IP路由

如下图，现在这么一个网络。主机甲与主机乙分别在两个不同的网段上，中间通过路由器进行连接。现在假设主机甲要跟主机乙进行通信，那么主机甲如何才能够找到主机乙的位置呢?笔者现在就通过这个例子，跟大家详细解释IP路由选择的整个过程。在这里，笔者以Cisco的路由器为例进行介绍。

假设现在主机甲的用户利用Ping命令，来确认主机乙的连通性问题。这个网络架构虽然比较简单，但是其路由选择过程的步骤则是一步不缺的。主要通过如下步骤：

第一步：当用户在主机甲上输入PING 172.168.80.8之后，主机甲中有一个因特网控制报文协议，英文简称为ICMP。这个协议将创建一个回应请求数据包，在它的数据域中只包含有字母。

第二步：英特网控制报文协议会将这个有效负荷(即刚创建的数据包)交给IP协议。然后这个因特网协议也会创建一个数据包。在这个英特网协议创建的数据包中，在这个包中包括主机甲的IP地址、目的地主机已的IP地址以及值为01h的协议字段。当数据包到达主机乙时，这些内容就是告诉对方，应该将这个有效负荷交给因特网控制报文协议来处理。

第三步：IP协议会判断目的IP地址是属于远程网络，还是在本地网络。
由于根据IP地址规划规则，主机甲与主机已是属于不同的网络。此时，刚才英特网协议(IP)所创建的数据包将会被发送到默认的网关中去。在主机甲的网络属性配置中，除了有自身的逻辑IP地址，还有默认的网关地址。网关地址就是用来不同网络之间的主机进行通信的一扇门。

第四步：确认路由器相应接口的MAC地址。
假设主机甲(IP地址为172.168.60.6)的默认网关被配置为172.168.60.1。若主机甲的数据包要发送到这个默认网关上，则就必须知道其对应的路由器接口的物理地址，即MAC地址。因为只有如此，数据包才能够被传递到更下一层的数据链路层并根据一定的规则生成帧。然后主机甲才能够把数据包发送给172.168.60.0网络连接的路由器接口。在本地局域网上，主机只可以通过硬件地址来相互之间进行通信。所以当主机甲要把数据包发送给特定的网关时，必须要知道这个网关所对应的MAC地址。

主机甲首先会检查自己的ARP缓存，查看一个默认网关的IP地址是否已经解析为对应接口的硬件地址。如果在ARP缓存表中已经有对应的记录，表示已经被成功解析。此时，数据包将会被释放并传递到数据链路层并生成帧。其中目的方的硬件地址也将同数据包一起下传到数据链路层。通常情况下，在主机甲上，可以通过ARP命令来查看主机当前的IP地址与MAC地址的对应表。如下图。

第五步：生成帧，并会被会被交付到物理层。
（则这个帧将如果企业网络是利用双绞线组建的话，则将会以一次一位的方式发往物理媒体。）
当这个数据包和目的方的硬件地址被传递给数据链路层之后，局域网驱动器将用来提供媒体访问服务，以通过以太网进行数据传输。一个数据帧即将产生，使用一些控制信息来封装这个数据包。在这个数据帧中会包含有目的方和源方的硬件地址。以及以太网类型字段。这个以太网类型字段主要用来描述的是交付这个数据包岛数据链路层的网络层协议。在这个帧的结尾，是一种被称作为帧校验序列的字段，它是装载循环冗余校验计算值的区域。
帧中，主要包括目的MAC地址(对应路由器接口的MAC地址)、源MAC地址(主机甲的MAC地址)、以太网类型字段、数据包、帧校验序列五部分内容。注意，这里指的目的地址并不是主机乙的地址，而是里主机甲最近的默认网关地址。在第一次通信时，主机甲并不知道主机乙的MAC地址。

 

以上五个步骤主要都是在主机甲上完成。这五个步骤执行完毕之后，IP路由选择过过程的前期工作就算完成了。接下来的就要看路由器的表演了。

第六步：在主机甲所在的冲突域中的每台网络设备都将接收这些位并重新合并成数据帧。接收完毕后，他们会运行CRC过程并核对保存在帧校验序列字段中的内容。如果这两个值不匹配的话，则这个帧将会被丢弃。如果两个值相同(主机甲的默认网关，即紧邻主机甲的路由器接口)，则网络设备会接收这个帧，并核查目的方的硬件地址，检查他们是否也匹配。如果目的方的硬件地址也是匹配的，那么路由器将会查看这个帧的以太网类型字段，以了解在网络层上采用了什么协议，然后路由器就会抽出帧中的数据包，把其余部分内容丢弃。然后把抽出来的数据包传送给以太网类型字段中列出的上层协议，如英特网网络协议(IP)等等。

