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Cisco路由技术基础知识详解
发表时间 : 2018-10-25 23:48:33

最简单的网络可以想象成单线的总线,各个计算机可以通过向总线发送分组以互相通信。但随着网络中的计算机数目增长,这就很不可行了,会产生许多问题:

1、带宽资源耗尽。 
2
、每台计算机都浪费许多时间处理无关的广播数据。 
3
、网络变得无法管理,任何错误都可能导致整个网络瘫痪。 
4
、每台计算机都可以监听到其他计算机的通信。

  把网络分段可以解决这些问题,但同时你必须提供一种机制使不同网段的计算机可以互相通信,这通常涉及到在一些ISO网络协议层选择性地在网段间传送数据,我们来看一下网络协议层和路由器的位置。

  我们可以看到,路由器位于网络层。本文假定网络层协议为IPv4,因为这是最流行的协议,其中涉及的概念与其他网络层协议是类似的。

一、路由与桥接

  路由相对于2层的桥接/交换是高层的概念,不涉及网络的物理细节。在可路由的网络中,每台主机都有同样的网络层地址格式(如IP地址),而无论它是运行在以太网、令牌环、FDDI还是广域网。网络层地址通常由两部分构成:网络地址和主机地址。

  网桥只能连接数据链路层相同(或类似)的网络,路由器则不同,它可以连接任意两种网络,只要主机使用的是相同的网络层协议。

二、连接网络层与数据链路层

  网络层下面是数据链路层,为了它们可以互通,需要“粘合”协议。ARP(地址解析协议)用于把网络层(3)地址映射到数据链路层(2)地址,RARP(反向地址解析协议)则反之。

  虽然ARP的定义与网络层协议无关,但它通常用于解析IP地址;最常见的数据链路层是以太网。因此下面的ARPRARP的例子基于IP和以太网,但要注意这些概念对其他协议也是一样的。

1、地址解析协议

  网络层地址是由网络管理员定义的抽象映射,它不去关心下层是哪种数据链路层协议。然而,网络接口只能根据2层地址来互相通信,2层地址通过ARP3层地址得到。

  并不是发送每个数据包都需要进行ARP请求,回应被缓存在本地的ARP表中,这样就减少了网络中的ARP包。ARP的维护比较容易,是一个比较简单的协议。

2、简介

  如果接口A想给接口B发送数据,并且A只知道BIP地址,它必须首先查找B的物理地址,它发送一个含有BIP地址的ARP广播请求B的物理地址,接口B收到该广播后,向A回应其物理地址。

  注意,虽然所有接口都收到了信息,但只有B回应该请求,这保证了回应的正确且避免了过期的信息。要注意的是,当AB不在同一网段时,A只向下一跳的路由器发送ARP请求,而不是直接向B发送。 接收到ARP分组后处理,注意发送者的对被存到接收ARP请求的主机的本地ARP表中,一般A想与B通信时,B可能也需要与A通信。

3IP地址冲突

  ARP产生的问题中最常见的是IP地址的冲突,这是由于两个不同的主机IP地址相同产生的,在任何互联的网络中,IP地址必须是唯一的。这时会收到两个ARP回应,分别指出了不同的硬件地址,这是严重的错误,没有简单的解决办法。

  为了避免出现这类错误,当接口A初试化时,它发送一个含有其IP地址的ARP请求,如果没有收到回应,A就假定该IP地址没有被使用。我们假定接口B已经使用了该IP地址,那么B就发送一个ARP回应,A就可以知道该IP地址已被使用,它就不能再使用该IP地址,而是返回错误信息。这样又产生一个问题,假设主机C含有该IP地址的映射,是映射到B的硬件地址的,它收到接口AARP广播后,更新其ARP表使之指向A的硬件地址。为了解决这个错误,B再次发送一个ARP请求广播,这样主机C又更新其ARP表再次指向B的硬件地址。这时网络的状态又回到先前的状态,有可能C已经向A发送了应该发送给BIP分组,这很不幸,但是因为IP提供的是无保证的传输,所以不会产生大的问题。

4、管理ARP缓存表

  ARP缓存表是对的列表,根据IP地址索引。该表可以用命令arp来管理,其语法包括:

