Cisco路由技術基礎知識詳解
Cisco路由技術基礎知識詳解
最簡單的網絡可以想象成單線的總線，各個計算機可以通過向總線發(fā)送分組以互相通信。但隨著網絡中的計算機數目增長，這就很不可行了，會產生許多問題：
1、帶寬資源耗盡。
2、每臺計算機都浪費許多時間處理無關的廣播數據。
3、網絡變得無法管理，任何錯誤都可能導致整個網絡癱瘓。
4、每臺計算機都可以監(jiān)聽到其他計算機的通信。
把網絡分段可以解決這些問題，但同時你必須提供一種機制使不同網段的計算機可以互相通信，這通常涉及到在一些ISO網絡協(xié)議層選擇性地在網段間傳送數據，我們來看一下網絡協(xié)議層和路由器的位置。
我們可以看到，路由器位于網絡層。本文假定網絡層協(xié)議為IPv4，因為這是最流行的協(xié)議，其中涉及的概念與其他網絡層協(xié)議是類似的。
一、路由與橋接
路由相對于2層的橋接/交換是高層的概念，不涉及網絡的物理細節(jié)。在可路由的網絡中，每臺主機都有同樣的網絡層地址格式(如IP地址)，而無論它是運行在以太網、令牌環(huán)、FDDI還是廣域網。網絡層地址通常由兩部分構成：網絡地址和主機地址。
網橋只能連接數據鏈路層相同(或類似)的網絡，路由器則不同，它可以連接任意兩種網絡，只要主機使用的是相同的網絡層協(xié)議。
二、連接網絡層與數據鏈路層
網絡層下面是數據鏈路層，為了它們可以互通，需要“粘合”協(xié)議。ARP(地址解析協(xié)議)用于把網絡層(3層)地址映射到數據鏈路層(2層)地址，RARP(反向地址解析協(xié)議)則反之。
雖然ARP的定義與網絡層協(xié)議無關，但它通常用于解析IP地址;最常見的數據鏈路層是以太網。因此下面的ARP和RARP的例子基于IP和以太網，但要注意這些概念對其他協(xié)議也是一樣的。
1、地址解析協(xié)議
網絡層地址是由網絡管理員定義的抽象映射，它不去關心下層是哪種數據鏈路層協(xié)議。然而，網絡接口只能根據2層地址來互相通信，2層地址通過ARP從3層地址得到。
并不是發(fā)送每個數據包都需要進行ARP請求，回應被緩存在本地的ARP表中，這樣就減少了網絡中的ARP包。ARP的維護比較容易，是一個比較簡單的協(xié)議。
2、簡介
如果接口A想給接口B發(fā)送數據，并且A只知道B的IP地址，它必須首先查找B的物理地址，它發(fā)送一個含有B的IP地址的ARP廣播請求B的物理地址，接口B收到該廣播后，向A回應其物理地址。
注意，雖然所有接口都收到了信息，但只有B回應該請求，這保證了回應的正確且避免了過期的信息。要注意的是，當A和B不在同一網段時，A只向下一跳的路由器發(fā)送ARP請求，而不是直接向B發(fā)送。 接收到ARP分組后處理，注意發(fā)送者的對被存到接收ARP請求的主機的本地ARP表中，一般A想與B通信時，B可能也需要與A通信。
3、IP地址沖突
ARP產生的問題中最常見的是IP地址的沖突，這是由于兩個不同的主機IP地址相同產生的，在任何互聯(lián)的網絡中，IP地址必須是唯一的。這時會收到兩個ARP回應，分別指出了不同的硬件地址，這是嚴重的錯誤，沒有簡單的解決辦法。
為了避免出現這類錯誤，當接口A初試化時，它發(fā)送一個含有其IP地址的ARP請求，如果沒有收到回應，A就假定該IP地址沒有被使用。我們假定接口B已經使用了該IP地址，那么B就發(fā)送一個ARP回應，A就可以知道該IP地址已被使用，它就不能再使用該IP地址，而是返回錯誤信息。這樣又產生一個問題，假設主機C含有該IP地址的映射，是映射到B的硬件地址的，它收到接口A的ARP廣播后，更新其ARP表使之指向A的硬件地址。為了解決這個錯誤，B再次發(fā)送一個ARP請求廣播，這樣主機C又更新其ARP表再次指向B的硬件地址。這時網絡的狀態(tài)又回到先前的狀態(tài)，有可能C已經向A發(fā)送了應該發(fā)送給B的IP分組，這很不幸，但是因為IP提供的是無保證的傳輸，所以不會產生大的問題。
