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1、潍坊学院 计算机与通信工程学院第十讲 网络层（二）本讲主要内容n因特网路由选择协议nRIPnOSPFnBGPn网络互连设备n中继器n网桥n路由器27.3 因特网路由选择协议n因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统（Autonomous System，AS）。n一个自治系统是一个互联网，其最重要的特点是自治系统有权自主地决定在本系统内采用何种路由选择协议。一个自治系统内的所有网络都属于一个行政单位来管辖。但一个自治系统的所有路由器在本自治系统内必须是连通的。 3这样因特网就把路由选择协议划分为两大类：（1）内部网关协议IGP（Interior Gateway Protocol）。即在一个自治
2、系统内部使用的路由选择协议，目前这类路由选择协议使用得最多，如RIP和OSPF协议。（2）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。47.3.1内部网关协议RIP和OSPF1. RIP协议n路由信息协议 RIP (Routing Information Protocol)是内部网关协议 IGP中最先得到广泛使用的协议。nRIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选
3、择协议。nRIP 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。 5“距离”的定义 n从一路由器到直接连接的网络的距离定义为 1。n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。nRIP 协议中的“距离”也称为“跳数”(hop count)，因为每经过一个路由器，跳数就加 1。 网络网络网络网络网络6“距离”的定义 nRIP 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”。nRIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。n“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。nRIP 不能在两个网络之间同时使
4、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。 7RIP 协议的三个要点 n仅和相邻路由器交换信息。（与谁交换信息？） n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。（交换的什么信息？） n按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔 30 秒。 （多长时间交换一次信息？）8RIP的工作过程路由表的建立 n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）。n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。n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
5、的最短距离和下一跳路由器的地址。nRIP 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。 n交换信息的载体是什么？9距离向量算法FDCBX网 3网 2网 4网 6网 5网 1E1 1 5 1 1 1 3 1 目的网络从本路由器到目的网络的距离下一跳RIP报文路由表信息RIP报文及路由表中内容10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：将“下一跳”字段中的地址都改为 X，并将所有的“距离”字段的值加 1。(2) 对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，重复以下步骤：若项目中
6、的目的网络不在路由表中，则将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，则将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，则将此相邻路由器记为不 可达的路由器，即将距离置为16（距离为16表示不可达）。(4) 返回。1.目的网络不在路由表2.目的网络在路由表中 AND 下一跳字段给出的路由器地址相同3.目的网络在路由表中 AND 下一跳字段给出的路由器地址不同 AND 项目中的距离小于路由表中的距离4.目的网络在路由表中 AND 下一跳字段给出的路由器地址不
7、同 AND 项目中的距离大于等于路由表中的距离111 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 一开始，各路由表只有到相邻路由器的信息网 3网 2网 4网 6网 5网 1“4”表示“从本路由器到网 4”“1”表示“距离是 1”“ ”表示“直接交付”121 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6
8、 2 C更新后A 说：“我到网 1 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 1，距离是 2，经过 A。”131 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后A 说：“我到网 2 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 2，距离是 2，经过 A。”141 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1
9、 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后A 说：“我到网 3 的距离是 1。”但 B 没有必要绕道经过路由器 A再到达网 3，因此这一项目不变。151 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后C 说：“
10、我到网 4 的距离是 1。”但 B 没有必要绕道经过路由器 C再到达网 4，因此这一项目不变。161 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后C 说：“我到网 6 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 6，距离是 2，经过 C。”17最终所有的路由器的路由表都更新了FEDCBA1 1 2 1 3 1 4 2 B5 2 E6 3 B1 1 2 2
11、A3 2 A4 3 A5 1 6 2 F1 2 E2 2 D3 3 C4 2 C5 1 6 1 1 3 B2 3 B3 2 B4 1 5 2 F6 1 网 2网 6网 5网 1网 3网 41 2 A2 1 3 2 A4 3 A5 1 6 2 F1 2 A2 2 A3 1 4 1 5 3 C6 2 C182. OSPF协议nOSPF协议(Open Shortest Path First)是分布式的链路状态协议。 n“开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。n“最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPF。nOSPF 只是一个协议的名字，它并不表示
