第 7 章路由器与 IP 交换技术
本章提供 7.1 TCP/IP 原理 7.2 TCP/IP 主要协议介绍 7.3 IP 地址及子网划分 7.4 路由器工作原理
7.1 TCP/IP 原理 TCP/IP 协议是当今使用最广泛 最成熟的网络互联协议, 已成为事实上的工业标准 Host Host Internet TCP/IP
TCP/IP 与 OSI 参考模型比较 OSI TCP/IP 7 应用层 6 5 4 表示层会话层传输层 应用层 传输层 5 4 3 网络层 网络层 2 1 数据链路层 物理层 数据链路接口层 1
TCP/IP 封装过程 TCP/IP 数据流封装过程 : PDU 应用层 用户数据 data 用户数据 应用层 传输层 数据段 segment 数据段 传输层 网络层 数据包 packet 数据包 网络层 网络接口层 实际物理网络的帧 frame bit 实际物理网络的帧 网络接口层 实际传输
数据封装示例 E-mail 信息 数据 数据
数据封装示例 E-mail 信息 数据 数据 段头部 数据 数据段
数据封装示例 E-mail 信息 数据 数据 段头部 数据 数据段 包头部段头部数据 数据包
数据封装示例 E-mail 信息 数据 数据 段头部 数据 数据段 帧头部 包头部段头部数据 包头部段头部帧尾数据 数据包 数据帧 ( 取决于不同传输介质 )
数据封装示例 E-mail 信息 数据 数据 段头部 数据 数据段 包头部段头部数据 数据包 帧头部 包头部段头部帧尾数据 数据帧 ( 取决于不同的传输介质 ) 0111111010101100010101101010110001 比特流 Internet
OSI---TCP/IP 模型对比应用层会话层表示层传输层 TCP UDP 网络层 ICMP RARP ARP IGMP IP 数据链路层物理层物理层由底层网络定义的协议应用层 S M T P F T P T E L N E T D N S S N M P N F S T F T P RPC 应用层应用层传输层传输层网络层网络层网络接口层网络接口层
TCP/IP 协议簇 TELNET FTP SMTP DNS TFTP TCP UDP ICMP IP ARP RARP 网络接口层
7.2 TCP/IP 主要协议介绍 TCP/IP 协议是一个协议簇, 应用层协议最多, 如图所示 应用层传输层网络层网络接口层 文件传输 - TFTP * - FTP * -NFS E-Mail -SMTP 远程登录 -Telnet * - rlogin * 网络管理 -SNMP * 名称管理 - DNS*
1. 传输层协议 应用层 传输层 传输控制协议 (TCP) 用户数据报协议 (UDP) 网络层 网络接口层
传输层的功能 分割上层应用程序 建立端到端的连接 将数据段从一台主机传到另一台主机 保证数据传送的可靠性 (TCP)
传输层的端口号 应用层 F T P T E L N E T S M T P D N S T F T P S N M P 21 23 25 53 69 161 端口号传输层 TCP UDP 服务器一般都是通过知名端口号 (1~1023) 来识别应用程序的 端口号用来标示互相通信的应用程序
TCP-- 面向连接的工作方式 Sender 同步 Receiver 协商建立连接 响应 同步 连接建立 数据传送 (Send Segments)
传输层协议 UDP 协议 UDP 协议特点 : 不可靠 ; 面向无连接 UDP 的优点 : 高效 适用于传输对实时性要求较高的应用 ( 如语音, 视频 ) 或高可靠稳定的网络传输
TCP/UDP 比较 TCP UDP 是否面向连接面向连接无连接 是否提高可靠性可靠传输不提供可靠性 是否流量控制流量控制不提供流量控制 传输速度慢快 协议开销大小
2. 网络层协议 应用层传输层网络层网络接口层 Internet Protocol (IP) 地址解析 / 反向解析协议 (ARP/RARP) 互联网控制消息协议 (ICMP)
(1)IP 数据包格式 Bit 1 0 Bit 15 Bit 16 Bit 31 Version (4) Header Length (4) Identification (16) Priority & Type of Service (8) Total Length (16) Flags (3) Fragment offset (13) Time to live (8) Protocol (8) Header checksum (16) Source IP Address (32) 20 Bytes Destination IP Address (32) Options (0 or 32 if any) Data (varies if any)
