7. IP 路由

概述

IP 路由（路由選擇）是為數據報從信源到信宿尋找最佳 / 較佳路徑的過程，核心依據是網絡拓撲結構，通過路由表實現。路由表存在于主機和路由器中，反映局部網絡拓撲，其使用頻率遠高于刷新頻率（路由表由 IP 模塊使用，由路由協議負責建立和刷新）。

7.1 直接傳遞與間接傳遞

數據報從信源到信宿的傳遞分為兩種方式：

• 直接傳遞：數據報直接發送到最終信宿（信源與信宿位于同一物理網絡）。
• 間接傳遞：信源與信宿位于不同物理網絡，數據報需經過中間路由器轉發（由多個中間傳遞組成）。

關系：完整的數據傳遞過程由 “1 次直接傳遞 + 0~ 多次間接傳遞” 構成。

7.2 IP 路由核心機制

• 路由選擇依據：網絡拓撲結構（抽象為 “點 - 線” 模型：點表示路由器，線表示網絡）。
• 表驅動路由：主機和路由器均通過路由表進行路由選擇，路由表反映局部網絡拓撲，所有路由表的集合反映整體拓撲。
• 路由表操作：
  • 使用：IP 模塊根據數據報目的 IP 地址和路由表選擇下一跳（高頻操作，每秒可達數百次）。
  • 建立與刷新：由專門的路由協議負責（低頻操作，每隔十秒至數十秒一次）。
• 路由表維護：ICMP 可對主機路由表進行重定向；動態路由協議（如 OSPF）負責動態刷新路由表，確保其及時反映網絡結構變化。

7.3 路由表

路由表是主機和路由器中反映網絡拓撲的數據集，核心功能是指明去往某信宿的路徑，由多個字段構成。

7.3.1 路由表的構成

路由表為二維表，每個表項包含以下核心字段：

字段	含義
信宿地址	通常為目標網絡的 IP 地址（而非單主機地址，減小路由表規模）。
子網掩碼	用于提取數據報目的 IP 地址對應的網絡地址（與目的 IP “與” 操作后匹配信宿地址）。
下一跳地址	數據報通往信宿的 “下一步” 地址（可為路由器 IP 或本地接口，將多個路由器串聯成完整路徑）。
輸出接口	路由器發送數據報的接口 IP 地址。
度量	衡量路徑優劣的指標（通常為跳數，即途經路由器數量，取最小值）。

7.3.2 信宿地址采用網絡地址的好處

1. 減小路由表規模：網絡數量遠少于主機數量，簡化表結構。
2. 匹配網絡抽象結構：抽象拓撲中僅關注網絡，不關注單主機。
3. 增強適應性：主機增減不影響路由表（信息隱藏）。
4. 降低開銷：減少路由表維護和路由選擇的計算量。

7.3.3 下一跳地址的優勢

• 路由表中僅存儲 “下一跳” 而非完整路徑，可：
  1. 大幅減小路由表規模；
  2. 消除路徑冗余信息；
  3. 簡化路由表維護。

7.3.4 特殊路由表項

1. 特定主機路由：
   • 信宿地址為單主機 IP，子網掩碼為255.255.255.255。
   • 用途：為特定主機指定特殊路徑（如安全性測試、網絡管控）。
2. 默認路由：
   • 信宿地址和子網掩碼均為0.0.0.0（0.0.0.0/0）。
   • 用途：當路由表中無匹配的網絡 / 主機地址時，默認使用此路徑（通常指向自治系統外的出口路由器）。
   • 限制：一個路由表最多只能有一條默認路由。

7.3.5 路由算法

IP 模塊根據數據報目的 IP 地址和路由表選擇路徑的步驟：

1. 提取數據報目的 IP 地址；
2. 將路由表中各表項的子網掩碼與目的 IP 進行 “與” 操作，得到目標網絡地址；
3. 匹配規則：
   • 優先匹配特定主機路由（最長掩碼匹配原則）；
   • 其次匹配網絡地址；
   • 若均不匹配，使用默認路由；
   • 若無默認路由，丟棄數據報并發送 “網絡不可達” ICMP 差錯報告。

