路由器工作原理是怎樣的
路由器工作原理是怎樣的
本文通過闡述TCP/IP網(wǎng)絡中路由器的基本工作原理，介紹了IP路由器的幾大功能，給出了靜態(tài)路由協(xié)議和動態(tài)路由協(xié)議，以及內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議和外部網(wǎng)關協(xié)議的概念，同時簡要介紹了目前最常見的RIP、OSPF、BGP和BGP-4這幾種路由協(xié)議，然后描述了路由算法的設計目標和種類，著重介紹了鏈路狀態(tài)法和距離向量法。在文章的最后，扼要講述了新一代路由器的特征。
近十年來，隨著計算機網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大，大型互聯(lián)網(wǎng)絡(如Internet)的迅猛發(fā)展，路由技術在網(wǎng)絡技術中已逐漸成為關鍵部分，路由器也隨之成為最重要的網(wǎng)絡設備。用戶的需求推動著路由技術的發(fā)展和路由器的普及，人們已經(jīng)不滿足于僅在本地網(wǎng)絡上共享信息，而希望最大限度地利用全球各個地區(qū)、各種類型的網(wǎng)絡資源。而在目前的情況下，任何一個有一定規(guī)模的計算機網(wǎng)絡(如企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)、智能大廈等)，無論采用的是快速以大網(wǎng)技術、FDDI技術，還是ATM技術，都離不開路由器，否則就無法正常運作和管理。
1 網(wǎng)絡互連
把自己的網(wǎng)絡同其它的網(wǎng)絡互連起來，從網(wǎng)絡中獲取更多的信息和向網(wǎng)絡發(fā)布自己的消息，是網(wǎng)絡互連的最主要的動力。網(wǎng)絡的互連有多種方式，其中使用最多的是網(wǎng)橋互連和路由器互連。
1.1 網(wǎng)橋互連的網(wǎng)絡
網(wǎng)橋工作在OSI模型中的第二層，即鏈路層。完成數(shù)據(jù)幀(frame)的轉發(fā)，主要目的是在連接的網(wǎng)絡間提供透明的通信。網(wǎng)橋的轉發(fā)是依據(jù)數(shù)據(jù)幀中的源地址和目的地址來判斷一個幀是否應轉發(fā)和轉發(fā)到哪個端口。幀中的地址稱為“MAC”地址或“硬件”地址，一般就是網(wǎng)卡所帶的地址。
網(wǎng)橋的作用是把兩個或多個網(wǎng)絡互連起來，提供透明的通信。網(wǎng)絡上的設備看不到網(wǎng)橋的存在，設備之間的通信就如同在一個網(wǎng)上一樣方便。由于網(wǎng)橋是在數(shù)據(jù)幀上進行轉發(fā)的，因此只能連接相同或相似的網(wǎng)絡(相同或相似結構的數(shù)據(jù)幀)，如以太網(wǎng)之間、以太網(wǎng)與令牌環(huán)(token ring)之間的互連，對于不同類型的網(wǎng)絡(數(shù)據(jù)幀結構不同)，如以太網(wǎng)與X.25之間，網(wǎng)橋就無能為力了。
網(wǎng)橋擴大了網(wǎng)絡的規(guī)模，提高了網(wǎng)絡的性能，給網(wǎng)絡應用帶來了方便，在以前的網(wǎng)絡中，網(wǎng)橋的應用較為廣泛。但網(wǎng)橋互連也帶來了不少問題：一個是廣播風暴，網(wǎng)橋不阻擋網(wǎng)絡中廣播消息，當網(wǎng)絡的規(guī)模較大時(幾個網(wǎng)橋，多個以太網(wǎng)段)，有可能引起廣播風暴(broadcasting storm)，導致整個網(wǎng)絡全被廣播信息充滿，直至完全癱瘓。第二個問題是，當與外部網(wǎng)絡互連時，網(wǎng)橋會把內(nèi)部和外部網(wǎng)絡合二為一，成為一個網(wǎng)，雙方都自動向對方完全開放自己的網(wǎng)絡資源。這種互連方式在與外部網(wǎng)絡互連時顯然是難以接受的。問題的主要根源是網(wǎng)橋只是最大限度地把網(wǎng)絡溝通，而不管傳送的信息是什么。
1.2 路由器互連網(wǎng)絡
