交换机与路由器技术-05-路由器工作原理

目录

一、路由器的工作原理

1.1 回顾交换机的工作原理

1.2 回顾路由器相关知识

1.3 网络层IP数据包格式

二、路由器工作原理

2.1 路由

2.2 路由器工作模式

2.3 路由表

2.4 静态路由

2.5 动态路由

2.6 分层次的路由协议

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一、路由器的工作原理

1.1 回顾交换机的工作原理

交换机维护了一张MAC地址表，主要记录的是MAC地址和接口的对应关系，交换机在初始状态下MAC地址表为空，当收到一个数据来自某接口（F0/1）的数据时，首先查看数据帧中源MAC地址，对照自己的MAC地址表，如果不在表中将发送方的MAC地址学习并记录到自己表中，并附上对应接口（F0/1）,再查看目的MAC地址，如果目的MAC地址也不在MAC地址表中，将进行从接收接口外的其他所有连接接口转发出去（广播），此时，目的主机将接收到，其他主机也会收到，其他主机接收到后查看目的MAC不是自己，直接丢弃

目的主机接收并回应，回应过程中，数据同样会交给交换机进行转发，目的主机这时就变成了回应的发送主机。当交换机接收到来自目的主机的回应报文时，（F0/10）,同样查看目的发送方的MAC地址，不在就学习并记录到MAC表。(F0/10)并附带对应接口，再查看目的目的MAC，由于之前有记录，直接从对应的接口(F0/1)进行转发 （单播）

总结：

学习源MAC—广播数据帧---接收方回应---单播转发

1.2 回顾路由器相关知识

路由器属于三层设备（网络层）

网络层的功能：进行逻辑地址（IP地址）寻址，实现不同网络之间的路径选择。

逻辑地址寻址：查询目的地址是否可达。如果可达就选择一条最优路径进行转发。

如果目的地址不可达，直接返回给发送方一个消息，提示目的主机不可达。

不同网络：网络地址不等、内网和外网的分割（内网的IP无法直接在外网进行路由）

网络层所传输的PDU（传输数据单元）：数据包（IP数据包）

网络层所封装的是IP头部 关键信息：源IP，目的IP

1.3 网络层IP数据包格式

TCP/IP协议定义了一个在英特网上传输的包，称为IP数据包。由首部和数据两部分组成，首部前一部分是固定长度，共20字节，是所有IP数据包必须具备的，首部固定部分后面是一些可选字段，其长度是可变的，首部中源IP和目的IP地址都是IP协议地址。

IPv4 IP数据包

版本：占4位，指的是IP协议版本，通信双方使用的IP协议版本必须一致，目前主流的是版本4，即IPV4

首部长度：占4位，IP包头部长度，长度可变，（因为有可选字段）需要定义

优先级和服务类型：占8位，用来获得更好的服务，1998年IETF把该字段改名为分区服务DS，只有在使用分区服务时该字段才起作用。提供3层的QoS（服务访问质量）

总长度：至首部及数据之和的长度，单位为字节

标识：占16位，IP软件在存储器中维持了一个计数器，每产生一个数据报，计数器就加1，并将该值赋给标识字段

标志：占3位

段偏移量：占13位，上层来的数据到IP层会被分片，这几个字段用来对数据包进行标识，使数据到达目的端重组时不会乱序

生存时间：占8位 常用英文缩写TTL(time to live) 表明其数据报在网络中的寿命，当TTL为0就丢弃这个数据报，防止数据包在网络传输循环不停的传。数据包在路由器转发的消耗时间，如果小于1s TTL值就减1，如果为0还未到达目的就丢掉。

协议号：占8位 指出该数据报写到的数据使用何种协议，以便使目的主机IP层知道将数据部分上交给哪个处理过程（标识封装的上层数据是TCP还是UDP。 TCP 6 UDP 17）

首部校验和：占16位，只校验数据报首部，不包括数据部分，因为数据报每经过一个路由器，都要重新计算一下首部校验和（如生存时间，标志，等可能发生变化）

源地址：发送方IP地址 32位

目的地址：接收方IP地址 32位

二、路由器工作原理

2.1 路由

从源主机到目标主机的转发过程（跨网络访问）

包含两个基本动作

        确定最佳路径：手动指定、使用动态路由，根据动态路由协商方式

        通过网络传输信息

2.2 路由器工作模式

路由器：能够将数据包转发到正确的目的地，并在转发过程中选择最佳路径的设备

路由器转发数据过程

接收数据包—>查看目的IP地址—>与路由表进行匹配找到转发端口—>转发到该端口

具体过程

主机1.1发送数据包给主机4.1 因为IP地址不在同一网段，主机将数据包发送给本网段的网关路由器A

路由器A收到数据包，查看数据包IP首部中目标IP地址，再查找自己的路由表，数据包目标IP地址4.1是属于4.0网段，路由器A在路由表中找到4.0网段转发接口是s0（如果没有记录需要给路由器配置动态路由协议，让他协商学习到该网段的路由条目。）于是路由器A将数据包重新封装后，通过S0接口转发出去

网络中的每一个路由器都按这样的步骤转发数据，直到到达路由器B，用同样的方法从E0口转发出去，4.1主机收到这个数据包。

如果是同网段，可以直接通过ARP广播查找目标主机，使用MAC地址建立通信。不同网段需要将数据包发送给网关。

2.3 路由表

       直连路由：当路由器接口配置好对应IP地址，并开启接口后自动生成

       非直连路由：手动配置静态路由或者使用动态路由协议学习到。

2.4 静态路由

由管理员手动配置，不灵活而且是单向的

默认路由（特殊静态路由）：可到达任意路由

使用场景：一般应用于末梢网络，网络最末端。（一个路由器的一段只连接了一个网络）

主要用途：当在路由器中找不到目标网络的路由条目时，再去查看默认路由

2.5 动态路由

       通过某种动态路由协议，自动去建立自己的路由表，并能够根据实际情况动态调整

       常见的动态路由协议：RIP、OSPF、IS-IS、BGP、IGRP、EIGRP等

2.6 分层次的路由协议

互联网划分为许多较小的自治系统AS.每个自治系统通常运行相同的路由算法。不同AS之间彼此互联，因此一个AS中会有一个或多个路由器用于不同AS之间的通信，即负责将本AS内之外的目的地址转发分组。这些路由称为网关路由

内部网关协议(IGP)：在一个自治系统内不使用的路由选择协议，常见的：RIP、OSPF

外部网关协议(EGP)：用于实现不同自治系统之间通信传递，这样的协议就是EGP，目前使用最多的是BGP-4版本

RIP（Routing Information Protocol）协议——路由信息协议，是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议，最大的优点是简单。

OSPF（Open Shortest Path First）协议——开放最短路径优先协议。“最短路径优先”是因为使用了迪杰特斯拉（Dijkstra）提出的最短路径算法 SPF。

IS-IS属于内部网关协议IGP（Interior Gateway Protocol），用于自治系统内部。IS-IS是一种链路状态协议，使用最短路径优先SPF（Shortest Path First）算法进行路由计算，与OSPF协议有很多相似之处。

BGP协议是外部网关协议，目前使用最多的版本是BGP-4，通常简写为BGP。

IGRP内部网关路由协议（英语：Interior Gateway Routing Protocol，缩写为IGRP），又译网关间选径协议，是一种内部网关协议，采用距离向量算法

EIGRP 是另一种思科路由协议 IGRP（内部网关路由协议）的增强版。 IGRP 是较早的有类距离矢量路由协议，自 IOS 12.3 后已被淘汰。