IP 路由

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 本章重點 第 9 章 9-1 什麼是 IP 路由? 9-2 路由表簡介 9-3 靜態與動態路由 實作練習 :TRRT 工具程式 IP 路由 http://www1.chihlee.edu.tw/teachers/chienhua/ Note: Some slides and/or pictures in the following are adapted from slides 2015 旗標出版股份有限公司. 2 前言 我們在先前的章節中, 多次說明 IP 最主要的功能便是負責在網際網路上傳遞 IP 封包 為了達成傳遞封包的目的, IP 必須涵蓋以下兩類規格 : 靜態規格 : 包含 IP 封包的格式 IP 位址的規劃等等 我們在第 7 章已經介紹了這些主題 動態規格 : 包含 IP 封包在網路之間傳送的方式 這部份統稱為 IP 路由 (IP Routing) 9-1 什麼是 IP 路由? 路由 代表 路徑之由來, 在此指 IP 封包的傳輸路徑如何產生 再說得白話一點, 就是 路徑選擇 (Path Selecting) 3 4 1

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 9-1 什麼是 IP 路由? 什麼是 IP 路由? 9-1-1 路由器的特性 9-1-2 路由器的功能 9-1-3 IP 路由的過程 9-1-4 直接與間接傳遞 5 6 9-1-1 路由器的特性 在整個 IP 封包的傳送過程中, 通常必須經由多部路由器 (Router) 的合作, 才能將 IP 封包送達目的節點 (Node) 路由器作為 IP 封包的轉送裝置, 具有以下特性 : 具有兩個 ( 含 ) 以上的網路介面 至少能解讀封包在 OSI 模型第 3 層 ( 網路層 ) 的資訊 具有路由表 (Routing Table) 9-1-2 路由器的功能 路由器最主要的功能就是轉送 IP 封包, 它會根據封包的目的 IP 位址, 為它選擇一條最佳路徑 路徑 主要是指下列兩種資訊 : 要經過路由器的哪個網路介面 要再送到另一部路由器或是直接送到目的節點 7 2

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 路由器的功能 9-1-3 IP 路由的過程 以圖 9-2 為例, 假設現在 1 主機要傳送 IP 封包給 1 主機, 每部主機與路由器的動作如下 : 9 10 IP 路由的過程 1 主機 若 1 位於 1 主機所在的區域網路, 1 將封包直接送給 1 若 1 不在 1 主機所在的區域網路, 則 1 根據路由表, 判斷出應將 IP 封包送至哪一部路由器 IP 路由的過程 R1 路由器 解讀 IP 封包表頭的資訊 讀取 IP 封包的目的位址 若 1 主機位於 R1 所連接的網路中, 直接將 IP 封包傳送給 1 若 1 主機位於遠端的網路, 則必須從路由表判斷應該將 IP 封包轉送給哪一部路由器處理 11 3

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai IP 路由的過程 R2 路由器 判斷 IP 封包表頭的存活時間 將封包送給 R3 路由器, 再利用 RP 取得 R3 的 M 位址 將 IP 封包轉送至 R3 路由器 IP 路由的過程 R3 路由器 判斷 IP 封包表頭的存活時間 讀取 IP 封包的目的位址, 並選擇最佳路徑 將 IP 封包傳送給 1 13 9-1-4 直接與間接傳遞 IP 封包的傳遞大致可分為 直接 與 間接 : 直接傳遞 : 直接傳遞只在同一個網路內進行, 因此在傳遞過程中, 不會通過路由器 間接傳遞 : IP 封包會傳至位於不同網路中的節點, 在傳遞過程中, 會先將 IP 封包轉送給適當的路由器 前述的 1 主機傳送 IP 封包至 1 主機的過程中, 屬於間接傳遞的部份為 : 1 R1 R1 R2 R2 R3 15 9-2 路由表簡介 路由表其實是一個小型的資料庫, 其中的每一筆路由紀錄, 記載了通往每個節點或網路的路徑 9-2-1 路由表的欄位 9-2-2 決定路徑的步驟 16 4

