IP路由器原理及技术

第一章：IP网络的概述计算机网络系统的定义：凡是利用通信设备和线路按不同的拓扑结构将地理位置不同、功能独立的多个计算机系统连接起来，以功能完善的网络软件（网络通信协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络中硬件软件资源共享和信息传递的系统称为计算机网络系统。计算机网络按拓扑分类：1、总线拓扑结构2、星形拓扑结构3、环形拓扑结构4、属性拓扑结构5、网状拓扑结构。计算机网络的组成：1、计算机系统2、数据通信系统3、网络软件及协议。OSI七层网络模型：1、物理层：比特（bit）传输比特流2、数据链路层：帧（Frame）建立节点间数据链路，提供可靠传输3、网络层：数据包（Packet）选择合适的路由及节点，确保数据及时传送4、传输层：数据包：①TCP：段，②UDP：数据包。获取全部信息，提供透明传输5、会话层：报文管理主机间会话进程6、表示层语法表示7、应用层提供访问网络服务的接口计算机网络的互联设备：中继器在物理层上透明地复制二进制位以补偿信号的衰减；网桥在不同或相同的LAN之间存储或转发帧，必要是进行链路层协议转换；路由器工作在网络层，在不同的网络间存储并转发包，根据信息包的地址将信息送达到目的地，必要时进行网络层协议转换；网关是对高层协议包括传输层以及更高层进行转换的网间连接器，它允许使用不兼容的协议系统与网络互联。1、中继器和集线器2、网桥与交换机3、路由器4、网关IP网络：是由通过路由设备互联起来的IP子网构成的，这些路由设备负责在IP子网间寻找路由，并将IP分组转发到下一个IP子网IPV6优势：①更大的地址空间②更小的路由表③增强对组播的支持以及对流的支持④加入了对自动配置的支持⑤更高的安全性第二章：路由器的基本概念和工作原理路由器的定义：路由器是一种连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够互相“读懂”对方的数据，从而构成更大的网络。是一种执行“把数据从一个地方传递到另一个地方的行为和动作”的机器。基本功能：1、网络互联2、数据处理3、网络管理。分类：1、性能档次：1、高档路由器（40Gbps）2、中档路由器3、低档路由器（25Gbps）2、结构：1、模块化路由器2、非模块化路由器3、网络位置：1核心层（骨干级）路由器2分发层（企业级）路由器3访问层（接入级）路由器4、功能：1、通用路由器2、专用路由器5、所处的网络位置：1、边界路由器2、中间节点路由器6、性能：1、线速路由器2、费线速路由器7、网络类型：1、有线路由器2、无线路由器性能指标：1、吞吐量：处理器处理数据包的能力。1、整机吞吐量2、端口吞吐量2、路由表能力：路由表内所容纳路由表项数量的极限。3、背板能力：4、丢包率：路由器在稳定的持续负荷下，由于资源缺少而不能转发的数据包在应该转发的数据包中所占的比例。5、时延：数据包的第一个比特进入路由器到最后一个比特从路由器输出的时间间隔。6、背靠背帧数：以最小帧间隔发送最多数据包不引起丢包时的数据包数量。7、时延抖动：是指时延变化。8、服务质量能力：9、网络管理：10：可靠性和可用性：1、设备的冗余2、热插拔组件3、无故障工作时间4、内部时钟精度路由器对数据包进行存储转发的具体过程：3步：1、当数据包达到路由器，根据网络物理接口的类型，路由器调用相应的链路层功能模块，以解释处理此数据包的链路层协议报头。（对数据的完整性进行验证）2、处理数据帧的IP层。根据数据帧中的IP包头的目的IP地址，路由器在路由表中查找下一跳的IP地址；同时IP数据包头的TTL域开始减数，并重新计算校验和。（核心）3、将IP数据包送往相应的输出链路层，被封装上相应的链路层包头，最后经输出网络物理接口发送出去。路由选择策略：选择方式两种：1、静态路由：在路由中设置固定的路由表2、动态路由：网络中的路由器之间相互通信传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由表的过程。