12、其他的路由选择协议不是“最短路径优先”。19三个要点 n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。（与谁交换信息？）n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。（交换什么信息？）n“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。 n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。（什么时间交换信息？） 20链路状态数据库(link-state database) n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。n这个数据库实际上就是全网的拓
13、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）。nOSPF 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。 21OSPF 的区域(area) n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。n每一个区域都有一个 32 bit 的区域标识符（用点分十进制表示）。n区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。 nOSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为0.0.0.0。主干区域的作
14、用是用来连通其他在下层的区域。 22自治系统 ASOSPF 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R9R7R6R5R4R3R2R1网 8网 6网 3网 2网 1网 7区域 0.0.0.2网 4网 5R8主干路由器区域边界路由器23划分区域 n划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量。n在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑的情况。nOSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)
15、。主干区域的标识符规定为0.0.0.0。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域。 247.3.2 外部网关协议BGPn1989年公布了新的外部网关协议边界网关协议BGP。BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议。目前版本是1995年发表的BGP-4。25外部网关协议设计的基本思想nBGP使用的环境与内部网关协议不同。（1）因特网的规模太大，使得自治系统之间的路由选择非常困难。（2）对于自治系统之间的路由选择，要寻找最佳路由是很不现实的。（3）自治系统之间的路由选择必须考虑有关政治、安全或经济方面的策略。n基于上述情况，BGP只能力求寻找一条能够到达目的网络且比较好的路由，而并非要寻
16、找一条最佳路由。26外部网关协议设计的基本思想BGP 发言人BGP发言人BGP 发言人BGP 发言人BGP发言人AS1AS3AS2AS5AS427自治系统连通图 nBGP 发言人互相交换网络可达性的信息后，各 BGP 发言人就可找出到达各自治系统的比较好的路由。 AS1AS6AS2AS3AS5AS4AS7AS8287.5网络互连设备7.5.1中继器n中继器是最简单的网络互连设备，主要完成物理层的功能，负责在两个节点的物理层上按位传递信息，完成信号的复制、调整和放大功能，以此来延长网络的长度。中继器29中继器应用的5-4-3规则n一般情况下，中继器的两端连接的是相同的媒体，但是有的中继器也可以完
17、成不同媒体的转接工作。从理论上讲中继器的使用是无限的，网络也因此可以无限延长。n事实上这是不可能的，因为网络标准中都对信号的延迟范围做了具体的规定，中继器只能在此规定范围内进行有效的工作，否则会引起网络故障。以太网标准中就约定了一个以太网上只允许出现5个网段，最多使用4个中继器，而且其中只有3个网段可以挂接计算机或终端设备。30在计算机网络应用与设计时常见的中继器主要有两种形式：调制解调器（Modem）和集线器（Hub），集线器用的最多。n集线器主要用于共享网络的组建，是解决从服务器直接到桌面的最佳、最经济的方案。一系二系三系集线器集线器集线器集线器主干集线器31集线器的分类n依据总线带宽的不
18、同，集线器分为10M，100M和10/100M自适应三种；n若按配置形式的不同可分为独立型集线器、模块化集线器和堆叠式集线器三种；n根据管理方式可分为智能型集线器和非智能型集线器两种。n集线器根据端口数目的不同主要有8口、16口和24口等。 327.5.2网桥n网桥是一个局域网与另一个局域网之间建立连接的桥梁。n网桥是属于数据链路层的一种设备，它的作用是扩展局域网络和通信手段，在各种传输介质中转发数据信号，扩展网络的距离，同时又有选择地将带有地址的信号从一个传输介质发送到另一个传输介质，并能有效地限制两个介质系统中无关紧要的通信。33网桥的内部结构 站表端口管理 软件网桥协议 实体端口 1端口
19、 2缓存网段 B网段 A111222站地址 端口网桥网桥34多端口网桥-交换机n交换机，被称为“多端口网桥”。以太网交换技术（Switch）是在网桥的基础上于20世纪90年代初发展起来的，实现OSI模型的下两层协议。n与传统的网桥相比，它能提供更多的端口（488）、更好的性能、更强的管理功能以及更便宜的价格。n而现在，局域网交换机也实现了OSI参考模型的第三层协议，将二层转发与三层路由选择功能相结合，形成了三层交换机，已成为现代局域网的核心设备。相对于三层交换机，我们把二层交换机又称为传统交换机。 357.5.3路由器n在互联网日益发展的今天，是什么把网络相互连接起来？是路由器。路由器在互联网
20、中扮演着十分重要的角色，它是互联网的枢纽、交通警察。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已经成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互连和骨干网与互联网互连互通业务的主力军。36路由器实现网络互联互联网局域网局域网广域网路由器37路由n所谓路由就是指通过相互连接的网络把信息从源地点移动到目标地点的活动。一般来说，在路由过程中，信息至少会经过一个或多个中间节点。n路由发生在第三层（网络层）。在网络中承担路由任务的节点，就是路由器，它是完成网络互联的重要设备，这种互联既可以是同种网络的互联，也可以是异种网络的互联。38图5-2 直接交付与间接交付间接交付间接交付间接交付ABC直接交付直
21、接交付39路由包含两个基本动作：n确定最佳路径和数据转发n数据转发相对来说比较简单，而选择路径很复杂。401路径选择n度量值（Metric）是路由算法用以确定到达目的地最佳路径的计量标准，如路径长度。为了帮助选路，路由算法初始化并维护包含路径信息的路由表，路径信息根据使用的路由算法不同而不同。n路由表的产生有多种方式，可以是动态的，也可以是静态的，关于路由表将会在5.2节中详细介绍。n路径选择过程：当数据报到达路由器时，路由器会从数据报的IP头部解析出相关地址信息，与路由表中的信息比对，选出一条可到达目的主机的路径，如有多条路径存在，则选择一条最佳路径。在此环节，通往目的主机的下一跳路由器的I
22、P地址便产生了。412数据转发n数据转发算法相对而言较简单，对大多数路由协议是相同的。通过上面的路径选择环节，路由器得出下一跳路由器的IP地址，下一步便是通过ARP协议获取下一跳路由器的MAC地址，随之将数据报打包，将源MAC地址填充上自己的物理地址，将目的MAC地址变换为下一跳路由器的MAC地址，源IP、目的IP保持不变写入数据报头中。继而完成转发动作，整个过程如图5-3所示。42数据转发43小结n因特网路由选择协议根据自治系统范围划分为内部网关协议与外部网关协议。n掌握RIP协议算法n了解OSPF与BGP协议思想n网络互连设备可从网络的不同层次互连网络n物理层互连：中继器（集线器）n数据链路层互连：网桥n网络层互连：路由器44
