路由器原理

Posted 2020-10-14 天空下骄傲

转自:http://network.51cto.com/art/200511/11042_2.htm

近十年来，随着计算机网络规模的不断扩大，大型互联网络（如Internet）的迅猛发展，路由技术在网络技术中已逐渐成为关键部分，路由器也随之成为最 重要的网络设备。用户的需求推动着路由技术的发展和路由器的普及，人们已经不满足于仅在本地网络上共享信息，而希望最大限度地利用全球各个地区、各种类型 的网络资源。而在目前的情况下，任何一个有一定规模的计算机网络（如企业网、校园网、智能大厦等），无论采用的是快速以大网技术、FDDI技术，还是 ATM技术，都离不开路由器，否则就无法正常运作和管理。 
1.网络互连 
把自己的网络同其它的网络互连起来，从网络中获取更多的信息和向网络发布自己的消息，是网络互连的最主要的动力。网络的互连有多种方式，其中使用最多的是网桥互连和路由器互连。 
1.1 网桥互连的网络 
网 桥工作在OSI模型中的第二层，即链路层。完成数据帧（frame）的转发，主要目的是在连接的网络间提供透明的通信。网桥的转发是依据数据帧中的源地址 和目的地址来判断一个帧是否应转发和转发到哪个端口。帧中的地址称为“MAC”地址或“硬件”地址，一般就是网卡所带的地址。 
网桥的作用是把两 个或多个网络互连起来，提供透明的通信。网络上的设备看不到网桥的存在，设备之间的通信就如同在一个网上一样方便。由于网桥是在数据帧上进行转发的，因此 只能连接相同或相似的网络（相同或相似结构的数据帧），如以太网之间、以太网与令牌环（token ring）之间的互连，对于不同类型的网络（数据帧结构不同），如以太网与X.25之间，网桥就无能为力了。 
网桥扩大了网络的规模，提高了网络 的性能，给网络应用带来了方便，在以前的网络中，网桥的应用较为广泛。但网桥互连也带来了不少问题：一个是广播风暴，网桥不阻挡网络中广播消息，当网络的 规模较大时（几个网桥，多个以太网段），有可能引起广播风暴（broadcasting storm），导致整个网络全被广播信息充满，直至完全瘫痪。第二个问题是，当与外部网络互连时，网桥会把内部和外部网络合二为一，成为一个网，双方都自 动向对方完全开放自己的网络资源。这种互连方式在与外部网络互连时显然是难以接受的。问题的主要根源是网桥只是最大限度地把网络沟通，而不管传送的信息是 什么。 
1.2 路由器互连网络 
路由器互连与网络的协议有关，我们讨论限于TCP／IP网络的情况。 
路 由器工作在OSI模型中的第三层，即网络层。路由器利用网络层定义的“逻辑”上的网络地址（即IP地址）来区别不同的网络，实现网络的互连和隔离，保持各 个网络的独立性。路由器不转发广播消息，而把广播消息限制在各自的网络内部。发送到其他网络的数据茵先被送到路由器，再由路由器转发出去。 
IP路由器只转发IP分组，把其余的部分挡在网内（包括广播），从而保持各个网络具有相对的独立性，这样可以组成具有许多网络（子网）互连的大型的网络。由于是在网络层的互连，路由器可方便地连接不同类型的网络，只要网络层运行的是IP协议，通过路由器就可互连起来。 
网 络中的设备用它们的网络地址（TCP／IP网络中为IP地址）互相通信。IP地址是与硬件地址无关的“逻辑”地址。路由器只根据IP地址来转发数据。IP 地址的结构有两部分，一部分定义网络号，另一部分定义网络内的主机号。目前，在Internet网络中采用子网掩码来确定IP地址中网络地址和主机地址。 子网掩码与IP地址一样也是32bit，并且两者是一一对应的，并规定，子网掩码中数字为“1”所对应的IP地址中的部分为网络号，为“0”所对应的则为 主机号。网络号和主机号合起来，才构成一个完整的IP地址。同一个网络中的主机IP地址，其网络号必须是相同的，这个网络称为IP子网。 
通信只能在具有相同网络号的IP地址之间进行，要与其它IP子网的主机进行通信，则必须经过同一网络上的某个路由器或网关（gateway）出去。不同网络号的IP地址不能直接通信，即使它们接在一起，也不能通信。 
路由器有多个端口，用于连接多个IP子网。每个端口的IP地址的网络号要求与所连接的IP子网的网络号相同。不同的端口为不同的网络号，对应不同的IP子网，这样才能使各子网中的主机通过自己子网的IP地址把要求出去的IP分组送到路由器上。 
2.路由原理 