第七步：判断路由表项目。(易)
英特网网络协议(IP)会接收这个数据包，并检查目的IP地址。在这个案例中，由于数据包中的目的地址与接收路由器所配置的任何地址都不相匹配。此时，路由器就会在自己的路由表中，查看目的IP网络的地址。在这个案例中，由于路由器同时连接着172.16.80.0的网络。所以在这个路由器的路由表中，有相关的纪录。若没有记录的话，则这个数据包会被直接丢弃。若路由器丢弃数据包的话，则会发送一个“目标地址不可达”的错误信息给主机甲。

第八步：路由器转发数据包。

第九步：缓冲区中数据的处理。
路由器对应接口的缓冲区需要了解目的方主机的硬件地址。因为这个数据包中已经有目的方的IP地址，所以，路由器会先检查ARP缓存表。如果主机甲的硬件地址已经被解析并保存在路由器的ARP缓冲中，则这个数据包和这个硬件地址将被传递到数据链路层以便重新生成帧。
通常情况下，若路由器以前跟主机乙通信过的话，则这个IP地址与MAC地址的对应记录将会在思科路由器ARP缓冲表中保存四个小时。连续四个小时没有通信的话，则这个对应的记录将会被删除。如果在路由器的ARP缓冲表中没有相关记录的话，则路由器接口会在其连接的网络内部，发送一个ARP请求。这个ARP请求就像一个广播，路由器知道目的主机乙的MAC地址之后，就会把数据包连同目的方的MAC地址传递到下一层的数据链路中。

第十步：路由器会重复上面的第五步操作，生成数据帧。并传送到物理层，以一次一位的方式再发送到物理媒体上。在网络中进行传输。

在路由器上的工作也完成。通过以上的分析，我们可以看到，路由器的作用主要就是进行数据交换。

第十一步：主机乙会接收到这个数据帧并运行CRC过程。

如果运算结果与帧校验序列中字段的内容相同，则这个帧中目的方的MAC地址将会被读取。主机乙会判断这个MAC地址是否跟自己的MAC地址相同。若相同的话，则会抽取其中的数据包，并根据以太网字段类型中指定的协议，把数据包传递给相应的协议处理。由于这个案例中，数据包中是一个回应请求。主机乙就会把这个数据包交给ICMP协议处理。ICMP协议会应答这个请求，同时把这个数据包丢弃并迅速生成一个新的有效负荷来作为回应应答。然后主机乙会利用同样的过程把数据包以及目的MAC地址(路由器对应接口的物理地址)传递到下一层，让其生成帧。在数据帧上，会带有目的MAC地址、源MAC地址、数据包、以太网字段类型、帧校验序列字段等内容发送到下一层。然后再一位位的传送到物理媒体。

第十二步：路由器再重复第六步到第十步的过程，把数据包从一个接口交换传递到另一个接口中。然后主机甲就收到一个回应信息，表示到主机乙的道路是通的。

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路由协议

——典型的路由选择方式有两种：静态路由和动态路由。

——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。

——动态路由是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。它能实时地适应网络结构的变化。如果路由更新信息表明发生了网络变化，路由选择软件就会重新计算路由，并发出新的路由更新信息。这些信息通过各个网络，引起各路由器重新启动其路由算法，并更新各自的路由表以动态地反映网络拓扑变化。动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网络。当然，各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源。

——静态路由和动态路由有各自的特点和适用范围，因此在网络中动态路由通常作为静态路由的补充。当一个分组在路由器中进行寻径时，路由器首先查找静态路由，如果查到则根据相应的静态路由转发分组；否则再查找动态路由。

——根据是否在一个自治域内部使用，动态路由协议分为内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）。这里的自治域指一个具有统一管理机构、统一路由策略的网络。自治域内部采用的路由选择协议称为内部网关协议，常用的有RIP、OSPF；外部网关协议主要用于多个自治域之间的路由选择，常用的是BGP和BGP-4。下面分别进行简要介绍。

3.1 RIP路由协议

——RIP协议最初是为Xerox网络系统的Xerox parc通用协议而设计的，是Internet中常用的路由协议。RIP采用距离向量算法，即路由器根据距离选择路由，所以也称为距离向量协议。路由器收集所有可到达目的地的不同路径，并且保存有关到达每个目的地的最少站点数的路径信息，除到达目的地的最佳路径外，任何其它信息均予以丢弃。同时路由器也把所收集的路由信息用RIP协议通知相邻的其它路由器。这样，正确的路由信息逐渐扩散到了全网。

——RIP使用非常广泛，它简单、可靠，便于配置。但是RIP只适用于小型的同构网络，因为它允许的最大站点数为15，任何超过15个站点的目的地均被标记为不可达。而且RIP每隔30s一次的路由信息广播也是造成网络的广播风暴的重要原因之一。

