白喉（diphtheria）

IP路由基础知识 北京交通大学 下一代互联网互联设备国家工程实验室 苏伟 课程内容 IP路由基础知识 三大路由协议 路由查询 IP网络设计与应用 移动、组播路由技术 未来互联网简介 第一部分 互联网的发展历史 互联网的早期发展历程 1969年美国国防部高级研究署资助建立的ARPANET是互联网的前身和雏形。 1974年，Vinton Cerf和Robert Kahn提出了TCP/IP协议族，用以解决不同计算机网络的互联问 。 1981年，IP的协议规范RFC791和TCP的协议规范 RFC 793出现，并在1983年成为ARPNET的正式标准，这使ARPNET的规模迅速扩大。 互联网的早期发展历程（续） 20世纪80年代中期，美国国家自然科学委筹建NSFNET。到20世纪90年代初，NSFNET取代旧有的ARPANET成为Internet的正式骨干网，1995年，NFSNET被一个更有竞争力、商业化更强的骨干网代替，将Internet向商业用户开放。 1992年，欧洲粒子物理实验室提出了一个称为WWW的概念，随后一年，发布了称为Mosaic的WWW客户程序。这使得互联网从一个由科学家和研究人员使用的文本工具转变为可由普通人就可以使用的图形工具，为Internet的大规模推广和应用起到了非常重要的作用。 从IPv4到IPv6 以TCP/IP协议体系为基础技术支撑的互联网在取得巨大成功的同时，也面临着越来越多的挑战和问题。 直接原因：互联网规模迅速膨胀和各种新业务不断出现。 根本原因：现有IPv4协议存在着诸多设计上的缺陷，包括： 地址空间不足 配置复杂 服务质量差 安全性不高 移动性支持差 从IPv4到IPv6（续） IETF从20世纪90年代就着手制订下一代网际协议IPv6。 1996年，描述IPv6及其支持协议的RFC出现（这些RFC基本上都已经被新的标准所代替）。 1998年，新的描述IPv6的协议标准RFC 2460取代了旧的RFC 1883，新的描述IPv6地址结构的RFC 2373代替了RFC 1884，而这个RFC在2003年又被RFC 3513所代替。 目前IPv6已经形成了比较完善的协议体系。 从IPv4到IPv6（续） IPv6的优点 地址空间的扩展 首部格式的简化 引入扩展首部，更好的支持移动性和安全性 引入了流标签等机制，以支持服务质量 支持地址的自动配置 IPv6现状与发展趋势 国外很早就开始了IPv6的研究与应用 1998年6月，中国国家教育科研网CERNET加入6Bone。 国内很多单位也陆续研制出各种IPv6网络关键设备。 2003年底，中国宣布实施名为“中国下一代互联网示范工程（CNGI）”的新一代互联网计划。 2004年，我国第一个IPv6主干网CERNET2试验网正式开通并提供服务，成为中国第一个全国性下一代互联网主干网。 国家发改委从2004年底开始，连续几年启动一系列与IPv6应用示范相关的研发和产业化项目。 第二部分 互联网的体系结构 现有信息网络基本上都采用了分层的体系结构，即将其协议体系划分为若干个层次，每个层次完成特定的功能，这样，各个层次综合在一起，就可以完成一个完整的系统功能。 子网层一般又称网络接口层，负责从网络层接收IP报文并向物理网络发送，或从网络上接收物理帧，取出IP数据报并提交给网络层。 网络层负责处理分组在网络中的活动，提供跨越多个网络的选路功能，并对上层屏蔽底层具体子网技术的细节。 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。在IP网络中，有两个互不相同的传输协议：TCP和UDP。 应用层负责处理特定的应用程序细节，为用户完成各种网络服务。 第三部分 IP路由中的基本概念 路由器 路由器是工作在网络层上，可以连接不同类型的网络，能够选择数据传送路径并对数据进行转发的网络设备。从通信的角度看，路由器是一种中继系统。 传输层 应用层 路由器 路由器 IP层 子网层 应用层 传输层 IP层 子网层 屏蔽下层细节 路由表 路由器在接收到数据时，要对其传输路径进行选择。为了实现这一目标，路由器需要维护一个称为“路由表”的数据结构。 