自顶向下网络设计（第二版）
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- 夯湘 糜
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2 1.1 IP 路由与转发 3 第 1 章 IP 路由概述 本章着重讲解基于 IP 的路由选择协议的常规设计与操作, 同时介绍 IP 协议的背景信息并对 IP 包在一个数据通信网络中路由的过程加以分析 接下来的内容进一步讨论了路由选择原理以及 IP 路由器上可用的包交换机制 显然, 这一章的内容相对于本书的主题来说更为宽泛一些 从第 2 章开始, 本书将会集中讨论 IS-IS 协议 本章主要包含下列主题 : IP 路由与转发 ; IP 寻址概要 ; IP 路由选择协议分类 ; 单播路由与多播路由的对比 ; Cisco 包交换机制 ; IPv6 协议讨论 对于大多数读者来说, 本章对于 IP 路由选择这一主题详细深入地分析介绍有助于扫除知识点上的误区和盲点 对于其他读者而言, 阅读本章则是在对 IP 路由选择机制进行一次良好的进修与复习 1.1 IP 路由与转发 IP 是无连接网络中占主导地位的 3 层协议 IP 协议是 TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 协议族 ( 或简称为 IP 协议族 ) 中的一部分 IP 协议族中包含着众多的协议, 其中一部分已列入了 RFC 1800 文档 Internet Official Protocol
3 4 第 1 章 IP 路由概述 Standards 之中 伴随着新应用的出现, 这份 IP 相关协议的文档也在不断地扩充 IP 协议族中的一些重要协议如下 : Internet 协议 (Internet Protocol,IP); 传输控制协议 (Transmission Control Protocol,TCP); 用户数据报协议 (User Datagram Protocol,UDP); Internet 消息控制协议 (Internet Message Control Protocol,ICMP); 地址解析协议 (Address Resolution Protocol,ARP) TCP 和 UDP 协议运行在第 4 层, 为应用程序提供传输服务 ICMP 是一种控制协议, 与 IP 协议共同运行在第 3 层 ARP 协议提供第 3 层与第 2 层之间的地址解析 数量众多的应用程序使用 TCP 和 UDP 提供的传输服务, 下面是一些常见的例子 : 远程登录 (Telnet) 基于 TCP 的虚拟终端应用 ; 文件传输协议 (File Transport Protocol,FTP) 基于 TCP 的文件传输应用 ; 简单文件传输协议 (Trivial File Transport Protocol,TFTP) 基于 UDP 的文件传输应用 ; 域名服务 (Domain Name Service,DNS) 同时使用 TCP 和 UDP 进行传输的一种对域名与地址进行转换的应用 TCP/IP 协议族之所以能够获得一系列的成功,IP 协议功不可没 IP 协议在数据传输方面的简单和高效是其大规模使用的主要原因 作为一种无连接协议,IP 协议使用独立的可路由单元来传输数据, 这种单元称为 数据报 (datagram) 或 数据包 (packet) 每个包中包含例如源地址和目的地址等信息, 路由器使用这些信息进行转发和决策 在无连接网络中, 数据传输开始之前并不需要在源和目的之间预先建立一条端到端的路径 一个文件可能会在传输时被分割成多个包, 路由器会使每个包沿着源到目的之间的最佳路径独立地传输 IP 转发主要基于 IP 头部的目的地址, 源地址和其他参数则可以用于基于策略的转发 在路由器不断发展和演变的过程中, 路由选择与转发这两个功能有些细微的差别, 但从本质上来看, 它们是对 IP 包的相同操作 路由器是一种多接口网络设备, 这些接口通过高速总线或复杂的互联系统 ( 如交叉交换 [crossbar-switch] 或共享内存交换矩阵 [shared memory fabric]) 相互连接 每台路由器包括两个功能平面 : 数据平面和控制平面 一般情况下, 这两部分功能依靠被称为路由处理器的智能子系统来实现 我们今天大部分的高速路由器在设计时会将这两个功能平面明确地分离开
4 1.1 IP 路由与转发 5 ( 见图 1-1), 控制平面的功能主要是收集网络状态和路由器接口的相关信息,IP 路由应用或者 IP 路由选择协议提供了收集这些信息的功能 数据平面依靠控制平面收集的这些信息进行实时的包处理和转发 IP 路由 (IP routing) 是一种用于收集网络路由信息的复杂进程, 其功能在控制平面中完成 IP 路由选择协议通过处理这些信息来确定到达网络中每个已知目的地的最优路径 已确定的最佳路径会存放在路由表 (routing table) 或路由信息库 (RIB) 中 数据包转发时, 沿路的路由器将使用路由表中的路径将数据包发向去往目的网络的下一跳, 最优路径通常是到达目的网络的度量值 (metric) 或开销最低的路径 IP 转发 (IP forwarding) 操作主要是通过处理 IP 包头信息来决定如何将数据包发往目的 操作包括在转发数据库中查找目的地址从而确定出站接口, 将 TTL (time-to-live, 生存时间 ) 值减 1, 计算 IP 校验和, 将包放入出口队列并最终使包离开路由器发到去往下一跳路由器的链路上 相似的转发操作会独立地发生在沿路的每台路由器上, 每次转发后包都将离目的更近并最终到达目的 图 1-1 分布式路由器体系结构 图 1-1 说明了具有分布式转发能力的路由器体系结构 在这种体系结构下, 每个接口处理器 ( 或称为线路卡 ) 都是一个能够进行 IP 转发的独立的转发引擎 数据包直接在这些接口处理器之间进行交换操作 IP 转发引擎可以在一台路由器上的源接口到目的接口之间实现更快的包处理 IP 路由功能在路由处理器 (RP) 上完成,RP 也称为路由引擎, 负责路由的计算 路由引擎运行某种路由选择协议并允许其与其他路由器进行交互, 收集并处理路由信息, 最终生成路由表 路由引擎用于收集路由选择信息, 这些信息最终将与接口处理器共享 Cisco 系列路由器就采用了完全分布式的体系结构 图 1-2 显示了另外一种路由器的体系结构, 这种结构具有一个高速的转发引擎 ( 也称为包处理器 ), 用来集中地处理整个系统的包交换操作 图中还有一个独立的路