4、管理ARP緩存表
ARP緩存表是對的列表，根據IP地址索引。該表可以用命令arp來管理，其語法包括：
向表中添加靜態(tài)表項 -- arp -s
從表中刪除表項 -- arp -d
顯示表項 -- arp -a
ARP表中的動態(tài)表項(沒有手動加入的表項)通常過一段時間自動刪除，這段時間的長度由特定的TCP/IP實現決定。
5、靜態(tài)ARP地址的使用
靜態(tài)ARP地址的典型使用是設置獨立的打印服務器，這些設備通常通過telnet來配置，但首先它們需要一個IP地址。沒有明顯的方法來把此信息告訴該設備，好象只能使用其串口來設置。但是，這需要找一個合適的終端和串行電纜，設置波特率、奇偶校驗等，很不方便。
假設我們想給一個打印服務器設置IP地址P-IP，并且我們知道其硬件地址P-hard，在工作站A上創(chuàng)建一個靜態(tài)ARP表項把P-IP映射到P-hard，這樣，雖然打印服務器不知道自己的IP地址，但是所有指向P-IP的數據就將被送到P-hard。我們現在就可以telnet到P-IP并配置其IP地址了，然后再刪除該靜態(tài)ARP表項。
有時會在一個子網里配置打印服務器，而在另一個子網里使用它，方法與上面類似。假設其IP地址為P-IP，我們分配一個本網的臨時IP地址T-IP給它，在工作站A上創(chuàng)建臨時ARP表項把T-IP映射到P-hard，然后telnet到T-IP，給打印服務器配以IP地址P-IP。接下來就可以把它放到另一個子網里使用了，別忘了刪除靜態(tài)ARP表項。
6、代理ARP
可以通過使用代理ARP來避免在每臺主機上配置路由表，在使用子網時這特別有用，但注意，不是所有的主機都能理解子網的?；镜乃枷胧羌词箤τ诓辉诒咀泳W的主機也發(fā)送ARP請求，ARP代理服務器(通常是網關)回應以網關的硬件地址。
代理ARP簡化了主機的管理，但是增加了網絡的通信量(不是很 明顯)，并且可能需要較大的ARP緩存，每個不在本網的IP地址都被創(chuàng)建一個表項，都映射到網關的硬件地址。在使用代理ARP的主機看來，世界就象一個大的沒有路由器物理網絡。
三、IP地址
在可路由的網絡層協(xié)議中，協(xié)議地址必須含有兩部分信息：網絡地址和主機地址。存貯這種信息最明顯的方法是用兩個分離的域，這樣我們必須考慮到兩個域的最大長度，有些協(xié)議(如IPX)就是這樣的，它在小型和中型的網絡里可以工作的很好。
另一種方案是減少主機地址域的長度，如24位網絡地址、8位主機地址，這樣就有了較多的網段，但每個網段內的主機數目很少。這樣一來，對于多于256個主機的網絡，就必須分配多個網段，其問題是很多的網絡給路由器造成了難以忍受的負擔。
IP把網絡地址和主機地址一起包裝在一個32位的域里，有時主機地址部分很短，有時很長，這樣可以有效利用地址空間，減少IP地址的長度，并且網絡數目不算多。有兩種將主機地址分離出來的方法：基于類的地址和無類別的地址。
1、主機和網關
主機和網關的區(qū)別常產生混淆，這是由于主機意義的轉變。在RFC中(1122/3和1009)中定義為：
主機是連接到一個或多個網絡的設備，它可以向任何一個網絡發(fā)送和從其接收數據，但它從不把數據從一個網絡傳向另一個。
網關是連接到多于一個網絡的設備，它選擇性的把數據從一個網絡轉發(fā)到其它網絡。
換句話說，過去主機和網關的概念被人工地區(qū)分開來，那時計算機沒有足夠的能力同時用作主機和網關。主機是用戶工作的計算機，或是文件服務器等。現代的計算機的能力足以同時擔當這兩種角色，因此，現代的主機定義應該如此：
主機是連接到一個或多個網絡的設備，它可以向任何一個網絡發(fā)送和從其接收數據。它也可以作為網關，但這不是其唯一的目的。
