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1、,第 6 章 路 由 与 交 换,6.1 第三层交换,6.1.1 第三层交换技术简介 第三层交换技术也称为IP交换技术或高速路由技术，利用第三层协议中的信息来加强第二层交换功能的机制。,路由器与交换机的区别如下。 （1）交换机提供交换功能，并提供一些特别服务（如报文过滤）。 （2）路由器提供路由功能、交换功能以及特别服务。,第三层交换中，又可以作如下区分。 （1）传统路由器。 （2）学习型网桥（基于第三层的数据转发，无路由）。 （3）路由交换机（基于第三层的数据转发，并作路由）。,6.1.2 第三层交换技术 第三层交换有报文到报文（PXP）及报文流（FS）两种工作方式。每一个报文都要经历第三层
2、处理,1报文到报文的第三层交换 2报文到报文交换的处理方法 3流交换的第三层交换 4报文流交换的处理方法,6.2 多层交换技术,6.2.1 第四层交换 第四层交换机是第二层交换和第三层交换的扩展，支持通信流的优先权划分。第四层交换技术是一种基于策略的路由。它可以针对传输层的端口进行交换。第四层交换可以根据不同应用程序划分数据传输的优先级。,6.2.2 第七层交换 目前，在高可用性和负载均衡方面，有许多先进的工具可以利用由应用返回给最终用户的第七层信息。,这类工具使用户可以方便地确认站点内容的正确性，用户不仅能验证是否在发送正确的内容，而且还能打开网络上传送的数据包（不用考虑IP地址或端口），并
3、根据包中的信息做出负载均衡决定。,6.3 标 记 交 换,标记交换在标记交换机路由器内进行。以太位线速交换路由器（TSR）支持标准的单播和组播选路协议，如开放最短路径优先（OSPF）和多点发送路由协议（PIM），并且可能具有沿着缺省路由通路进行IP报文流转发的功能。,6.4 IP路由技术,一类是核心路由，由Internet网络运营中心（Internet Network Operation Center，INOC）负责，一类是非核心路由器，由独立的路由设备群负责。,非核心路由器是通过默认路由实现网络的互连。提高路由器性能起关键作用的主要有如下几项新技术。,1越来越多的功能以硬件方式来实现 2采用
4、分布式处理技术，提高路由器的路由处理能力和速度 3采用交换式路由技术，逐渐抛弃易造成拥塞的共享式总线 4采用快速路由表查寻技术,5QoS保证 6采用MPLS技术优化未来网络 7在路由器中引入光交换技术,6.5 静态路由和动态路由,路由有两种基本方式。一是静态路由，二是通过某种动态路由协议来动态计算路由。路由器使用动态路由协议发现路由后，并通过这些路由来转发报文（或数据报）。,静态路由不能发现路由，没有与其他路由器交换路由信息的机制。静态路由只能使用网络管理员定义的路由来转发报文。,6.5.1 静态路由 静态路由是最简单的路由形式。它由管理员负责完成发现路由和通过网络传播路由的任务。,使用静态路
5、由有许多优点，如静态路由可以使网络更安全，因为只有一条流进和流出网络的路由。,静态路由可以节省网络传输带宽，无需路由器的C P U来计算路由，并且需要更少的存储器。,1静态路由的缺点 在网络发生问题或拓扑结构发生变化时，网络管理员只能通过修改配置来适应这种变化，如图6.7所示。,图6.7 采用静态路由的简单互连网络,当网关路由器A与C之间的传输线路出现故障时，静态路由将不能正常工作，如图6.8所示。,图6.8 在采用静态路由网络链路故障,2静态路由的优点 静态路由适用于小型网络。当到达任一目的地只有一条路径时，使用静态路由是最有效的路由机制，因为它不消耗任何带宽。,随着网络的增大，到达目的地冗