5 6 第 1 章 IP 路由概述由处理器 与分布式结构相同, 这种结构的数据平面和控制平面也是分离的 集中式体系结构中的接口处理器不具备直接转发包的能力, 而是将所有的包发往包处理器来完成数据包的转发 这种路由器结构称为 集中式体系结构 图 1-2 集中式路由体系结构 完全分布式与完全集中式是路由器体系结构中的两个极端, 还有多种介于两者之间的混合结构存在 其中一种结构是将图 1-2 中的包处理器与路由处理器组合成为一个单独的硬件, 称为路由交换处理器 (Route Switch Processor,RSP) 另外一种结构是将集中式与分布式转发的功能结合在一台路由器上, 例如 Cisco 7500 系列路由器 这些路由器的特征硬件模块称为通用接口处理器 (Versatile Interface Processor, VIP) 和 RSP VIP 进行分布式的转发, 而 RSP 同时具有路由选择和集中式的包处理能力 路由信息由网络中链路相关的 IP 子网或地址前缀构成, 路由器收集这些信息并与其他路由器相共享 网络上运行着大量应用程序的主机都连接在局域网 (LAN) 上 主机的 IP 地址是基于其所在局域网的子网地址 在下面的章节里将简要讨论 IP 寻址, 并对 IP 子网的相关内容, 如可变长度子网掩码 (VLSM) 和无类域间路由 (CIDR) 进行一次复习 然后集中地讨论在 Cisco 路由器上用于实现 IP 转发的不同种类的 IP 路由选择协议与包交换机制 1.2 IP 编址介绍 编址 (addressing) 与路由 (routing) 是紧密地联系在一起的 为了实现数据包 ( 报 ) 的交付,IP 协议需要一种编址方案用以指示出数据包的源和目的 IP 协议自带的这种 3 层编制方案与下层的局域网 (LAN) 或广域网 (WAN) 传输介质无关 最初的
6 1.2 IP 编址介绍 7 IP 协议采用 32 位二进制数的编址方案, 该方案一共定义了 2 32 (4,294,967,295) 个独立的主机地址 在 Internet 部署之初,32 位的编址方案看起来是足够用的, 但发展至今, 这个编址方案反而成为了 IPv4 协议的最大缺陷 这主要是因为 Internet 的发展速度与规模都大大超出了人们的预期 为了延缓 IPv4 地址消耗的速度, 一些方案, 例如网络地址转换 (NAT) 已经部署于 Internet NAT 能够在私有地址空间和公有地址空间之间进行转换, 从而允许配置了大量私有地址的主机按需使用少量的公用地址连接到 Internet 目前发展前景最好的是一种全新的编址方案:IPv6 IPv6 采用了更大的 128 位的地址空间 相比较而言,IPv6 提供的地址数量远多于 IPv4 接下来的小节讨论了与 IP 编址相关的一些概念, 主要包括以下内容 : IPv4 地址分类 ; IPv4 私有地址空间 ; IPv4 子网划分和 VLSM; CIDR 有类编址与无类编址一般来说, 网络设计的一个重要方面就是对地址分配的管理, 通过调整地址空间的大小从而达到节约地址的目的 IPv4 中引入了 地址类 (class) 的概念协助管理地址分配, 所谓 地址类 是指地址空间预先划分好的地址段 通过在地址中设定标志性的位,IPv4 的地址空间被划分成了 A B C D 和 E 这五类 这种将地址空间分类或分组的方法, 可使每个类支持一定数量的主机 网络管理员在为 IP 网络分配地址时, 首先通过计算网络当前的地址规模和潜在的地址增长来确定地址需求, 然后从划分好的类中选取一组地址, 最后, 将选中的地址依次分配到网络中的每台主机上 这种方法使得地址空间的管理更为简易 在 A B C 三类地址中, 32 位的 IP 地址又被进一步划分为网络位和主机位, 如下所示 A 类 :8 位网络位,24 位主机位 B 类 :16 位网络位,16 位主机位 C 类 :24 位网络位,8 位主机位 此外,D 类地址用于 IP 多播,E 类地址保留做实验用途 图 1-3 显示了 A 类地址中位的划分
7 8 第 1 章 IP 路由概述 图 1-3 A 类地址位划分 为了方便阅读, 使用点分十进制的方法表示 32 位二进制的 IP 地址 在点分十进制 表示法中, 每 8 位二进制数分为一组, 组间用点间隔, 每一组二进制数转化为一个 十进制数 表 1-1 是每类 IP 地址的范围和表示方法 这里仅体现了各类地址的主机 地址范围, 网络地址的数目是隐含的 在实际给网络设备分配地址时, 还有多种规 则进行指导 RFC 1700 文档给出了关于保留地址和其他 Internet 相关协议参数的信息 表 1-1 IP 地址分类与表示 地址类 首字节比特格式 首字节范围 主机地址分配范围 A 0xxxxxxx 1~ ~ B 10xxxxxx 128~ ~ C 110xxxxx 192~ ~ D 1110xxxx 224~ ~ E 11110xxx 240~ ~ 之前讨论的是有类编址 (classful addressing), 之所以称作有类是由于 IP 地址空间是与类相关的 与之相对的是无类编址 (classless addressing) 无类编址打破了每个 IP 地址类使用特定的前缀来指定 IP 地址数量这种观念 在无类编址中, 地址分配更加灵活,IPv4 地址空间得到了更为有效的使用 无类 IP 地址允许将一个大的地址块 ( 例如一个 A 类网络 ) 分配给多个组织, 而不是全部分配给一个并没有足够的主机和发展前景去使用整个地址块中 IP 地址的组织 另一方面, 无类编址允许将多个 C 类网段通过一个地址前缀聚合为一个大的地址块 使用 CIDR 的地址聚合能够极大地节省 Internet 上路由器的内存空间, 同时对于控制 Internet 上的路由数量来说也是必不可少的 私有地址空间私有地址空间最初用于分配给不需要连接到公共 Internet 的 IP 网络 NAT 这种革命性技术的诞生, 使得公有地址可以与私有地址彼此进行转换, 从而节省了大量的公有地址 NAT 可以让使用私有地址的网络接入公共 Internet 下面列出了在 RFC 1918 文档中定义的保留用作私有地址的三个地址块 :