路由器是專用的網關，其硬件經過特殊的設計使其能以極小的延遲轉發(fā)大量的數據。然而，網關也可以是有多個網卡的標準的計算機，其操作系統(tǒng)的網絡層有能力轉發(fā)數據。由于專用的路由硬件較便宜，計算機用作網關已經很少見了，在只有一個撥號連接的小站點里，還可能使用計算機作為非專用的網關。
2、基于類的地址
最初設計IP時，地址根據第一個字節(jié)被分成幾類：
0: 保留
1-126: A類(網絡地址:1字節(jié)，主機地址:3字節(jié))
127: 保留
128-191: B類(網絡地址:2字節(jié)，主機地址:2字節(jié))
192-223: C類(網絡地址:3字節(jié)，主機地址:1字節(jié))
224-255: 保留
3、子網劃分
雖然基于類的地址系統(tǒng)對因特網服務提供商來說工作得很好，但它不能在一個網絡內部做任何路由，其目的是使用第二層(橋接/交換)來導引網絡中的數據。在大型的A類網絡中，這就成了個特殊的問題，因為在大型網絡中僅使用橋接/交換使其非常難以管理。在邏輯上其解決辦法是把大網絡分割成若干小的網絡，但在基于類的地址系統(tǒng)中這是不可能的。為了解決這個問題，出現了一個新的域：子網掩碼。子網掩碼指出地址中哪些部分是網絡地址，哪些是主機地址。在子網掩碼中，二進制1表示網絡地址位，二進制0表示主機地址位。傳統(tǒng)的各類地址的子網掩碼為：
A類：255.0.0.0
B類：255.255.0.0
C類：255.255.255.0
如果想把一個B類網絡的地址用作C類大小的地址，可以使用掩碼255.255.255.0。
用較長的子網掩碼把一個網絡分成多個網絡就叫做劃分子網。要注意的是，一些舊軟件不支持子網，因為它們不理解子網掩碼。例如UNIX的routed路由守護進程通常使用的路由協(xié)議是版本1的RIP，它是在子網掩碼出現前設計的。
上面只介紹了三種子網掩碼：255.0.0.0、255.255.0.0和255.255.255.0，它們是字節(jié)對齊的子網掩碼。但是也可以在字節(jié)中間對其進行劃分，這里不進行詳細講解，請參照相關的TCP/IP書籍。
子網使我們可以擁有新的規(guī)模的網絡，包括很小的用于點到點連接的網絡(如掩碼255.255.255.252，30位的網絡地址，2位的主機地址：兩個主機的子網)，或中型網絡(如掩碼255.255.240.0，20位網絡地址，12位主機地址：4094個主機的子網)。
注意DNS被設計為只允許字節(jié)對齊的IP網絡(在in-addr.arpa.域中)。
4、超網(supernetting)
超網是與子網類似的概念--IP地址根據子網掩碼被分為獨立的網絡地址和主機地址。但是，與子網把大網絡分成若干小網絡相反，它是把一些小網絡組合成一個大網絡--超網。
假設現在有16個C類網絡，從201.66.32.0到201.66.47.0，它們可以用子網掩碼255.255.240.0統(tǒng)一表示為網絡201.66.32.0。但是，并不是任意的地址組都可以這樣做，例如16個C類網絡201.66.71.0到201.66.86.0就不能形成一個統(tǒng)一的網絡。不過這其實沒關系，只要策略得當，總能找到合適的一組地址的。
5、可變長子網掩碼(VLSM)
如果你想把你的網絡分成多個不同大小的子網，可以使用可變長子網掩碼，每個子網可以使用不同長度的子網掩碼。例如：如果你按部門劃分網絡，一些網絡的掩碼可以為255.255.255.0(多數部門)，其它的可為255.255.252.0(較大的部門)。
6、無類別地址(CIDR)
因特網上的主機數量增長超出了原先的設想，雖然還遠沒達到232，但地址已經出現匱乏。1993年發(fā)表的RFC1519--無類別域間路由CIDR(Classless Inter-Domain Routing)--是一個嘗試
解決此問題的方法。CIDR試圖延長IPv4的壽命，與128位地址的IPv6不同，它并不能最終解決地址空間的耗盡，但IPv6的實現是個龐大的任務，因特網目前還沒有做好準備。CIDR給了我們緩沖的準備時間。