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 9-2-1 路由表的欄位 網路位址 (Network estination) 網路遮罩 (Netmask) 閘道 (Gateway) 介面 (Interface) 成本 (Metric) 路由表的欄位 1 路由表的欄位 網路位址與網路遮罩 : 代表的目的地 IP 位址的範圍 路由表的欄位 介面 : 記錄路由器本身網路介面的 IP 位址 19 20 5

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 路由表的欄位 閘道 : 記錄要將 IP 封包轉送至哪一部路由器 路由表的欄位 若目的網路已直接連接在此一路由器, 代表毋須再將 IP 封包轉送給其他路由器, 因此閘道欄位填入網路介面的 IP 位址即可 以 R1 路由器為例, 通往 網路的路由紀錄, 由於這 3 個網路直接與 R1 連接, 不必再轉送給其他路由器, 因此閘道欄位填入網路介面的 IP 位址 至於 網路, 因為必須將封包轉送給 R2 路由器, 因此閘道欄位填入 R2 路由器連接 網路的網路介面位址 21 22 路由表的欄位 成本 : 表示路徑的成本 路由器會挑選成本最小的路徑來使用 成本通常設為到達目的網路所須經過的躍程 (Hop) 數目 路由表的欄位 參考圖 9-03, 以 R1 路由器為例, 到 網路的路徑為 1 個躍程 ; 到 網路則為 2 個躍程 23 24 6

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 9-2-2 決定路徑的步驟 成本欄位並不必然就是代表躍程數目, 在不同的路由協定, 可能會有不同的意義 例如, OSP ( 一種動態路由協定 ) 會根據頻寬 延遲等等因素來計算成本欄位值 以下為路由器選擇路徑的步驟 : 決定路徑的步驟 1. 將 IP 封包的目的 IP 位址與路由紀錄的網路遮罩做位元 N 運算 2. 將上述結果與路由紀錄的網路位址比較若二者相同, 代表適合用這筆路由紀錄來轉送此 IP 封包 3. 對每一筆路由紀錄重複第 1 2 步驟 若找不到任何適用的紀錄, 則使用預設路由 25 26 決定路徑的步驟 4. 若有多筆符合的紀錄, 則從中找出網路遮罩欄位中最多 1 的紀錄 9-3 靜態與動態路由 靜態方式 (Static): 由網管人員手動將路由紀錄逐一加入路由表, 適用於小型網路環境 動態方式 (ynamic): 由路由協定自動建立與維護路由表, 毋須人為輸入 5. 找出成本最小的紀錄 27 2 7

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 靜態與動態路由 9-3-1 9-3-2 動態路由 9-3-1 範例 1:1 部路由器的環境 29 30 範例 1:1 部路由器的環境 範例 1:1 部路由器的環境 若要讓 LN 1 與 LN 2 能夠互傳封包, 必須在 R1 加入以下兩筆路由紀錄 : 31

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 範例 2:2 部路由器的環境 範例 2:2 部路由器的環境 33 34 範例 2:2 部路由器的環境 範例 2:2 部路由器的環境 要讓 3 個網路能正常運作, 則必須分別在 R1 與 R2 加入適當的路由紀錄 第 3 筆紀錄閘道欄位必須填入 R2 連接 LN 2 的介面 IP 位址 35 36 9

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 範例 3:2 部路由器 + 預設路由 範例 3:2 部路由器 + 預設路由 R1 與 R2 路由器要另外建立 預設路由 37 3 範例 3:2 部路由器 + 預設路由 範例 3:2 部路由器 + 預設路由 R3 是 3 個網路聯外的閘道, 要有這 3 個網路的路由紀錄 : 路由紀錄的網路位址為 0.0.0.0, 且網路遮罩為 0.0.0.0 時, 代表此為預設路由 39 40 10

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 9-3-2 動態路由 距離向量演算法 (istance Vector lgorithm): 路由器交換路由表, 找出最佳路徑 動態路由 1. 收到的路由紀錄中, 是否有我沒有記錄到的資料? 若然, 則新增此筆紀錄, 反之則繼續下一個步驟 2. 此筆紀錄是不是由同一部路由器所發出? 若然, 則更新路由紀錄, 反之則進入下一個步驟 3. 比對路徑成本 若該筆路由紀錄的成本較小, 則更新路由紀錄, 反之, 則不予理會 41 42 動態路由 動態路由 在上圖的網路架構中, 若 LN1 要送封包到 LN2, 實際可走的路徑有 2 條 : 1. LN1 R1 路由器 R2 路由器 LN2 2. LN1 R1 路由器 R3 路由器 R4 路由器 LN2 43 44 11