路由表包含若干条目，供路由器选路时查询数据传输路径。 路由表中的一个条目至少要包含： 数据的目的地址（通常是目的主机所在网络的地址） 下一跳路由器（即从本路由器出发按所给路径到给定目的地所要通过的下一个路由器）的地址 相应的网络接口 一般情况下还应该有标志位等内容。 泛洪（Flooding） 源路由 1 2 4 D 3 S 路径探测过程 S 1 2 D 数据包中携带的选路信息 选路策略和选路机制 选路策略（Routing Policy）：根据数据包的目的地和网络的拓扑结构选择一条最佳路径，把对应不同目的地的最佳路径存放在路由表中； 选路机制（Routing Mechanism）：搜索路由表，决定向哪个接口转发数据，并执行相应的操作； 选路策略只影响路由表的内容，比如对同一个目的地址来说，由于选路策略的不同，最佳路径可能会不一样，但这并不影响选路机制的执行过程，只是会对其执行的结果产生影响。 IP网络地址结构 指IP地址（包括IPv4和IPv6）的编址方式。 通常把地址空间分为网络号和主机号两部分，当路由器在进行路径选择时，一般按照目的网络来查询，这样既可以降低路由表规模，也可以提高路由查询效率。 早期IPv4网络把地址分为A、B、C、D、E五类，浪费了大量的地址空间，并造成路由效率低下。为解决这些问题，出现了CIDR机制，即不再严格的对IP地址类别进行区分，IP地址网络号长度也不再固定。 IPv6地址的编址方式与CIDR类似，也是不限定网络号空间的长度，因此有很强的灵活性。 IP网络地址结构对路由选择和路由查询都有很大的影响。 自治系统和路由域 由于Internet规模太大，分布范围太广，所以路由表中对应每一个目的网络都有一个条目是不可能的；同样，也不可能采用一个全局的路由算法或协议。因此，Internet将整个网络划分为若干个相对自治的局部系统，即自治系统（AS，Autonomous System）。自治系统可以定义为同一机构下管理的路由器和网络的集合。 一个自治系统内部还可以再划分几个小的路由域，也称作区域。 内部网关协议和外部网关协议 路由协议可以分为内部网关协议（IGP）和外部网关协议（EGP）两大类。简单的定义，内部网关协议是用于自治系统内部的动态路由协议，包括RIP、OSPF等；而外部网关协议则是用于自治系统之间拓扑信息交换的路由协议，包含BGP等。 路由选择算法 路由算法是指路由器获得对网络拓扑结构的认知，并为数据包选择正确传输路径的方法或者策略。 一个理想的路由算法至少应该具备以下几点特征：①完整性和正确性；②简单性；③健壮性；④公平性；⑤最佳性。 路由算法的分类。 静态路由选择和动态路由选择 按照能否自动适应网络拓扑结构的变化，可以将选路策略分为静态路由选择和动态路由选择两大类。 静态路由选择并不是表示路由表一成不变，只是说明路由器不是通过彼此之间动态交换路由信息来建立和更新路由表的。 动态路由选择是通过网络中路由器间的相互通信来传递路由信息，利用接收到的路由信息自动更新路由表。 距离矢量路由选择协议和链路状态路由选择协议 距离矢量路由选择协议基于距离矢量路由算法。其基本思想是路由器周期地和相邻路由器交换路由表中的信息。这种信息是由若干（V，D）对组成的表项，其中，V代表矢量，指出该路由器可以达到的目的地；D表示去往目标V的距离。各个路由器根据收到的信息重新计算到各目的节点的距离，对自己的路由表进行修正。 链路状态路由选择协议也被称为最短路径优先协议，它基于链路状态路由算法。采用这种协议的路由器都要维护一张可以表示整个网络拓扑结构的无向图G（V，E），在图G中，节点V表示路由器，边E表示连接路由器的链路，因此G又可以称为L-S（链路-状态）图，各路由器的路由表通过L-S图计算。 第四部分 IPv4地址结构 IPv4地址结构 IP地址被分为五类： 主机号 主机号 主机号 组播地址 保留今后使用 网络号 网络号 网络号 1110 11110 10 110 0 各类地址的范围 A类的网络号共有126个（从1到126），每个网络中可以有16777214（224-2）台主机。 B类的网络号共有16382 （214-2）个，从128.0到191.255，每个网络中可以有65534（216-2）台主机。 