当 IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一台主机时，它将直接把IP分组送到网络上，对方就能收到。而要送给不同IP于网上的主机时，它要选 择一个能到达目的子网上的路由器，把IP分组送给该路由器，由路由器负责把IP分组送到目的地。如果没有找到这样的路由器，主机就把IP分组送给一个称为 “缺省网关（default gateway）”的路由器上。“缺省网关”是每台主机上的一个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的IP地址。 
路由器转发IP分 组时，只根据IP分组目的IP地址的网络号部分，选择合适的端口，把IP分组送出去。同主机一样，路由器也要判定端口所接的是否是目的子网，如果是，就直 接把分组通过端口送到网络上，否则，也要选择下一个路由器来传送分组。路由器也有它的缺省网关，用来传送不知道往哪儿送的IP分组。这样，通过路由器把知 道如何传送的IP分组正确转发出去，不知道的IP分组送给“缺省网关”路由器，这样一级级地传送，IP分组最终将送到目的地，送不到目的地的IP分组则被 网络丢弃了。 
目前TCP／IP网络，全部是通过路由器互连起来的，Internet就是成千上万个IP子网通过路由器互连起来的国际性网络。这 种网络称为以路由器为基础的网络（router based network），形成了以路由器为节点的“网间网”。在“网间网”中，路由器不仅负责对IP分组的转发，还要负责与别的路由器进行联络，共同确定“网间 网”的路由选择和维护路由表。 
路由动作包括两项基本内容：寻径和转发。寻径即判定到达目的地的最佳路径，由路由选择算法来实现。由于涉及到不同 的路由选择协议和路由选择算法，要相对复杂一些。为了判定最佳路径，路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表，其中路由信息依赖于所用的路由选择 算法而不尽相同。路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中，根据路由表可将目的网络与下一站（nexthop）的关系告诉路由器。路由器间互通信息进 行路由更新，更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化，并由路由器根据量度来决定最佳路径。这就是路由选择协议（routing protocol），例如路由信息协议（RIP）、开放式最短路径优先协议（OSPF）和边界网关协议（BGP）等。 
转发即沿寻径好的最佳路径 传送信息分组。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点（路由器或主机），如果路由器不知道如何发送分组，通常将该分组丢弃； 否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端口上。这就是路由转发协议 （routed protocol）。 
路由转发协议和路由选择协议是相互配合又相互独立的概念，前者使用后者维护的路由表，同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。下文中提到的路由协议，除非特别说明，都是指路由选择协议，这也是普遍的习惯。 
3.路由协议 
典型的路由选择方式有两种：静态路由和动态路由。 
静 态路由是在路由器中设置的固定的路由表。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。由于静态路由不能对网络的改变作出反映，一般用于网络规模不大、 拓扑结构固定的网络中。静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由优先级最高。当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。 
动 态路由是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。它能实时地适应网络结构的变化。如果路由更新信息表明发生了 网络变化，路由选择软件就会重新计算路由，并发出新的路由更新信息。这些信息通过各个网络，引起各路由器重新启动其路由算法，并更新各自的路由表以动态地 反映网络拓扑变化。动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网络。当然，各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源。 
静态路由和动态路由有各自的特点和适用范围，因此在网络中动态路由通常作为静态路由的补充。当一个分组在路由器中进行寻径时，路由器首先查找静态路由，如果查到则根据相应的静态路由转发分组；否则再查找动态路由。 
根 据是否在一个自治域内部使用，动态路由协议分为内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）。这里的自治域指一个具有统一管理机构、统一路由策略的网 络。自治域内部采用的路由选择协议称为内部网关协议，常用的有RIP、OSPF；外部网关协议主要用于多个自治域之间的路由选择，常用的是BGP和 BGP-4。下面分别进行简要介绍。 
3.1 RIP路由协议 
RIP协议最 初是为Xerox网络系统的Xerox parc通用协议而设计的，是Internet中常用的路由协议。RIP采用距离向量算法，即路由器根据距离选择路由，所以也称为距离向量协议。路由器收 集所有可到达目的地的不同路径，并且保存有关到达每个目的地的最少站点数的路径信息，除到达目的地的最佳路径外，任何其它信息均予以丢弃。同时路由器也把 所收集的路由信息用RIP协议通知相邻的其它路由器。这样，正确的路由信息逐渐扩散到了全网。 
RIP使用非常广泛，它简单、可靠，便于配置。但是RIP只适用于小型的同构网络，因为它允许的最大站点数为15，任何超过15个站点的目的地均被标记为不可达。而且RIP每隔30s一次的路由信息广播也是造成网络的广播风暴的重要原因之一。 