3.2 OSPF路由协议

——80年代中期，RIP已不能适应大规模异构网络的互连，0SPF随之产生。它是网间工程任务组织（1ETF）的内部网关协议工作组为IP网络而开发的一种路由协议。

——0SPF是一种基于链路状态的路由协议，需要每个路由器向其同一管理域的所有其它路由器发送链路状态广播信息。在OSPF的链路状态广播中包括所有接口信息、所有的量度和其它一些变量。利用0SPF的路由器首先必须收集有关的链路状态信息，并根据一定的算法计算出到每个节点的最短路径。而基于距离向量的路由协议仅向其邻接路由器发送有关路由更新信息。

——与RIP不同，OSPF将一个自治域再划分为区，相应地即有两种类型的路由选择方式：当源和目的地在同一区时，采用区内路由选择；当源和目的地在不同区时，则采用区间路由选择。这就大大减少了网络开销，并增加了网络的稳定性。当一个区内的路由器出了故障时并不影响自治域内其它区路由器的正常工作，这也给网络的管理、维护带来方便。

3.3 BGP和BGP-4路由协议

——BGP是为TCP／IP互联网设计的外部网关协议，用于多个自治域之间。它既不是基于纯粹的链路状态算法，也不是基于纯粹的距离向量算法。它的主要功能是与其它自治域的BGP交换网络可达信息。各个自治域可以运行不同的内部网关协议。BGP更新信息包括网络号／自治域路径的成对信息。自治域路径包括到达某个特定网络须经过的自治域串，这些更新信息通过TCP传送出去，以保证传输的可靠性。

——为了满足Internet日益扩大的需要，BGP还在不断地发展。在最新的BGp4中，还可以将相似路由合并为一条路由。

3.4 路由表项的优先问题

——在一个路由器中，可同时配置静态路由和一种或多种动态路由。它们各自维护的路由表都提供给转发程序，但这些路由表的表项间可能会发生冲突。这种冲突可通过配置各路由表的优先级来解决。通常静态路由具有默认的最高优先级，当其它路由表表项与它矛盾时，均按静态路由转发。

4 路由算法

——路由算法在路由协议中起着至关重要的作用，采用何种算法往往决定了最终的寻径结果，因此选择路由算法一定要仔细。通常需要综合考虑以下几个设计目标：

——（1）最优化：指路由算法选择最佳路径的能力。

——（2）简洁性：算法设计简洁，利用最少的软件和开销，提供最有效的功能。

——（3）坚固性：路由算法处于非正常或不可预料的环境时，如硬件故障、负载过高或操作失误时，都能正确运行。由于路由器分布在网络联接点上，所以在它们出故障时会产生严重后果。最好的路由器算法通常能经受时间的考验，并在各种网络环境下被证实是可靠的。

——（4）快速收敛：收敛是在最佳路径的判断上所有路由器达到一致的过程。当某个网络事件引起路由可用或不可用时，路由器就发出更新信息。路由更新信息遍及整个网络，引发重新计算最佳路径，最终达到所有路由器一致公认的最佳路径。收敛慢的路由算法会造成路径循环或网络中断。

——（5）灵活性：路由算法可以快速、准确地适应各种网络环境。例如，某个网段发生故障，路由算法要能很快发现故障，并为使用该网段的所有路由选择另一条最佳路径。

——路由算法按照种类可分为以下几种：静态和动态、单路和多路、平等和分级、源路由和透明路由、域内和域间、链路状态和距离向量。前面几种的特点与字面意思基本一致，下面着重介绍链路状态和距离向量算法。

——链路状态算法（也称最短路径算法）发送路由信息到互联网上所有的结点，然而对于每个路由器，仅发送它的路由表中描述了其自身链路状态的那一部分。距离向量算法（也称为Bellman-Ford算法）则要求每个路由器发送其路由表全部或部分信息，但仅发送到邻近结点上。从本质上来说，链路状态算法将少量更新信息发送至网络各处，而距离向量算法发送大量更新信息至邻接路由器。

——由于链路状态算法收敛更快，因此它在一定程度上比距离向量算法更不易产生路由循环。但另一方面，链路状态算法要求比距离向量算法有更强的CPU能力和更多的内存空间，因此链路状态算法将会在实现时显得更昂贵一些。除了这些区别，两种算法在大多数环境下都能很好地运行。

——最后需要指出的是，路由算法使用了许多种不同的度量标准去决定最佳路径。复杂的路由算法可能采用多种度量来选择路由，通过一定的加权运算，将它们合并为单个的复合度量、再填入路由表中，作为寻径的标准。通常所使用的度量有：路径长度、可靠性、时延、带宽、负载、通信成本等。