shù)據(jù)包的選路是基于A的網(wǎng)絡(luò)地址。數(shù)據(jù)包能夠被成功地從A轉(zhuǎn)發(fā)至B說明整條鏈路中所有的路由器都具有B的網(wǎng)絡(luò)的正確的路由信息，但并不意味著所有路由器上都有正確的A網(wǎng)絡(luò)的路由信息。所以能從A轉(zhuǎn)發(fā)至B并不代表著一定能從B轉(zhuǎn)發(fā)至A，并且兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)可能選擇不同的路徑。不同網(wǎng)段主機(jī)間通信首先由源主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送至其缺省網(wǎng)關(guān)路由器，路由器從物理層接收到信號(hào)成幀送數(shù)據(jù)鏈路層處理、解封裝后將IP數(shù)據(jù)包送三層處理，根據(jù)目的IP地址查找路由表決定轉(zhuǎn)發(fā)接口，做新的數(shù)據(jù)鏈路層封裝后通過物理層發(fā)送出去，每臺(tái)路由器都進(jìn)行同樣的操作，按照一跳一跳（hop by hop）的原則最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至最終的目的。網(wǎng)關(guān)：在主機(jī)和外網(wǎng)連接時(shí)必須設(shè)置網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)的Ip地址必須和本機(jī)的在同一網(wǎng)段。網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于給主機(jī)指定了下一跳的地址。二、 實(shí)驗(yàn)要求路由器有哪幾個(gè)部分