IP路由技术基础

内部网关协议和外部网关协议
路由协议可以分为内部网关协议（ 路由协议可以分为内部网关协议（IGP）和外部 ） 网关协议（ 网关协议（EGP）两大类。简单的定义，内部网关 ）两大类。简单的定义， 协议是用于自治系统内部的动态路由协议，包括RIP、 协议是用于自治系统内部的动态路由协议，包括 、 OSPF等；而外部网关协议则是用于自治系统之间拓 等 扑信息交换的路由协议，包含 扑信息交换的路由协议，包含BGP等。 等
从IPv4到IPv6（续） 到 （
IETF从20世纪 年代就着手制订下一代网际协议 从 世纪 年代就着手制订下一代网际协议IPv6。 世纪90年代就着手制订下一代网际协议 。 1996年，描述 年 描述IPv6及其支持协议的 及其支持协议的RFC出现（这些 出现（ 及其支持协议的 出现 这些RFC基本 基本 上都已经被新的标准所代替） 上都已经被新的标准所代替）。 1998年，新的描述IPv6的协议标准 年 新的描述 的协议标准RFC 2460取代了旧的 取代了旧的RFC 的协议标准 取代了旧的 1883，新的描述IPv6地址结构的 ，新的描述 地址结构的RFC 2373代替了 代替了RFC 1884， 地址结构的 代替了 ， 而这个RFC在2003年又被 在 年又被RFC 3513所代替。 所代替。 而这个 年又被 所代替 目前IPv6已经形成了比较完善的协议体系。 已经形成了比较完善的协议体系。 目前 已经形成了比较完善的协议体系
第二部分 互联网的体系结构
现有信息网络基本上都采用了分层的体系结构， 现有信息网络基本上都采用了分层的体系结构，即 将其协议体系划分为若干个层次， 将其协议体系划分为若干个层次，每个层次完成特 定的功能，这样，各个层次综合在一起， 定的功能，这样，各个层次综合在一起，就可以完 成一个完整的系统功能。 成一个完整的系统功能。
路由选择算法
路由算法是指路由器获得对网络拓扑结构的认知， 路由算法是指路由器获得对网络拓扑结构的认知， 并为数据包选择正确传输路径的方法或者策略。 并为数据包选择正确传输路径的方法或者策略。 一个理想的路由算法至少应该具备以下几点特征： 一个理想的路由算法至少应该具备以下几点特征 ： 完整性和正确性； 简单性； 健壮性； ① 完整性和正确性 ； ② 简单性 ； ③ 健壮性 ； ④ 公 平性； 最佳性。 平性；⑤最佳性。 路由算法的分类。 路由算法的分类。
第三部分 IP路由中的基本概念 路由中的基本概念
路由器
路由器是工作在网络层上，可以连接不同类型的网络， 路由器是工作在网络层上，可以连接不同类型的网络，能 够选择数据传送路径并对数据进行转发的网络设备。 够选择数据传送路径并对数据进行转发的网络设备。从通 信的角度看，路由器是一种中继系统。 信的角度看，路由器是一种中继系统。
IP路由基础知识 路由基础知识
北京交通大学 下一代互联网互联设备国家工程实验室 苏伟
课程内容
IP路由基础知识 路由基础知识 三大路由协议 路由查询 IP网络设计与应用 网络设计与应用 移动、 移动、组播路由技术 未来互联网简介
第一部分 互联网的发展历史
互联网的早期发展历程
1969年美国国防部高级研究计划署资助建立的 年美国国防部高级研究计划署资助建立的ARPANET是 年美国国防部高级研究计划署资助建立的 是 互联网的前身和雏形。 互联网的前身和雏形。 1974年，Vinton Cerf和Robert Kahn提出了 年 提出了TCP/IP协议族， 协议族， 和 提出了 协议族 用以解决不同计算机网络的互联问题 。 1981年，IP的协议规范 年 的协议规范RFC791和TCP的协议规范 RFC 793 的协议规范 和 的协议规范 出现，并在 年成为ARPNET的正式标准，这使 的正式标准， 出现，并在1983年成为 年成为 的正式标准 这使ARPNET 的规模迅速扩大。 的规模迅速扩大。
IP网络地址结构 网络地址结构