7.4 靜態路由

靜態路由是通過手工配置建立和維護路由表的方式，適用于小型、拓撲穩定的網絡。

7.4.1 特點

• 路由器初始僅知曉直連網絡，非直連網絡需手工添加路由表項；
• 路由表為本地文件，網絡結構變化時需人工調整。

7.4.2 自治系統（AS）

• 定義：由獨立管理機構控制的一組網絡和路由器的集合，內部拓撲、路由機制自主選擇。
• 靜態路由應用：自治系統內網絡需手工添加到路由表，去往外部的網絡通過默認路由轉發。

7.4.3 配置命令

• Windows 系統（route命令）：
  • 添加：route add 目的網絡 mask 子網掩碼 下一跳 [metric 度量]
  • 刪除：route delete 目的網絡 mask 子網掩碼
  • 顯示：route print
  • 選項：-p（重啟后保留路由）。
• Cisco 路由器：
  • 添加：ip route 目的網絡 子網掩碼 下一跳/出口接口
  • 刪除：no ip route 目的網絡 子網掩碼 下一跳/出口接口
  • 顯示：show ip route。

7.4.4 問題

• 大型網絡中手工配置工作量極大；
• 無法動態適應網絡拓撲變化（如鏈路故障）；
• 可能產生冗余路徑，增加管理復雜度。

7.5 動態路由

動態路由通過路由協議自動建立和維護路由表，適用于大型、拓撲動態變化的網絡。核心原則是 “最短路徑優先”（以跳數、時延等為度量）。

7.5.1 路由算法分類

1. 距離 - 向量算法（V-D 算法）：
   • 思想：路由器周期性向相鄰路由器廣播 “（信宿，距離）” 序偶（V 為信宿，D 為跳數），根據最短路徑優先原則刷新路由表。
   • 優點：簡單易實現。
   • 缺點：收斂速度慢（網絡變化后，所有路由器同步拓撲信息耗時久）；信息交換量大（每次廣播近完整路由表）。
2. 鏈路 - 狀態算法（L-S 算法 / SPF 算法）：
   • 思想：路由器通過 “鏈路狀態通告（LSA）” 交換鄰接鏈路狀態，構建全局拓撲圖，使用 Dijkstra 算法生成以自身為根的最短路徑樹（SPF 樹），再構造路由表。
   • 優點：收斂速度快（局部變化僅擴散相關信息）；信息交換量小（僅廣播鏈路狀態變化）。

7.5.2 路由協議分類

動態路由協議分為內部網關協議（IGP）（自治系統內）和外部網關協議（EGP）（自治系統間）。

1. 路由信息協議（RIP）—— IGP，基于距離 - 向量算法

• 核心機制：以跳數為度量（1 跳 = 1 個路由器），最大有效跳數為 15（16 表示不可達）。
• 解決的問題：
  • 路由環路：限制最大跳數為 15，避免無限循環。
  • 相同距離路徑：先入為主（保留首次收到的路徑）。
  • 失效路徑：為路由表項設定時器（180 秒無更新則標記為 “不可達”，120 秒后刪除）。
  • 慢收斂（計數到無窮）：
    • 水平分割 + 毒性逆轉：從某接口收到的路由信息，再從該接口發出時將距離設為 16（不可達），避免環路。
    • 觸發刷新：網絡變化時立即廣播更新，加速收斂。
• RIPv1 與 RIPv2 的對比：

特性	RIPv1	RIPv2
子網支持	不支持（無子網掩碼字段）	支持（含子網掩碼字段，兼容 VLSM 和 CIDR）
鑒別機制	無	支持（明文口令 / 加密鑒別）
通告方式	廣播（255.255.255.255）	組播（224.0.0.9）
報文格式	無路由標記、下一跳字段	含路由標記（區分路由源）、下一跳字段

• 報文與封裝：
  • 報文類型：請求（類型 1）、響應（類型 2），響應報文含多個（信宿，距離）序偶。
  • 封裝：UDP 數據報（端口 520），最大報文長度 504 字節（含 25 個路由項）。

