路由器学习总结

路由器在网络中的作用至关重要，就好像我们坐公交车到某个地方，公交车肯定不是一站直达的，中间要经过许多个公交站点，网络中数据的传输也是一样，源地址与目标地址之间并不是直接到达的，中间也要经过一系列的路由器转发，所以路由器的作用，就是用来转发数据包，使其到达正确的位置。

比如我跟踪一个数据包的传输路径，tracert+IP/域名的命令可以跟踪数据包转发的路径，发现一个数据包的转发要经过很多个站点，图片中第四列显示的就是经过的一系列站点的IP，这些站点实际上就是一个个路由器。

工作原理

在说工作原理 之前，先简单说一下路由表。
路由器转发数据包是根据路由器内部的路由表进行转发，当数据包到达路由器时，查询路由表，获取下一站的地址，然后进行转发，与之对应的每个公交站点都有一个站牌，告诉你下一站是哪里。
以华为路由器为例，说一下路由表的结构，其他型号的路由器大致也差不多。
华为路由表主要包含以下几个字段

• destination/mask：用于描述目标网段，当前往目标网段有多个路径时，选择掩码最长的一条路径转发。
• Protocol：表示路由运行的协议，路由表根据路由协议生成，包含三类路由
  直连路由：有链路层协议发现，开销小，表示与该路由器直连的路由，只能发现本接口所属网段的路由
  静态路由：由人工手动配置，IP router 129.1.0.0 16 10.0.0.2, 129.1.0.0表示目标网段，16表示掩码长度，10.0.0.2表示去往目标网段的下一个路由IP地址
  动态路由：根据各种路由协议算法发现，无需人工维护，但是开销较大，这也是生成路由表的主要方式
• Preference：表示优先级，数值越小，优先级越高
• Metric（Cost）：开销，到达目标网络的代价，值越小，越优先
• Interface：本端接口，表示数据包从本端那个接口转发出去
• Nexthop：下一跳地址，互联网对端路由器的端口

当数据包到达路由器时，会进行下面几个操作

• 读取目标地址的网络部分
• 找到路由表中对应的地址的路由条目，将包转发到相应的路由器接口
• 如果没有找到对应的路由条目，则将包转发到路由器对应的默认路由的接口，如果没有配置默认路由，将包丢弃，返回目标不可达信息
• 到达下一个路由器时，在重复上述过程，直到到达目标地址对应的网段。

整个包传输过程，目标地址，源地址和端口号不会改变，但是MAC地址会发生变化，每经过一个路由器转发，MAC地址会被重新封装一次，封装为下一跳的MAC地址。

一般来说，静态路由的优先级最高，如果配置了静态路由，会优先使用静态路由转发。

由于路由转发的数据量非常大，所以不可避免的会出现路由环回（数据包在一个闭环的环路中不停的转发，始终到不了目标地址）的情况，避免这种情况的方法就是在数据包中封装一个TTL字段，该字段的意义就是最大转发跳数，一旦超过这个限制，便会将该数据包丢弃。

路由协议

之前说到有三类路由，直连路由，静态路由和动态路由，动态路由通过路由协议算法自动生成路由表，无需人工维护，那么路由协议又是什么呢？
路由协议就是满足路由器获取路由表需要而定义的一系列算法，目前有两类路由协议，内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）

内部网关协议包含多种不同的协议，常用的有：RIP-2，EIGRP，IS-IS，OSPF，前两种采用距离矢量算法，生成路由表，后两种采用链路状态算法生成路由表

外部网关协议只有一种，即BGP协议，采用距离矢量算法

再讲工作原理之前，先简单说一下自治域（AS）的概念
全球的互联网被分为多个自治域，运营商和公司都可以申请自治域号码，但是在中国自治域很少，只有几大运营商拥有自己的自治域，美国的很多公司都申请了自治域，这也在一定程度上说明我们国家的互联网发展使比较弱势的。
内部网关协议针对的是一个自治域内部的数据转发，外部网关协议则是针对不同自治域直接的数据转发。下面选取三个有代表性的路由协议，简单说明一下路由协议的工作原理

RIP-2

RIP-2协议采用距离矢量算法，采取最小跳数采取最佳转发路径，针对业务量较小的额网络是没有问题的，但是针对业务量较大的运营商网络，这种算法就显得有些捉襟见肘了。
每隔30秒将距离向量信息传送到相邻的路由器，路由表中只存储到目的地址最佳路径的下一跳地址，该路由协议允许的最大跳数为15跳，也就是说15次转发后还没有到达目的地址，那就将数据包丢弃。
该算法的优点是简单，但缺点也很明显，就是每个路由器只关心自己邻居的状态，无法获取的网络中其他路由器的状态，当关键位置的路由信息改变之后，就无法实时更新自身的路由表，现在使用的已经不多了。

