【计算机网络】图解路由器（一）

本系列包含：

• 图解路由器（一）
• 图解路由器（二）

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随着接入网络的终端越来越多，网络规模越来越大，但是二层交换机的容量和性能有限，无法接入日益增多的终端。于是就有了三层网络设备 路由器，连接不同网段的二层交换机，进而把全世界的网络都连接起来。接下来我们看看关于路由器的常见问题。

1、什么是路由器？

路由器是负责 网络层 的工作的硬件设备，通过不同端口，连接不同的网段，识别目的地址，根据路由表进行数据包转发。

2、什么是路由选择？

路由器为数据包选择路径的过程叫做 路由选择。路由器从接口收到数据包后，根据目的地址的信息进行路由选择，按照选择结果将数据包从对应接口 转发 出去。

转发的路线叫做 路径。

路由器在路由选择时，参考的信息叫做 路由表。路由器通过这些信息判断数据包转发到哪个网络。

路由表由多个 路由表项 组成，路由表项既可以手动设置 静态路由，也可以通过路由协议自动生成 动态路由。

名称	英文名称	说明
路径	route	路由器转发数据包的路径
路由选择	routing	路由器为数据包选择路径的过程。完成路由选择后，把数据包转发出去的过程，叫做转发（forwarding）
路由表项	routing table entry	路由器在路由选择时参考的信息，由 目的地址 和 下一跳 组成
路由表	routing table	路由表项的汇总，路由器进行路由选择时需要参考的内容

路由选择在网络层完成，过程如下：

3、什么是转发？

路由选择的过程需要根据目的 IP 地址的信息，判断将数据包转发到哪个网络。路由器的一个接口对应一个网络，发送到不同网络，是指路由器从某个接口收到数据，然后从另外的接口发送出去。

把数据包从接收接口到发送接口的发送过程叫做 转发。

4、路由器设备有哪些类型？

一种是在 PC 或 Service 中运行 路由器软件 当做一台路由器使用。

还有一种更常见、更普及的路由器，是安装路由器专用操作系统和配备专用硬件的设备，也叫做 硬件设备。

与路由器软件对比，专用的硬件设备有许多优点：

• 提供更容易使用的接口
• 操作简单
• 可以在短时间完成加载
• 定制系统可以轻松的提高吞吐量
• 可靠性更高
• 对于路由器功能来说，成本更低

5、根据性能分类，路由器有哪些类型？

路由器根据性能，可以分为 高端路由器、中端路由器 和 低端路由器，以及价格便宜的 家用路由器，共 $4$ 种类型。

路由器分类	用途
高端路由器	电信运营商、数据中心、大型企业的核心路由器
中端路由器	企业的核心路由器、电信运营商的边缘路由器
低端路由器	中小企业核心路由器、大型企业分支机构路由器
家用路由器	小规模机构、家庭使用

5.1 高端路由器

高端路由器的性能最好，主要作为骨干网络的核心路由器使用，在数据中心、电信运营商网络中完成网络互连等功能。

这类路由器又叫做 框式路由器，有可以插入多块扩展卡的卡槽。扩展卡的类型丰富，主要有路由引擎、交换结构、线卡等。

模块	作用
路由引擎	主要是路由表的维护以及路由协议的控制
交换结构	在多块线卡之间进行通信的内部总线机构，决定了路由器转发数据量（路由交换容量）的大小
线卡	数据输入输出接口的扩展卡
背板	提供插入路由引擎、线卡连接卡槽的底部主板，通过串行线路连接各个线卡

框式路由器不仅可以控制接口的数量，还可以增强设备的交换容量，具有引擎冗余功能。

当某一个模块发生故障时，无需关闭路由器电源，在其它模块仍在工作状态下，只替换发生故障的扩展卡即可修复，这种操作叫做 热插拔 或 在线插拔。

5.2 中端路由器

中端路由器通常作为企业的核心路由器，是整个企业网络的中心。

中端路由器可分为两类，一类是在机框上配置固定数量接口的设备，无法额外添加端口，叫做 箱式路由器；另一类是可以根据需要的端口，添加对应端口的可选模块，进而扩充端口数量的设备，叫做 模块式路由器。

