路由器基本知识

路由器及相关知识讲稿

前言

路由器是一种常见的网络设备。网络的复杂性导致了路由器的复杂性：功能复杂，应用复杂，使用复杂。我们公司以前主要业务是在电信网方面，有很多员工对路由器不了解，在工作中遇到相关问题时往往束手无策。本文的目的主要是帮助这些同事尽快熟悉计算机网络。

第一章网络互联

网络的根本目的非常简单：方便人们交换所获得的信息。但是网络的应用需求非常复杂：有的用户希望高带宽，但并不要求很长的传输距离；有的用户要求很长的距离，但对带宽要求很低；有的对网络的可靠性要求较高，而另外一些则要求较低，等等。这些都导致了网络的多样化，现在比较常见的局域网有以太网、令牌环和FDDI，广域网有DDN、X.25、帧中继、ATM等，这些网络分别从不同方面满足用户需求。这些网络的物理介质和协议都不相同，彼此之间不能直接相互通信。将它们相互连接，使不同网络上的用户之间可以交换信息的技术就称为网络互联技术。

实现网络互联的技术有两种：协议转换和隧道技术。TCP/IP 和Novell的IPX是两种常见的协议转换技术。Novell的IPX曾经红火一时，但现在网络互联中占统治地位的是TCP/IP，风靡世界的nternet就是利用TCP/IP作为互联协议的实例。路由器就是一种利用协议转换技术将异种网进行互联的设备。而现在非常时髦的VPN （Virtual Private Network，虚拟私有网）则是隧道技术的代表。

第二章路由器的基本结构和工作原理

路由器实质上是一种将网络进行互联的专用计算机，路由器在TCP/IP中又称为IP网关。本章拟以TCP/IP技术为例介绍路由器。大家都知道OSI的七层模型，如图

2-1所示，TCP/IP模型只有四层，比OSI的七层模型要简单一些：

图2-1 TCP/IP层次模型

路由器的软件结构就是以TCP/IP协议栈为核心的，图2-2是一个简单的路由器软件结构。

图2-2 路由器软件结构

路由器的协议转换发生在IP层。如图2-3所示，路由器试图互联局域网和Internet。局域网是以太网，运行IEEE802.2 和IEEE802.3。路由器和接入服务器之间为专线，而链路层协议为PPP（Point to Point Protocol，点对点协议）。以太网上的主机以及Internet上的接入服务器的网络层协议都是IP。主机将IP包封装在以太网帧中发向路由器；路由器的以太网口收到主机发来的以太网帧后处理帧头并上交路由器的IP层；IP查看报文头后将IP包交给广域网口的PPP；PPP将IP包封装在PPP帧中并通过专线

发往接入服务器。上述互联原理具有普遍性：某种网络设备要在第n层上互联异种网N1和N2，那么N1和N2在第n层及以上的协议（若有）必须相同。这实际上也是N1和N2能够互联的充要条件。

问题是主机如何知道把要去Internet的报文交给正确的路由器（假设以太网上有多台主/路由器），而路由器又是如何知道将主机报文发给哪个接入服务器（假设路由器有多个广域网口，且每个广域网口都和一个接入服务器相连）的呢？答案是依靠寻址和路由机制。

IP地址被用来标识一台工作在IP层的网络设备。在相互联结的网络中IP地址应该是唯一的，即一个IP地址不能同时被多个网络设备使用。但是TCP/IP允许一台网络设备占用多个IP地址，这种设备称为“多穴主机”。路由器就是一种多穴主机，它的每个端口都有一个IP地址，甚至于一个端口可以有多个IP地址。IP地址长度为四个字节。如图2-4所示，TCP/IP将IP地址划为A、B、C三个基本类（实际上还有D类和E类，这两类很少用到）：

如图所示IP地址分为网络部分和主机部分，分别相当于电话号码中的局号和用户线路号。我们平时使用点分十进制的形式来表示IP地址，如我的IP地址是129.102.1.56，129.102是指北研所局域网，是个B类网，而1.56则是我的主机号。RFC 不推荐把零作为IP地址的某个字节，如129.102.1.0。

TCP/IP还允许使用掩码来将IP地址非标准地（意指与三种基本类不同）划分为网络部分和主机部分。如果用二进制表示掩码，则IP地址中与掩码中的“1”相对应的比特属于网络部分，与“0”相对应的部分属于主机部分。掩码的习惯表示法也是点分十进制。若使用基本划分方法，则A类网的掩码是255.0.0.0，B类网的掩码是255.255.0.0，C类网的掩码是255.255.255.0。仍然以129.102.1.56（10000001.1100110. 00000001.00111000）为例，如果不使用掩码（实际是使用基本掩码255.255.0.0），则其网络部分为129.102，主机部分是1.56。如果使用掩码255.252.0.0（11111111.11111100.00000000.00000000），则其网络部分为129.100，主机部分为2.1.56。掩码中的“1”可以不是连续的，但是既没有必要又费劲，RFC也不推荐使用。

IP地址属于高层地址，物理层只能依靠物理地址进行通信。数据发送者怎样通过接收者的IP地址找到所对应的物理地址呢？如果发送者与接收者在同一个物理网上，则可以通过地址解析协议（ARP——Address Resolution Protocol）或手动配置来确定接收者的物理地址。

ARP用于共享式网络，如以太网。其工作方法如下：IP把要发送的报文交给以太网链路层，同时要告诉链路将报文转发给哪个IP地址（记做A）；链路用以太网广播帧的形式向本网询问谁是A；A收到ARP请求后回答自己的物理地址（记作P）；

发送者收到ARP响应后将IP报文发给P。设备可以使用缓存，只有在缓存中查不到的才做ARP请求，收到回答后将学习到的物理插入缓存。这样可以提高ARP的效率。为适应网络的变化缓存要有时限，超时后缓存失效。

手动配置方法主要用于不能运行ARP的非共享式网络。例如2501上需要配置Dialer map将IP地址与电话号码相对应。其中的电话号码就相当于电话网中的物理地址。其他，如X.25网、帧中继网等都需要手动将IP地址与物理地址相匹配。

如果发送者与接收者不在一个物理网上，则需要路由。

一条路由主要包括目的地址和下一跳两部分。目的（记做D）可以是一台主机，也可以某个网络，还可以是某个网络的一个子集。下一跳（记做N）是直译，英文称为“next-hop”，理解成“下一个驿站”可能更形象。正个路由信息所表示的意思就是要到达D，先要去N。比如“经北京去往美国”就是一条路由。路由的目的是一个复合成员，由一个IP地址和一个掩码组成。目的掩码为全“1”（255.255.255.255）的路由俗称主机路由，它的目的地是一台主机。如果目的掩码不是全“1”，则该路由是要去往某个网段（子网）。根据下一跳的性质可以将路由分为直接路由和间接路由两类。如果到达目的需要经过路由器转发，即下一跳是一台路由器，则该路由称为间接路由，否则称为直接路由。理解直接路由器有点困难，举个例子：路由器的以太网口接在局域网上，路由器启动后会有一条目的地为该以太网的路由，这条路由是路由器自动产生的，不需要手动配置或运行路由协议来获取。这条路由就是直接路由。一个更形象的例子就是：我们在北京，要去美国，而北京有直飞美国的飞机，不需要中转。图2-5是直接路由和间接路由的对比。