3.2 OSPF路由协议 
80年代中期，RIP已不能适应大规模异构网络的互连，0SPF随之产生。它是网间工程任务组织（1ETF）的内部网关协议工作组为IP网络而开发的一种路由协议。 
0SPF 是一种基于链路状态的路由协议，需要每个路由器向其同一管理域的所有其它路由器发送链路状态广播信息。在OSPF的链路状态广播中包括所有接口信息、所有 的量度和其它一些变量。利用0SPF的路由器首先必须收集有关的链路状态信息，并根据一定的算法计算出到每个节点的最短路径。而基于距离向量的路由协议仅 向其邻接路由器发送有关路由更新信息。 
与RIP不同，OSPF将一个自治域再划分为区，相应地即有两种类型的路由选择方式：当源和目的地在同一 区时，采用区内路由选择；当源和目的地在不同区时，则采用区间路由选择。这就大大减少了网络开销，并增加了网络的稳定性。当一个区内的路由器出了故障时并 不影响自治域内其它区路由器的正常工作，这也给网络的管理、维护带来方便。 
3.3 BGP和BGP-4路由协议 
BGP 是为TCP／IP互联网设计的外部网关协议，用于多个自治域之间。它既不是基于纯粹的链路状态算法，也不是基于纯粹的距离向量算法。它的主要功能是与其它 自治域的BGP交换网络可达信息。各个自治域可以运行不同的内部网关协议。BGP更新信息包括网络号／自治域路径的成对信息。自治域路径包括到达某个特定 网络须经过的自治域串，这些更新信息通过TCP传送出去，以保证传输的可靠性。 
为了满足Internet日益扩大的需要，BGP还在不断地发展。在最新的BGp4中，还可以将相似路由合并为一条路由。 
3.4 路由表项的优先问题 
在一个路由器中，可同时配置静态路由和一种或多种动态路由。它们各自维护的路由表都提供给转发程序，但这些路由表的表项间可能会发生冲突。这种冲突可通过配置各路由表的优先级来解决。通常静态路由具有默认的最高优先级，当其它路由表表项与它矛盾时，均按静态路由转发。 
4.路由算法 
路由算法在路由协议中起着至关重要的作用，采用何种算法往往决定了最终的寻径结果，因此选择路由算法一定要仔细。通常需要综合考虑以下几个设计目标： 
（1）最优化：指路由算法选择最佳路径的能力。 
（2）简洁性：算法设计简洁，利用最少的软件和开销，提供最有效的功能。 
（3）坚固性：路由算法处于非正常或不可预料的环境时，如硬件故障、负载过高或操作失误时，都能正确运行。由于路由器分布在网络联接点上，所以在它们出故障时会产生严重后果。最好的路由器算法通常能经受时间的考验，并在各种网络环境下被证实是可靠的。 
（4）快速收敛：收敛是在最佳路径的判断上所有路由器达到一致的过程。当某个网络事件引起路由可用或不可用时，路由器就发出更新信息。路由更新信息遍及整个网络，引发重新计算最佳路径，最终达到所有路由器一致公认的最佳路径。收敛慢的路由算法会造成路径循环或网络中断。 
（5）灵活性：路由算法可以快速、准确地适应各种网络环境。例如，某个网段发生故障，路由算法要能很快发现故障，并为使用该网段的所有路由选择另一条最佳路径。 
路由算法按照种类可分为以下几种：静态和动态、单路和多路、平等和分级、源路由和透明路由、域内和域间、链路状态和距离向量。前面几种的特点与字面意思基本一致，下面着重介绍链路状态和距离向量算法。 
链 路状态算法（也称最短路径算法）发送路由信息到互联网上所有的结点，然而对于每个路由器，仅发送它的路由表中描述了其自身链路状态的那一部分。距离向量算 法（也称为Bellman-Ford算法）则要求每个路由器发送其路由表全部或部分信息，但仅发送到邻近结点上。从本质上来说，链路状态算法将少量更新信 息发送至网络各处，而距离向量算法发送大量更新信息至邻接路由器。 
由于链路状态算法收敛更快，因此它在一定程度上比距离向量算法更不易产生路由循环。但另一方面，链路状态算法要求比距离向量算法有更强的CPU能力和更多的内存空间，因此链路状态算法将会在实现时显得更昂贵一些。除了这些区别，两种算法在大多数环境下都能很好地运行。 
最 后需要指出的是，路由算法使用了许多种不同的度量标准去决定最佳路径。复杂的路由算法可能采用多种度量来选择路由，通过一定的加权运算，将它们合并为单个 的复合度量、再填入路由表中，作为寻径的标准。通常所使用的度量有：路径长度、可靠性、时延、带宽、负载、通信成本等。 
5.新一代路由器 
由 于多媒体等应用在网络中的发展，以及ATM、快速以太网等新技术的不断采用，网络的带宽与速率飞速提高，传统的路由器已不能满足人们对路由器的性能要求。 因为传统路由器的分组转发的设计与实现均基于软件，在转发过程中对分组的处理要经过许多环节，转发过程复杂，使得分组转发的速率较慢。另外，由于路由器是 网络互连的关键设备，是网络与其它网络进行通信的一个“关口”，对其安全性有很高的要求，因此路由器中各种附加的安全措施增加了CPU的负担，这样就使得 路由器成为整个互联网上的“瓶颈”。 
传统的路由器在转发每一个分组时，都要进行一系列的复杂操作，包括路由查找、访问控制表匹配、地址解析、优 先级管理以及其它的附加操作。这一系列的操作大大影响了路由器的性能与效率，降低了分组转发速率和转发的吞吐量，增加了CPU的负担。而经过路由器的前后 分组间的相关性很大，具有相同目的地址和源地址的分组往往连续到达，这为分组的快速转发提供了实现的可能与依据。新一代路由器，如IP Switch、Tag Switch等，就是采用这一设计思想用硬件来实现快速转发，大大提高了路由器的性能与效率。 
新一代路由器使用转发缓存 来简化分组的转发操作。在快速转发过程中，只需对一组具有相同目的地址和源地址的分组的前几个分组进行传统的路由转发处理，并把成功转发的分组的目的地 址、源地址和下一网关地址（下一路由器地址）放人转发缓存中。当其后的分组要进行转发时，茵先查看转发缓存，如果该分组的目的地址和源地址与转发缓存中的 匹配，则直接根据转发缓存中的下一网关地址进行转发，而无须经过传统的复杂操作，大大减轻了路由器的负担，达到了提高路由器吞吐量的目标。

