本帖最后由 小雨哥 于 2015-6-8 13:06 编辑
3.4 IP网基础—三层路由 依靠二层交换机，我们可以组建一个小型的局域网，可以包含数十台主机。但如果要组建一个城市、国家甚至到全球的网络，二层交换技术由于其广播的工作方式，必然导致网络拥塞甚至瘫痪，必须将广播域隔离在一个小范围之内，将广域网划分为无数个小型的局域网。而局域网之间的互通，就需要三层路由来实现，实现路由功能的设备叫做路由器，路由器根据三层IP地址实现寻址功能。 了解三层路由之前，首先我们来了解一下路由使用的地址--IP地址。 IP地址是IP协议提供的一种统一的地址格式，它为互联网上的每一个网络和每一台主机分配一个“逻辑地址”（和物理地址对应），一台主机的IP地址是随着其所处的位置不同而更改的，就像我们的通信地址会随着我们所处城市的改变而变化。 IP地址是一个32位的二进制数，通常被分割为4个“8位二进制数”（也就是4个字节）。为了读写方便，IP地址通常转换为“点分十进制”表示成（a.b.c.d）的形式，其中，a,b,c,d都是0~255（00000000-11111111，共28=256个）之间的十进制整数，例如我们熟悉的192.168.0.1。 InternetNIC在全球范围内统一分配IP地址，将IP地址空间划分为A、B、C、D、E五类，其中A、B、C是基本类，D、E类作为多播和保留使用。 InternetNIC规定一部分IP地址是用于局域网使用，也就是私网IP，不在公网中使用，分别是：10.0.0.0～10.255.255.255， 172.16.0.0～172.31.255.255， 192.168.0.0～192.168.255.255。这些私网IP大家应该都很熟悉，一般我们在公司里配置的IP地址就是这几个其中之一，私网IP就像我们在办公室里可以称呼老王、小张、大个、眼镜儿等等这些代号，在其他公司内部也有这些称呼，但是出了公司到外面就都要称呼大名，否则人家不知道你在叫谁。 从图可以看出，每类地址的网络号和主机号的位数不同，一个A类地址可以容纳16777216（224-2）台主机，B类容纳65534（2 16-2）台主机，而C类可以容纳254（28-2）台主机。减2是因为一个网络里主机号全0表示网络本身，全1表示广播，这两个地址不能占用。 路由器之所以能够组建大网，实现全球内数以亿计的主机之间的通信，正是因为一个IP地址可以包含多台主机，例如一个A类地址110.0.0.0就包含了从110.0.0.1至110.255.255.254共1600多万台主机，在路由器的路由表中只要一行就可以表达。而一个主机必须对应一个MAC地址，假设有1600万台主机连在一个交换机下，交换机的MAC地址表就要有1600万行。 A、B、C类公网地址中，主机数最少的C类地址也包含254台主机，而我们实际应用中一般将一个部门或者一个办公室作为一个局域网，网络规模都没有这么大，这无疑对IP地址资源造成一种浪费，所以又引入了子网的概念。子网就是将IP地址中的主机号部分再划分出一部分作为子网号，这样一个IP地址又可以划分成多个子网来使用，比如一个256的C类地址可以分成4个64台主机的子网，也可以分成8个32台主机的子网，这样划分IP地址的使用效率大大提高。
我们在接入一个网络的时候，需要先设置子网掩码，子网掩码就是用来表示IP地址中哪些位表示子网号，哪些为是主机号，从而将一个IP地址细分使用的。 将一个局域网内的主机划分为若干个小的局域网，还可以用划分VLAN的方式。VLAN顾名思义就是虚拟局域网， VLAN是通过在帧结构中插入一个VLAN标签（802.1Q），通过VLAN号来判定哪些主机属于同一个VLAN，VLAN可以通过IP地址来划分，也可以通过MAC地址来绑定或者通过端口来随意的划分局域网。 有了IP地址将所有的主机划分成一个个的网络（或者子网），这时就有了内网和外网的概念，同一网络中的主机处在一个内网里，而其他网络的主机对于本网的主机来说就都是外网--外面的世界。 内网的通信靠二层交换来实现，而要与外网的主机通信，外网的主机交换机是无法广播到的，就需要经过路由器，通过路由来到达。路由器的各个接口连接的是一个个的网络，路由器就像不同网络之间沟通信息的中转站。 大家知道，我们的计算机要上网都要事先设定网关的IP地址。