8 1.2 IP 编址介绍 ~ ; ~ ; ~
9 10 第 1 章 IP 路由概述 子网划分与 VLSM IP 地址子网划分在无类编址出现之前就已经存在了, 子网划分能够将一个有类的网段划分为多个更小的子网, 从而可以分配给不同的网络 子网划分在有类 IP 地址结构上引入了另一种层级关系, 通过将主机 ID 扩展成网络 ID 的方法, 将原有网段划分为子网 (subnet) 例如, 一个 B 类网段中, 通过将 8 位主机 ID 扩展成网络 ID, 可将此网段划分变为 16 位网络 ID 8 位子网 ID 和 8 位主机 ID, 从而产生了 255 个子网 ( 见图 1-4) 图 1-4 B 类子网划分示例 通过子网划分将一个原始的 IP 网段划分为多个更小的子网, 可以更有效地将地址分配给一些规模较小的网络 IP 子网掩码 (subnet mask) 用于将 IP 地址划分为网络位和主机位 从二进制的角度来看, 子网掩码使用连续的 1 表示网络位, 连续的 0 表示主机位 子网掩码同样可以采用点分十进制的方法来表示 图 1-5 显示了一个划分了子网的 B 类地址子网掩码 图 1-5 子网掩码示例
10 1.2 IP 编址介绍 11 如图 1-5 所示,B 类网段 默认的子网掩码为 , 通过将 8 位主机位扩展成网络位, 子网掩码变为 , 从而将此 B 类网段划分为多个子网, 即 还有一种常用的表示 IP 地址及其子网掩码的方法是将子网掩码中为 1( 网络位 ) 的位数表示出来 例如, 可以表示成 /24, 可以被表示成 /16 使用 VLSM 技术, 可允许一个网段使用不同的子网掩码, 从而能够更加灵活有效地使用 IP 地址 本质上讲,VLSM 使用多个子网掩码对一个 IP 网段进行多次划分, 从而得到符合不同规模网络需求的子网 例如, 通过将 /24 网段中 8 位主机位划分给网络位, 可以获得 /24 这一子网, 如果再将额外的 4 个主机位划分给网络位, 则可以获得更小的网段, 如 / / / 28 等 无类域间路由在前面曾经提到,VLSM 使 IP 地址在网络中的利用更为有效 在低效地址分配的 20 世纪 90 年代, 将大的有类网段 ( 如 B 类网段 ) 分配给较小的组织使 IPv4 地址面临耗尽的危险 为了缓和这一状况, 较大的网段被划分为较小的网段 ( 如 C 类网段 ) 以满足这些组织的需求 但随着 Internet 规模的不断增长, 另一个问题出现了, Internet 路由器的路由表中出现了大量独立的 C 类条目, 这给路由器的软硬件带来了很大的负担 CIDR 摒弃了地址类的概念, 允许 IP 地址中任意长度的网络位, 从而为通过对路由表中条目有效地地址聚合来节省路由器资源 ( 内存和 CPU 周期 ) 铺平了道路 同样, 通过消除严格的 IP 类的边界,CIDR 允许将一个有类网段拆分, 如一个 A 类网段可以划分给多个网络域 利用 CIDR, 一组 C 类网段, 如 ~ 可以被聚合成 /16, 这样, 路由表中的 256 个独立的 C 类条目就变成了 1 个条目 这种聚合 ( /16) 通常称为 CIDR 网段或超网 (supernet) 同样,CIDR 可以将例如 /16 这种网段进行拆分并分配给多个网络组织, 如, / / /22 和 /22( 见图 1-6) 读者请参考本章末 参考文献 部分中推荐的相关文献来进一步的学习 CIDR
11 12 第 1 章 IP 路由概述 图 1-6 CIDR 超网 1.3 IP 路由选择协议分类 网段之间的路由行为是依靠路由器中的路由信息来实现的, 而路由信息可以通过手工定义静态路由 (static route) 或者由动态协议自动学习获得 这种能够自动获得路由信息的程序或协议称为动态路由选择协议 (Dynamic Routing Protocol) 此外, 路由器也可以使用默认路由来转发不知道目的地址的数据包 默认路由中的下一跳称为默认网关 (default gateway), 默认路由可以使用静态或动态的方法生成 目前比较常用的基于 IP 协议的动态路由选择协议主要有 RIP(Routing Information Protocol) 版本 1 和版本 2 IGRP(Interior Gateway Routing Protocol) EIGRP(Enhanced Interior Gateway Routing Protocol) IS-IS(Intermediate System-to-Intermediate System Routing Protocol) OSPF(Open Shortest Path Routing Protocol) 和 BGP(Border Gateway Protocol) 由于结构设计与内部功能不同, 不同种类的动态路由选择协议的性能也不尽相同 接下来会在以下几个方面着重讨论这些单播路由选择协议 : 有类协议与无类协议 ; 域内协议与域间协议 ; 距离矢量路由选择协议与链路状态路由选择协议