最简单的网络可以想象成单线的总线，各个计算机可以通过向总线发送分组以互相通信。但随着网络中的计算机数目增长，这就很不可行了，会产 生许多问题：

 

1 、带宽资源耗尽。

 

2 、每台计算机都浪费许多时间处理无关的广播数据。

 

3 、网络变得无法管理，任何错误都可能导致整个网络瘫痪。

 

4 、每台计算机都可以监听到其他计算机的通信。

 

把网络分段可以解决这些问题，但同时你必须提供一种机制使不同网段的计算机可以互相通信，这通常涉及到在一些 ISO 网络协议层选择性地在网段间传送数据，我们来看一下网络协议层和路由器的位置。

 

 

我们可以看到，路由器位于网络层。本文假定网络层协议为 IPv4 ，因为这是最流行的协议，其中涉及的概念与其他网络层协议是类似的。

 

一、路由与桥接

 

路由相对于 2 层的桥接 / 交换是高层的概念，不涉及网络的物理细节。在可路由的网络中，每台主机都有同样的网络层地址格式（如 IP 地址），而无论它是运行在以太网、令牌环、 FDDI 还是广域网。网络层地址通常由两部分构成：网络地址和主机地址。

 

网桥只能连接数据链路层相同（或类似）的网络，路由器则不同，它可以连接任意两种网络，只要主机使用的是相同的网络层协议。 
二、连接网络层与数据链路层

 

网络层下面是数据链路层，为了它们可以互通，需要“粘合”协议。 ARP （地址解析协议）用于把网络层 (3 层 ) 地址映射到数据链路层 (2 层 ) 地址， RARP( 反向地址解析协议 ) 则反之。

 

虽然 ARP 的定义与网络层协议无关，但它通常用于解析 IP 地址；最常见的数据链路层是以太网。因此下面的 ARP 和 RARP 的例子基于 IP 和以太网，但要注意这些概念对其他协议也是一样的。

 

1 、地址解析协议

 

网络层地址是由网络管理员定义的抽象映射，它不去关心下层是哪种数据链路层协议。然而，网络接口只能根据 2 层地址来互相通信， 2 层地址通过 ARP 从 3 层地址得到。

 

并不是发送每个数据包都需要进行 ARP 请求，回应被缓存在本地的 ARP 表中，这样就减少了网络中的 ARP 包。 ARP 的维护比较容易，是一个比较简单的协议。

