计算机网络——路由

1. 前言：

提起路由又和网络相关，可能很多人第一反应就是家里的路由器。家里的路由器实际上是简化了部分企业路由器功能的wiif信号发射器。

路由器确实有路由功能不假，但是并非这篇文章的重点，❓重点是路由器中路由是什么，为什么要有路由，路由器是如何实现的？

2. 路由基础

2.1. 路由的相关概念

由于可能有的的网络环境比较复杂，可能有多个网段，vlan，或者多个网关，那么，vlan要不要通信，网段之间要不要通信，或者，什么时候，哪个网段走哪个网关都是一个需要考虑的问题，对不同的数据流设置一个走的路径就是路由需要实现的功能。

2.2. 路由的特征

1. 路由是指导报文转发的路径信息，通过路由可以确认转发IP报文的路径。
2. 路由设备是依据路由转发报文到目的网段的网络设备，最常见的路由设备：路由器。
3. 路由设备维护着一张路由表，保存着路由信息。

2.3. 路由的过程

1. 接收数据包： 路由器接收来自网络的数据包，这些数据包通常包含目标设备的IP地址、源设备的IP地址以及其他与网络通信相关的信息。

2. 查找路由表： 路由器内部维护一个路由表，其中包含有关网络的信息，包括与其他网络相连的接口以及如何将数据包发送到目标网络的指令。路由器使用目标IP地址来查找路由表，以确定数据包应该被发送到哪个接口。

3. 确定下一跳： 路由表中的信息帮助路由器确定数据包的下一跳，即下一个网络节点或路由器，以便将数据包传送到目标网络。

4. 转发数据包： 路由器将数据包发送到正确的接口，进而将数据包传送到下一跳。这可能涉及到使用各种网络协议（例如IP、IPv6）来确保数据包按照正确的方式转发。
   

3 路由协议

3.1. 静态路由：

经过上面的简单了解，我们知道了路由中存在路由表，那么静态路由就是给了人为的高度自主权，

我们通过静态路由可以设置那些网段，转发到哪里

简单实验（pc1，pc2，ip分别为10.0.0.1,10.0.1.1）
要用三层口哦（GigabitEthernet）


由于跨网段，路由器在不进行任何配置的情况下，应该是ping不通的。

如果我们配置一个静态路由就可以简单解决跨网段的问题了。

1. 进入系统视图

system view

2. 设置路由器端口ip

interface GigabitEthernet 0/0/0
ip address 10.0.0.254 255.255.255.0

quit
interface GigabitEthernet 0/0/1
ip address 10.0.1.254 255.255.255.0

4. 添加静态路由（实际上这个是自学习端口，并非手动添加）

route-static 10.0.1.1 32 10.0.1.254
route-static 10.0.0.1 32 10.0.0.254
## ip address 目的地址 掩码  下一跳

3.2. 动态路由：

3.2.1. 距离矢量协议

• 运行距离矢量路由协议的路由器周期性的泛洪自己的路由表。通过路由的交互，每台路由器都从相邻的路由器学习到路由，并且加载进自己的路由表中。
• 对于网络中的所有路由器而言，路由器并不清楚网络的拓扑，只是简单的知道要去往某个目的方向在哪里，距离有多远。这即是距离矢量算法的本质。

3.2.2. OSPF协议：

3.2.2.1.OSPF概述

OSPF是典型的链路状态路由协议，是目前业内使用非常广泛的IGP协议之一。目前，针对IPv4协议使用的是OSPF Version 2（RFC2328），而针对IPv6协议使用OSPF Version 3（RFC2740）。本章后续提到的OSPF均指的是OSPF Version 2。

OSPF的工作原理

运行OSPF路由器之间交互的是LS（Link
State，链路状态）信息，而不是直接交互路由。LS信息是OSPF能够正常进行拓扑及路由计算的关键信息。OSPF路由器将网络中的LS信息收集起来，存储在LSDB中。路由器都清楚区域内的网络拓扑结构，这有助于路由器计算无环路径。

路由计算

每台OSPF路由器都采用SPF算法计算达到目的地的最短路径。路由器依据这些路径形成路由加载到路由表中。

功能特性

• OSPF支持VLSM（Variable Length Subnet Mask，可变长子网掩码）。
• 支持手工路由汇总。
• 多区域的设计使得OSPF能够支持更大规模的网络。