12 1.3 IP 路由选择协议分类 有类协议与无类协议 基于 IP 的动态路由选择协议可以分为有类协议和无类协议, 如表 1-2 所示 表 1-2 有类协议与无类协议 有类路由选择协议 RIPv1 IGRP 无类路由选择协议 RIPv2 EIGRP 集成 IS-IS OSPF BGP 有类协议被设计用于处理有类 IP 地址的路由选择, 在交换网段信息以获得路由选择协议信息时并不携带该网段的子网掩码 当网段信息被交换后, 有类协议会按照该网段所属的 IP 地址类自行设置子网掩码 因此, 此类协议不能支持 CIDR 中所使用的可变长度子网掩码 与之相反, 无类协议在收集路由信息时, 交换的网段信息中会附带子网掩码, 从而能够灵活地与 VLSM 或无类地址协同工作 表 1-3 总结了有类协议与无类协议之间的区别 表 1-3 有类协议与无类协议特征 有类路由选择协议不支持超网路由路由更新中不携带子网掩码不支持 VLSM 不支持不连续子网多为周期更新 Cisco 路由器上配置与排障较易 无类路由选择协议支持超网路由路由更新中携带子网掩码支持 VLSM 支持不连续子网多为增量更新 Cisco 路由器上配置与排障复杂 域内协议与域间协议由某个机构统一管理与维护的互联路由器及相关设备组成的一张网络通常称为一个网络域 (Network Domain), 网络域有时也叫作自治系统 (Autonomous System, AS) Internet 就是由来自世界各地的这种 AS 组成的 路由选择协议被设计和定位用于一个域之内 (intradomain) 或多个域之间 (interdomain) 图 1-7 显示了在一个
13 14 第 1 章 IP 路由概述 全球路由选择系统内三个互联的网络域 (AS1 AS2 AS3), 同时描绘出了域内与 域间的示意图 图 1-7 域内路由与域间路由 前文提到的路由选择协议中, 除了 BGP 之外均是用于实现域内路由功能的 典型的域内路由协议缺乏策略部署的灵活性, 并且不能处理如全球性的 Internet 路由表那么大量的路由条目 显而易见, 在两个独立的域之间交换路由信息需要复杂的策略加以控制, 这也正是 BGP 的设计目标 由于全球性的 Internet 的规模巨大, 需要处理的路由条目的数量也是惊人的, 目前全球性的 Internet 路由表中条目数量已经达到 100,000,00 条并且仍然在不断增长 因此, 域间路由选择协议必须支持以下基本功能 : 支持复杂的策略配置, 例如路由过滤 标记等 ; 能在稳定与不稳定的网络环境中处理大量路由条目 ; 快速响应网络变化 : 发送即时路由更新, 接受并处理路由更新, 选择冗余路由 一个域间路由选择协议还必须能够处理多个对等体 (peer), 每个 peer 代表了同一个大的路由表中的不同层面 目前, 只有 BGP 可以实现上述所有功能, 并已经成为 Internet 中名副其实的域间路由选择协议 目前基于 IP 单播路由的 BGP 协议版本为 BGP 版本 4, 定义在 RFC 1771 中 BGP 协议仍在不断的改进并在最近几次更新中加入了大量的增强特性, 比如在 RFC 2858 中加入了多协议功能 RFC 2858 中定义了 BGP4 的多协议扩展 为多协议标签交换虚拟专用网络 (MPLS VPN) 提供了技术框架 引入了域间多播路由, 以及基于 IPv6 协议的域间路由选择功能
14 1.3 IP 路由选择协议分类 距离矢量协议与链路状态协议本节讨论基于架构设计 ( 距离矢量与链路状态协议 ) 的不同路由选择协议的分类 本质上, 此分类是对域内路由选择协议 (IGP) 来讲的 上一节提到的当前仅有的域间路由选择协议 BGP 一般看作是一种路径矢量 (path-vector) 协议, 这是由于其路由的计算使用了一种称为 AS 路径 (AS path) 的矢量路径信息 AS 路径可以看成是路由所经过的所有 AS 的矢量 表 1-4 中列出了 IGP 中距离矢量与链路状态协议的划分 IGP 可以很容易划分进这两类中 距离矢量协议设计相对简单并倾向于有类路由选择协议 这种有类的特性使其无法应用于今天大多数的网络中 另外, 距离矢量协议所采用的周期性更新机制也会消耗大量的带宽资源 链路状态协议只有当网络变化时才会发送增量的更新 相比较而言, 链路状态协议会比距离矢量协议需要更多的 CPU 和内存资源, 不过链路状态协议不会受距离矢量协议所具有的一些与生俱来的问题所困扰, 如周期性更新 瞬时成环 无限计数, 以及收敛速度慢等 表 1-4 距离矢量协议与链路状态协议 协议 分类 度量值 (metric) 算法 RIPv1 距离矢量 跳数 Bellman-Ford RIPv2 距离矢量 跳数 Bellman-Ford IGRP 距离矢量 复合度量 Bellman-Ford EIGRP 距离矢量 复合度量 弥散更新算法 (DUAL) OSPF 链路状态 基于带宽开销 最短路径优先 (SPF) IS-IS 链路状态 手动定义开销 最短路径优先 (SPF) 链路状态协议对 CPU 的要求比距离矢量协议要高 这是因为在某个区域内的拓扑变化通常会触发整个链路状态数据库中最短路径优先 (SPF) 算法的运算, 而距离矢量协议在本地路由器独立地计算路由, 对于拓扑的细微变化计算量较小 与距离矢量协议相比, 链路状态协议的关键优势是支持分层的网络结构, 网络的可扩展空间很大, 而距离矢量路由协议只能工作在一个 平面 的网络结构中, 通常支持的网络规模也十分有限 1.IGRP 与 EIGRP IGRP 与 EIGRP 是 Cisco 公司开发的私有协议 正如其名称所示,EIGRP 协议在 IGRP 协议的基础上加入了一些关键的增强特性, 例如支持 VLSM CIDR 等 如表 1-4
15 16 第 1 章 IP 路由概述所示,EIGRP 采用了新的算法来计算路由 与 IGRP 相比, 其他的改进还包括采用了触发更新以及通过可行后继路由机制实现的快速收敛 EIGRP 还支持基于多协议的路由, 如 IP IPX 和 Apple Talk, 而 IGRP 只支持 IP 协议