 

2 、简介

 

如果接口 A 想给接口 B 发送数据，并且 A 只知道 B 的 IP 地址，它必须首先查找 B 的物理地址，它发送一个含有 B 的 IP 地址的 ARP 广播请求 B 的物理地址，接口 B 收到该广播后，向 A 回应其物理地址。

 

 

注意，虽然所有接口都收到了信息，但只有 B 回应该请求，这保证了回应的正确且避免了过期的信息。要注意的是，当 A 和 B 不在同一网段时， A 只向下一跳的路由器发送 ARP 请求，而不是直接向 B 发送。

 

 

下图为接收到 ARP 分组后的处理，注意发送者的 对被存到接收 ARP 请求的主机的本地 ARP 表中，一般 A 想与 B 通信时， B 可能也需要与 A 通信。 
三、 IP 地址

 

在可路由的网络层协议中，协议地址必须含有两部分信息：网络地址和主机地址。存贮这种信息最明显的方法是用两个分离的域，这样我们必须考虑到两个域的最大长度，有些协议 ( 如 IPX) 就是这样的，它在小型和中型的网络里可以工作的很好。

 

另一种方案是减少主机地址域的长度，如 24 位网络地址、 8 位主机地址，这样就有了较多的网段，但每个网段内的主机数目很少。这样一来，对于多于 256 个主机的网络，就必须分配多个网段，其问题是很多的网络给路由器造成了难以忍受的负担。

 

IP 把网络地址和主机地址一起包装在一个 32 位的域里，有时主机地址部分很短，有时很长，这样可以有效利用地址空间，减少 IP 地址的长度，并且网络数目不算多。有两种将主机地址分离出来的方法：基于类的地址和无类别的地址。

 

1 、主机和网关

 

主机和网关的区别常产生混淆，这是由于主机意义的转变。在 RFC 中 (1122/3 和 1009) 中定义为：

 

主机是连接到一个或多个网络的设备，它可以向任何一个网络发送和从其接收数据，但它从不把数据从一个网络传向另一个。

 

网关是连接到多于一个网络的设备，它选择性的把数据从一个网络转发到其它网络。

 

换句话说，过去主机和网关的概念被人工地区分开来，那时计算机没有足够的能力同时用作主机和网关。主机是用户工作的计算机，或是文件服务器等。现代的计算机的能力足以同时担当这两种角色，因此，现代的主机定义应该如此：

 

主机是连接到一个或多个网络的设备，它可以向任何一个网络发送和从其接收数据。它也可以作为网关，但这不是其唯一的目的。

 

路由器是专用的网关，其硬件经过特殊的设计使其能以极小的延迟转发大量的数据。然而，网关也可以是有多个网卡的标准的计算机，其操作系统的网络层有 能力转发数据。由于专用的路由硬件较便宜，计算机用作网关已经很少见了，在只有一个拨号连接的小站点里，还可能使用计算机作为非专用的网关。

 

2 、基于类的地址

 

最初设计 IP 时，地址根据第一个字节被分成几类：

 

0: 保留

 

1-126: A 类 ( 网络地址 :1 字节，主机地址 :3 字节 )

 

127: 保留

 

128-191: B 类 ( 网络地址 :2 字节，主机地址 :2 字节 )

 

192-223: C 类 ( 网络地址 :3 字节，主机地址 :1 字节 )

 

224-255: 保留

 

3 、子网划分

 

虽然基于类的地址系统对因特网服务提供商来说工作得很好，但它不能在一个网络内部做任何路由，其目的是使用第二层 ( 桥接 / 交换 ) 来导引网络中的数据。在大型的 A 类网络中，这就成了个特殊的问题，因为在大型网络中仅使用桥接 / 交换使其非常难以管理。在逻辑上其解决办法是把大网络分割成若干小的网络，但在基于类的地址系统中这是不可能的。为了解决这个问题，出现了一个新的域：子 网掩码。子网掩码指出地址中哪些部分是网络地址，哪些是主机地址。在子网掩码中，二进制 1 表示网络地址位，二进制 0 表示主机地址位。传统的各类地址的子网掩码为：

 

A 类： 255.0.0.0

 

B 类： 255.255.0.0

 

C 类： 255.255.255.0

 

如果想把一个 B 类网络的地址用作 C 类大小的地址，可以使用掩码 255.255.255.0 。

 

