第6章 路由器
本章首先介绍路由器的性能特点和工作原理。并且提出了两种常用的内部网关协议（包括RIP和
OSPF），并着重讨论了RIP。
然后讨论了路由器产品的几种结构，最后介绍了局域网系统中使用路由器的解决方案。
6.1 路由器的性能特点和工作原理
6.1.1 路由器的性能特点
1.路由器的性能
路由器是跨越互联网，把信息从源端送到目的端。
2.路由器的特点
路由器与桥接器比较：
相同点：均为网络互连设备；
不同点：路由器工作在第三层，通过网络地址（IP）作为转发的依据，一般耗时较 长，具有广播
包抑制和子网隔离功能；而网桥工作在第二层，通过物理地址（MAC）作为转发的依据，一般耗时较短；
6.1.2 路由器组网体系结构
（1）一台功能完整的路由器中，常常可以支持多种协议栈数据转发。
（2）路由器的功能还包括数据过滤、计费、网络管理等多项功能。
（3）路由器属中间系统（IS），主机属端系统（ES）。
6.1.3 路由器工作原理
（1）接收帧，并分解IP数据包；
（2）IP包头合法性验证；
Ø链路层帧长必须足够大（20字节）；
ØCRC验证；
Ø版本号必须为4；
ØIP数据包长度必须足够大，以容纳IP数据包头。
（3）IP数据包选项处理；
Ø纪录路由选项：路由器在选项数据域中写入自己的IP地址；
Ø对于时间戳选项，写入自己的IP地址及当前以毫秒为单位的世界标准时间计算值；
对于源路由选项，要先写入自己的IP地址，后面还要做进一步的处理。
（4）IP数据包本地提交和转发；确定数据包是当地的还是需转发。
（5）转发寻径；根据目的地址确定转发路径。
（6）转发验证；主要对IP地址进行验证。
（7）TTL处理；TTL——Time to live （生存时间），经过一个路由器，TTL的值减1，如果TTL的值为0时，这个
数据包被丢弃。且路由器发给源站点一个ICME超时控制报文。
（8）数据包分段；
当要转发的IP数据包中长度大于要输出的物理网络的MTU(最大传输单元)时，路 由器要把这个数据包分段。
（9）链路层寻址。
根据路由器的路由表选择下一个输出端口。
实例：在Internet上路由IP数据包的传送
下面从一个实例说明IP数据包在Internet上如何从一台主机到另一台主机。
主机A是如何发送数据到主机B的。
步骤1：主机A
在网络128.1.0.0上的主机A想用Telnet协议连接网络128.4.0.0上的主机B.网络128.1.0.0上的主机A
和主机B在不同网络上,网络A必须用IP路由器的服务把数据报传输给主机B.根据初始设置,主机A知道
它的默认网关是路由器A,其IP地址为128.1.0.2.
（1）主机A必须将所有的数据包通过路由器A送往主机B.
（2）如果主机A的ARP缓冲中没有路由器A的MAC地址,它发出ARP请求,并等待路由器A响应.
（3）当地址映射存在后,主机A将送给主机B的数据包封装到目的MAC地址为080002001231
(路由器A的端口1),源MAC地址为080002001111(主机A),类型域为0800h(IP)的以太网中.
（4）注意:在传输过程中,IP地址一直不变,而MAC地址一直在变化。
目的主机128.4.0.1源主机128.1.0.1IP数据以太网数据
目的MAC080002001231源MAC080002001111类型0800以太网数据CRC
网络128.1.0.0上的数据包
步骤2：网络128.2.0.0上的数据包
当接收到来自主机A的数据包时,路由器A删除以太网报头,检查类型域,然后将数据包送给IP模块
(软件进程)。IP模块检查IP报头中的目的网络号并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。
路由器A的路由表
网络号下一个跳步路由器跳步
128.1.0.0直接端口0
128.2.0.0直接端口0
128.3.0.0128.2.0.31
128.4.0.0128.2.0.32
由上表可知,路由器A知道目标网络有两个跳步的距离,它必须将数据包装发给路由器B,IP地址为128.2.0.3.