路由器互連與網(wǎng)絡的協(xié)議有關，我們討論限于TCP/IP網(wǎng)絡的情況。
路由器工作在OSI模型中的第三層，即網(wǎng)絡層。路由器利用網(wǎng)絡層定義的“邏輯”上的網(wǎng)絡地址(即IP地址)來區(qū)別不同的網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡的互連和隔離，保持各個網(wǎng)絡的獨立性。路由器不轉發(fā)廣播消息，而把廣播消息限制在各自的網(wǎng)絡內(nèi)部。發(fā)送到其他網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)茵先被送到路由器，再由路由器轉發(fā)出去。
IP路由器只轉發(fā)IP分組，把其余的部分擋在網(wǎng)內(nèi)(包括廣播)，從而保持各個網(wǎng)絡具有相對的獨立性，這樣可以組成具有許多網(wǎng)絡(子網(wǎng))互連的大型的網(wǎng)絡。由于是在網(wǎng)絡層的互連，路由器可方便地連接不同類型的網(wǎng)絡，只要網(wǎng)絡層運行的是IP協(xié)議，通過路由器就可互連起來。
網(wǎng)絡中的設備用它們的網(wǎng)絡地址(TCP/IP網(wǎng)絡中為IP地址)互相通信。IP地址是與硬件地址無關的“邏輯”地址。路由器只根據(jù)IP地址來轉發(fā)數(shù)據(jù)。IP地址的結構有兩部分，一部分定義網(wǎng)絡號，另一部分定義網(wǎng)絡內(nèi)的主機號。目前，在Internet網(wǎng)絡中采用子網(wǎng)掩碼來確定IP地址中網(wǎng)絡地址和主機地址。子網(wǎng)掩碼與IP地址一樣也是32bit，并且兩者是一一對應的，并規(guī)定，子網(wǎng)掩碼中數(shù)字為“1”所對應的IP地址中的部分為網(wǎng)絡號，為“0”所對應的則為主機號。網(wǎng)絡號和主機號合起來，才構成一個完整的IP地址。同一個網(wǎng)絡中的主機IP地址，其網(wǎng)絡號必須是相同的，這個網(wǎng)絡稱為IP子網(wǎng)。
通信只能在具有相同網(wǎng)絡號的IP地址之間進行，要與其它IP子網(wǎng)的主機進行通信，則必須經(jīng)過同一網(wǎng)絡上的某個路由器或網(wǎng)關(gateway)出去。不同網(wǎng)絡號的IP地址不能直接通信，即使它們接在一起，也不能通信。
路由器有多個端口，用于連接多個IP子網(wǎng)。每個端口的IP地址的網(wǎng)絡號要求與所連接的IP子網(wǎng)的網(wǎng)絡號相同。不同的端口為不同的網(wǎng)絡號，對應不同的IP子網(wǎng)，這樣才能使各子網(wǎng)中的主機通過自己子網(wǎng)的IP地址把要求出去的IP分組送到路由器上。
2 路由原理
當IP子網(wǎng)中的一臺主機發(fā)送IP分組給同一IP子網(wǎng)的另一臺主機時，它將直接把IP分組送到網(wǎng)絡上，對方就能收到。而要送給不同IP于網(wǎng)上的主機時，它要選擇一個能到達目的子網(wǎng)上的路由器，把IP分組送給該路由器，由路由器負責把IP分組送到目的地。如果沒有找到這樣的路由器，主機就把IP分組送給一個稱為“缺省網(wǎng)關(default gateway)”的路由器上。“缺省網(wǎng)關”是每臺主機上的一個配置參數(shù)，它是接在同一個網(wǎng)絡上的某個路由器端口的IP地址。
路由器轉發(fā)IP分組時，只根據(jù)IP分組目的IP地址的網(wǎng)絡號部分，選擇合適的端口，把IP分組送出去。同主機一樣，路由器也要判定端口所接的是否是目的子網(wǎng)，如果是，就直接把分組通過端口送到網(wǎng)絡上，否則，也要選擇下一個路由器來傳送分組。路由器也有它的缺省網(wǎng)關，用來傳送不知道往哪兒送的IP分組。這樣，通過路由器把知道如何傳送的IP分組正確轉發(fā)出去，不知道的IP分組送給“缺省網(wǎng)關”路由器，這樣一級級地傳送，IP分組最終將送到目的地，送不到目的地的IP分組則被網(wǎng)絡丟棄了。