用较长的子网掩码把一个网络分成多个网络就叫做划分子网。要注意的是，一些旧软件不支持子网，因为它们不理解子网掩码。例如 UNIX 的 routed 路由守护进程通常使用的路由协议是版本 1 的 RIP ，它是在子网掩码出现前设计的。

 

上面只介绍了三种子网掩码： 255.0.0.0 、 255.255.0.0 和 255.255.255.0 ，它们是字节对齐的子网掩码。但是也可以在字节中间对其进行划分，这里不进行详细讲解，请参照相关的 TCP/IP 书籍。

 

子网使我们可以拥有新的规模的网络，包括很小的用于点到点连接的网络（如掩码 255.255.255.252 ， 30 位的网络地址， 2 位的主机地址：两个主机的子网），或中型网络（如掩码 255.255.240.0 ， 20 位网络地址， 12 位主机地址： 4094 个主机的子网）。

 

注意 DNS 被设计为只允许字节对齐的 IP 网络 ( 在 in-addr.arpa. 域中 ) 。

 

4 、超网 (supernetting)

 

超网是与子网类似的概念 --IP 地址根据子网掩码被分为独立的网络地址和主机地址。但是，与子网把大网络分成若干小网络相反，它是把一些小网络组合成一个大网络 -- 超网。

 

假设现在有 16 个 C 类网络，从 201.66.32.0 到 201.66.47.0 ，它们可以用子网掩码 255.255.240.0 统一表示为网络 201.66.32.0 。但是，并不是任意的地址组都可以这样做，例如 16 个 C 类网络 201.66.71.0 到 201.66.86.0 就不能形成一个统一的网络。不过这其实没关系，只要策略得当，总能找到合适的一组地址的。

 

5 、可变长子网掩码 (VLSM)

 

如果你想把你的网络分成多个不同大小的子网，可以使用可变长子网掩码，每个子网可以使用不同长度的子网掩码。例如：如果你按部门划分网络，一些网络 的掩码可以为 255.255.255.0( 多数部门 ) ，其它的可为 255.255.252.0( 较大的部门 ) 。

 

6 、无类别地址 (CIDR)

 

因特网上的主机数量增长超出了原先的设想，虽然还远没达到 232 ，但地址已经出现匮乏。 1993 年发表的 RFC1519-- 无类别域间路由 CIDR(Classless Inter-Domain Routing)-- 是一个尝试解决此问题的方法。 CIDR 试图延长 IPv4 的寿命，与 128 位地址的 IPv6 不同，它并不能最终解决地址空间的耗尽，但 IPv6 的实现是个庞大的任务，因特网目前还没有做好准备。 CIDR 给了我们缓冲的准备时间。

 

基于类的地址系统工作的不错，它在有效的地址使用和少量的网络数目间做出了较好的折衷。但是随着因特网意想不到的成长出现了两个主要的问题：

 

已分配的网络数目的增长使路由表大得难以管理，相当程度上降低了路由器的处理速度。

 

僵化的地址分配方案使很多地址被浪费，尤其是 B 类地址十分匮乏。

 

为了解决第二个问题，可以分配多个较小的网络，例如，用多个 C 类网络而不是一个 B 类网络。虽然这样能够很有效地分配地址，但是更加剧了路由表的膨胀（第一个问题）。

 

在 CIDR 中，地址根据网络拓扑来分配。连续的一组网络地址可以被分配给一个服务提供商，使整组地址作为一个网络地址（很可能使用超网技术）。例如：一个服务提供商 被分配以 256 个 C 类地址，从 213.79.0.0 到 213.79.255.0 ，服务提供商给每个用户分配一个 C 类地址，但服务提供商外部的路由表只通过一个表项 -- 掩码为 255.255.0.0 的网络 213.79.0.0-- 来分辨这些路由。

这种方法明显减少了路由表的增长， CIDR RFC 的作者估计，如果 90% 的服务提供商使用了 CIDR ，路由表将以每 3 年 54% 的速度增长，而如果没有使用 CIDR ，则增长速度为 776% 。如果可以重新组织现有的地址，则因特网骨干上的路由器广播的路由数量将大大减少。但这实际是不可行的，因为将带来巨大的管理负担。

 

四、路由

1、路由表

如果一个主机有多个网络接口，当向一个特定的IP地址发送分组时，它怎样决定使用哪个接口呢？答案就在路由表中。来看下面的例子：

目的	子网掩码	网关	标志	接口
201.66.37.0	255.255.255.0	201.66.37.74	U	eth0
201.66.39.0	255.255.255.0	201.66.39.21	U	eth1