地址（ 指IP地址（包括 地址 包括IPv4和IPv6）的编址方式。 和 ）的编址方式。 通常把地址空间分为网络号和主机号两部分， 通常把地址空间分为网络号和主机号两部分，当路由器在进行路径选 择时，一般按照目的网络来查询，这样既可以降低路由表规模， 择时，一般按照目的网络来查询，这样既可以降低路由表规模，也可 以提高路由查询效率。 以提高路由查询效率。 早期IPv4网络把地址分为 、B、C、D、E五类 ， 浪费了大量的地址 网络把地址分为A、 、 、 、 五类 五类， 早期 网络把地址分为 空间，并造成路由效率低下。为解决这些问题，出现了CIDR机制， 机制， 空间 ， 并造成路由效率低下 。 为解决这些问题 ， 出现了 机制 即不再严格的对IP地址类别进行区分， 地址网络号长度也不再固定 地址网络号长度也不再固定。 即不再严格的对 地址类别进行区分，IP地址网络号长度也不再固定。 地址类别进行区分 IPv6地址的编址方式与 地址的编址方式与CIDR类似， 也是不限定网络号空间的长度 ， 类似， 地址的编址方式与 类似 也是不限定网络号空间的长度， 因此有很强的灵活性。 因此有很强的灵活性。 IP网络地址结构对路由选择和路由查询都有很大的影响。 网络地址结构对路由选择和路由查询都有很大的影响。 网络地址结构对路由选择和路由查询都有很大的影响
从IPv4到IPv6（续） 到 （
IPv6的优点 的优点
地址空间的扩展 首部格式的简化 引入扩展首部， 引入扩展首部，更好的支持移动性和安全性 引入了流标签等机制， 引入了流标签等机制，以支持服务质量 支持地址的自动配置
IPv6现状与发展趋势 现状与发展趋势
国外很早就开始了IPv6的研究与应用 的研究与应用 国外很早就开始了 1998年6月，中国国家教育科研网 年 月 中国国家教育科研网CERNET加入 加入6Bone。 加入 。 国内很多单位也陆续研制出各种IPv6网络关键设备。 网络关键设备。 国内很多单位也陆续研制出各种 网络关键设备 2003年底，中国宣布实施名为“中国下一代互联网示范工程 年底，中国宣布实施名为“ 年底 （CNGI）”的新一代互联网计划。 ） 的新一代互联网计划。 的新一代互联网计划 2004年，我国第一个IPv6主干网 年 我国第一个 主干网CERNET2试验网正式开通 主干网 试验网正式开通 并提供服务，成为中国第一个全国性下一代互联网主干网。 并提供服务，成为中国第一个全国性下一代互联网主干网。 国家发改委从2004年底开始，连续几年启动一系列与IPv6应 年底开始，连续几年启动一系列与 国家发改委从 年底开始 应 用示范相关的研发和产业化项目。 用示范相关的研发和产业化项目。
子网层一般又称网络接口层，负责从网络层接收IP报文并向 子网层一般又称网络接口层，负责从网络层接收 报文并向 物理网络发送，或从网络上接收物理帧，取出IP数据报并提交 物理网络发送，或从网络上接收物理帧，取出 数据报并提交 给网络层。 给网络层。 网络层负责处理分组在网络中的活动， 网络层负责处理分组在网络中的活动，提供跨越多个网络的 选路功能，并对上层屏蔽底层具体子网技术的细节。 选路功能，并对上层屏蔽底层具体子网技术的细节。 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 在 IP网络中，有两个互不相同的传输协议：TCP和UDP。 网络中，有两个互不相同的传输协议： 网络中 和 。 应用层负责处理特定的应用程序细节， 应用层负责处理特定的应用程序细节，为用户完成各种网络 服务。 服务。
自治系统和路由域
由于Internet规模太大，分布范围太广，所以路由表中对 规模太大，分布范围太广， 由于 规模太大 应每一个目的网络都有一个条目是不可能的；同样， 应每一个目的网络都有一个条目是不可能的；同样，也不 可能采用一个全局的路由算法或协议。因此， 可能采用一个全局的路由算法或协议。因此，Internet将 将 整个网络划分为若干个相对自治的局部系统， 整个网络划分为若干个相对自治的局部系统，即自治系统 ）。自治系统可以定义为同一 （AS，Autonomous System）。自治系统可以定义为同一 ， ）。 机构下管理的路由器和网络的集合。 机构下管理的路由器和网络的集合。 一个自治系统内部还可以再划分几个小的路由域， 一个自治系统内部还可以再划分几个小的路由域，也称作 区域。 区域。