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 動態路由 鏈接狀態演算法 (Link-State lgorithm) 又稱最短路徑優先 (SP, Shortest Path irst) 演算法, 依 SP 演算法建立整個網路的樹狀結構, 依此決定後續傳送路徑 Shortest Path irst 演算法又稱為 ijkstra 演算法 ( 根據提出者 dsger ijkstra 命名 ), 此演算法的細節請參見演算法相關書籍 動態路由 使用鏈接狀態演算法的路由器, 會將其所有連接的狀態 ( 連線的類型 成本, 該連線所連接的路由器等 ) 通知其它路由器, 各路由器收到資訊時, 會再將之向外發送出去 經過一連串的傳送動作, 各路由器會取得網路中 所有 路有器每一個連線的狀態資訊, 接著就利用 SP 演算法, 算出到不同目的地的成本, 建立最短路徑的樹狀地圖, 再用它來建立路由表, 如下圖所示 45 46 動態路由 動態路由 使用鏈接狀態演算法, 路由器不但能得知整個網路的最短路徑, 且會在網路拓蹼改變時主動通知其它路由器, 因此收斂時間短, 也比較不會有路由迴圈的問題 但因為要做比較複雜的運算, 路由器需要較強的計算能力及較多的記憶體空間, 不過這在硬體發達的今日, 通常不是問題 47 4

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai 動態路由 常見動態路由協定 : 距離向量路由協定 :RIP (Routing Information Protocol) 鏈接狀態路由協定 :OSP (Open Shortest Path irst) IS-IS (Intermediate System to Intermediate System) 網際網路路由協定 ( 例如 ISP 之間 ):GP (order Gateway Protocol) Popular Routing Protocols Slides developed by hien-hua Tsai 49 50 Popular Routing Protocols uilding Routing Table gateway routers of same S share learned external routes using igp. Gateway routers participate in intradomain to learn internal routes. S (RIP intra routing) a b egp S (OSP intra routing) e igp S (OSP intra routing) i 10 20 Gateway routers of diff. S s exchange routes using egp d c Slides developed by hien-hua Tsai f g h 51 Slides developed by hien-hua Tsai 52 13

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai uilding Routing Table uilding Routing Table 10 20 () (20) 10 20 () (20) (25) Slides developed by hien-hua Tsai 53 Slides developed by hien-hua Tsai 54 uilding Routing Table uilding Routing Table 10 20 () (20) 10 20 () (20) (25) (30) (25) (30) (44) (42) Slides developed by hien-hua Tsai 55 Slides developed by hien-hua Tsai 56

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai uilding Routing Table uilding Routing Table 10 20 () (20) 10 20 () (20) (25) (30) (25) (30) (44) (42) (44) (42) Slides developed by hien-hua Tsai 57 Slides developed by hien-hua Tsai 5 uilding Routing Table uilding Routing Table 10 20 () (30) (44) (20) () (30) (44) (20) The shortest path tree of router orwarding table estination Metric Next hop 30 20 44 Slides developed by hien-hua Tsai 59 Slides developed by hien-hua Tsai 60 15

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai Your Turn: uilding Routing Table Your Turn: uilding Routing Table orwarding table estination Metric Next hop heck the case! 10 ailover! The shortest path tree of router 61 Slides developed by hien-hua Tsai 62 實作練習 : TRRT 工具程式 TRRT 工具程式 63 64 16

hihlee University of Technology, Spring 2016 ssocite Professor: hien-hua Tsai TRRT 工具程式 TRRT 工具程式 TRRT 範例 65 66 Reading ssignment hapter 9 of 最新網路概論第 版, 施威銘 第 9 章 IP 路由 Slides developed by hien-hua Tsai 67 nd of the hapter