16 1.4 单播路由与多播路由 17 2.RIPv1 与 RIPv2 RIP 版本 1 和版本 2 是 Internet 工程任务组 (IETF) 开发的 版本 2 是对版本 1 的增强, 加入了一些新的特性, 如多播更新, 以及通过在路由通告中加入掩码信息以支持 VLSM 和无类编址 3.OSPF OSPF 同样是由 IETF 开发的 由于它对 IP 协议的创新,OSPF 很可能是当今最为流行易懂的 IGP 协议, 并且在网络互联的相关文献中广泛引用 经过不断地改进,OSPF 已经演变成一款十分健壮的协议, 具有在企业级和服务提供商环境下建立复杂的路由结构的能力 虽然 OSPF 的整体协议结构比较复杂, 但是其基本概念和特性还是不难理解的, 而且在 Cisco 路由器上也是很容易配置的 4. 集成 IS-IS 本书是关于 IS-IS 协议的, 后面将详细地讲解该协议的结构与特性 IS-IS(ISO 10589) 最初是由国际电信联盟 (ITU) 开发的, 并被国际标准化组织 (ISO) 正式采用为无连接网络层协议 (CLNP) 的一种路由选择协议 IS-IS 最早在 DEC 公司的 DECnet Phase V 网络中作为路由选择协议被部署, 不久后 IETF 将其改进以适应 IP 协议路由 (RFC 1195) 尽管 IS-IS 和 OSPF 在开发和功能设计上有所不同, 但两者具有大量的共同点 二者都是链路状态协议, 并且均采用 SPF 算法计算路由 1.4 单播路由与多播路由 IP 路由选择协议的主要用途在于引导数据单元 ( 数据包 ) 通过网络 在一个基于包的网络中, 一个较大的文件在从网络一端传输到另外一端之前会被拆分成若干个包 在一个由多个网段组成的网络环境中, 各个网段 ( 传输介质可以不同 ) 之间使用路由器相连, 这种情况下就需要用到路由功能来传输包了 如果所有节点都在同一个网段中则不需要用到路由功能, 比如局域网或一条点到点的链路 根据转发包的方式的不同, 路由功能可以分为以下两种类型 : 单播路由 ; 多播路由 在单播路由中, 包被转发到目的地址字段的某个主机地址上 在多播路由中, 包中的目的地址字段中写入的是一个多播地址, 这样就允许一个包被多播组中的多个主
17 18 第 1 章 IP 路由概述机所接收, 从而高效地将相同的数据一次发送给多个主机 迄今为止, 本章讨论的内容主要侧重于单播路由, 这是由于 IS-IS 是一种单播路由选择协议,IP 单播转发是基于目的地址按照 转发到下一跳 的范式设计的, 这意味着路径上的每台路由器都会查看包中的目的地址, 并将数据包转发到已知去往目的最佳路径的下一跳 除非定义了特定的转发策略, 否则包中的源地址是不使用的, 只有在源和目的之间的通信需要双向握手时源地址才会被用到 与单播转发相比, 多播转发需要同时使用源和目的地址 多播转发采用一种称为反向路径转发 (RPF) 的方法来检查多播路由表 该方法规定, 只有从去往源地址的最佳路径的接口上收到的包才会被接收 多播包中的目的地址是一个多播组地址, 每一个多播组都有一个与之关联的出接口转发 (OIF) 列表用于确定加入到组中的接收者的位置 在对于源地址的 RPF 检查完成后, 路由器按照包中的目的多播地址查找与之关联的 OIF 列表, 最后按照表中的条目将数据包复制若干份后从列表中指定的接口转发出去 多播路由选择协议主要有距离矢量多播路由选择协议 (DVMRP) 协议无关多播(PIM) 多播 OSPF(MOSPF) 和多播源发现协议 (MSDP) 本节不再对多播进行更多的讨论, 如果想获得关于多播的更多信息, 请阅读 Developing IP Multicast Networks 一书 Cisco IOS 中引入的一个称为单播反向路径转发 (urpf) 的安全特性就是借鉴了多播路由中的 RPF 概念, 可用于控制 Internet 上的单播转发中使用源地址欺骗的拒绝服务攻击 (DoS) 单播路由如前文提到的,IP 单播路由的本质是帮助路由器计算出将数据包转发给去往目的最佳路径的下一跳 最佳路径的选择是通过选择开销最低的路径得到的, 最佳路径的确定归结于数据链路层地址或者说下一跳 MAC 地址 路由表中每一个非直连的路由条目都会有一个地址前缀 下一跳的 IP 地址, 以及去往下一跳的出接口 实际的转发过程中可能还会包括其他的一些步骤, 如通过 ARP 表或特定介质的地址映射表来确定下一跳的数据链路层地址 如果目的主机是直连的, 则通过地址解析直接获得目的地址对应的数据链路层地址, 否则将会返回下一跳路由器的数据链路层地址 在转发的过程中, 数据包中的 IP 地址是始终不变的, 但在到达目的地之前, 每经过一条链路, 数据链路层地址都会随之改变 在将数据包转发到下一跳之前, 路由器附加在数据包上的 2 层信息称为 2 层重写字符串 ( 在以太网中也称 MAC 重写 )
18 1.4 单播路由与多播路由 IP 单播转发示例图 1-8 中显示了一个由三个网段组成的简单 IP 网络 每一个网段被分配了一个唯一的 IP 子网 如果目的地在一个网段内, 即同一 IP 子网内, 通过 ARP 协议直接获得目标 IP 地址对应的数据链路层地址 如果目的地不在同一网段内, 则需要进行路由选择 例如, 主机 1 需要将数据发送给主机 2, 则可以依靠 ARP 直接获得主机 2 的 MAC 地址 如果主机 1 需要将数据发送给不在同一网段的主机 3, 数据包会首先被发送给 RT1, 接着 RT1 将数据转发给 RT2, 最终 RT2 将数据包发给主机 3 图 1-8 IP 转发示例 总之, 路由选择是通过查找去往目标地址的下一跳地址, 然后对数据包进行 2 层重写来工作的 通过 2 层重写, 数据包被封装成数据帧然后转发给下一跳 下一跳可以是数据包的最终目的地, 也可能是去往目的的路径上的一台路由器 图 1-9 显示了 IP 包转发处理的流程 在数据包转发的过程中, 确定 2 层重写字符串是最为重要的步骤之一 其他与转发相关的活动还包括 IP 头部校验以及减少 IP TTL 值 IP 包处理还可能会执行一些策略, 如包过滤 流量限制 拥塞控制 各种 QoS 队列机制的延迟控制, 以及设置 IP 头部的服务类型位 所有这些额外的包处理过程都需要占用时间和系统资源, 所以在高速路由器上需要使用各种不同的包交换优化机制才能获得 10 Gbit/s 或更高的转发速率 Cisco 路由器的包交换机制在不断发展的过程中经历了以下几种类型 : 进程转发 快速转发和 Cisco 快速转发 (CEF) 这些转发机制将在 1.5 节中介绍