IS-IS

IS-IS和OSPF是目前使用最多的内部网关协议，他们的工作原理也大致相同。
首先明确几个基本概念：

• 最短路径算法（SPF）：把每一台路由器作为一个根，计算到其他目的路由的距离，每一台路由根据统一的数据库计算AS拓扑结构图，即最短路径树，最短路径树的树干长度，即为路由器至每个路由的距离，即路由成本。
• 链路状态协议：基于最短路径优先算法，该协议提供了整网的拓扑视图，根据拓扑图计算到达每个目标的最优路径；当网络变化是触发更新，发送周期性更新链路状态通告。
• LSP：链路状态协议数据单元，包含有关邻居和通道成本的信息，接收路由器用LSA来维护其路由选择表
• Hello报文：用于建立邻居关系，每10s发送一次，无效间隔时间40s，40s内没有接收到邻居的Hello报文，路由器就认为那个邻居不存在
• LSR：链路状态请求信息，告知邻接路由器提供LSA信息
• LSU：链路状态更新信息，一般用来响应LSR信息
• LSAck：用来确认已收到LSU信息
• LoopBack：类似于物理接口的逻辑接口，用于线路环回测试，或对路由器远程登录，一般将该地址作为路由器的RouteID
• NET地址：包含三个部分
  Area ID：标识路由器所在区域，1–13个字节
  SYSTEM ID：AS里唯一标识一个路由器，固定6字节
  SEL：标识IS-IS应用的网络，固定1字节，设置为0是用于IP网络
  一个中间系统必须有一个NET，所有NET的SYSTEM ID必须相同，不同中间系统NET地址不能相同。

下面来看一下工作原理：

• 建立邻接关系，相邻路由器互发Hello报文，验证相关参数，即可建立邻接关系
• 链路状态信息泛洪：链路状态信息在整个网络中传播。
  发生链路状态变化的节点产生一条新的LSP信息，并通过组播地址发送给自己的邻居；
  邻居收到新的LSP，将LSP信息进行序列号相关的比较，将新的LSP安装到自己的LSP数据库中标记为flooding，并通过PSNP（部分时序协议数据单元）进行确认；
  邻居将新的LSP发送给自己所有邻居，完成扩散。由于单进程内路由器数量不多，通常完成一次泛洪时间很短；
• 数据库中有缺少或需要更新的消息，会通过LSR，LSU，LSAck报文互相索取相应的资料
• 完成泛洪后，每个路由器都能知道网络中其他路由器的链路状态信息，然后根据链路状态协议构建最短路径树，计算最短路径

BGP

BGP是唯一一个外部网关协议，首先先了解几个基本概念：

• AS：自治域，AS之间协商部署BGP协议
• BGP Spreaker和Peer：发送BGP消息的路由器称为BGP Spreaker，互相交换消息的BGP Spreaker称为对等体（Peer）
• BGP连接类型：有两种方式，IBGP和EBGP，IBGP不一定要求物理连接，但要求逻辑连接，EBGP要求物理连接
• BGP TTL：EBGP=1，IBGP=255
• BGP AS_PATH：发送给BGP邻居时添加上自己的AS号码，防止出现路由环路，所以这个字段包含了所有经过的AS集合，如果有多条路径，会优先选择AS_PATH最短的路径。
• RR路由反射器：一个AS内部有n台路由器，那么正常来说就要建立n(n-1)/2个连接，这对CPU资源消耗非常大，所以引进了RR路由反射器，他作为一个特殊的路由器，与每一个客户机之间建立IBGP连接，作用就是在其他路由器之间反射路由信息，这样其他路由器即使不建立连接，也可以通过RR路由反射器学习别的路由器的路由信息。
• open报文：用于建立连接，类似于OSPF的HELLO报文
• KeepAlive报文：用于保持连接，默认60s发送一次，hold time时间为180s，180s没有收到邻居的KeepAlive报文，则断开连接
• Update报文：用于携带路由更新信息
• Notification报文：在发现错误，或关闭与对等体连接时使用

工作原理：

• 首先建立BGP连接，这一步需要人工配置对等体，建立在TCP协议之上
• 注入路由，初始状态的路由表为空，只能人工手动导入，两种方式可以导入路由：
  通过命令将IGP路由导入BGP路由，Origin属性为IGP路由属性
  将路由重分布进BGP路由表，Origin属性为Incomplete
• 路由通告，将获取到的BGP路由信息告知别的对等体，只把自己使用的路由通告给别的对等体，从EBGP获取的路由会向所有BGP对等体通告，从IBGP获取的路由依据IGP与BGP同步情况，决定是否向所有BGP对等体通告。
• 路由更新，
  初始化时发送所有的路由给BGP对等体。
  本地保存发送的信息。
  当本地收到新的路由信息时，与保存的信息进行对比，未发送过或发送的信息与本地保存的信息不一致，则发送该路由信息，并更新本地保存的路由信息。
  发现一条路由失效信息，则向对等体发送一个路由撤销信息。
  只发送路由增量信息，保证最小通信量。
• 避免路由环路，AS之间通过携带AS_PATH标记所走过的AS，避免产生环路；AS内部，BGP在AS内部学到的路由信息不再通告给AS内部的BGP邻居，避免产生环路。

以上就是路由器学习的一些总结，构建网络结构，离不开一台台路由器之间的相互配合，选择一个合适的路由协议算法，是保证网络安全性和高效率的必要条件，互联网中每时每刻都有成千上万个数据包在传输，这些数据包不产生冲突，不产生路由环回的情况下，选择一条最优的路径，需要各个学科之间的相互配合。
尤其是数学，网络结构实际上就是一个数学上的拓扑结构，所以用研究数学的方法，来研究网络，会产生事半功倍的效果，这也是华为任正非非常强调数学的作用的原因。