如果路由器A的ARP缓存中没有路由器B的硬件地址,它会发出一个ARP请求并且等待,路由器B响应.得到地址后，
路由器A将数据包封装在以太网帧中，目的MAC地址为080002001233(路由器B的端口
1)，源MAC地址为080002001232(路由器A的端口2)，类型域为0800(IP)，然后路由器A帧发送到端口2。
目的主机128.4.0.1源主机128.1.0.1IP数据
以太网数据目的MAC080002001233源MAC080002001232类型0800以太网数据CRC
网络128.2.0.0上的数据包
步骤3： 网络128.3.0.0上的数据包
当接收到来自主机A的数据包时,路由器B删除以太网报头,检查类型域,然后将数据包送给IP模块(软件进程)。
IP模块检查IP报头中的目的网络号并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。
路由器B的路由表
网络号下一个跳步路由器跳步
128.1.0.0128.2.0.21
128.2.0.0直接端口0
128.3.0.0直接端口0
128.4.0.0128.3.0.31
由上表可知,路由器B知道目标网络有1个跳步的距离,它必须将数据包转发给路由器C,IP地址为
128.3.0.3。
如果路由器B的ARP缓存中没有路由器C的硬件地址,它会发出一个ARP请求并且等待路由器C响应。
得到地址后，路由器B将数据包封装在以太网帧中,目的MAC地址为080002001234(路由器B的端口
1),源MAC地址为080002001232(路由器B的端口2),类型域为0800(IP),然后路由器B将帧发送到端口
2.
目的主机128.4.0.1源主机128.1.0.1IP数据
以太网数据
目的MAC080002001235源MAC080002001234类型0800以太网数据CRC
网络128.3.0.0上的数据包
步骤4: 网络128.4.0.0上的数据包
当接收到来自主机B的数据包时,路由器C删除以太网报头,检查类型域,然后将数据包送给IP模块
(软件进程)。IP模块检查IP报头中的目的网络号并且在其路由表中定位于128.4.0.0的路由上。
路由器C的路由表
网络号下一个跳步路由器跳步
128.1.0.0128.3.0.22
128.2.0.0128.3.0.21
128.3.0.0直接端口10
128.4.0.0直接端口21
由上表可知,路由器C知道目标网络直接连在端口2上,它能够直接发送数据报.
如果路由器C的ARP缓存中没有主机B的硬件地址,它会发出一个ARP请求并且等待主机B的响应.得到地址后,
,路由器C将数据包封装在以太网帧中，目的MAC地址为08000200 (路由器B的端口1),
源MAC地址为080002001232(主机B),源MAC地址为,080002001236(路由器C的端口2),类型域0800(IP),
然后路由器C将帧发送到端口2。
目的主机128.4.0.1源主机128.1.0.1IP数据
以太网数据目的MAC080002002222源MAC080002001236类型0800以太网数据CRC
网络128.4.0.0上的数据包
步骤5：网络128.4.0.0上主机B的数据包
主机B收到帧,删掉以太网报头,检查类型域,将数据包送给它的IP模块.IP模块确认该数据包是发给本机的,
删掉IP报头,将TCP消息送给TCP模块.TCP模块检查端口号,将消息送给本地Telnet程序访问的Telnet端口。
6.1.4 路由器组网特点
1.网络的互连
路由器可实现局域网与广域网的互连以及广域网之间的互连，路由器的功能如下：
（1）地址映射
IP——MAC地址之间的转换
（2）数据转换
路由器互连的网络的最大传输单元（MTU）不同，路由器应解决分段和重传的问题。 （3）路由选择
根据路由表选择。
（4）协议转换
2.网络的隔离
（1）路由器可以根据网络号、主机的网络地址、地址掩码、数据类型来监控、拦截和过滤信息，
而网桥只能根据局域网的MAC地址和第三层协议类型来隔离信息。
（2）路由器具有更强的网络隔离能力，可避免广播风暴，提高整个网络的性能。
（3）路由器抑制广播风暴：当路由器收到一个寻址报文时（ARP），由于该报文的目的地址是广播地址，
路由器不会将其广播，而是将自己的MAC地址发送给源主机。源主机在发送数据时就可以直接填写路由器的MAC地址，避免了路由器发广播。
注意:为什么会发生广播风暴?这是因为IP和MAC的原因.