IP 协议类型字段 传输层 TCP UDP 6 17 协议号 网络层 IP 决定目的地的上层协议类型 如 :TCP 的协议号为 6 UDP 的协议号为 17
(2)IP 辅助协议 ICMP ICMP 是一种集差错报告与控制于一身的协议 在所有 TCP/IP 主机上都可实现 ICMP ICMP 消息被封装在 IP 数据报里, 用来发送差错和控制信息 消息传递可发生在主机 路由器, 主机 主机或路由器 路由器之间 ICMP 报文的接收者根据报文类型采取相应的措施 ICMP 消息类型 : 错误消息 ; 询问消息 ;
网络控制消息协议 (ICMP) 应用层 传输层 ICMP 网络层 Ping Tracert 网络接口层
ICMP 工作流程 发送数据给 Z. Host A 我不知道如何到达 Z. 发送 ICMP. Data Network To Z 目的地不可达 目的地不可达 主机或端口不可达 网络不可达
ICMP 工作流程 B 可到达吗? A 我在这儿. B ICMP 回声请求 ICMP 回声应答 由 Ping 命令产生的回声应答
(3)IP 辅助协议 ARP 地址解析协议 ( ARP 协议 ) 是用来将一个已知的 IP 地址解析或映射到 MAC 子层地址, 以便能在多路访问介质上进行通信 A B 1. 主机 A 广播一条 ARP 请求报文 ( 广播包 ), 请求主机 B 的物理地址 ; 2. 主机 B 收到 ARP 请求报文, 向主机 A 发送一条 ARP 应答报文, 主机 B 的物理地址包含在应答报文中 ; 3. 主机 A 收到主机 B 发出的应答报文, 得到 B 的物理地址
ARP 工作机制 我需要 IP 地址为 172.16.3.2 主机的物理地址 172.16.3.1 172.16.3.2 IP: 172.16.3.2 =???
ARP 工作机制 我需要 IP 地址为 176.16.3.2 主机的物理地址 我听到广播包了, 这条消息是给我的, 这是我的物理地址. 172.16.3.1 172.16.3.2 IP: 172.16.3.2 =???
ARP 工作机制 我需要 IP 地址为 176.16.3.2 主机的物理地址 我听到广播包了, 这条消息是给我的, 这是我的物理地址. 172.16.3.1 172.16.3.2 IP: 172.16.3.2 =??? IP: 172.16.3.2 Ethernet: 00d0.d020.1111
ARP 工作机制 我需要 IP 地址为 176.16.3.2 主机的物理地址 我听到广播包了, 这条消息是给我的, 这是我的物理地址. 172.16.3.1 172.16.3.2 IP: 172.16.3.2 =??? IP: 172.16.3.2 Ethernet: 00d0.d020.1111 实现 IP 地址向 MAC 地址的映射 本地 ARP 解析
7.3 IP 地址及子网划分 IP 地址是网络用来通信的唯一逻辑地址 IP 地址目前可分为 IPV4 和 IPV6 两种 IP 地址在网络中的作用如图所示 172.18.0.1 172.16.0.1 172.18.0.2 172.16.0.2 HDR DASA DATA 10.13.0.0 192.168.1.0 10.13.0.1 192.168.1.1 172.17.0.1 172.17.0.2
1. IP 地址的分类 Bits: A 类 : B 类 : Bits: Bits: C 类 : Bits: D 类 : 1 0NNNNNNN 1 范围 (1-126) 10NNNNNN 8 9 16 17 24 25 32 Host Network Host Host Host 8 9 16 17 24 25 32 Host 范围 (128-191) 1 8 9 16 17 24 25 32 110NNNNN Network Network 范围 (192-223) 1 8 9 16 17 24 25 1110MMMM 范围 (224-239) Host Multicast Group Multicast Group Multicast Group 32
IP 地址分类 A 类 : 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits Network Host Host Host B 类 : Network Network Host Host C 类 : Network Network Network Host D 类 : 组播 E 类 : 研究之用