19 20 第 1 章 IP 路由概述 图 1-9 IP 数据包路由处理流程 最长匹配路由很多情况下, 当路由器选出去往目的地的最佳路径之前, 路由器可能会遇到多个相似的路由条目, 它们之间的区别仅在于前缀的长度不同 前文提到过, 对于今天的无类路由来说, 路由条目不再是通过类别加以区分, 而是要依靠由子网掩码确定的前缀长度进行区分 例如, 如果路由表中同时存在 /16 和 /24 两个路由条目, 则地址 可以同时匹配这两个条目 然而, 在匹配路由条目时的一个重要规则 最长匹配路由选择 规定需要与前缀最长的路由条目进行匹配 在这种规则下, 地址 将匹配 /24 这一条目而不是前缀较短的 /16 前缀较短的路由条目可能是一个汇总条目, 这种条目在聚合的过程中可能会使路由不再精确, 所以前缀最长的也就是最精确的条目, 即最优路由 这种选择规则是路由器支持 VLSM 的关键
20 1.5 Cisco 包交换机制 Cisco 包交换机制 在本章的开头已经讨论过了 IP 转发和 IP 路由的区别, 同时提到了今天路由器中转发平面与控制平面的分离 如前文所述, 控制平面与运行路由选择协议的路由处理器 (RP) 紧密相关 如图 1-9 所示, 真实的包转发是由专用的基于硬件的转发引擎完成的, 转发引擎主要由专用集成电路 (ASIC) 构成 基于 ASIC 的转发引擎是实现高速转发的必要组件 基于 CPU 的转发速度相对较慢, 然而在过去的很多年, Cisco 开发了多种不同的方法来加速基于 CPU 的 RP 处理速度 快速交换就是其中的一种, 快速交换后来发展成为 Cisco 快速交换 (CEF) 快速交换与 CEF 都是进程交换 进程交换进程交换是一种在进程级别将数据包排队送给路由处理器的 CPU 实现的包交换 在这种情况下, 每个包的交换请求都要与其他应用和服务排在队列中依次等待路由处理器的 CPU 处理 CPU 在将数据包交换到下一跳或目的之前需要对每个数据包进行查找以确定其 2 层重写字符串 显而易见, 进程交换的速度很慢, 并且受 CPU 的性能限制 图 1-10 显示了进程交换的过程 图 1-10 进程交换示意图 快速交换快速交换是对进程交换的改进与增强, 所有的数据包交换首先在进程级别执行, 但是获得的 2 层重写字符串信息会被缓存下来用以再次使用 当快速交换被启用后, 有转发请求时,CPU 都会收到一个中断请求并根据目的地址在 IP 缓存中查找匹配的路由条目 如果能够找到匹配的条目, 则进行 2 层重写, 并且数据包立刻被交换 如果没有找到匹配的条目, 则将数据包放入进程交换队列 执行交换进程之后,2 层重写字符串信息将被缓存用以再次使用 需要注意的是, 快速交换缓存的建立是通过发往目的第一个数据的进程交换来实现的 图 1-11 显示了快速交换的过程
21 22 第 1 章 IP 路由概述 图 1-11 快速交换示意图 Cisco 快速交换 CEF 在快速交换的基础上又前进了一步 ;CEF 放弃了基于请求的机制并且不再依赖由进程交换构建的快速交换缓存 ( 见图 1-12) CEF 尽可能地为路由表中的所有条目预先确定了 2 层重写信息 这使得 CEF 可以交换去往任何目的的包, 甚至是第一个包 一个例外是目标连接在多点介质上, 比如局域网, 这时需要使用 ARP 获得去往任意主机的第一个包的 2 层重写信息 CEF 使用两个数据库来优化存储 : 其中一个数据库称为转发信息库 (FIB), 用于存储地址前缀 ; 另一个数据库称为邻接数据库, 用于存储 2 层重写信息 目前, 即使安装了多个路由处理器, 大部分 Cisco 路由器也只能有一个活动的路由处理器, 因此, 当启用进程交换时, 进程交换只能以活动处理器为中心运行 在分布式结构的路由器中, 比如 Cisco 7500 系列, 快速交换缓存和 CEF 表可以被分布到智能接口处理器即通用接口处理器 (VIP) 上, 这样就允许在路由器的多个位置并发地进行分布式转发 Cisco 系列路由器采用了完全分布的体系结构并且只支持分布式的 CEF 交换, 从而能够获得较高的转发速率 如需获得关于 Cisco 路由器包交换的更多信息, 请阅读 Inside Cisco IOS Software Architecture 和 Large-Scale IP Network Solutions 图 1-12 CEF 交换示意图
22 1.6 IPv6 协议讨论 IPv6 协议讨论 随着 Internet 的惊人发展,IPv4 地址空间正在被急剧地消耗 一些有效的方案, 比如 CIDR 网络地址转换(NAT) 和动态主机配置协议 (DHCP) 等技术更加有效地控制了地址的使用, 缓解了地址耗尽的问题 IPv4 地址的一个局限性是地址变更问题, 这种问题在一个中等规模的网络变更服务提供商时尤为突出 IPv4 地址被分配给服务提供商时存在移植性方面的问题 许多站点的网络在进行服务提供商迁移时没有地址重新编址的能力, 导致 IPv4 地址空间被严重地大量分段, 使得目前 Internet 路由表已经存在的高速增长问题进一步加剧 IPv4 的这些问题和局限性使得一些增强和改进的建议出现, 这些建议最终形成了 IETF 的 IPv6 标准 为了解决 IPv4 最大的问题 (32 位地址所导致的空间限制 ),IPv6 采用了 128 位的地址长度,4 