IP路由原理 直连路由和静态路由 路由协议
这系列文章为计算机网络理论的学习笔记，学习笔记基于老师给的的PPT、他人学习笔记和维基百科、百度百科等一系列权威资料。学习笔记仅个人学习用，便于记录和复习，无广泛传播之意，若有侵权，请联系我删除。欢迎各位大佬指正和交流。
1 IP路由原理
路由是指导I P报文发送的路径信息。（就是指导路由器如何进行数据报文发送的路径信息）
路由工作包含两个基本的动作 ：
- 确定最佳路径。
- 通过网络传输信息。
在路由的过程中，后者也称为（数据）交换。交换相对来说比较简单，而选择路径很复杂。
1.1 路由表的构成
路由表是路由器转发报文的判断依据。
1.2 路由器单跳操作
1.3 路由表查找规则
- 选择度量值小的进行转发。
- 永远将下一跳地址指向直连路由。
- 如果路由表中没有相匹配的主机路由进行匹配就会丢弃，但是如果存在默认路由的话，会默认从默认路由转发。
1.4 路由的特点
- 直连路由
- 开销小，配置简单，无需人工维护。只能发现本接口所属网段的路由。
- 手工配置的静态路由
- 无开销，配置简单，需人工维护，适合简单拓扑结构的网络。
- 路由协议发现的动态路由
- 开销大，配置复杂，无需人工维护，适合复杂拓扑结构的网络。
1.5 路由度量值（Metric）
1. 路由度量值表示到达折条路由所指目的地址的代价。（跳几次？）
2. 通常影响路由度量值的因素：
线路演示，带宽，线路使用率，线路可信度，跳数，最大传输单元。
3. 不同路由协议参考的因素不同：
| 路由类型 | 度量值参考因素 |
|---|---|
| 静态路由协议 | 固定值，0 |
| OSPF路由协议 | 带宽 |
| RIP路由协议 | 跳数 |
1.6 路由优先级
- 如果到相同目的地址有多个路由来源，则：
- 以Preference（优先级） 确定不同类型优先级。
- Preference 越小，优先级越高。
- 优先级最高的路由被添加进路由表 。
**** 各类路由默认优先级：
1.7 路由环路
环路产生的原因：配置错误/协议缺陷。
1.8 IP路由表摘要信息
2 直连路由和静态路由
根据路由器学习路由信息、生成并维护路由表的方法包括**直连路由(Direct)、静态路由(Static)和动态路由(Dynamic)。**
- 直连路由： 路由器接口所连接的子网的路由方式。
- 非直连路由： 通过路由协议从别的路由器学到的路由方式。分为静态路由和动态路由。
实验学习：沫仔 的 网络初级篇之直连路由与静态路由（原理与实验）
2.1 直连路由
直连路由就是直接连接网段的路由。 即连接在各个路由器接口网段的路由，在路由器启动时可以直接得到路由网段。
2.1.1 简单的直连路由拓扑
上图的路由器不需要任何配置就能互相访问 ，因为这三个网段的网关地址都在同一个路由器的接口上，属于直连路由。
路由器会自动生成路由表 ，不需要手动配置就可以让这三个区域互相ping通。这就是直连路由的作用！
2.1.2 产生直连路由的条件
- 设备产生直连路由的两个条件：
- 端口处于打开状态
- 端口配上地址
直连路由在路由表中显示的协议为 Direct ，在所有路由协议中优先级是最优的。
查路由表命令： display ip routing-table （显示路由表）
2.2 静态路由
静态路由（Static routing）是一种路由的方式，路由项（routing entry）由手动配置 ，而非动态决定。
与动态路由不同，静态路由是固定的 ，不会改变 ，即使网络状况已经改变或是重新被组态。
静态路由的公式：ip route + ‘目的地址’+‘目的地址子网掩码’+‘下一跳路由地址’。
2.2.1 静态路由的工作原理
与直连路由一样，当路由器收到一段IP数据包时，会将IP数据包拆开，寻找目的IP地址，当找到目的IP地址后，会查自身路由表中的路由，从而寻找到由哪个端口发出数据包，将数据包重新打包后发出，完成路由动作。