主机将所有目的地为网络201.66.37.0内主机(201.66.37.1-201.66.37.254)的数据通 过接口eth0(IP地址为201.66.37.74)发送，所有目的地为网络201.66.39.0内主机的数据通过接口eth1(IP地址为 201.66.39.21)发送。标志U表示该路由状态为“up”（即激活状态）。对于直接连接的网络，一些软件并不象上例中一样给出接口的IP地址，而 只列出接口。

此例只涉及了直接连接的主机，那么目的主机在远程网络中如何呢？如果你通过IP地址为201.66.37.254的网关连接到网络73.0.0.0，那么你可以在路由表中增加这样一项：

目的 
掩码 
网关 
标志 
接口 
73.0.0.0 
255.0.0.0 
201.66.37.254 
UG 
eth0

此项告诉主机所有目的地为网络73.0.0.0内主机的分组通过201.66.37.254路由过去。标志G(gateway)表示此项把分组导向外部网关。类似的，也可以定义通过网关到达特定主机的路由，增加标志H(host)：　

目的	掩码	网关	标志	接口
91.32.74.21	255.255.255.255	201.66.37.254	UGH	eth0

下面是路由表的基础，除了特殊表项之外：

目的	掩码	网关	标志	接口
127.0.0.1	255.255.255.255	127.0.0.1	UH	lo0
default	0.0.0.0	201.66.37.254	UG	eth1

第一项是loopback接口，用于主机给自己发送数据，通常用于测试和运行于IP之上但需要本地通信的应用。这是到特 定地址127.0.0.1的主机路由(接口lo0是IP协议栈内部的“假”网卡)。第二项十分有意思，为了防止在主机上定义到因特网上每一个可能到达网络 的路由，可以定义一个缺省路由，如果在路由表中没有与目的地址相匹配的项，该分组就被送到缺省网关。多数主机简单地通过一个网卡连接到网络，因此只有通过 一个路由器到其它网络，这样在路由表中只有三项：loopback项、本地子网项和缺省项（指向路由器）。

2、重叠路由

假设在路由表中有下列重叠项：　

目的	掩码	网关	标志	接口
1.2.3.4	255.255.255.255	201.66.37.253	UGH	eth0
1.2.3.0	255.255.255.0	201.66.37.254	UG	eth0
1.2.0.0	255.255.0.0	201.66.37.253	UG	eth1
default	0.0.0.0	201.66.39.254	UG	eth1

之所以说这些路由重叠是因为这四个路由都含有地址1.2.3.4，如果向1.2.3.4发送数据，会选择哪条路由呢？在 这种情况下，会选择第一条路由，通过网关201.66.37.253。原则是选择具有最长(最精确)的子网掩码。类似的，发往1.2.3.5的数据选择第 二条路由。

注意：这条原则只适用于间接路由(通过网关)。把两个接口定义在同一子网在很多软件实现上是非法的。例如下面的设置通常是非法的（不过有些软件将尝试在两个接口进行负载平衡）：

接口	IP地址	子网掩码
eth0	201.66.37.1	255.255.255.0
eth1	201.66.37.2	255.255.255.0

对于重叠路由的策略是十分有用的，它允许缺省路由作为目的为0.0.0.0、子网掩码为0.0.0.0的路由进行工作，而不需要作为路由软件的一个特殊情况来实现。

回头来看看CIDR，仍使用上面的例子：一个服务提供商被赋予256个C类网络，从213.79.0.0到 213.79.255.0。该服务提供商外部的路由表只以一个表项就了解了所有这些路由：213.79.0.0，子网掩码为255.255.0.0。假设 一个用户移到了另一个服务提供商，他拥有网络地址213.79.61.0，现在他是否必须从新的服务提供商处取得新的网络地址呢？如果是，意味着他必须重 新配置每台主机的IP地址，改变DNS设置，等等。幸运的是，解决办法很简单，原来的服务提供商保持路由213.79.0.0(子网掩码为 255.255.0.0)，新的服务提供商则广播路由213.79.61.0(子网掩码为255.255.255.0)，因为新路由的子网掩码较长，它将 覆盖原来的路由。

3、静态路由

回头看看我们已建立的路由表，已有了六个表项：

目的	掩码	网关	标志	接口
127.0.0.1	255.255.255.255	127.0.0.1	UH	lo0
201.66.37.0	255.255.255.0	201.66.37.74	U	eth0
201.66.39.0	255.255.255.0	201.66.39.21	U	eth1
default	0.0.0.0	201.66.39.254	UG	eth1
73.0.0.0	255.0.0.0	201.66.37.254	UG	eth0
91.32.74.21	255.255.255.255	201.66.37.254	UGH	eth0