3.流量的控制
主要采用路由算法均衡网络负载。
6.2 两种常用的内部网关协议
内部网关协议（IGP）即是在一个自治系统（AS）内部路由器使用的路由协议。
外部网关协议（EGP）即是在自治系统（AS）之间互连时，路由器使用的路由协议。
在一个自治系统（AS）内部，只使用一种IGP。
6.2.1 路由和寻址
IP地址的定义适用于不同的网络类型，因而成为Internet的基础。
1.物理地址： MAC（又称为硬件地址）
2.逻辑地址： IP地址
3.路由表：是整个路由器的核心，它是动态建立的。
6.2.2 距离向量算法和RIP（路由信息协议）
RIP与其说是一种协议，不如说是一种路由算法。
RIP是典型的距离向量法。
1.由表的格式
典型的RIP路由表
目的地下一站地址距离计时器标志位
网络1路由器13t1，t2，t3x，y
网络2路由器22t1，t2，t3x，y
网络3路由器31t1，t2，t3x，y
网络4路由器4t1，t2，t3x，y
…………………………
2.RIP(选路信息协议)包格式
不同网络系统中RIP包的格式是不一样的。下面介绍TCP/IP协议栈中RIP实现的数据包。
命令版本号0
地址类型标志0
目的网络地址
目的网络掩码*
下一站路由器地址
0距离
说明：
（1）命令：表示该包是一个请求包（值为1时），响应：表示该包是一个响应包（
值为2时）响应是对请求的答复。
（2）版本号：表示当前实现的RIP版本。目前有两种版本：版本1和版本2。
（3）地址类型标志：表明说传输的地址类型。在INTERNET中，该值为2，表示传输的是IP地址。
（4）目的网络掩码地址：目的网络地址和掩码惟一地确定一个网络。RIP版本1仅支持标准目的网络地址，
因此网络掩码地址部分为0。
（5）距离：共16比特。表示从发送路由器到目的路由器所经过的路由器的数目。
3.RIP协议的工作过程：
（1）RIP采用主动发送，被动接收的机制来实现路由信息的交换。
（2）RIP有一个路由更新时钟，一般设置为30秒，每个路由器每隔30秒都要把它的整个路由表向
其相邻的路由器发送。
（3）RIP定义了一种受激更新。即每当路由器检测到新的网络拓扑结构的变化时，除了重新计算
自己的信息外，都要立即向其他方向发送该更新消息。
（4）RIP仅为每一个目的网络保留一条最佳路由。当有新的更佳的路由时，就有新路由代替旧路
由。
（5）网络拓扑结构发生变化时，就会自动更新路由。
（6）RIP用时钟保证其性能。
Ø路由更新时钟：一般设为30秒；
Ø路由器无效时钟：每激活一次，就给每个路由表项中的时间项加1。如果时间项的值超过规定的无效时间，
则把该路由项置为无效，并通知相邻的路由器。一般设为90秒。
Ø路由清除时钟设置为270秒。
6.3 路由器产品结构
路由器产品的分类：
1.用传统的计算机结构
（1）特点：
Ø采用了共享中央总线、中央CPU内存储器及外围插卡；
Ø中央CPU必须执行数据包的转发和过滤，根据需要修改数据包投标，更新路由表及地址数据库，响应管理请求；
Ø每块插卡执行MAC层功能，使系统与外界连接。
Ø数据包需两次穿过总线。
（2）缺点
ØCPU必须处理每一个数据包，限制了吞吐量；
Ø 数据包需两次穿过总线到打岔卡，性能降低；
Ø数据包转发由CPU执行软件完成，受CPU的速度影响；
Ø中央CPU及内存储器的故障将影响整个设备。
2.用并行处理的结构
（1）特点：
Ø每个外围插卡上都设置了独立的CPU和内存贮器，并行处理数据；
Ø转发只需经过一次内部总线。
（2）缺点：
Ø数据包的转发由CPU执行软件来完成，受CPU的运行速度影响；
Ø由于共享总线，每次只允许转发一个数据包，限制了系统性能。
3.背板采用纵横式交换结构
（1）是目前先进路由器采用的背板结构；
（2）用纵横式交换结构替代了共享总线结构，允许数据包进行高速转发，大大提高了数据包的转发率。
4.并行处理与背板交换相结合的结构
（1）并行处理各个输入数据包，通过交换背板的高速交换，实现多个数据包的同时转发极大地提高了路由器的性能。
（2）背版的速率为各割端口速率的总和。
6.4 局域网系统中使用路由器的解决方案
6.4.1 局域网间的隔离和互连
路由器的作用为隔离和过滤。
6.4.2 局域网与广域网互联