拆包 》》 寻址 》》查表 》 封装 》 发送数据包
2.2.2 静态路由的配置
静态路由配置命令
[Router]ip route-static dest-address { mask | mask-length } {gateway-address | interface-type interface-name} [ preference preference-value ]
配置要点：
- 只有下一跳所属的接口是点对点接口时，才可以填写 interface-type interface-name ，否则必须填写****gateway-address 。
- 目的IP地址和掩码都为0.0.0.0的路由为默认路由。
配置时须注意：
- 所有路由器上都必须配置到所有网段的路由。
- 下一跳地址须为直连链路上可达的地址。
静态默认路由配置：
2.2.3 静态路由实现路由备份和负载分担
- 路由备份：
- 到相同目的地址的下一跳和优先级都不同。
- 优先级高的为主，低的为备。
- 负载分担：
- 到相同目的地址的下一跳不同，但优先级相同。
- 到目的地的流量将均匀分布。
优先级不同的， 优先级高为主。 优先级相同的，均匀分布。
2.2.4 静态黑洞路由应用
**** 正确应用黑洞路由可以消除环路。
通过上图的静态路由的配置，RTA、RTB、RTC...
这些静态路由要是想访问RTE，则必须经过RTD。( 因为他们都是RTD的直连路由 )
导致环路的原因： 当RTA访问RTE的数据时，RTD需要写一个默认路由传到RTE。又因为路由是互相传递的，有来有回，因此RTE也会写一个路由传到RTD，反复传递就会导致环路。
解决环路的方法： 在RTD中写一个静态路由，将RTE传递回来的数据放入回收站中不作处理即可。
2.3 动态路由
动态路由是指路由器能够自动地建立自己的路由表 ，并且能够根据实际情况的变化自主动态进行调整。
2.3.1 动态路由协议在协议栈中的位置
| BGP | RIP | OSPF |
|---|---|---|
| TCP | UDP | |
| IP | Raw IP | |
| 链路层 | ||
| 物理层 |
- RIP 基于 UDP 端口号 520
- OSPF 基于 IP 协议号 89
- BGP 基于 TCP 端口号 179
2.3.2 动态路由协议的基本原理
- 网络中所有路由器须实现相同的某种路由协议并已经启动该协议。
- 邻居发现
- 路由器通过发送广播报文 或发送给指定的邻居路由器 以主动把自己介绍给网段内的其它路由器。（自我介绍）
- 路由交换
- 每台路由器将自己已知的路由相关信息（路由表）发给相邻路由器。（他人介绍）
- 路由计算
- 每台路由器某种算法 ，计算出最终的路由来。
- 路由维护
- 路由器之间通过周期性 地发送协议报文来维护邻居信息。（看看邻居还在不在）
2.4 VLAN间的路由
一个VLAN是一个广播域 ，同一个VLAN之间通信是属于二层互访 ，那如果想要VLAN之间的通信，就需要借助三层设备。
三层设备： 路由器或三层交换机。如下图所示。
****广播域： 全体目光向我看齐！我是xx！
2.4.1 不适当的VLAN间路由方式
路由器与每个VLAN建立一条物理连接，浪费大量的端口。不如Trunk链路聚合好。
2.4.2 用802.1Q和子接口实现 VLAN间路由（单臂路由）
目的： 避免物理端口和线缆浪费，简化连接方式。
方法： 使用802.1Q封装和子接口，通过一条物理链路实现VLAN间路由。
原理： 交换机的端口链路类型有Access和Trunk，其中Access链路仅允许一个VLAN的数据帧通过，而Trunk链路能够允许多个VLAN数据帧通过。 单臂路由正是利用Trunk链路允许多个VLAN的数据帧通过而实现的。
2.4.3 用三层交换机实现VLAN间路由
三层交换机在功能上 实现了：VLAN的划分 、VLAN内部的二层交换 和VLAN间路由。
