计算机网络与通信课件(第五版)4 网络层(下)

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1、第4章 网络层（下）,计算机网络与通信,4.5 因特网的路由选择协议 4.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念 4.5.2 内部网关协议 RIP 4.5.3 内部网关协议 OSPF 4.5.4 外部网关协议 BGP 4.5.5 路由器的构成 4.5.6 路由器的构成 4.6 IP 多播 4.6.1 IP 多播的基本概念 4.6.2 在局域网上进行硬件多播 4.6.3 因特网组管理协议 IGMP 和多播路由选择协议 4.7 虚拟专用网 VPN 和网络地址转换 NAT 4.7.1 虚拟专用网 VPN 4.7.2 网络地址转换 NAT 注：4.1节、4.2节（部分）在第四章 网络层（上）讲解 4.

2、2节（部分）、4.3节、4.4节在第四章 网络层（中）讲解,4.5 因特网的路由选择协议4.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念,1. 理想的路由算法 算法必须是正确的和完整的。 算法在计算上应简单。 算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，这就是说，要有自适应性。 算法应具有稳定性。 算法应是公平的。 算法应是最佳的。,关于“最佳路由”,不存在一种绝对的最佳路由算法。 所谓“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。 实际的路由选择算法，应尽可能接近于理想的算法。 路由选择是个非常复杂的问题 它是网络中的所有结点共同协调工作的结果。 路由选择的环境往往是不断变化的，而这种变化

3、有时无法事先知道。,从路由算法的自适应性考虑,静态路由选择策略即非自适应路由选择，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。 动态路由选择策略即自适应路由选择，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。,2. 分层次的路由选择协议,因特网采用分层次的路由选择协议。 因特网的规模非常大。如果让所有的路由器知道所有的网络应怎样到达，则这种路由表将非常大，处理起来也太花时间。而所有这些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信链路饱和。 许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议（这属于本部门内部的事情），但同时还希望连接

4、到因特网上。,自治系统 AS(Autonomous System),自治系统 AS 的定义：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种 AS 内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该 AS 内的路由，同时还使用一种 AS 之间的路由选择协议用以确定分组在 AS之间的路由。 现在对自治系统 AS 的定义是强调下面的事实：尽管一个 AS 使用了多种内部路由选择协议和度量，但重要的是一个 AS 对其他 AS 表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略。,因特网有两大类路由选择协议,内部网关协议 IGP (Interior Gateway Protocol) 即在一个自治系统内部使用的路由

5、选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多，如 RIP 和 OSPF 协议。 外部网关协议EGP (External Gateway Protocol) 若源站和目的站处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议 EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4。,自治系统和内部网关协议、外部网关协议,用内部网关协议 （例如，RIP）,自治系统 B,自治系统 A,用外部网关协议 （例如，BGP-4）,R1,R2,用内部网关协议 （例如，OSPF）,自治系统之间的路由选择也叫做 域间路由选择(inte

6、rdomain routing)， 在自治系统内部的路由选择叫做 域内路由选择(intradomain routing),这里要指出两点,因特网的早期 RFC 文档中未使用“路由器”而是使用“网关”这一名词。但是在新的 RFC 文档中又使用了“路由器”这一名词。应当把这两个属于当作同义词。 IGP 和 EGP 是协议类别的名称。但 RFC 在使用 EGP 这个名词时出现了一点混乱，因为最早的一个外部网关协议的协议名字正好也是 EGP。因此在遇到名词 EGP 时，应弄清它是指旧的协议 EGP 还是指外部网关协议 EGP 这个类别。,因特网的路由选择协议,内部网关协议 IGP：具体的协议有多种，如

7、 RIP 和 OSPF 等。 外部网关协议 EGP：目前使用的协议就是 BGP。,4.5.2 内部网关协议 RIP (Routing Information Protocol),1. 工作原理 路由信息协议 RIP 是内部网关协议 IGP中最先得到广泛使用的协议。 RIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。 RIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。,“距离”的定义,从一路由器到直接连接的网络的距离定义为 1。 从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加 1。 RIP 协议中的“距离”也称为“跳数”(hop count)，因为

8、每经过一个路由器，跳数就加 1。 这里的“距离”实际上指的是“最短距离”，,“距离”的定义,RIP 认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少，即“距离短”。 RIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。 “距离”的最大值为16 时即相当于不可达。可见 RIP 只适用于小型互联网。 RIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP 选择一个具有最少路由器的路由（即最短路由），哪怕还存在另一条高速(低时延)但路由器较多的路由。,RIP 协议的三个要点,仅和相邻路由器交换信息。 交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。 按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔 30 秒。

