路由器工作原理是怎樣的
路由器工作原理是怎樣的
本文通過闡述TCP/IP網絡中路由器的基本工作原理，介紹了IP路由器的幾大功能，給出了靜態(tài)路由協(xié)議和動態(tài)路由協(xié)議，以及內部網關協(xié)議和外部網關協(xié)議的概念，同時簡要介紹了目前最常見的RIP、OSPF、BGP和BGP-4這幾種路由協(xié)議，然后描述了路由算法的設計目標和種類，著重介紹了鏈路狀態(tài)法和距離向量法。在文章的最后，扼要講述了新一代路由器的特征。
近十年來，隨著計算機網絡規(guī)模的不斷擴大，大型互聯(lián)網絡(如Internet)的迅猛發(fā)展，路由技術在網絡技術中已逐漸成為關鍵部分，路由器也隨之成為最重要的網絡設備。用戶的需求推動著路由技術的發(fā)展和路由器的普及，人們已經不滿足于僅在本地網絡上共享信息，而希望最大限度地利用全球各個地區(qū)、各種類型的網絡資源。而在目前的情況下，任何一個有一定規(guī)模的計算機網絡(如企業(yè)網、校園網、智能大廈等)，無論采用的是快速以大網技術、FDDI技術，還是ATM技術，都離不開路由器，否則就無法正常運作和管理。
1 網絡互連
把自己的網絡同其它的網絡互連起來，從網絡中獲取更多的信息和向網絡發(fā)布自己的消息，是網絡互連的最主要的動力。網絡的互連有多種方式，其中使用最多的是網橋互連和路由器互連。
1.1 網橋互連的網絡
網橋工作在OSI模型中的第二層，即鏈路層。完成數據幀(frame)的轉發(fā)，主要目的是在連接的網絡間提供透明的通信。網橋的轉發(fā)是依據數據幀中的源地址和目的地址來判斷一個幀是否應轉發(fā)和轉發(fā)到哪個端口。幀中的地址稱為“MAC”地址或“硬件”地址，一般就是網卡所帶的地址。
網橋的作用是把兩個或多個網絡互連起來，提供透明的通信。網絡上的設備看不到網橋的存在，設備之間的通信就如同在一個網上一樣方便。由于網橋是在數據幀上進行轉發(fā)的，因此只能連接相同或相似的網絡(相同或相似結構的數據幀)，如以太網之間、以太網與令牌環(huán)(token ring)之間的互連，對于不同類型的網絡(數據幀結構不同)，如以太網與X.25之間，網橋就無能為力了。
網橋擴大了網絡的規(guī)模，提高了網絡的性能，給網絡應用帶來了方便，在以前的網絡中，網橋的應用較為廣泛。但網橋互連也帶來了不少問題：一個是廣播風暴，網橋不阻擋網絡中廣播消息，當網絡的規(guī)模較大時(幾個網橋，多個以太網段)，有可能引起廣播風暴(broadcasting storm)，導致整個網絡全被廣播信息充滿，直至完全癱瘓。第二個問題是，當與外部網絡互連時，網橋會把內部和外部網絡合二為一，成為一個網，雙方都自動向對方完全開放自己的網絡資源。這種互連方式在與外部網絡互連時顯然是難以接受的。問題的主要根源是網橋只是最大限度地把網絡溝通，而不管傳送的信息是什么。
1.2 路由器互連網絡
路由器互連與網絡的協(xié)議有關，我們討論限于TCP/IP網絡的情況。
路由器工作在OSI模型中的第三層，即網絡層。路由器利用網絡層定義的“邏輯”上的網絡地址(即IP地址)來區(qū)別不同的網絡，實現網絡的互連和隔離，保持各個網絡的獨立性。路由器不轉發(fā)廣播消息，而把廣播消息限制在各自的網絡內部。發(fā)送到其他網絡的數據茵先被送到路由器，再由路由器轉發(fā)出去。
IP路由器只轉發(fā)IP分組，把其余的部分擋在網內(包括廣播)，從而保持各個網絡具有相對的獨立性，這樣可以組成具有許多網絡(子網)互連的大型的網絡。由于是在網絡層的互連，路由器可方便地連接不同類型的網絡，只要網絡層運行的是IP協(xié)議，通過路由器就可互連起來。
網絡中的設備用它們的網絡地址(TCP/IP網絡中為IP地址)互相通信。IP地址是與硬件地址無關的“邏輯”地址。路由器只根據IP地址來轉發(fā)數據。IP地址的結構有兩部分，一部分定義網絡號，另一部分定義網絡內的主機號。目前，在Internet網絡中采用子網掩碼來確定IP地址中網絡地址和主機地址。子網掩碼與IP地址一樣也是32bit，并且兩者是一一對應的，并規(guī)定，子網掩碼中數字為“1”所對應的IP地址中的部分為網絡號，為“0”所對應的則為主機號。網絡號和主機號合起來，才構成一個完整的IP地址。同一個網絡中的主機IP地址，其網絡號必須是相同的，這個網絡稱為IP子網。
通信只能在具有相同網絡號的IP地址之間進行，要與其它IP子網的主機進行通信，則必須經過同一網絡上的某個路由器或網關(gateway)出去。不同網絡號的IP地址不能直接通信，即使它們接在一起，也不能通信。
路由器有多個端口，用于連接多個IP子網。每個端口的IP地址的網絡號要求與所連接的IP子網的網絡號相同。不同的端口為不同的網絡號，對應不同的IP子網，這樣才能使各子網中的主機通過自己子網的IP地址把要求出去的IP分組送到路由器上。