网络可用主机数量计算 网络地址主机地址 172 16 0 0 16 15 14 13 12 11 10 9 10101100 00010000 00000000 00000000 00000000 00000001 00000000 00000011... 8 76 5 43... 2 1 11111111 11111101 11111111 11111110 11111111 11111111 2 N -2 = 2 16-2 = 65534 N 1 2 3... 65534 65535 65536-2 65534
2. IP 子网划分 没有划分子网的 IP 网如图所示 当网络规模较小时, 会造成资源的浪费 172.16.0.1 172.16.0.2 172.16.0.3 172.16.255.253 172.16.255.254... 172.16.0.0
有子网划分的网络 172.16.3.0 172.16.4.0 172.16.1.0 172.16.2.0 Network 172.16.0.0
子网划分示意图 172.16.2.200 172.16.2.2 172.16.2.160 172.16.3.1 E1 E0 172.16.2.1 172.16.3.5 172.16.3.100 172.16.3.150 172.16. 2. 160 Network Subnet Host New Routing Table Network Interface 172.16.2.0 E0 172.16.3.0 E1 从图中可以看出, 划分子网后,IP 地址由网络地址 + 子网号 + 主机号三部分组成
7.4 路由器工作原理 路由器的核心作用是实现网络互连, 数据转发 路由 ( 寻径 ): 路由表建立 刷新 查找 在网络之间转发分组数据 隔离广播, 指定访问规则 异种网络互连 子网间的速率适配 路由器必须具备 : 多个三层接口连接不同的网络 协议至少向上实现到网络层 具有存储 转发 寻径功能
1. 路由器的一些基本概念 被路由协议 (routed protocol) 路由协议 (route protocol) 路由表 (routing table) 度量值 (metric) 直达路由 (connected route) 静态路由 (static route) 动态路由 (dynamic route) 缺省路由 (default route) 路由优先级 (distance) 最长匹配原则 (the longest matching principle)
(1) 路由协议与被路由协议 被路由协议 (Routed Protocol) 被路由协议是由最终节点使用的网络通讯协议, 以将数据和网络层地址信息一起封装在数据包中, 目的是它可以通过互连网络进行中继 A p p l e Ta l k I P 和 I P X 都是被路由协议 当一个协议不支持网络层地址时, 那么它就不是一个被路由协议 路由协议 (Routing Protocol) 路由器使用路由协议建立和维护路由表 路由协议使路由器可以了解没有直接连接的网络的状态并不断与其他的路由器上相同的路由协议进程通信, 当网络中发生状态变化时, 路由表中的信息可以随网络状态变化自动更新
路由协议与被路由协议 10.120.2.0 172.16.2.0 E0 S0 Network Protocol Connected RIP OSPF Destination Network 10.120.2.0 172.16.2.0 172.17.3.0 被路由协议 : IP 路由协议 : RIP, OSPF Exit Interface fei_0/1 e1_1 e1_2 172.17.3.0
(2) 路由表 路由器为执行数据转发路径选择所需要的信息被包含在路由器的一个表项中, 称为 路由表 当路由器检查到包的目的 IP 地址时, 它就可以根据路由表的内容决定包应该转发到哪个下一跳地址上去 路由表被存放在路由器的 RAM 上
路由表的构成 路由表的构成 1 目的网络地址(Dest) 2 掩码(Mask) 3 下一跳地址(Gw) 4 发送的物理端口(interface) 5 路由信息的来源(Owner) 6 路由优先级(pri) 7 度量值(metric)