互联网的早期发展历程（ 互联网的早期发展历程（续）
20世纪 年代中期，美国国家自然科学委筹建 世纪80年代中期 美国国家自然科学委筹建NSFNET。到 世纪 年代中期， 。 20世纪 年代初，NSFNET取代旧有的 世纪90年代初 取代旧有的ARPANET成为 世纪 年代初， 取代旧有的 成为 Internet的正式骨干网，1995年，NFSNET被一个更有竞争力、 的正式骨干网， 年 被一个更有竞争力、 的正式骨干网 被一个更有竞争力 商业化更强的骨干网代替， 向商业用户开放。 商业化更强的骨干网代替，将Internet向商业用户开放。 向商业用户开放 1992年，欧洲粒子物理实验室提出了一个称为WWW的概念， 年 欧洲粒子物理实验室提出了一个称为 的概念， 的概念 随后一年，发布了称为 客户程序。 随后一年，发布了称为Mosaic的WWW客户程序。这使得互 的 客户程序 联网从一个由科学家和研究人员使用的文本工具转变为可由 普通人就可以使用的图形工具， 普通人就可以使用的图形工具，为Internet的大规模推广和应 的大规模推广和应 用起到了非常重要的作用。 用起到了非常重要的作用。
从IPv4到IPv6 到
以 TCP/IP协议体系为基础技术支撑的互联网在取得巨大成功 协议体系为基础技术支撑的互联网在取得巨大成功 的同时，也面临着越来越多的挑战和问题。 的同时，也面临着越来越多的挑战和问题。 直接原因：互联网规模迅速膨胀和各种新业务不断出现。 直接原因：互联网规模迅速膨胀和各种新业务不断出现。 根本原因：现有 协议存在着诸多设计上的缺陷， 根本原因：现有IPv4协议存在着诸多设计上的缺陷，包括： 协议存在着诸多设计上的缺陷 包括： 地址空间不足 配置复杂 服务质量差 安全性不高 移动性支持差
泛洪（ 泛洪（Flooding） ） 源路由
1 S 2 3 4 路径探测过程 S 1 2 D 数据包中携带的选路信息 D
选路策略和选路机制
选路策略（ ）：根据数据包的目的地和网络 选路策略（Routing Policy）：根据数据包的目的地和网络 ）： 的拓扑结构选择一条最佳路径， 的拓扑结构选择一条最佳路径，把对应不同目的地的最佳 路径存放在路由表中； 路径存放在路由表中； 选路机制（ ）：搜索路由表 选路机制（Routing Mechanism）：搜索路由表，决定向 ）：搜索路由表， 哪个接口转发数据，并执行相应的操作； 哪个接口转发数据，并执行相应的操作； 选路策略只影响路由表的内容， 选路策略只影响路由表的内容，比如对同一个目的地址来 说，由于选路策略的不同，最佳路径可能会不一样，但这 由于选路策略的不同，最佳路径可能会不一样， 并不影响选路机制的执行过程， 并不影响选路机制的执行过程，只是会对其执行的结果产 生影响。 生影响。
应用层 传输层 IP层 层 子网层
屏蔽下层细节 路由器 路由器
应用层 传输层 IP层 层 子网层
路由表
路由器在接收到数据时，要对其传输路径进行选择。为了实 路由器在接收到数据时，要对其传输路径进行选择。 现这一目标，路由器需要维护一个称为“路由表” 现这一目标，路由器需要维护一个称为“路由表”的数据结 构。 路由表包含若干条目，供路由器选路时查询数据传输路径。 路由表包含若干条目，供路由器选路时查询数据传输路径。 路由表中的一个条目至少要包含： 路由表中的一个条目至少要包含：
数据的目的地址（通常是目的主机所在网络的地址） 数据的目的地址（通常是目的主机所在网络的地址） 下一跳路由器（ 下一跳路由器（即从本路由器出发按所给路径到给定目的地所要通 过的下一个路由器） 过的下一个路由器）的地址
wk.baidu.com
相应的网络接口 一般情况下还应该有标志位等内容。 一般情况下还应该有标志位等内容。