倍长度的地址可以满足 Internet 预期增长的需求 有趣的是,IPv6 并没有完全改变 IPv4 的结构, 而是在以下几个关键区域做了改进 : 更大的地址空间以及灵活的地址变更能力 ; 使用增强的扩展和选项字段, 简化了头部格式 ; 使用流标记字段, 用于 QoS 处理 ; 改进了认证和数据完整性验证的安全特性 IP 移动网络是 IPv6 发展的关键驱动力之一 可以预见, 快速发展的移动通信及相关应用会引起越来越多的个人通信设备, 例如移动电话和个人数字助理接入 Internet 在这种情况下, 将会需要更多的 IP 地址 各种形式的服务, 以及安全的数据传输 伴随着国际性的 IPv6 实验网络 (6bone) 不断发展并在世界范围内加入了越来越多的站点, 越来越多的数据通信设备生产厂商在其路由器和主机上引入了 IPv6 协议功能 Internet 上的 3 个重要协议 (BGP IS-IS 和 OSPF) 甚至包括 RIP, 都进行了改进以支持 IPv IPv6 寻址 IPv6 保留了 IPv4 中单播地址和多播地址的概念, 在去掉了广播地址的同时引入了一种新的地址类型, 称为任播 (anycast) 地址 广播地址的功能在 IPv6 中通过调用相应的多播地址实现 一个任播地址代表一组地址, 发往该组的数据只需要发送到组中的任意一个地址即可 任播地址不能作为数据的源地址并且只能分配给路由器使用
23 24 第 1 章 IP 路由概述 IPv6 使用了一种强制分级的地址分配机制来促进高效的地址聚合 在 IPv6 地址模型中, 引入了如顶级聚合位 (TLA) 次级聚合位(NLA) 和站点聚合位 (SLA) 等概念 图 1-13 显示了 IPv6 地址的一般格式 IPv6 地址的前 48 位代表一个公共路由拓扑 (PRT) 前缀, 一个站点从其 Internet 服务提供商处获得一个 PRT, 并以其为基础前缀自动配置所有主机 地址变更的问题可以通过使用一个新的路由器重编号 (RR) 协议变更站点的 PRT 来解决 为了支持 IPv6, 原本为 IPv4 协议设计开发的相关协议需要将所有已有的 32 位 IPv4 地址格式修改为 128 位的 IPv6 地址字段 但特殊的是, 由于数据包格式与结构设计的灵活性,IS-IS 可以借助协议自身来携带附加信息, 从而无需对其修改 图 1-13 IPv6 地址格式 考虑到 IPv6 地址的长度, 采用十六进制数来表示 共有三种地址的表示方法, 第一种为常规的表示方法 ( 冒号分十六进制表示法 ), 另一种方法允许当地址中存在连续的 0 时对地址压缩表示, 第三种方法将 IPv4 与 IPv6 地址相连形成一种复合格式 常规方案中建议将地址进行分组, 每 16 位分为一组, 组间用冒号间隔 每一个 16 位 (2 字节 ) 组转化为十六进制格式, 如下所示 : FEDC:BA98:7654:3210:FEDC:BA98:7654:3210 相比点分十进制的 IPv4 地址, 这种较长的地址长度和十六进制的编码形式, 工程师在处理 IPv6 地址时难免会有一定的不习惯, 这时, 为用户提供名称 - 地址解析的接口就是非常必要的了 因此, 为 IPv4 DNS 添加 IPv6 扩展的工作已经开始进行 与 IPv4 DNS 记录 A 类似, 新的 IPv6 资源记录定义为 AAAA ( 代码 28) 1.7 本章小结 本章主要介绍了 IP 路由的相关概念, 对 IP 路由选择协议进行了概述, 帮助读者理解在一般情况下 IP 网络中尤其是在 Cisco 路由器上与数据包路由选择操作相关的底层机制
24 1.8 复习题 25 编址是路由选择操作的一个关键,IP 地址对于 IP 路由选择操作也是相当重要的 IP 编址的子网划分与无类地址提供了高效的地址分配方案, 这种方案使得公网 IP 地址空间能够被更加有效地利用, 同时降低了路由器用于维护 IP 路由信息所消耗的资源 无类寻址提供了一种以前缀为基础的地址分配方案框架, 例如 CIDR 和 VLSM 如今, 网络中存在着多种路由选择协议, 其设计思想的不同导致了功能特性的区别 一般情况下, 路由选择协议可以进行以下分类 : 单播和多播 有类和无类 域内和域间, 以及距离矢量和链路状态协议 这些分类可以加深对常见的路由选择协议特性的了解, 尤其是协议的优缺点, 从而让设计者能够在网络工程项目中考虑到不同协议之间的优劣, 选择合适的协议 为了了解当代路由器的体系结构, 正确地区分 IP 路由与 IP 转发的细微区别是非常重要的 IP 路由扩展了 IP 转发的概念, 在此基础上增加了收集网络中路由信息的功能 虽然今天的路由器能够基于策略机制实现基于源地址的数据转发, 不过, 基于目的地址的下一跳路由仍然是 IP 转发的基本思想 Cisco IOS 软件支持三种基本的 IP 转发方式 : 进程交换 快速交换和 CEF 进程交换基于 CPU 的转发, 与其他交换方式相比较慢 快速交换使用基于请求的转发缓存来加速交换过程, 而 CEF 则经过进一步的改进, 会预先在整个路由表进行计算, 在需求出现之前获得交换数据包所需的信息 IPv6 虽然尚未被广泛采用, 但 IPv4 网络正积极地向 IPv6 进行过渡 IPv6 对 IPv4 体系结构中的一些局限性进行了改进, 比如 IPv4 的地址空间大小以及网络的地址重编址问题 与 IPv4 的 32 位地址空间相比,IPv6 采用 128 位地址, 从而能够提供足够大的地址空间以满足 Internet 今后的发展需要 1.8 复习题 请完成下列题目以检验您对本章内容的理解程度 答案参见附录 B 1. 请列出路由器上两个操作平面的名称 2.IP 转发与 IP 路由选择是两个相关的概念 它们之间的区别是什么? 3. 请列出 IP 路由选择协议常见的几种分类 4. 请列出 Cisco IOS 软件所支持的 3 种交换机制 5.IPv4 体系结构中最致命缺点是什么?IPv6 是如何解决的?