选择策略：4种：1、固定式路由选择：原站和信宿之间选择一条永久的路由。2、洪范法：一个分组由原站发送到与其相邻的所有节点。3、随机路由选择：一个分组只在与其相邻的节点中随机选择一条转发。4、自适应路由选择：按照实际情况来决定由哪条链路转发。自治域：一个具有统一管理机制、统一路由策略的网络。1、内部网关协议：RIP（采用距离算法，也称为距离向量协议）、OSPF（基于链路状态，区内路由选择、区间路由选择）2、外部网关协议：BGP和BGP-4RIP路由协议采用距离向量算法，使用非常广泛，简单、可靠，便于配置，适用于小型的同构网络链路状态算法与距离向量算法的区别1、链路状态算法将少量更新信息发送至网络各处，而距离向量算法发送大量更新信息至邻接路由器。2.链路状态算法收敛更快，因此它在一定程度上比距离向量算法更不易产生路由循环3.链路状态算法要求比距离向量算法有更强的CPU能力和更多的内存空间，因此链路状态算法将会在实现时显得更昂贵一些。链路层差错控制主要由两种策略来解决：（1）采用纠错码方案：足够多的冗余信息发现并自动纠正传输差错（2）采用检错码方案：一定的冗余信息发现差错不能纠错路由器技术体系演进1.第一代路由器：集中转发，总线交换。2.第二代路由器：集中＋分布转发，接口模块化，总线交换3.第三代路由器：分布转发，总线交换。4.第四代路由器：ASIC分布转发，网络交换。5.第五代路由器技术：网络处理器分布转发，网络交换。路由器网络应用：①物理层：编码转换以及速度适配②链路层：帧定界初始化控制差错控制解封装③网络层：第三章：路由器结构组成及功能路由器的基本结构：1、硬件：处理器、内存、接口等物理硬件和电路。2、软件：路由器的IOS（互联网络操作系统）、运行配置文件。1、路由器的中央处理器2、路由器的存储器：ROM只读内存、NVRAM非易失性随机存储器、FlashRAM闪存、RAM随机存储器3、接口：控制台端口、辅助端口4、运行配置文件：运行配置（活动配置）、启动配置体系结构：路由器的体系结构是根据数据通道转发引擎的实现机理来区分路由器的内部可划分为：1、控制平面2、数据通道路由器的体系结构可以分为：1、软件转发路由器：①软件转发集中式②软件转发分布式2、硬件转发路由器：①硬件转发集中式②硬件转发并行式③硬件转发分布式基于硬件转发路由器的数据平面交换网络结构：1、交换矩阵方式2、共享内存方式1、交换矩阵路由器：1、流量管理单元2、交换矩阵2、共享内存路由器：（用空间来换取时间策略，足够大内存或者足够优秀的散列算法）路由器四要素：输入端口、输出端口、交换网络、路由处理器和其他端口路由器功能模块：1、交换子系统：将报文从一个端口交换到另一个端口并实现一定的数据统计功能。2、转发子系统：是接口处理节点的核心，负责报文的分类、过滤、查表、修改、缓冲和调度。3、接口子系统：通常路由器必须配置2个以上的接口，完成接口之间数据包的网络层转发。4、路由器：作为路由软件的运行平台。网络处理器的定义：是一种可编程器件，它特定的应用于通行领域的各种任务路由器与网桥的区别：1、转发依据不同：网桥工作在数据链路层，以数据帧的源地址和目的地址为转发依据；路由器工作在网络层，以网络层分组头部中的信息为转发依据。2、传输性能不同：路由器在传输时占用CPU处理时间更多。3、广播风暴不同：转发广播帧时，网桥将广播帧转发到网络的所有端口上，容易导致广播风暴；路由器不转发广播消息，而把广播消息限制在各自的网络内部，防止广播帧的泛滥。4、网络性质不同：网桥连接的网络仍属于同一性质的网络；路由器连接的网络可以是同一性质的也可以是不同性质的。5、配置程度不同：路由器是非即插即用设备，安装配置过程比网桥复杂。路由器与交换机的区别：与第二层交换机区别：1、回路：交换机不允许有回路，而路由器可以。2、负载集中：交换机不能进行动态分配，以平衡负载，而路由器可以。3、广播控制：交换机只能缩小冲突域，不能缩小广播域，而路由器可以隔离广播域。