5.3 低端路由器

低端路由器用于中小企业或大型企业营业部、或分支机构。同中端路由器一样，也分成两类，一类是端口数量固定的 箱式路由器，另一条是端口数量和类型可变的 模块式路由器。

还有一类是无法在机架内使用的，叫做 桌面式路由器。

6、什么是家用路由器？

一般是小规模分支机构或家庭连接宽带使用的路由器，也叫做 WAN 路由器。还集成了无线网络功能，支持 WiFi 6 无线标准。

7、运营商用什么类型的路由器？

电信运营商在对企业或家庭提供网络服务时，搭建的网络规模会比企业网大很多，对路由器的功能和性能有更高的要求，也更加复杂。从电信运营商的角度分类，路由器可分为：核心路由器、边缘路由器和用户边缘路由器。

• 核心路由器：核心路由器位于 骨干网 中，用于构建核心网络。核心网络用于各个业务网络的互联，承载着高速转发各个网络之间流量的任务。

• 边缘路由器：边缘路由器是在 骨干网边缘 接入的路由器，用于接入用户网络线路，并连接骨干网。由于用户众多，边缘路由器需要高速转发，同时还要完成数据的优先级、包过滤、认证、加密等多个功能。

• 用户边缘路由器：用户边缘路由器是放在 用户处 的路由器，连接运营商的边缘路由器。

8、企业用什么类型的路由器？

面向企业的路由器叫做企业路由器，根据网络中所在的位置和分工，可分为几类：

（1）接入路由器

用户接入网络使用的路由器叫做接入路由器，由接入路由器组成的网络叫做 接入网。它可以提供认证、接入控制等功能，通常部署在企业的分支机构或下属部门。

在家里或出差时，接入公司网络使用的远程接入路由器，也是接入路由器的一种，使用拨号连接、PPTP 、IPsec 、SSL 等协议完成接入过程。

（2）汇聚路由器

在大型网络中，会在核心层和接入层中间搭建一个汇聚层网络，形成 $3$ 层网络结构。汇聚路由器负责在汇聚接入网的路由选择信息，完成包过滤等工作，实现多个网络的互连。

（3）核心路由器

核心路由器是位于网络中心位置的路由器，和接入网或汇聚网实现数据高速传输。

（4）家用路由器

家用路由器是内置 ADSL 调制解调器和 ONU 、使用 PPPOE 协议连接运营商网络的路由器。

（5）移动路由器

出差或外出时，用来连接互联网的便携式路由器，也叫做移动路由器。这种路由器外形小巧轻便，有些配有有线 LAN 接口和无线 LAN 接入点，有些通过 USB 接口或流量卡连接互联网，有些还集成了流量卡和路由器的两种功能。

9、什么是 IP 地址？

IP协议常见的有两种：IPv4 和 IPv6 。

IPv4 地址用点 “.” 把地址等分成 $4$ 个部分，使用十进制表示。IPv4 共 $32$ 位二进制，每部分长度是 $8$ 位，取值范围是 $0$ ~ $255$，举个例子：192.168.0.1。

10、地址如何分类？

IP 地址分为五类，分别是 A 类、 B 类、 C 类、 D 类 、E 类。前面三类是根据固定的网络位和主机位区分的。

• A 类地址 范围是 0.0.0.0 ~ 127.255.255.255，前面 $8$ 位是网络位，剩余的是主机位。
• B 类地址 范围是 128.0.0.0 ~ 191.255.255.255，前面 $16$ 位是网络位，后面 $16$ 位是主机位。
• C 类地址 范围是 192.0.0.0 ~ 223.255.255.255，前面 $24$ 位是网络位，后面 $8$ 位是主机位。

还有用于组播的 D 类地址，范围是 224.0.0.0 ~ 239.255.255.255，用于研究的 E 类地址，范围是 240.0.0.0 ~ 255.255.255.255。

11、什么是 CIDR ？

CIDR 不使用固定的地址分类，而是使用 可变长子网掩码 确定网络位。网络位之前只有 $8$ 位、$16$ 位或 $24$ 位三种，使用 CIDR 后，可分配任意长度的网络位，主机位也可以是任意长度，就出现了新的子网掩码。子网掩码的网络位全是 $1$ ，主机位全是 $0$。举个栗子：网络位长度为 $24$ 位，子网掩码就是 255.255.255.0，还可以用 /24 表示。