(3) 直达路由 10.0.0.1/24 192.168.0.1/30 172.16.0.1/24 A 192.168.0.2/30 B IPv4 Routing Table: Dest Mask Gw Interface Owner pri metric 10.0.0.0 255.255.255.0 10.0.0.1 fei_0/1 direct 0 0 10.0.0.1 255.255.255.255 10.0.0.1 fei_0/1 address 0 0 192.168.0.0 255.255.255.252 192.168.0.1 e1_1 direct 0 0 192.168.0.1 255.255.255.255 192.168.0.1 e1_1 address 0 0 直达路由当接口配置了网络协议地址并状态正常时, 接口上配置的网段地址自动出现在路由表中并与接口关联, 并随接口的状态变化在路由表中自动出现或消失
(4) 静态路由 系统管理员手工设置的路由称之为静态 (static) 路由, 一般是在系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的, 它不会随未来网络拓扑结构的改变自动改变 优点 : 不占用网络 系统资源安全缺点 : 需网络管理员手工逐条配置不能自动对网络状态变化做出调整
静态路由配置 Stub Network 172.16.1.0 10.0.0.0 Network B SO 172.16.2.2 172.16.2.1 A B ip route 10.0.0.0 255.0.0.0 172.16.2.2 这是一条单向路由, 还需要在对方的路由器上配置一条相反的路由
(5) 缺省路由 缺省路由是一个路由表条目, 用来指明一些在下一跳没有明确地列于路由表中的数据单元应如何转发 缺省路由可以是管理员设定的静态路由, 也可能是某些动态路由协议自动产生的结果 优点 : 极大减少路由表条目 缺点 : 不正确配置可能导致路由 环路, 可能导致非最佳路由
缺省路由配置 缺省路由示例 Stub Network 172.16.1.0 SO Network A B 172.16.2.2 172.16.2.1 ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 172.16.2.2 这条路由可以配置在只有一条出口的 根状网络 的出口路由器上, 可以访问 未知的 目的网络
(6)) 动态路由 动态路由协议通过路由信息的交换生成并维护转发引擎需要的 路由表 网络拓扑结构改变时自动更新路由表, 并负责决定数 据传输最佳路径 优点 : 自动适应网络状态的变化 缺点 : 占用网络 系统资源 安全
动态路由分类 (1)( IGPs: RIP, OSPF IS-IS EGPs: BGP Autonomous System 65000 Autonomous System 65500 自治域系统 (AS) 是一组具有相同管理技术的网络的集合 IGPs 在一个自治域系统内运行 EGPs 连接不通的自治域系统
动态路由分类 (2)( 单播路由协议有 :RIP OSPF IS-IS BGP 等 组播路由协议有 :DVMRP PIM-SM PIM- DM MOSPF MBGP 等
动态路由分类 (3)( 距离 - 矢量 (DV) 路由协议 : 典型的为 RIP 协议 路由器交换路由信息是通过定期广播整个路由表的方式 在稍大一点的网络中, 路由器之间交换的路由表会很大, 而且很难维护, 导致收敛很缓慢 链路状态 (LS) 路由协议 : 有 OSPF IS-IS 等 链路状态路由协议工作的基础是路由器交换称为链路状态的信息元素, 只有当网络拓扑结构发生变化时, 通过交换链路状态和节点信息实现路由动态更新, 这使得它能够适应更大更复杂的网络拓扑
距离 - 矢量路由协议 B C A 距离 有多远? 矢量 哪个方向? D D C B A Routing Table Routing Table Routing Table Routing Table
链路状态路由协议 B C A 拓扑逻辑数据库 SPF 算法 D 链路状态信息 路由表 最短路径优先树 经过初始的洪泛后, 只传递的事件触发的链路状态更新到所有其他路由器
动态路由协议选路依据 Mertic( 度量值 ) RIP A 56 OSPF 带宽 跳数 T1 56 T1 每个路由协议根据特定算法判断最佳路径 为每 条路径生成一个度量值 (metric) B 该度量值越小, 这条路径就越好
缺省 路由优先级 原则 缺省 路由优先级 原则 直连路由具有最高优先级 人工设置的路由条目优先级高于动态学习到的路由条目 度量值算法复杂的路由协议优先级高于度量值算法简单的路由协议