6、余路径的出现，使用静态路由的工作量会变大。广域网的特点是拓扑复杂，提供多条可能的路径，若在复杂的、具有多路径的广域网中使用静态路由会使路由冗余的目的遭到破坏。,6.5.2 动态路由 动态路由是指按照一定的算法，发现、选择和更新路由的过程。,图6.9 动态路由协议分类,1距离矢量路由 距离矢量算法周期性地将路由表发送给与其直连的网络邻居。每个接收者加上一个距离矢量，或它自己的距离“值”到表中，并将其转发给直接邻居。,（1）距离矢量路由的缺点。 在一定环境下会产生路由问题。例如，当网络失败或发生其他变化时，路由器需要一些时间才能收敛到对网络拓扑的重新认识。在收敛过程中，网络可能是脆弱的，产生不一致
7、的路由，甚至路由环。收敛慢的距离矢量协议不适合于大的、复杂的广域网。,2链路状态路由 链路状态路由协议和距离矢量路由协议不同，链路状态路由协议形成和维护网络路由器的全部信息，包括路由器的连接状态。,（1）所有的路由器都维持一个链路状态数据库 （2）每一个链路状态都有一个序号,（3）当网络拓扑发生任何变化，链路状态数据库就能很快地进行更新，使各个路由器能够重新计算出新的路由表。 （4）依靠各路由器之间的频繁交换信息来建立链路状态数据库,（1）链路状态路由的不足。 一是在初始发现过程中，链路状态路由协议会在网络传输线路上进行洪泛（flood是指网络上会产生大量的路由广播信息），将大大削弱网络传输数
8、据的能力。 二是链路状态路由对存储器和处理器要求较高。,（2）链路状态路由的优点。 链路状态路由作为动态路由可以适合任何大小的网络。 链路状态路由协议能更好地利用带宽，比使用静态路由或距离矢量协议的网络具有更好的可扩展性。,6.5.3 IP网络中的收敛 路由中最重要的特征是“收敛”。一旦网络拓扑发生变化，网络中所有的路由器必须知道到新的网络拓扑结构，以构建路由数据库。在网络中的路由器独立地识别新的网络拓扑结构，并计算出新的路由表的过程称为收敛。,1适应拓扑变化 图6.11所示为一个相当简单、具有一些冗余路由的4节点互连网络。,图6.11 网关互连网络,图6.11所示的4个路由器的预收敛的路由表
9、信息汇总于表6.5中。,假设路由器D至路由器C的串口发生故障，导致C和D之间的链路不可用。新的网络拓扑如图6.12所示。对于使用动态路由协议的路由器会很快确定当前使用的路由不可达。,图6.12 路由器C和D之间的链路不可用,2收敛时间 收敛不是瞬时的，收敛的时间也是不可预知的。但是有些内在的因素会延长收敛时间，包括如下内容。,（1）路由器距离发生变化地方的跳数。 （2）网络中使用动态路由协议的路由器个数。 （3）通信链路上的带宽和流量负载的状态。,（4）路由器负载。 （5）相对于拓扑变化的流量模式。 （6）使用的路由协议。,6.5.4 计算IP网络中的路由 在任何情况下计算收敛时间都是困难的。
10、一个路由协议的路由计算效率依赖于如下几个因素。,（1）协议是否为每个目的地计算、存储多条路由。 （2）路由更新开始的方式。 （3）计算路由距离的或费用的度量标准。,1存储多条路由 而这种方法的缺陷是当拓扑发生变化时，每个路由器必须为受影响的目的地计算一条新的通过网络的路由。,2初始化更新 路由更新依据路由协议的不同而不同。一些路由协议使用时间来初始化路由更新，也有一些路由协议以事件驱动来触发路由更新，也就是说，当检测到拓扑变化时，就进行路由更新。一般情况下，事件驱动的更新比时间触发的更新具有更短的收敛时间。,3路由度量标准 路由的另一个重要因素就是度量标准。各种度量标准的数量和类型之间有很大的
11、不同，简单的路由协议支持一种或两种度量标准，复杂的路由协议支持5个或更多的度量标准。可用的度量标准越多，裁剪网络操作以适应特定需要的能力越大。,6.6 网 关 协 议,6.6.1 基本概念 网关是进行协议转换的设备。网关能在许多不同的协议之间进行翻译，也可进行文件格式转换或处理加密解密。,6.6.2 外部网关协议 外部网关协议用于自治域之间传输信息。,最常见的外部网关协议是外部网关协议（External Gateway Protocol，EGP）和边缘网关协议（Border Gateway Protocol，BGP），外部网关协议最初采用的是EGP。EGP是为一个简单的树形拓扑结构设计的，随着