9、,路由表的建立,路由器在刚刚开始工作时，只知道到直接连接的网络的距离（此距离定义为1）。 以后，每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。 经过若干次更新后，所有的路由器最终都会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址。 RIP 协议的收敛(convergence)过程较快，即在自治系统中所有的结点都得到正确的路由选择信息的过程。,2. 距离向量算法,收到相邻路由器（其地址为 X）的一个 RIP 报文： (1) 先修改此 RIP 报文中的所有项目：把“下一跳”字段中的地址都改为 X，并把所有的“距离”字段的值加 1。 (2) 对修改后的 RIP 报文中

10、的每一个项目，重复以下步骤： 若项目中的目的网络不在路由表中，则把该项目加到路由表中。 否则 若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则把收到的项目替换原路由表中的项目。 否则 若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新， 否则，什么也不做。 (3) 若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由器记为不可达路由器，即将距离置为16（距离为16表示不可达）。 (4) 返回。,路由器之间交换信息,RIP协议让互联网中的所有路由器都和自己的相邻路由器不断交换路由信息，并不断更新其路由表，使得从每一个路由器到每一个目的网络的路由都是最短的（即跳数最少）。 虽然所有的路由器最终都拥有

11、了整个自治系统的全局路由信息，但由于每一个路由器的位置不同，它们的路由表当然也应当是不同的。,4 字节,RIP 报文,3. RIP2 协议的报文格式,路由信息 （20 字节/路由） 可重复出现 最多 25 个,IP 数据报,路由标记,网络地址,地址族标识符,距离 (1-16),IP 首部,UDP 首部,首部,路由部分,必为 0,版本,命令,4 字节,子网掩码,下一跳路由器地址,UDP 用户数据报,RIP2 的报文由首部和路由部分组成。,RIP2 报文中的路由部分由若干个路由信息组成。每个路由信息需要用 20 个字节。地址族标识符（又称为地址类别）字段用来标志所使用的地址协议。 路由标记填入自治

12、系统的号码，这是考虑使RIP 有可能收到本自治系统以外的路由选择信息。再后面指出某个网络地址、该网络的子网掩码、下一跳路由器地址以及到此网络的距离。,RIP 协议的优缺点,RIP 存在的一个问题是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。 RIP 协议最大的优点就是实现简单，开销较小。 RIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为 15（16 表示不可达）。 路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加。,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R1 说：“我到网 1 的距离是 1，是直接交付。”,“1”表示“从本

13、路由器到网 1”,“1”表示“距离是 1”,“”表示“直接交付”,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R2 说：“我到网 1 的距离是 2，是经过 R1。”,“1”表示“从本路由器到网 1”,“2”表示“距离是 2”,“R1”表示 经过 R1,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R1 说：“我到网 1 的距离是 16 （表示无法到达）， 是直接交付。”,但 R2 在收到 R1 的更新报文之前，还发送原来的报文， 因为这时 R2 并不知道 R1 出了故障。,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R1 收到 R2 的更新报文后，误认为可经过 R2 到达

14、网1，于是更新自己的路由表，说：“我到网 1 的距离是 3，下一跳经过 R2”。然后将此更新信息发送给 R2。,R2,R1,正 常 情 况,1 1 ,1 2 R1,R2 以后又更新自己的路由表为“1, 4, R1”，表明 “我到网 1 距离是 4，下一跳经过 R1”。,R2,R1,R2,R1,网 1出了故障,正 常 情 况,1 1 ,1 16 ,1 5 R2,1 2 R1,1 2 R1,这样不断更新下去，直到 R1 和 R2 到网 1 的距离都增大到 16 时，R1 和 R2 才知道网 1 是不可达的。,这就是好消息传播得快，而坏消息传播得慢。网络出故障的传播时间往往需要较长的时间(例如数分钟

15、)。这是 RIP 的一个主要缺点。,4.5.3 内部网关协议 OSPF (Open Shortest Path First),1. OSPF 协议的基本特点 “开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。 “最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPF OSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是“最短路径优先”。 是分布式的链路状态协议。,三个要点,向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。 “链路状态”就是说明本路由器都和哪些

16、路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。 只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。,链路状态数据库(link-state database),由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息，因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库。 这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图，它在全网范围内是一致的（这称为链路状态数据库的同步）。 OSPF 的链路状态数据库能较快地进行更新，使各个路由器能及时更新其路由表。OSPF 的更新过程收敛得快是其重要优点。,OSPF 的区域(area),为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域。 每一个区域都有一个 32 位的区域标识符（用点分十进制表示）。 区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。,OSPF 划分为两种不同的区域,区域 0.0.0.1,区域 0.0.0.3,主干区域 0.0.0.0,至其他自治系统,