该网络图示如下：

这些表项分别是怎么得到的呢？第一个是当路由表初始化时由路由软件加入的，第二、三个是当网卡绑定IP地址时自动创建 的，其余三个必须手动加入，在UNIX系统中，这是通过命令route来做的，可以由用户手工执行，也可以通过rc脚本在启动时执行。上述方法涉及的是静 态路由，通常在启动时创建，并且没有手工干预的话将不再改变。

4、路由协议

主机和网关都可以使用称作动态路由的技术，这使路由表可以动态改变。动态路由需要路由协议来增加和删除路由表项，路由表还是和静态路由一样地工作，只是其增添和删除是自动的。

有两种路由协议：内部的和外部的。内部协议在自制系统(AS)内部路由，而外部协议则在自制系统间路由。自制系统通常在统一的控制管理之下，例如大的公司或大学。小的站点常常是其因特网服务提供商自制系统的一部分。

这里只讨论内部协议，很少有人涉及到甚至听说外部协议。最常见的外部协议是外部网关协议EGP(External Gateway Protocol)和边缘网关协议BGP(Border Gateway Protocol)，BGP是较新的协议，在逐渐地取代EGP。

5、ICMP重定向

ICMP通常不被看作路由协议，但是ICMP重定向却与路由协议的工作方式很类似，所以将在这里讨论一下。假设现在有上 面所给的六个表项的路由表，分组被送往201.66.43.33，看看路由表，除了缺省路由外，这并不能匹配任何路由。静态路由将其通过路由器 201.66.39.254发送(trip 1)，但是，该路由器知道所有发向子网201.66.43.0的分组应该通过201.66.39.253，因此，它把分组转发到适当的路由器(trip 2)。但是如果主机直接把分组发到201.66.39.253就会提高效率(trip 3)。如下图：

因为路由器把分组从同一接口发回了分组，所以它知道有更好的路由，路由器可以通过ICMP重定向指示主机使用新的路由。 虽然路由器知道所有发向201.66.43.0子网的分组应该通过201.66.39.253，它通常只发送特定的主机的ICMP重定向（此例中是 201.66.43.33）。主机将在路由表中创建一个新的表项：　

 

目的	掩码	网关	标志	接口
201.66.43.33	255.255.255.255	201.66.39.253	UGHD	eth1

注意标志D，对所有由ICMP重定向创建的路由设置此标志。将来此类分组将通过新路由发送(trip 3)。

6、RIP

RIP是一种简单的内部路由协议，已经存在很久，被广泛地实现（UNIX的routed就使用RIP）。它使用距离向量 算法，所以其路由选择只是基于两点间的“跳(hop)”数，穿过一个路由器认为是一跳。主机和网关都可以运行RIP，但是主机只是接收信息，而并不发送。 路由信息可以从指定网关请求，但通常是每隔30秒广播一次以保持正确性。RIP使用UDP通过端口520在主机和网关间通信。网关间传送的信息用于建立路 由表，由RIP选定的路由总是具有距离目的跳数最少的。RIP版本1在简单、较小的网络中工作得不错，但是在较大的网络中，就出现一些问题，有些问题在 RIP版本2中已纠正，但有些是由于其设计产生的限制。在下面的讨论中，适用于两种版本时简单称为RIP，RIP v1和RIP v2则指特定的版本。

RIP并没有任何链接质量的概念，所有的链路都被认为是相同的，低速的串行链路被认为与高速的光纤链路是同样的。RIP以最小的跳数来选择路由，因此当在下面两个路由中选择时：

100Mbps的光纤链路，路由器，然后是10Mbps的以太网

9600bps的串行链路

RIP将选择后者。RIP也没有链路流量等级的概念。例如对于两条以太网链路，其中一个很繁忙，另一个根本没有数据流，RIP可能会选择繁忙的那条链路。

RIP中的最大hop数是15，大于15则认为不可到达。因此在很大的自制系统中，hop数很可能超过15，使用RIP 是很不现实的。RIP v1不支持子网，交换的信息中不含子网掩码，对给定路由确定子网掩码的方法各不相同，RIP v2则弥补了此缺点。RIP每隔30秒才进行信息更新，因此在大网中断链信息可能要花些时间才能传播开来，路由信息的稳定时间可能更长，并且在这段时间内 可能产生路由环路。对此有一些解决办法，但这里不进行讨论。

可以看出，RIP是一个简单的路由协议，有一些限制，尤其在版本1中。不过，它常常是某些操作系统的唯一选择。