2 路由原理
當IP子網中的一臺主機發(fā)送IP分組給同一IP子網的另一臺主機時，它將直接把IP分組送到網絡上，對方就能收到。而要送給不同IP于網上的主機時，它要選擇一個能到達目的子網上的路由器，把IP分組送給該路由器，由路由器負責把IP分組送到目的地。如果沒有找到這樣的路由器，主機就把IP分組送給一個稱為“缺省網關(default gateway)”的路由器上。“缺省網關”是每臺主機上的一個配置參數，它是接在同一個網絡上的某個路由器端口的IP地址。
路由器轉發(fā)IP分組時，只根據IP分組目的IP地址的網絡號部分，選擇合適的端口，把IP分組送出去。同主機一樣，路由器也要判定端口所接的是否是目的子網，如果是，就直接把分組通過端口送到網絡上，否則，也要選擇下一個路由器來傳送分組。路由器也有它的缺省網關，用來傳送不知道往哪兒送的IP分組。這樣，通過路由器把知道如何傳送的IP分組正確轉發(fā)出去，不知道的IP分組送給“缺省網關”路由器，這樣一級級地傳送，IP分組最終將送到目的地，送不到目的地的IP分組則被網絡丟棄了。
目前TCP/IP網絡，全部是通過路由器互連起來的，Internet就是成千上萬個IP子網通過路由器互連起來的國際性網絡。這種網絡稱為以路由器為基礎的網絡(router based network)，形成了以路由器為節(jié)點的“網間網”。在“網間網”中，路由器不僅負責對IP分組的轉發(fā)，還要負責與別的路由器進行聯(lián)絡，共同確定“網間網”的路由選擇和維護路由表。
路由動作包括兩項基本內容：尋徑和轉發(fā)。尋徑即判定到達目的地的最佳路徑，由路由選擇算法來實現。由于涉及到不同的路由選擇協(xié)議和路由選擇算法，要相對復雜一些。為了判定最佳路徑，路由選擇算法必須啟動并維護包含路由信息的路由表，其中路由信息依賴于所用的路由選擇算法而不盡相同。路由選擇算法將收集到的不同信息填入路由表中，根據路由表可將目的網絡與下一站(nexthop)的關系告訴路由器。路由器間互通信息進行路由更新，更新維護路由表使之正確反映網絡的拓撲變化，并由路由器根據量度來決定最佳路徑。這就是路由選擇協(xié)議(routing Protocol)，例如路由信息協(xié)議(RIP)、開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF)和邊界網關協(xié)議(BGP)等。
轉發(fā)即沿尋徑好的最佳路徑傳送信息分組。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何將分組發(fā)送到下一個站點(路由器或主機)，如果路由器不知道如何發(fā)送分組，通常將該分組丟棄;否則就根據路由表的相應表項將分組發(fā)送到下一個站點，如果目的網絡直接與路由器相連，路由器就把分組直接送到相應的端口上。這就是路由轉發(fā)協(xié)議(routed protocol)。
路由轉發(fā)協(xié)議和路由選擇協(xié)議是相互配合又相互獨立的概念，前者使用后者維護的路由表，同時后者要利用前者提供的功能來發(fā)布路由協(xié)議數據分組。下文中提到的路由協(xié)議，除非特別說明，都是指路由選擇協(xié)議，這也是普遍的習慣。
3 路由協(xié)議
典型的路由選擇方式有兩種：靜態(tài)路由和動態(tài)路由。
靜態(tài)路由是在路由器中設置的固定的路由表。除非網絡管理員干預，否則靜態(tài)路由不會發(fā)生變化。由于靜態(tài)路由不能對網絡的改變作出反映，一般用于網絡規(guī)模不大、拓撲結構固定的網絡中。靜態(tài)路由的優(yōu)點是簡單、高效、可靠。在所有的路由中，靜態(tài)路由優(yōu)先級最高。當動態(tài)路由與靜態(tài)路由發(fā)生沖突時，以靜態(tài)路由為準。
動態(tài)路由是網絡中的路由器之間相互通信，傳遞路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的過程。它能實時地適應網絡結構的變化。如果路由更新信息表明發(fā)生了網絡變化，路由選擇軟件就會重新計算路由，并發(fā)出新的路由更新信息。這些信息通過各個網絡，引起各路由器重新啟動其路由算法，并更新各自的路由表以動態(tài)地反映網絡拓撲變化。動態(tài)路由適用于網絡規(guī)模大、網絡拓撲復雜的網絡。當然，各種動態(tài)路由協(xié)議會不同程度地占用網絡帶寬和CPU資源。
靜態(tài)路由和動態(tài)路由有各自的特點和適用范圍，因此在網絡中動態(tài)路由通常作為靜態(tài)路由的補充。當一個分組在路由器中進行尋徑時，路由器首先查找靜態(tài)路由，如果查到則根據相應的靜態(tài)路由轉發(fā)分組;否則再查找動