**** 三层VLAN接口连接到三层路由转发引擎 上，通过转发引擎 在三层VLAN接口间转发数据。
3 路由协议概述
路由协议（Routing protocol）是一种指定数据包转送方式的网上协议。
路由器用来计算、维护网络路由信息的协议，通常有一定的算法，工作在传输层或应用层。
3.1 衡量路由协议的主要指标
协议计算的正确性 *
协议使用的算法能够计算出最优的路由 ，且正确无自环 。
路由收敛速度 *
当网络的拓扑结构发生变化之后，能够迅速感知并及时更新相应的路由信息。
协议占用系统开销 *
协议自身的开销（内存、CPU、网络带宽）最小。
协议自身的安全性 *
协议自身不易受攻击，有安全机制。
协议适用网络规模 *
协议可以应用在何种拓扑结构和规模的网络中。
3.2 路由协议的划分
3.2.1 根据使用范围分类：
- 内部网关协议（IGP） 在一个自治系统内部 ，常见的IGP：RIP、OSPF、和IS-IS
- 外部网关协议（EGP）在不同自治系统之间 ，常用的EGP：BGP
3.2.2 根据使用的算法分类：
（1）距离矢量协议： RIP、BGP 其中BGP也被称为路径矢量协议；
学习路由：周期性、广播式 更新路由表。协议基于贝尔曼-福特算法（D-V算法）
维护路由：网络发生改变，直连路由器更新路由表，在下一个拷贝间隔发到邻居路由器，
邻居路由器再更新路由表。
缺点：采用距离矢量算法，可能造成路由环路。
解决方案：最大跳数限制，水平分割，路由毒杀，反转毒杀，保持时间，快速更新。
（2）链路状态协议： OSPF、IS-IS
学习路由：发送链路状态和泛洪链路状态声明 ，同步链路状态数据库，最短路径 的
优先算法计算路由。协议基于Dijkstra算法（最短路径优先算法）
维护路由：链路改变，发送新的状态和泛洪声明，同步数据库，最短路径优先算法。
缺点：对于大的链路状态数据库，CPU要求高，链路不稳定，负担更大。
解决方案：层次化的拓扑设计，通过划分区域实现，将链路状态声明的泛洪控制在区域内。
3.2.3 路由协议比较
** 1.可靠性、安全性比较**
| 协议 | 协议端口 | 可靠性 | 安全性（是否支持验证） |
|---|---|---|---|
| RIP-1 | UDP 520 | 低 | 否 |
| RIP-2 | UDP 520 | 低 | 是 |
| OSPF | IP 89 | 高 | 是 |
| IS-IS | 基于链路层协议 | 高 | 是 |
| BGP | TCP 179 | 高 | 是 |
2.协议特性比较
| 特性 | RIP-1 | RIP-2 | OSPF | IS-IS | BGP |
|---|---|---|---|---|---|
| 距离矢量算法 | 是 | 是 | - | - | 是 |
| 链路状态算法 | - | - | 是 | 是 | - |
| 支持VLSM | - | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 支持手工聚合 | - | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 支持自动聚合 | 是 | 是 | - | - | 是 |
| 支持无类别 | - | 是 | 是 | 是 | 是 |
| 收敛速度 | 慢 | 慢 | 快 | 快 | 慢 |
| 度量值 | 跳数 | 跳数 | 开销 | 开销 | 路径属性 |
3.定时器比较
| 协议 | 周期性发送全部路由 | Hello定时器 | 保持定时器 |
|---|---|---|---|
| RIP-1 | 30秒 | - | 180秒 |
| RIP-2 | 30秒 | - | 180秒 |
| OSPF | 触发更新 | 广播链路上10秒 | 4倍hello定时器 |
| IS-IS | 触发更新 | 10秒 | 4倍hello定时器 |
| BGP | 触发更新 | 60秒 | 3倍hello定时器 |