2. 路由器工作原理 路由功能 : 学习和维护网络拓扑结构知识的机制, 产生和维护路由表 交换 / 转发功能 : 通过路由器转发数据流的功能 ( 从路由器一个接口输入, 然后选择合适接口输出 做帧的解封装与封装, 并对包做相应处理 )
交换 / 转发功能 帧校验并缓存数据包 = 进入接口 将目的地逻辑地址与下一跳逻辑设备和外出接口相关联 = 路由表 由路由协议维护 将下一跳逻辑设备与物理地址相关联以生成帧头 = ARP 缓存 ( 局域网 ) 映射列表 ( 广域网 ) 由 ARP 或逆向 ARP 进程所维护 封装数据包并转发帧 = 外出接口
路由器工作过程 Routing Routing process Routing process process Routing process 基于路由优先级向路由表加入路由 Routing table 基于目的地址查找路由条目 Forwarding process 路由协议学习所有可能的路由, 基于 metric 值选择最佳路由 遵循最长匹配原则
3. 路由器工作示例 192.168.1.0 /24 192.168.4.0 /24 R2 e1_1 fei_1/1 R1 路由表 192.168.4.0 255.255.255.0 192.168.4.1 e1_1 direct 0 0 192.168.2.0 255.255.255.0 192.168.2.1 fei_1/1 direct 0 0 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.4.2 e1_1 rip 120 1 192.168.6.0 255.255.255.0 192.168.4.2 e1_1 rip 120 1 192.168.3.0 255.255.255.0 192.168.4.2 e1_1 rip 120 2 e1_2 192.168.6.0 /24 R1 e1_1 fei_1/1 192.168.2.0 /24 目的地址为 : 192.168.3.3 e1_1 fei_1/1 R3 192.168.3.0 /24 192.168.2.3 192.168.3.3
路由过程示例 192.168.1.0 /24 192.168.4.0 /24 R2 e1_1 fei_1/1 R2 路由表 192.168.4.0 255.255.255.0 192.168.4.2 e1_1 direct 0 0 192.168.6.0 255.255.255.0 192.168.6.1 e1_2 direct 0 0 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.1.1 fei_1/1 direct 0 0 192.168.2.0 255.255.255.0 192.168.4.1 e1_1 rip 120 1 192.168.3.0 255.255.255.0 192.168.6.2 e1_1 rip 120 1 e1_2 192.168.6.0 /24 R1 fei_1/1 e1_1 目的地址为 : 192.168.3.3 192.168.2.0 /24 e1_1 fei_1/1 R3 192.168.3.0 /24 1. 目的地址为 :192.168.3.3 192.168.2.3 192.168.3.3
路由过程示例 ( 续 ) 192.168.1.0 /24 192.168.4.0 /24 R2 e1_1 fei_1/1 R3 路由表 192.168.3.0 255.255.255.0 192.168.3.1 fei_1/1 direct 0 0 192.168.6.0 255.255.255.0 192.168.6.2 e1_1 direct 0 0 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.6.1 e1_1 rip 120 1 192.168.4.0 255.255.255.0 192.168.6.1 e1_1 rip 120 1 192.168.2.0 255.255.255.0 192.168.6.1 e1_1 rip 120 2 e1_2 192.168.6.0 /24 R1 fei_1/1 e1_1 目的地址为 : 192.168.3.3 192.168.2.0 /24 e1_1 fei_1/1 R3 反方向数据包的转发流程? 192.168.3.0 /24 192.168.2.3 192.168.3.3