25 26 第 1 章 IP 路由概述 1.9 参考资料 Bennett, Geoff. Designing TCP/IP Internetworks. John Wiley & Sons, ISBN Bollapragada, V., Murphy C., White R. Inside Cisco IOS Software Architecture. Cisco Press, ISBN Christian Huitema. IPv6, The New Internet Protocol. Prentice Hall, ISBN: X. Christian Huitema. Routing in the Internet. 2nd Edition Prentice Hall, ISBN: Default_XREF_styleREFhttp:// Understanding IP Addresses Halabi, Bassam. Internet Routing Architectures. Cisco Press, ISBN x. Hopps, Christian E. Routing IPv6 with IS-IS. IETF DRAFT draft-ietf-isis-ipv6-02.txt. IETF RFC 1700, Assigned Numbers. Raynold J, Postel Jon IETF 1992, RFC 1519, Classless Inter-Domain Routing (CIDR): An Address Assignment and Aggregation Strategy. Fuller, V., Li, T., Yu, J., Varadhan, K. rfc1519.txt? number=1519 IETF RFC 2328, OSPF version 2, Moy, J IEFT RFC 1800, Internet Official Protocol Standards, Postel, Jon IETF 1996 RFC 1918, Address Allocation for Private Internets, Rekhter, Y., Moskowitz, B., Karrenberg, D., de Groot, D. J., Lear, E. IETF 1999 RFC 2545P, Use of BGP-4 Multiprotocol Extensions for IPv6 Inter-Domain, Marques, F. Dupont. ISO 10589, Intermediate System to Intermediate System Intra-Domain Routing Information Exchange Protocol for Use in Conjunction with the Protocol for Providing the Connectionless-mode Network Service (ISO 8473). IETF 1990 RFC 1195, Use of OSI IS-IS for Routing in TCP/IP and Dual Environments, Callon, R. IETF RFC 2545, Use of BGP-4 Multiprotocol Extensions for IPv6 Inter-Domain Routing, Marques, P., Dupont, F.
26 1.9 参考资料 27 IETF RFC 2740, OSPF for IPv6, Coltun, R., Ferguson, D., Moy, J. IETF RFC 2080, RIPng for IPv6, Malkin, G., Minnear, R. Khalid Raza, Mike T. Large Scale IP Network Solutions. Cisco Press ISBN: Miller, Phillip. TCP/IP Explained. Digital Press ISBN Naugle, Mathew. Network Protocol Handbook. McGraw Hill ISBN RFC 1771, Border Gateway Protocol Version 4 (BGP 4), Li, Rekhter, RFC 2858, Multi-Protocol Extensions for BGP4, Bates, T., Chandra, R., Rekhter, Y., Katz, D RFC 1058, Routing Information Protocol, STD 34, Hedrick, C RFC 1723, RIP v2 carrying Additional Information, Malkin, G RFC 2373, IP Version 6 Addressing Architecture, Deering, S., Hinden, R. July RFC 2546, 6Bone Routing Practice, Durand, A., Buclin, B. Williamson, Beau. Developing IP Multicast Networks. Cisco Press, ISBN:
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第三章 TCP/IP 协议栈 本章目标 通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型 掌握 IP 协议原理 理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍 主机 主机 Internet TCP/IP 早期的协议族 全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层 应用层 主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层
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实验十 静态路由和直连路由引入配置 一 实验目的 1. 掌握路由引入的配置 2. 理解路由引入的原理 二 应用环境 1. 在某些应用环境中需要将静态路由引入到某些动态路由协议里 三 实验设备 DCR-1751 两台 四 实验拓扑 五 实验要求 配置表 : Router-A Router-B F0/0 192.168.0.1/24 F0/0 192.168.2.1/24 S1/1 (DCE) 192.168.1.1/24
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拓 扑 目 标 第 1 部 分 : 检 查 网 络 要 求 第 2 部 分 : 设 计 VLSM 地 址 方 案 第 3 部 分 : 布 线 和 配 置 IPv4 网 络 背 景 / 场 景 可 变 长 度 子 网 掩 码 (VLSM) 旨 在 避 免 浪 费 IP 地 址 使 用 VLSM, 会 对 网 络 多 次 进 行 子 网 划 分 此 过 程 可 重 复 多 次, 从 而 根 据 每 个
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13 I S P Internet 13. 2. 1 k p p p P P P 13. 2. 2 1 3. 2. 3 k p p p 1 3. 2. 4 l i n u x c o n f P P P 13. 2. 5 p p p s e t u p 13. 2. 6 p p p s e t u p P P P 13. 2. 7 1 3. 2. 8 C a l d e r a G U I 13.
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OSPF over IPSec 及路由冗余 版本 1.0 时间 2011 年 12 月 作者 胡丹丹 (ddhu@fortinet.com) 支持的版本 FortiOS v4.x 状态 草稿 第 1 页共 10 页 目录 1. 目的... 3 2. 环境介绍... 3 3.IPSec VPN 配置... 4 4.OSPF 配置... 5 4.1 GateA 配置... 5 4.2 GateB 配置...