12、什么是私有地址？什么是公网地址？

在内部网络使用的地址，就是 私有地址。每个地址分类都有一段私有地址，给不同规模的内部网络使用。

地址类别	私有地址范围
A 类地址	10.0.0.0 ~ 10.255.255.255（10.0.0.0/8）
B 类地址	172.16.0.0 ~ 172.31.255.255（172.16.0.0/12）
C 类地址	192.168.0.0 ~ 192.168.255.255（192.168.0.0/16）

A 类到 C 类地址中，除了私有地址之外，所有地址都是 公网地址。

13、单播、广播、组播和任意波的区别是什么？

• 单播：向目的 IP 地址的单台主机发送数据。使用 IPv4 中的 A 类、B 类、C 类地址。

• 广播：向同网段内的所有主机发送数据。使用 255.255.255.255 或主机位全是 $1$ 的地址。

• 组播：使用专用 IP 地址，向特定的多个主机发送相同的数据。使用 IPv4 中的 D 类地址。

• 任意播：一个任意播地址分配给多个主机，还有多条路由到达相同的目的地，选择代价最小的主机发送数据。只在 IPv6 中存在。

14、接口有哪些类型？

IP 地址 是网络层的逻辑地址。MAC 地址 是数据链路层的物理地址，与物理接口一一对应，无法修改，也不存在重复的地址。

接口名称	说明
三层接口	可以进行三层处理的物理接囗。当链路没通时，IP 地址也不通
回环接口	设备用来表示自己的虚拟接口。PC 使用 127.0.0.1，IPv6 是 $::1$。链路连通时，这个虚拟接口到任一物理接囗都是可达的
VLAN 接口	为 VLAN 分配 IP 地址使用的虚拟接口
汇聚接囗	将多个物理接口汇聚成的逻辑接口
子接口	使用 VLAN ID 把一个物理接口分割成多个带标签的逻辑接囗，这就是子接口
辅助地址	当路由器有两个及以上的可配置 IP 的接口时，可以同时分配不同的 IP 地址，第二个地址就是辅助地址。可以用于网络迁移或网络管理

15、什么是 ARP ？

ARP（Address Resolution Protocol） 是通过 IPv4 地址获取 MAC 地址的网络协议。路由器在发送 IP 包时，会用 ARP 获取以太网帧需要的目的 MAC 地址。完成 ARP 解析后，解析结果会保存在 ARP 表中。这个表项有一定时限，这个时限叫做 老化时间，超时后需要再次解析 ARP。

16、什么是 DHCP ？

DHCP（Dynamic Host Configuration Protocol） 是为主机（客户端）自动配置 IP 地址、子网掩码、域名、DNS 服务器、默认网关 等信息的网络协议。

如果手动为每台主机配置 IP 地址，是非常繁琐的，而且容易出错。而使用 DHCP 就可以自动完成地址分配，非常的方便和快捷。

17、什么是 PPPoE ？

PPPoE（Point-to-Point Protocol Over Ethernet） 就是以太网上的点对点协议，在 LAN 上完成用户认证，并分配 IP 地址的网络协议。用于提供网络接入服务，让设备接入互联网。

18、路由表包含哪些信息？

路由表包含路由选择的必要信息，主要内容如下：

• 目的 IP 地址：IP 包的目的地址。
• 子网掩码：表示目的 IP 地址有多少位是网络位。
• 网关：IP 包下一跳的 IP 地址。
• 网络接口：IP 包从哪个路由器接口发送出去。
• 度量值：当有多条到达目的地的不同路径时，度量值越小表示优先级越高。

以上五个内容组成一条路由表项。

19、什么是最长匹配原则？

如果路由表中出现多条到达同一个目的网络的表项时，选择 子网掩码最长、度量值最小 的表项，这就是最长匹配原则。

20、什么是默认网关？

如果路由表中不存在满足条件的表项，那么会根据路由表中的默认路由表项进行转发。默认路由表项的 IP 地址是 0.0.0.0，子网掩码是 0.0.0.0，即 0.0.0.0/0。默认路由表项又叫做默认网关。如果路由表中不存在默认网关，那么路由器会告知错误，并丢弃这个数据包。