网关，顾名思义，就是网络关口，也就是内网和外网之间的那道门，是二层网络和三层网络之间的桥节点，所有要出入本网络的数据均由网关来转发，就像海关一样，里面和外面的世界我不管，但是要进来和出去的，就必须经过我这一道关口。 交换机可以通过IP地址判定数据包是否是局域网内，如果目的IP地址不是本网络（或子网），就会将目的MAC地址改为网关的MAC地址，将该数据包转发给网关，再由网关转发出去。网关可能是路由器或者具有路由功能的三层交换机，也可能是一台主机上安装了两个网卡，一个对内一个对外。 假设你的名字叫小明，你住在一个大院子里（内网），你的邻居有很多小伙伴（内网主机），当你想跟院子里的某个小伙伴玩，只要你在院子里大喊一声他的名字，他听到了就会回应你，并且跑出来跟你玩（二层交换）。 但是你家长不允许你走出大门，你想与外界发生的一切联系，都必须由父母（网关）帮助你联系。假如你想找你的同学小静聊天，小静家住在很远的另外一个院子里，他家里也有父母（小静的网关）。但是你不知道小静家的地址，不过你的班主任老师有一份全体同学的名单和地址对照表，你的老师就是DNS（域名解析系统，将域名翻译成IP地址）服务器。于是你在家里和父母有了下面的对话： 小明（内网主机）：妈妈我想和小静玩行吗？ 家长（网关）：好，我打电话问一下老师，小静家住在哪里。 老师（DNS服务器）：小静家的地址是…… 小明：太好了！妈妈我去找小静玩了。 妈妈：可是孩子，你不知道去小静家的路怎么走啊，我带你一起去吧。 于是妈妈带领着小明，拿着地址去找小静，路上碰见了好多好心的警察叔叔（路由器），警察叔叔告诉小明小静家应该往哪个方向走，最终，小明找到了小静一起愉快的玩耍。 警察叔叔对城市的道路都了然于胸，可是路由器是如何知道下一步应该往哪个方向走呢？路由器在初始化时会启动某种动态路由协议，动态路由的成功依赖于路由器的两个基本功能：维护路由选择表，向其他路由器发布路由表。一个路由选择协议的内容包含了： 如何发送更新信息（发送的过程的约定）、更新信息里包含哪些内容、什么时侯发送这些信息（触发更新、定期更新）、这些信息发送给谁（广播、组播）等等。 路由器自动发现周围的邻居，多个路由器之间会交流各自收集的信息，这样，大家将一片片的局部地图拼凑起来，就形成了世界地图，也就是完整的路由表。比如说，我将“我有个邻居叫张三”的消息告诉另一个邻居李四，李四就知道了张三是他的邻居的邻居，张三到李四的距离是2跳。 路由器通过静态配置或动态路由协议生成路由表，路由表和MAC地址表类似，是IP地址和端口的对应关系，路由表形成以后的工作方式就和交换机差不多了，发过来的数据包和路由表进行匹配查找，在相应的端口将数据转发出去。 路由的过程就像我们在高速公路上行驶，我们在经过每一个岔路口（路由器）的时候，都会有一个指示牌（路由表）将我们指引到正确的方向，其实我们并不知道目的地具体在哪里，也不知道从起点到终点全程的路线怎么走，只要我们在每个岔路都知道选择正确的方向，就一定会一步一步的接近目的地，在最后将要到达的一个指路牌，才会看到目的地。 可能有人会问，路由器这么强大，为什么还要用二层交换呢，每一个主机都连接到路由器上，全部使用路由器进行三层组网，岂不是更简单？试想一下，办公室里有一个张三，站在同事李四的面前，左手拿着手机百度地图，右手拿着你的通信地址--中华人民共和国XX省XX市XX区XX路XX号XX大厦XX楼XX室李四，张三自言自语：“我要怎么才能找到他呢？先看看地图吧，中国在哪里？”……最后折腾了一气终于找到了李四，估计眼泪都掉下来了，世界上最遥远的距离就是，你就在我的面前，而我却用路由的方式寻找你。很显然，直接喊一声“谁是李四？”这个问题就解决了。 能简单粗暴解决的问题就没有必要复杂化，所以在局域网内，使用交换机会提高转发效率，而且交换机的成本也要远低于路由器。 还有一点，我们知道IP地址的资源是有限的，人家美国的internet组织划分IP地址的时候近水楼台先得月，43亿IP地址北美占了大概3/4，而我们14亿人口的泱泱大国一共才2.5亿个，是可忍孰不可忍，所以我们发扬了勤俭节约的优良传统，通过二层交换+三层路由的方式，一个局域网可以只使用一个公网地址，而在局域网内部可以使用私网地址，可以大量的节省IP地址资源。数据包在从内网到外网时，需要做一个私网到公网地址的转换。 路由器的路由表中有三种路由：静态路由、动态路由和缺省路由。 