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IP路由与路由器

浏览:2640  来源:通信人在线  日期:2024-04-15

一、概述

我们知道,IP网络是由一个个子网,即局域网(LAN)所构成,而形成了一个庞大的互联网(Internet)。当IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一台主机时,它是依据主机的MAC地址,将直接把IP分组送到网络上,对方就能收到。而要送给不同IP子网上的一台主机时,就需要一种网络设备来实现,这种设备称之为路由器(router),即主机要选择一个能到达目的子网上的路由器,把IP分组送给该路由器。由路由器基于该主机的IP地址负责把IP分组送到目的地。下表1汇总了GB/T 2900.96《电工术语 计算机网络技术》等国家标准及相关通信行业标准对路由器的定义,虽然它们表述不尽相同,但有助于我们对路由器的理解。

1:不同标准中对路由器的定义

欲更多了解路由器与交换机异同的请进入

路由器转发IP分组时,只根据IP分组目的地IP地址的网络号部分,选择合适的端口,把IP分组送出去。同主机一样,路由器也要判定端口所接的是否是目的子网,如果是,就直接把分组通过端口送到网络上,否则,也要选择下一个路由器来传送分组。这样一级级地传送,IP分组最终将送到目的地,送不到目的地的IP分组则被网络丢弃了。

目前TCP/IP网络,全部是通过路由器互连起来的,Internet.就是基于上万个IP子网通过路由器互连起来的国际性网络,这种网络称为以路由器为基础的网络,形成了以路由器为节点的“网间网”。如下图1所示。在“网间网”中,路由器不仅负责对IP分组的转发,还要负责与别的路由器进行联络,共同确定“网间网”的路由选择和维护路由表。

1:以路由器为节点的“网间网”

二、路由器的基本工作原理

1、选径与转发

路由器的工作通常包括两项基本内容:选径和转发。

选径(Routing)即判定到达目的地的最佳路径,由路由选择算法来实现。由于涉及不同的路由选择协议和路由选择算法,要相对复杂一些。为了判定最佳路径,路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表,其中路由信息依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中,根据路由表可将目的网络与下一站(next-hop)的关系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新,更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化,并由路由器根据量度来决定最佳路径。这就是路由选择协议(routing protocol),例如路由信息协议(RIP)、开放式最短路径优先协议(OSPF)和边界网关协议(BGP)等。

欲更多了解“选径”概念请进入

转发(forwarding)即沿选径好的最佳路径传送信息分组。路由器首先在路由表中查找,判明是否知道如何将分组发送到下一个站点(路由器或主机),如果路由器不知道如何发送分组,通常将该分组丢弃;否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点,如果目的网络直接与路由器相连,路由器就把分组直接送到相应的端口上。这就是路由转发协议(routed protocol)。

路由转发协议和路由选择协议是相互配合又相互独立的概念,前者使用后者维护的路由表,同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。下面提到的路由协议,除非特别说明,都是指路由选择协议,这也是普遍的习惯。

2、静态路由和动态路由

典型的路由选择方式有两种:静态路由和动态路由。下表2-2给出了静态路由和动态路由的含义、特点及适用范围。静态路由和动态路由有各自的特点和适用范围。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;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。

2-2:静态路由和动态路由的含义、特点及适用范围

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(IGPInterior Gateway Protocol)和外部网关协议(EGPExterior Gateway Protocol)。这里的自治域是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RIPOSPF;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BGPBGP-4

三、路由协议简介

1RIP路由协议

路由信息协议(RIPRouting Information Protocol)最初是为Xerox网络系统的Xerox pare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,任何其他信息均予以丢弃。同时路由器也把所收集的路由信息用RIP协议通知相邻的其他路由器。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。

2OSPF路由协议

20世纪80年代中期,RIP已不能适应大规模异构网络的互连,开放式最短路径优先协议(OSPFOpen shortest path first protocol)随之产生。它是Internet工程任务组织(IETF)的内部网关协议工作组为IP网络而开发的一种路由协议。OSPF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他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、所有的量度和其他一些变量。利用OSPF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。

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他区路由器的正常工作,这也给网络的管理、维护带来方便。

3BGPBGP-4路由协议

边界网关协议(BGPBorder Gateway Protocol)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他自治域的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。已有BGP-1BGP-2BGP-3BGP-4的扩展,即BGP的不同发展版本。

四、路由器的技术要求

IP网络中,路由器基于IP地址,提供IP路由,转发IP分组,通常工作于网络层或IP层。在公用IP网络中,根据路由器在网络组网中的位置,有边缘路由器和核心路由器之类分,下表4-1给出了它们的定义。在早期,边缘路由器和核心路由器又分别被称为低端路由器和高端路由器,通常要求两者在提供双向交换容量方面,边缘路由器一般低于60Gbps;核心路由器应大于60Gbps

4-1:边缘路由器和核心路由器的定义

1、边缘路由器

在我国,通信行业标准YD/T 1096《路由器设备技术要求 边缘路由器》和YD/T 1452IPv6网络设备技术要求 边缘路由器》,分别对支持IPv4IPv6协议的边缘路由器提出了技术要求,包括功能特性、通信接口、通信协议、性能指标、运行维护以及环境要求等。

欲详细了解边缘路由器技术要求的请进入YD/T 1096-2009YD/T 1452-2014

2、核心路由器

在我国,通信行业标准YD/T 1097-2023《路由器设备技术要求 核心路由器》YD/T 1454-2014IPv6网络设备技术要求 核心路由器》分别对支持IPv4IPv6协议的核心路由器做出了相应技术要求的规定,包括功能特性、通信规程、协议要求、路由协议、接口类型及特性、性能指标要求、定时和同步要求、可靠性和可用性要求、操作维护功能以及安全、环境等内容。

欲详细了解核心路由器技术要求的请进入YD/T 1097-2009YD/T 1454-2014

温馨提示:YD/T 1096YD/T 1097都有了2023年版本,待新版标准出版发行后再做介绍。

承然,核心路由器在IP骨干网中承担大量的数据传输能力。然而,随着互联网技术和IP业务的不断发展,核心路由器的单机容量已达极限,还有,超级节点的产生使得网络的复杂性、可靠性、自愈性、扩展性、生长性、绿色性及运维管理性等带来了困惑。由此,对于核心路由器有了一种新的结构,称之为集群路由器,又称路由器矩阵或多机框互联路由器。在YD/T 2928《路由器设备技术要求 集群路由器》中对集群路由器的定义及构成特点有详细的描述,详见下表4-2。下图4-2是集群路由器的“交换框+用户框”的构成形态示意图。用户框可作为一个独立系统运行,独立运行的用户框即单机系统,多个用户框通过交换框形成一个逻辑系统,对外体现为单台路由器设备,逻辑系统的用户框、交换框及级联部件统称为集群系统。

4-2:集群路由器的定义与特点

4-2:“交换框+用户框”构成的集群路由器

欲详细了解YD/T 2928-2015对集群路由器规定的技术要求的请进入

欲更多了解路由器技术性能指标要求的请进入

五、路由器的安全技术要求

我国国家标准GB/T 18018《信息安全技术 路由器安全技术要求》分等级规定了路由器的安全功能要求和安全保障要求。器等级的划分依据的是GB 17859计算机信息系统安全保护等级划分准则》。

欲详细了解路由器安全技术要求及等级划分的请进入GB/T 18018-2019GB 17859-1999

欲进一步了解以太网交换机介绍的请进入

附录
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