2. 開放最短路徑優先（OSPF）—— IGP，基于鏈路 - 狀態算法

• 核心機制：自治系統劃分為區域（減少路由信息量），主干區域（0.0.0.0）連接所有區域，邊界路由器匯總區域信息。路由器通過 LSA 交換鏈路狀態，構建鏈路狀態數據庫（LSDB），生成 SPF 樹，再構造路由表。
• 關鍵特性：
  1. 支持服務類型路由（根據數據報 TOS 字段選擇路徑）。
  2. 可為接口指派費用（基于吞吐率、時延等，影響路徑選擇）。
  3. 負載均衡（相同費用的路徑平均分配流量）。
  4. 層次化結構（區域隱藏內部拓撲，支持大規模網絡）。
  5. 支持多種鑒別機制（不同區域可采用不同方式）。
  6. 組播通告（減少無關主機開銷）。
• 報文類型：
  • 共 5 種，均含 24 字節標準首部（版本、類型、長度等）：
    1. Hello 分組（類型 1）：發現 / 維護鄰機關系，周期發送。
    2. 數據庫描述分組（類型 2）：交換 LSDB 概要，同步拓撲信息。
    3. 鏈路狀態請求分組（類型 3）：請求缺失的 LSA 細節。
    4. 鏈路狀態更新分組（類型 4）：泛洪 LSA（核心報文）。
    5. 鏈路狀態確認分組（類型 5）：確認 LSA 接收，保證可靠性。
• 封裝：直接封裝在 IP 數據報中（協議字段 = 89）。

3. 增強型內部網關路由協議（EIGRP）—— IGP，Cisco 私有

• 核心機制：結合距離 - 向量和鏈路 - 狀態特性，使用擴散更新算法（DUAL） 計算路由。
• 路由表結構：
  • 鄰機表：存儲鄰機狀態信息。
  • 拓撲表：存儲可行后繼路由（備用次佳路由）。
  • 路由表：存儲后繼路由（最佳路由，用于轉發）。
• 報文類型：
  • Hello：發現 / 維護鄰機關系。
  • Update：發送路由更新信息。
  • Query：路由失效且無備用路由時，向鄰機查詢。
  • Reply：響應 Query 報文。
  • Ack：確認收到報文（通過其他報文承載，或單播 Hello 報文）。
• 封裝：直接封裝在 IP 數據報中（協議字段 = 88）。

4. 邊界網關協議（BGP）—— EGP，基于路徑 - 向量算法

• 核心機制：用于自治系統間交換路由信息，路徑以 “自治系統號（ASN）序列” 表示，支持基于策略的路由（考慮政治、經濟、安全等因素）。
• 報文類型：
  1. 打開報文（類型 1）：建立鄰機關系（TCP 連接建立后發送）。
  2. 更新報文（類型 2）：通告新路由或刪除無效路由（核心報文）。
  3. 保持活動報文（類型 3）：定期發送，維持鄰機連接。
  4. 通告報文（類型 4）：報告錯誤或關閉連接。
• 封裝：通過 TCP 傳輸（端口 179），保證可靠性。
• 防環機制：路由更新時，若路徑中已包含本地 ASN，則拒絕該路徑。

本章要點

• 數據傳遞分為直接傳遞（同一網絡）和間接傳遞（跨網絡，經路由器轉發）。
• 路由表是路由選擇的核心，含信宿地址、子網掩碼、下一跳、輸出接口、度量，特殊表項包括特定主機路由（255.255.255.255）和默認路由（0.0.0.0/0）。
• 靜態路由手工配置，適用于小型穩定網絡；動態路由通過協議自動維護，適用于大型動態網絡。
• 路由算法分為距離 - 向量（如 RIP）和鏈路 - 狀態（如 OSPF），前者簡單但收斂慢，后者復雜但收斂快。
• 主要路由協議：
  • RIP（IGP，V-D 算法，跳數度量，適用于小型網絡）；
  • OSPF（IGP，L-S 算法，區域劃分，適用于大規模網絡）；
  • EIGRP（Cisco 私有 IGP，DUAL 算法，復合度量）；
  • BGP（EGP，路徑 - 向量算法，AS 間路由，支持策略路由）。