C类的网络号有2097152（221-2）个，从192.168.0 到223.255.254，每个网络中可以有254（28-2）台主机。 D类可以有228个多播地址。 IPv4地址结构的缺陷 优点： 层次清晰、便于管理。 缺点： 单个A类网络或B类网络的主机地址空间很大，使得地址空间利用效率很低； 单个C类网络所容纳的地址太少，造成一个物理网络不得不使用多个C类网络号，造成路由表迅速膨胀； IPv4地址空间本身就不足。 常见解决 子网划分 CIDR NAT 子网划分 网络号 子网号 主机号 � ����3� ����2� ����1� ����A� CIDR CIDR（Classless InterDomain Routing，无类别域间路由 ）与子网划分相反，CIDR是把多个网络号聚合在一起，达到减少路由表中路由条目的数目的目的。 例如，某区域所分配的地址是从202.112.0.0/24到202.112.31.0/24，就可以聚合成202.112.0.0/19。 当一个网络进行子网划分时，在这个网络的内部，也可以对所划分的子网进行聚合。 CIDR体现的是IP地址无类的思想，其实施条件为： 要聚合的IP地址具有相同的高位地址比特，并且唯一； 202.112.144~202.112.159、202.205.96~202.205.103、211.71.64~211.71.79、218.107.149、219.242.112~219.112.127、219.242.240~219.112.255 必须扩展动态路由协议，使其除有32位IP地址外，还有32位掩码（OSPF和RIPv2即满足） NAT NAT（Network Address Translator）是一种地址翻译机制，它将无法在Internet上使用的保留地址转换为合法的IP地址。 NAT所使用的内部地址为10/8、172.16/12、192.168/16。 有类IP和无类IP对路由查询的影响 传统有类别地址方案会使路由表大大膨胀，严重影响路由查询的速度。 引入CIDR等无类别地址方案后，路由表条目的数量大大降低，但也存在一些问题，如网络前缀不再固定等。因此，人们不断的探索基于最长前缀匹配的路由查询算法。 特殊的地址 网络号 子网号 主机号 源地址使用 目的地址使用 描述 0 0 可以 不可以 网络上的主机 0 Hostid 可以 不可以 网络上某主机 127 任意值 可以 可以 环回地址 全1 全1 不可以 可以 只在本网络广播 Netid 全1 不可以 可以 对Netid广播 Netid Subnetid 全1 不可以 可以 对Subnetid广播 Netid 全1 全1 不可以 可以 对所有子网广播 几种机制小结 子网划分属于IP地址复用，它们只是提高IP地址空间的利用效率，不能增加可用的IP地址。 CIDR是一种减少路由条目的数量，防止路由表膨胀的技术。 和前两种技术不同，NAT能够使大量无法获得合法IP地址的用户接入Internet，可以大大减缓IP地址的枯竭。 第五部分 IPv6地址结构 IPv6地址分类 IPv6地址可以分为单播地址、多播地址和任播地址三类。 单播地址：仅标识一个接口，相当于传统的点对点地址 多播地址：用于标识一组接口，发给多播地址的报文通常要发给该组的所有成员 任播地址：也用于标识一组接口，但发给任播地址的报文只发给其中的一个，通常是最近（根据路由的度量）一个 IPv6地址的表示 IPv6的128位（即16个字节）地址写成8个16位无符号整数，每个整数用4位十六进制数来表示，这些数之间用冒号(:)分开，例如： AEDC:FA20:7484:32B0:AEFC:BC91:2645:3214 形如ABCD:0000:0000:0000:0008:0800:800C:417C 的可以简化为ABCD::0008:0800:800C:417C 简化只可以用一次。 