基于類的地址系統(tǒng)工作的不錯，它在有效的地址使用和少量的網絡數目間做出了較好的折衷。但是隨著因特網意想不到的成長出現了兩個主要的問題：
已分配的網絡數目的增長使路由表大得難以管理，相當程度上降低了路由器的處理速度。
僵化的地址分配方案使很多地址被浪費，尤其是B類地址十分匱乏。
為了解決第二個問題，可以分配多個較小的網絡，例如，用多個C類網絡而不是一個B類網絡。雖然這樣能夠很有效地分配地址，但是更加劇了路由表的膨脹(第一個問題)。
在CIDR中，地址根據網絡拓撲來分配。連續(xù)的一組網絡地址可以被分配給一個服務提供商，使整組地址作為一個網絡地址(很可能使用超網技術)。例如：一個服務提供商被分配以256個C類地址，從213.79.0.0到213.79.255.0，服務提供商給每個用戶分配一個C類地址，但服務提供商外部的路由表只通過一個表項--掩碼為255.255.0.0的網絡213.79.0.0--來分辨這些路由。
這種方法明顯減少了路由表的增長，CIDR RFC的作者估計，如果90%的服務提供商使用了CIDR，路由表將以每3年54%的速度增長，而如果沒有使用CIDR，則增長速度為776%。如果可以重新組織現有的地址，則因特網骨干上的路由器廣播的路由數量將大大減少。但這實際是不可行的，因為將帶來巨大的管理負擔。
四、路由
1、路由表
如果一個主機有多個網絡接口，當向一個特定的IP地址發(fā)送分組時，它怎樣決定使用哪個接口呢?答案就在路由表中。來看下面的例子：
目的 子網掩碼 網關 標志 接口
201.66.37.0 255.255.255.0 201.66.37.74 U eth0
201.66.39.0 255.255.255.0 201.66.39.21 U eth1
主機將所有目的地為網絡201.66.37.0內主機(201.66.37.1-201.66.37.254)的數據通過接口eth0(IP地址為201.66.37.74)發(fā)送，所有目的地為網絡201.66.39.0內主機的數據通過接口eth1(IP地址為201.66.39.21)發(fā)送。標志U表示該路由狀態(tài)為“up”(即激活狀態(tài))。對于直接連接的網絡，一些軟件并不象上例中一樣給出接口的IP地址，而只列出接口。
此例只涉及了直接連接的主機，那么目的主機在遠程網絡中如何呢?如果你通過IP地址為201.66.37.254的網關連接到網絡73.0.0.0，那么你可以在路由表中增加這樣一項：
目的 73.0.0.0
掩碼 255.0.0.0
網關 201.66.37.254
標志 UG
接口 eth0
此項告訴主機所有目的地為網絡73.0.0.0內主機的分組通過201.66.37.254路由過去。標志G(gateway)表示此項把分組導向外部網關。類似的，也可以定義通過網關到達特定主機的路由，增加標志H(host)：
目的 掩碼 網關 標志 接口
91.32.74.21 255.255.255.255 201.66.37.254 UGH eth0
下面是路由表的基礎，除了特殊表項之外：
目的 掩碼 網關 標志 接口
127.0.0.1 255.255.255.255 127.0.0.1 UH lo0
default 0.0.0.0 201.66.37.254 UG eth1
第一項是loopback接口，用于主機給自己發(fā)送數據，通常用于測試和運行于IP之上但需要本地通信的應用。這是到特定地址127.0.0.1的主機路由(接口lo0是IP協(xié)議棧內部的“假”網卡)。第二項十分有意思，為了防止在主機上定義到因特網上每一個可能到達網絡的路由，可以定義一個缺省路由，如果在路由表中沒有與目的地址相匹配的項，該分組就被送到缺省網關。多數主機簡單地通過一個網卡連接到網絡，因此只有通過一個路由器到其它網絡，這樣在路由表中只有三項：loopback項、本地子網項和缺省項(指向路由器)。