静态路由：管理员手工定义到一个目的地网络或者几个网络的路由，静态路由不能对线路不通、节点变化等路由变化作出反应。静态路由是路由器的私有路由，一般不向外广播，一般在到达某个网络的路径唯一的情况下，使用静态路由。 动态路由：路由器根据路由选择协议所定义的规则来交换路由信息，并且独立地选择最佳路径。动态路由协议是智能的、自动的，在网络节点发生变化或链路故障时，路由协议会自动计算和更新拓扑结构，重新计算可用的路由，而不需要人工维护。 缺省路由：当路由表中与包的目的地址之间无匹配的表项时路由器的选择，地址在路由表中查不到，就按这个路径转发。 一般，路由器查找路由的顺序为静态路由，动态路由，如果以上路由表中都没有合适的路由，则通过缺省路由将数据包转发出去。 动态路由选择协议的分类： IGP和EGP：根据自治域来划分，路由协议可以分为内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）。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RIP、IGRP、EIGRP、OSPF；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BGP和BGP-4。 自治域：自治域系统是指处在一个统一管理的域下的一组网络的集合，说白了就是我的底盘我做主，比如联通和电信就是不同的自治域，一个公司内部也是一个自治域，因为他们无法管理对方的网络设备。 有类/无类路由协议：根据是否支持子网掩码的传播，路由协议可以分为有类路由协议和无类路由协议。有类的路由协议包括RIP v1、IGRP等。这一类的路由协议不支持可变长度的子网掩码，不能从邻居那里学到子网，所有关于子网的路由在被学到时都会自动变成子网的主类网（按照标准的IP地址分类）。无类类的路由协议支持可变长度的子网掩码，能够从邻居那里学到子网，所有关于子网的路由在被学到时都以子网的形式直接进入路由表。 也就是说有类路由协议会无视你划分的子网，你将一个C类地址划分的多个网段，有类路由协议都直接还原成C类地址。 距离矢量路由协议和链路状态路由协议：路由器会得到很多条可到达目标的路由信息，一条路由失效时可以通过其他路径把数据包传递到目的地，确保网络的畅通。在众多路由中，路由器要选择出一条或多条最佳的路由添加到路由表中，可是不同路由协议认为的最好的协议可能是不同的，因为衡量路由间的“好”与“坏”的标准是不同的，依据不同的标准给路由去打一个分数也是不同的，这个“分数”就是度量值。 所谓度量值（value），就是路由器根据自己的路由算法计算出来的一条路径的优先级。当有多条路径到达同一个目的地时，度量值最小的路径是最佳的路径，被路由器添加进路由表。 路由器中最常用的度量值包括：带宽（bandwidth）、 延迟（delay）、负载（load）、可靠性（reliability）、跳数（hop count）、开销（cost，一个自定义的任意值）等 。 比如RIP（路由信息协议）是一种距离矢量协议，RIP使用的度量值就是跳数，而不关注带宽、可靠性等指标，最大支持16跳，只能应用于小型网络，在距离超过16跳之后RIP就认为路由是不可达的。 而OSPF是一种链路状态协议，使用基于带宽的度量值计算出cost，比如10M的链路cost值为10，100M链路cost值为1。OSPF路由器之间交换的并不是路由表，而是链路状态，比如接口上的IP地址，子网掩码，网络类型，Cost值等等。OSPF通过获得网络中所有的链路状态信息，从而计算出到达每个目标精确的网络路径。 二层交换+三层路由的方式我们已经大致了解，要进一步的了解IP的世界，里面的技术和概念还很多，本人也非数据专业，只能略表一二，更进一步的了解还需要大家查阅更深入的相关资料，本文的初衷还是让大家能够对传送网相关的各个模块有一个初步的认识，起到一个穿针引线的作用。 | 
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发表于 2015-4-23 20:53:22
发表于 2015-4-24 09:46:50
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