12、加入Internet的用户不断增加，EGP自身具有很多的局限性。,6.6.3 内部网关协议 最流行的内部网关协议（IGP）是RIP、HELLO协议和（OSPF）开放式最短路径优先协议，而RIP是最常见的内部网关协议。,HELLO协议与RIP的不同之处在于HELLO协议使用时间而不是距离作为路由因素。,6.7 路由信息协议,6.7.1 RIP概述 RIP是距离矢量路由协议，如果收到多条到达目的网络的路由信息时，跳数最少的路径被认定是最佳路径；如果首选的最佳路径不能正常工作，将启用跳数较高的备份路径。,6.7.3 RIP路由的工作机制 1路由表 使用RIP路由协议的路由器彼此之间交流路由信息，这些
13、信息存储在路由表中，路由表为每个已知、并可达的目的网络保留一项，每个目的地表项是到达那个目的网络最低开销路由。,每个路由表项包括的内容如下。 （1）目的IP地址域 （2）距离矢量度量域 （3）路由器下一跳IP地址域 （4）路由变化标志域 （5）路由计时器域,2计算距离矢量 距离向量路由协议使用度量值来记录路由器与所有知道的目的地之间的距离。,3更新路由表 RIP路由协议为每个目的网络或主机记录一条表项。为了保证路由表的完整性，路由协议定时广播路由表项信息给其他相邻的路由器。RIP的路由更新和路由表的维护依赖于3个记时器：,（1）初始化表更新。 （2）标识无效路由。 （3）删除无效路由。,4寻址
14、问题 RIP报文中的地址标识域可以包含：主机地址、子网号、网络号、0指示缺省路由。,当RIP路由器收到一个IP报文时，首先查看目的地址，判断这个地址是否与路由表中的某个目的地址相匹配。如果不能匹配，RIP路由器会使用缺省路由来转发报文。,它包括以下动作： （1）路由至网关。 （2）网关之间的路由。 （3）缺省路由。,6.7.4 RIP的缺点 RIP花费大量的时间用于收敛 。 RIP的另一个问题是，当选择路径时它忽略了连接速度问题。 对于规模较大的网络，或具有多余路径的网络，应该考虑使用其他路由协议。,6.8 开放最短路径优先协议,6.8.1 OSPF概述 开放最短路径优先协议（OSPF）是由I
15、nternet工程任务组（IETF）在1998年开发的，并且在最近的RFC2178中作了修改。,在自治域系统中，所有的OSPF路由器都维护一个相同的描述本自治域系统结构的数据库。在数据库中存放的是自治域中相应链路的状态信息，OSPF路由器通过这个数据库计算出OSPF的路由表。,采用OSPF的网络具有如下特点： （1）路由表收敛速度快； （2）能够适应大型网络； （3）能够正确处理错误路由信息； （4）由于使用区域，能够减少单个路由器的CPU负担，构成结构化的网络；,（5）支持无类路由、路由汇聚、可变长子网等特性； （6）支持多条路径负载均衡； （7）使用组播地址来进行信息互通，减少了非OSPF
16、路由器的负载； （8）使用路由标签表示来自外部区域的路由。,6.8.2 OSPF报文格式 OSPF是相当复杂的路由协议，因此，OSPF使用大量的数据结构来描述路由的状态信息。OSPF使用5种报文类型。,1HELLO报文 2数据库描述报文（DD报文） 3链路状态请求报文 4链路状态更新报文 5链路状态应答报文,6.8.3 OSPF的工作机制 在OSPF网络内，所有路由器运行相同的路由算法，并直接在相邻的路由器之间传送路由表更新报文。这些信息用于建立网络和链路的状态。,每个路由器的网络状态使用类似UNIX的树结构，并以自身作为根。这个树称为最短路径树（shortest-path tree），记录了到达自治系统内每个目的地的最短路径，自治系统之外的目的地可以通过到外部网络的边界网关来获得。,OSPF不负责对OSPF网络之外的目的地或网络的链路状态数