3.2.2.2.OSPF报文

OSPF 报文类型

1. Hello 报文

• 目的： 发现相邻的OSPF路由器。
• 包含信息： OSPF版本、区域ID、路由器ID等。
• 用途： 确定邻居关系，协商OSPF参数。

2. DBD（Database Description）报文

• 目的： 交换LSDB（Link State Database）的摘要信息。
• 包含信息： LSDB摘要，用于比较两台路由器的LSDB。
• 用途： 在建立邻居关系后，用于同步链路状态数据库。

3. LS Request 报文

• 目的： 请求邻居发送缺失的LSA（Link State Advertisement）
• 包含信息： 请求缺失的LSA的ID。
• 用途： 用于同步LSDB，确保每台路由器都有完整的链路状态数据库。

4. LS Update 报文

• 目的： 向邻居发送新的或更新的LSA。
• 包含信息： 包含新增或更新的LSA。
• 用途： 用于更新链路状态数据库。

5. LS Acknowledgment 报文

• 目的： 确认接收到的LS Update 报文。
• 包含信息： 确认收到的LSA的ID。
• 用途： 确保LSA的可靠传输。

3.2.2.2.OSPF邻接关系建立

1. Hello 报文发送：
   路由器通过发送Hello报文来广播自己的存在。
   报文包含路由器ID、OSPF区域ID、邻居路由器的IP地址等信息。
   Hello 报文接收：

2. 相邻的路由器接收Hello报文，并检查其中的参数。
   如果参数匹配，它们将进入邻居候选状态。

3. DR/BDR 选举：
   如果OSPF网络是多播网络（如Ethernet），路由器将参与DR（Designated Router）和BDR（Backup Designated Router）的选举。
   DR负责与其他区域的路由器建立邻居关系。

4. 邻居状态确认：
   路由器收到Hello报文后，会检查邻居的路由器ID和OSPF区域ID。
   如果匹配，则路由器将进入邻居状态。

5. LSDB 同步：
   通过DBD（Database Description）报文，路由器交换其链路状态数据库（LSDB）的摘要信息。
   如果两个路由器的LSDB相同，那么它们就具有相同的视图，进入“Exchange”状态。

6. LSA 请求和更新：
   如果有不同的LSA（Link State Advertisement），路由器将使用LS Request和LS Update报文来请求和更新缺失的LSA。

7. LSA Acknowledgment：
   收到LS Update报文后，路由器发送LS Acknowledgment报文进行确认。
   这确保了LSA的可靠传输。

8. 最终邻居状态：
   当LSDB同步完成并且邻居确认了所有LSA的更新后，路由器进入“Full”状态。
   此时，路由器之间建立了完全邻居关系，可以开始交换路由信息并计算最短路径。

状态	描述
Down	初始状态，表示路由器与邻居之间尚未建立连接。
Init	路由器发送了Hello报文，但尚未收到邻居的Hello报文。
2-Way	路由器之间建立了双向通信，已经收到了邻居的Hello报文。
ExStart	用于Master/Slave选举。在这个状态，路由器确定哪一个将作为Master，用于Master/Slave状态机的同步。
Exchange	路由器在这个状态下交换数据库描述（DBD）报文，以了解彼此的链路状态数据库（LSDB）的摘要信息。
Loading	在这个状态下，路由器交换Link State Request（LSR）和Link State Update（LSU）报文，以请求和传输LSA（Link State Advertisement）。
Full	路由器在这个状态下，与邻居建立了完全邻居关系，LSDB已经同步完成，可以进行最短路径计算，并开始交换路由信息。

3.2.2.2.OSPF区域概念

• OSPF域（Domain）：一系列使用相同策略的连续OSPF网络设备所构成的网络。
• OSPF路由器在同一个区域（Area）内网络中泛洪LSA。为了确保每台路由器都拥有对网络拓扑的一致认知，LSDB需要在区域内进行同步。
• 如果OSPF域仅有一个区域，随着网络规模越来越大，OSPF路由器的数量越来越多，这将导致诸多问题：

1. • LSDB越来越庞大，同时导致OSPF路由表规模增加。路由器资源消耗多，设备性能下降，影响数据转发。
2. • 基于庞大的LSDB进行路由计算变得困难。
     当网络拓扑变更时，LSA全域泛洪和全网SPF重计算带来巨大负担。