目前TCP/IP網(wǎng)絡，全部是通過路由器互連起來的，Internet就是成千上萬個IP子網(wǎng)通過路由器互連起來的國際性網(wǎng)絡。這種網(wǎng)絡稱為以路由器為基礎的網(wǎng)絡(router based network)，形成了以路由器為節(jié)點的“網(wǎng)間網(wǎng)”。在“網(wǎng)間網(wǎng)”中，路由器不僅負責對IP分組的轉發(fā)，還要負責與別的路由器進行聯(lián)絡，共同確定“網(wǎng)間網(wǎng)”的路由選擇和維護路由表。
路由動作包括兩項基本內(nèi)容：尋徑和轉發(fā)。尋徑即判定到達目的地的最佳路徑，由路由選擇算法來實現(xiàn)。由于涉及到不同的路由選擇協(xié)議和路由選擇算法，要相對復雜一些。為了判定最佳路徑，路由選擇算法必須啟動并維護包含路由信息的路由表，其中路由信息依賴于所用的路由選擇算法而不盡相同。路由選擇算法將收集到的不同信息填入路由表中，根據(jù)路由表可將目的網(wǎng)絡與下一站(nexthop)的關系告訴路由器。路由器間互通信息進行路由更新，更新維護路由表使之正確反映網(wǎng)絡的拓撲變化，并由路由器根據(jù)量度來決定最佳路徑。這就是路由選擇協(xié)議(routing Protocol)，例如路由信息協(xié)議(RIP)、開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF)和邊界網(wǎng)關協(xié)議(BGP)等。
轉發(fā)即沿尋徑好的最佳路徑傳送信息分組。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何將分組發(fā)送到下一個站點(路由器或主機)，如果路由器不知道如何發(fā)送分組，通常將該分組丟棄;否則就根據(jù)路由表的相應表項將分組發(fā)送到下一個站點，如果目的網(wǎng)絡直接與路由器相連，路由器就把分組直接送到相應的端口上。這就是路由轉發(fā)協(xié)議(routed protocol)。
路由轉發(fā)協(xié)議和路由選擇協(xié)議是相互配合又相互獨立的概念，前者使用后者維護的路由表，同時后者要利用前者提供的功能來發(fā)布路由協(xié)議數(shù)據(jù)分組。下文中提到的路由協(xié)議，除非特別說明，都是指路由選擇協(xié)議，這也是普遍的習慣。
3 路由協(xié)議
典型的路由選擇方式有兩種：靜態(tài)路由和動態(tài)路由。
靜態(tài)路由是在路由器中設置的固定的路由表。除非網(wǎng)絡管理員干預，否則靜態(tài)路由不會發(fā)生變化。由于靜態(tài)路由不能對網(wǎng)絡的改變作出反映，一般用于網(wǎng)絡規(guī)模不大、拓撲結構固定的網(wǎng)絡中。靜態(tài)路由的優(yōu)點是簡單、高效、可靠。在所有的路由中，靜態(tài)路由優(yōu)先級最高。當動態(tài)路由與靜態(tài)路由發(fā)生沖突時，以靜態(tài)路由為準。
動態(tài)路由是網(wǎng)絡中的路由器之間相互通信，傳遞路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的過程。它能實時地適應網(wǎng)絡結構的變化。如果路由更新信息表明發(fā)生了網(wǎng)絡變化，路由選擇軟件就會重新計算路由，并發(fā)出新的路由更新信息。這些信息通過各個網(wǎng)絡，引起各路由器重新啟動其路由算法，并更新各自的路由表以動態(tài)地反映網(wǎng)絡拓撲變化。動態(tài)路由適用于網(wǎng)絡規(guī)模大、網(wǎng)絡拓撲復雜的網(wǎng)絡。當然，各種動態(tài)路由協(xié)議會不同程度地占用網(wǎng)絡帶寬和CPU資源。
靜態(tài)路由和動態(tài)路由有各自的特點和適用范圍，因此在網(wǎng)絡中動態(tài)路由通常作為靜態(tài)路由的補充。當一個分組在路由器中進行尋徑時，路由器首先查找靜態(tài)路由，如果查到則根據(jù)相應的靜態(tài)路由轉發(fā)分組;否則再查找動