2、重疊路由
假設在路由表中有下列重疊項：
目的 掩碼 網關 標志 接口
1.2.3.4 255.255.255.255 201.66.37.253 UGH eth0
1.2.3.0 255.255.255.0 201.66.37.254 UG eth0
1.2.0.0 255.255.0.0 201.66.37.253 UG eth1
default 0.0.0.0 201.66.39.254 UG eth1
之所以說這些路由重疊是因為這四個路由都含有地址1.2.3.4，如果向1.2.3.4發(fā)送數據，會選擇哪條路由呢?在這種情況下，會選擇第一條路由，通過網關201.66.37.253。原則是選擇具有最長(最精確)的子網掩碼。類似的，發(fā)往1.2.3.5的數據選擇第二條路由。
注意：這條原則只適用于間接路由(通過網關)。把兩個接口定義在同一子網在很多軟件實現上是非法的。例如下面的設置通常是非法的(不過有些軟件將嘗試在兩個接口進行負載平衡)：
接口 IP地址 子網掩碼
eth0 201.66.37.1 255.255.255.0
eth1 201.66.37.2 255.255.255.0
對于重疊路由的策略是十分有用的，它允許缺省路由作為目的為0.0.0.0、子網掩碼為0.0.0.0的路由進行工作，而不需要作為路由軟件的一個特殊情況來實現。
回頭來看看CIDR，仍使用上面的例子：一個服務提供商被賦予256個C類網絡，從213.79.0.0到213.79.255.0。該服務提供商外部的路由表只以一個表項就了解了所有這些路由：213.79.0.0，子網掩碼為255.255.0.0。假設一個用戶移到了另一個服務提供商，他擁有網絡地址213.79.61.0，現在他是否必須 從新的服務提供商處取得新的網絡地址呢?如果是，意味著他必須重新配置每臺主機的IP地址，改變DNS設置，等等。幸運的是，解決辦法很簡單，原來的服務提供商保持路由213.79.0.0(子網掩碼為255.255.0.0)，新的服務提供商則廣播路由213.79.61.0(子網掩碼為255.255.255.0)，因為新路由的子網掩碼較長，它將覆蓋原來的路由。
3、靜態(tài)路由
回頭看看我們已建立的路由表，已有了六個表項：
目的 掩碼 網關 標志 接口
127.0.0.1 255.255.255.255 127.0.0.1 UH lo0
201.66.37.0 255.255.255.0 201.66.37.74 U eth0
201.66.39.0 255.255.255.0 201.66.39.21 U eth1
default 0.0.0.0 201.66.39.254 UG eth1
73.0.0.0 255.0.0.0 201.66.37.254 UG eth0
91.32.74.21 255.255.255.255 201.66.37.254 UGH eth0
這些表項分別是怎么得到的呢?第一個是當路由表初始化時由路由軟件加入的，第二、三個是當網卡綁定IP地址時自動創(chuàng)建的，其余三個必須手動加入，在UNIX系統(tǒng)中，這是通過命令route來做的，可以由用戶手工執(zhí)行，也可以通過rc腳本在啟動時執(zhí)行。上述方法涉及的是靜態(tài)路由，通常在啟動時創(chuàng)建，并且沒有手工干預的話將不再改變。
4、路由協(xié)議
主機和網關都可以使用稱作動態(tài)路由的技術，這使路由表可以動態(tài)改變。動態(tài)路由需要路由協(xié)議來增加和刪除路由表項，路由表還是和靜態(tài)路由一樣地工作，只是其增添和刪除是自動的。
有兩種路由協(xié)議：內部的和外部的。內部協(xié)議在自制系統(tǒng)(AS)內部路由，而外部協(xié)議則在自制系統(tǒng)間路由。自制系統(tǒng)通常在統(tǒng)一的控制管理之下，例如大的公司或大學。小的站點常常是其因特網服務提供商自制系統(tǒng)的一部分。