4、子网划分：交换机识别MAC地址，无法进行子网划分，而路由器识别IP地址可以进行子网划分。5、保密问题：交换机的保密功能不及路由器。6、介质相关：交换机主要用于相同或相似物理介质和链路协议的网络互连，而路由器主要用于不同网络之间的互联。第三层交换机与路由器相比的优点：1、子网间传输带宽可任意分配2、合理配置信息资源3、降低成本4、交换机之间连接灵活交换机的特征：1、转发基于第三层地址的业务流；2、完全交换功能；3、可以完成特殊服务（如报文过滤和认证）；4、执行或不执行路由处理第四章：路由器硬件设计的相关实现网络处理器的定义：（NetworkProcessor，简称NP），网络处理器是一种可编程器件，它特定的应用于通信领域的各种任务，比如包处理、协议分析、路由查找、声音/数据的汇聚、防火墙、QoS等。NP的基本组成：硬件：1、网络处理器单元、2、智能协处理单元软件：1、板级支持包2、嵌入式操作系统3、路由协议软件4、微代码。硬件结构ＰＥ：①采用流水线即串行处理，每个PE只完成对报文处理的一个阶段。②并行方式，每个PE独立处理一个报文。网络处理器功能：①协议识别和分类②拆装和重组③排队和接入控制④流量整形和流量工程⑤ＱｏＳ和ＣｏＳ⑥修正数据包⑦差错检测物理接口：1、LAN接口2、WAN接口：1、异步串口2、同步串口3、AUX接口4、AM接口5、ISDNBRI接口6、cE1/PRI接口逻辑接口：１＋３＋４＋备份中心逻辑通道＋虚拟模板接口1、Dialer接口：拨号接口。为配置拨号控制中心（DCC）功能参数而设置的逻辑接口。2、Loopback接口：环回接口。3、子接口：提高用户使用路由器的灵活性4、Null接口：报文过滤高速ＰＯＳ接口：ＳＰＩ、ＳＦＩ测试的目的与内容：低端路由器：常规测试、环境测试、物理接口测试、协议一致性测试、性能测试、管理测试。高端路由器：接口测试、PPP协议测试、IP协议测试、路由协议测试、网管功能测试、网络同步测试、可靠性测试、供电测试、环境测试。1、功能测试2、稳定性和可靠性测试3、互操作性测试。四种测试方法：本地～分布远端协同第五章：路由器软件设计的相关实现RIP协议（路由信息协议）：是一种动态路由选择，它基于距离矢量算法（D-V），总是按最短的路由做出相同的选择。内部网关协议，适用于小型同类网络，是典型的距离向量(distance-vector)协议。原理：RIP通过广播UDP报文来交换路由信息，每30秒发送一次路由信息更新。RIP提供跳跃计数(hopcount)作为尺度来衡量路由距离，跳跃计数是一个包到达目标所必须经过的路由器的数目。如果到相同目标有二个不等速或不同带宽的路由器，但跳跃计数相同，则RIP认为两个路由是等距离的。RIP最多支持的跳数为15，即在源和目的网间所要经过的最多路由器的数目为15，跳数16表示不可达。消除环路的措施：1、水平分割；2、毒性逆转；3、触发更新；4、抑制计时OSPF协议：(t开放式最短路径优先)：是一种链路状态协议，属于IGP，用于单一AS内决策路由。原理：通过Hello协议发现邻居路由器，根据路由器对网络拓扑结构生成的网络拓扑数据库，按照最短路径优先算法生成路由器到网络中各节点的路由表。OSPF邻居关系建立的四个阶段：1、邻居发现阶段：交换Hello报文，确定邻居关系。2、双向通信阶段：交换相关路由信息。3、数据库同步阶段：通过不断交换LSA消息实现LSDB的同步。4、完全邻接阶段：拥有相同的LSDB。9.区域划分的原因：对于每个区域，网络拓扑结构在区域外是不可见的，利于减少网络中链路状态数据包在全网范围内的广播。10.当一个区域与骨干区域没有物理链路相连时，虚拟链路使该区域与骨干区域间建立一个逻辑连接点，该虚拟链路必须建立在两个区域边界路由器之间，并且其中一个区域边界路由器必须属于骨干区域。11.为了避免路由器之间建立完全相邻关系而引起的大量开销，OSPF要求在区域中选举一个DR（DesignatedRouter，指派路由器）。DR：负责收集所有的链路状态信息，并发布给其他路由器。BDR