IPv6地址分配 IPv4映射的IPv6地址 IPv4兼容的IPv6地址 回环地址 ::1(即0000 … … 0001) 80位 80位 16位 16位 32位 32位 127个0 0000 … … 0000 FFFF IPv4地址 0000 … … 0000 0000 IPv4地址 IPv6地址分配（续） 本地链路单播地址 本地网点单播地址 54位 64位 10位 64位 16位 38位 10位 1111 1110 10 0000 … … 0000 接口ID 1111 1110 11 0000 … …0000 子网ID 接口ID IPv6地址分配（续） 单播地址 64位接口ID应符合IEEE EUI-64的格式。可聚集全局单播地址的格式如下： 多播地址 常见的多播地址： FF02::1 所有节点地址 FF02::2 所有路由器地址 FF02::5 OSPF路由器 FF02::6 OSPF指派路由器 FF02::9 RIP路由器 3位 45位 16位 64位 001 全球路由前缀 子网ID 接口ID IPv6地址的自动配置 一个接口一旦被初始化，主机就可以为该接口建立一个链路局部地址，接口ID符合IEEE EUI-64标准。 无状态自动配置 一个IPv6节点启动时，要加入“所有节点”多播组； 向“所有路由器”多播组发送请求报文，源地址是其链路局部地址； 路由器收到这样一个报文后，就回应一个应答报文，通告自己的前缀。 有状态自动配置 利用DHCP配置主机地址。 从IPv4过渡到IPv6 在从IPv4过渡到IPv6的过程中，为保证IPv6节点和IPv4节点之间的互通，主要有以下几种技术： 双协议栈技术 隧道技术 网络地址转换技术 其他：SOCKS64、应用层网关、NAT/PT、传输层中继、主动网络 第六部分 路由转发的基本原理 路由转发原理 首部 数据 首部 首部 数据 首部 数据 首部 数据 首部 数据 处理首部 第七部分 路由算法 距离矢量路由算法 （1）各路由器对自己的路由表进行初始化，把与自己直接相连网络的距离设为0（在某些具体实现中也设为1，这只是一个初始值设定的问题），然后周期性地向外广播其路由表的内容。 （2）路由器Ri收到相邻路由器Rj的距离矢量信息后，对自己的路由表进行修正。 ①若Rj的距离矢量信息中所包含的目的节点va在Ri的路由表中没有，则在Ri的路由表中增加一个目的节点为va的条目，令dia=dja+1，并把到节点va的下一跳路由器设为Rj 。 ②若到Rj目的节点vb的路由比Ri到目的节点vb的路由短，则令dib=djb+1 ，并把到节点vb的下一跳路由器设为Rj 。 ③ Ri到目的节点vc最短路径上的下一跳是Rj 。如果Rj的路由表中不再包含到的vc路由，则在Ri中也应该把去往vc的路由删掉；如果Rj到vc的距离发生了变化，则Ri修改路由表中到vc的距离，令dic=djc+1 。 距离矢量路由算法在理论上是可以正常工作的，但在实际中存在着一个严重的缺陷：尽管它可以收敛到正确的路由，但它对好消息传播的快，而对坏消息则传播的慢。 总的来说，距离矢量路由选择协议的优点是易于实现，但难以适应网络拓扑的剧烈变动或者大型的网络环境。 链路状态路由算法 链路状态路由算法的基本步骤如下： （1）每一个路由器（节点）启动后，首先执行对相邻节点的发现工作，并获取它们的地址。 （2）各路由器主动测试到每一个相邻路由器的链路时延或成本，并根据测试结果设置相关链路的状态。 （3）各路由器构造自己的L-S（Link-State，链路状态）信息包，L-S信息的内容包括本路由器的标号、本路由器的邻居路由器列表、本路由器到各邻居路由器的链路状态（时延或成本）、该L-S信息包的序号和生存时间等。 （4）各路由器向所有参与SPF的路由器广播其L-S信息，可以是周期性地发送，也可以在链路状态发生变化时发送。 （5）每个路由器在收到所有的L-S信息后，可以构造或更新表示整个网络拓扑结构的图G（V，E），顶点V表示路由器，边E表示连接路由器的链路；这时路由器就可以用Dijkstra算法从图G中计算出到所有目的路由器的最短路径，也就是构造以自己为根节点的SPF树。 R1 R3 R2 R4 R5 R6 R7 R8 R9 6 1 3 2 2 5 2 5 3 3 3 2 R5 R4 R1 R3 R8 R7 R2 R6 R9 1 2 3 2 3 2 2 3 联系方式 wsu@bjtu.edu.cn