這里只討論內部協(xié)議，很少有人涉及到甚至聽說外部協(xié)議。最常見的外部協(xié)議是外部網關協(xié)議EGP(External Gateway Protocol)和邊緣網關協(xié)議BGP(Border Gateway Protocol)，BGP是較新的協(xié)議，在逐漸地取代EGP。
5、ICMP重定向
ICMP通常不被看作路由協(xié)議，但是ICMP重定向卻與路由協(xié)議的工作方式很類似，所以將在這里討論一下。假設現在有上面所給的六個表項的路由表，分組被送往201.66.43.33，看看路由表，除了缺省路由外，這并不能匹配任何路由。靜態(tài)路由將其通過路由器201.66.39.254發(fā)送(trip 1)，但是，該路由器知道所有發(fā)向子網201.66.43.0的分組應該通過201.66.39.253，因此，它把分組轉發(fā)到適當的路由器(trip 2)。但是如果主機直接把分組發(fā)到201.66.39.253就會提高效率(trip 3)。
因為路由器把分組從同一接口發(fā)回了分組，所以它知道有更好的路由，路由器可以通過ICMP重定向指示主機使用新的路由。雖然路由器知道所有發(fā)向201.66.43.0子網的分組應該通過201.66.39.253，它通常只發(fā)送特定的主機的ICMP重定向(此例中是201.66.43.33)。主機將在路由表中創(chuàng)建一個新的表項：
目的 掩碼 網關 標志 接口
201.66.43.33 255.255.255.255 201.66.39.253 UGHD eth1
注意標志D，對所有由ICMP重定向創(chuàng)建的路由設置此標志。將來此類分組將通過新路由發(fā)送(trip 3)。
6、RIP
RIP是一種簡單的內部路由協(xié)議，已經存在很久，被廣泛地實現(UNIX的routed就使用RIP)。它使用距離向量算法，所以其路由選擇只是基于兩點間的“跳(hop)”數，穿過一個路由器認為是一跳。主機和網關都可以運行RIP，但是主機只是接收信息，而并不發(fā)送。路由信息可以從指定網關請求，但通常是每隔30秒廣播一次以保持正確性。RIP使用UDP通過端口520在主機和網關間通信。網關間傳送的信息用于建立路由表，由RIP選定的路由總是具有距離目的跳數最少的。RIP版本1在簡單、較小的網絡中工作得不錯，但是在較大的網絡中，就出現一些問題，有些問題在RIP版本2中已糾正，但有些是由于其設計產生的限制。在下面的討論中，適用于兩種版本時簡單稱為RIP，RIP v1和RIP v2則指特定的版本。
RIP并沒有任何鏈接質量的概念，所有的鏈路都被認為是相同的，低速的串行鏈路被認為與高速的光纖鏈路是同樣的。RIP以最小的跳數來選擇路由，因此當在下面兩個路由中選擇時：
100Mbps的光纖鏈路，路由器，然后是10Mbps的以太網
9600bps的串行鏈路
RIP將選擇后者。RIP也沒有鏈路流量等級的概念。例如對于兩條以太網鏈路，其中一個很繁忙，另一個根本沒有數據流，RIP可能會選擇繁忙的那條鏈路。
RIP中的最大hop數是15，大于15則認為不可到達。因此在很大的自制系統(tǒng)中，hop數很可能超過15，使用RIP是很不現實的。RIP v1不支持子網，交換的信息中不含子網掩碼，對給定路由確定子網掩碼的方法各不相同，RIP v2則彌補了此缺點。RIP每隔30秒才進行信息更新，因此在大網中斷鏈信息可能要花些時間才能傳播開來，路由信息的穩(wěn)定時間可能更長，并且在這段時間內可能產生路由環(huán)路。對此有一些解決辦法，但這里不進行討論。
可以看出，RIP是一個簡單的路由協(xié)議，有一些限制，尤其在版本1中。不過，它常常是某些操作系統(tǒng)的唯一選擇。