向表中添加静态表项 -- arp -s

从表中删除表项 -- arp -d

显示表项 -- arp -a

  ARP表中的动态表项(没有手动加入的表项)通常过一段时间自动删除,这段时间的长度由特定的TCP/IP实现决定。

5、静态ARP地址的使用

  静态ARP地址的典型使用是设置独立的打印服务器,这些设备通常通过telnet来配置,但首先它们需要一个IP地址。没有明显的方法来把此信息告诉该设备,好象只能使用其串口来设置。但是,这需要找一个合适的终端和串行电缆,设置波特率、奇偶校验等,很不方便。

  假设我们想给一个打印服务器设置IP地址P-IP,并且我们知道其硬件地址P-hard,在工作站A上创建一个静态ARP表项把P-IP映射到P-hard,这样,虽然打印服务器不知道自己的IP地址,但是所有指向P-IP的数据就将被送到P-hard。我们现在就可以telnetP-IP并配置其IP地址了,然后再删除该静态ARP表项。

  有时会在一个子网里配置打印服务器,而在另一个子网里使用它,方法与上面类似。假设其IP地址为P-IP,我们分配一个本网的临时IP地址T-IP给它,在工作站A上创建临时ARP表项把T-IP映射到P-hard,然后telnetT-IP,给打印服务器配以IP地址P-IP。接下来就可以把它放到另一个子网里使用了,别忘了删除静态ARP表项。

6、代理ARP

  可以通过使用代理ARP来避免在每台主机上配置路由表,在使用子网时这特别有用,但注意,不是所有的主机都能理解子网的。基本的思想是即使对于不在本子网的主机也发送ARP请求,ARP代理服务器(通常是网关)回应以网关的硬件地址。

  代理ARP简化了主机的管理,但是增加了网络的通信量(不是很明显),并且可能需要较大的ARP缓存,每个不在本网的IP地址都被创建一个表项,都映射到网关的硬件地址。在使用代理ARP的主机看来,世界就象一个大的没有路由器物理网络。

三、IP地址

  在可路由的网络层协议中,协议地址必须含有两部分信息:网络地址和主机地址。存贮这种信息最明显的方法是用两个分离的域,这样我们必须考虑到两个域的最大长度,有些协议(IPX)就是这样的,它在小型和中型的网络里可以工作的很好。

  另一种方案是减少主机地址域的长度,如24位网络地址、8位主机地址,这样就有了较多的网段,但每个网段内的主机数目很少。这样一来,对于多于256个主机的网络,就必须分配多个网段,其问题是很多的网络给路由器造成了难以忍受的负担。

  IP把网络地址和主机地址一起包装在一个32位的域里,有时主机地址部分很短,有时很长,这样可以有效利用地址空间,减少IP地址的长度,并且网络数目不算多。有两种将主机地址分离出来的方法:基于类的地址和无类别的地址。

1、主机和网关

  主机和网关的区别常产生混淆,这是由于主机意义的转变。在RFC(1122/31009)中定义为:

  主机是连接到一个或多个网络的设备,它可以向任何一个网络发送和从其接收数据,但它从不把数据从一个网络传向另一个。

  网关是连接到多于一个网络的设备,它选择性的把数据从一个网络转发到其它网络。

  换句话说,过去主机和网关的概念被人工地区分开来,那时计算机没有足够的能力同时用作主机和网关。主机是用户工作的计算机,或是文件服务器等。现代的计算机的能力足以同时担当这两种角色,因此,现代的主机定义应该如此:

主机是连接到一个或多个网络的设备,它可以向任何一个网络发送和从其接收数据。它也可以作为网关,但这不是其唯一的目的。

  路由器是专用的网关,其硬件经过特殊的设计使其能以极小的延迟转发大量的数据。然而,网关也可以是有多个网卡的标准的计算机,其操作系统的网络层有能力转发数据。由于专用的路由硬件较便宜,计算机用作网关已经很少见了,在只有一个拨号连接的小站点里,还可能使用计算机作为非专用的网关。

2、基于类的地址

  最初设计IP时,地址根据第一个字节被分成几类:

0: 保留 
1-126: A
(网络地址:1字节,主机地址:3字节
127: 
保留 
128-191: B
(网络地址:2字节,主机地址:2字节
192-223: C
(网络地址:3字节,主机地址:1字节
224-255: 
保留

3、子网划分

  虽然基于类的地址系统对因特网服务提供商来说工作得很好,但它不能在一个网络内部做任何路由,其目的是使用第二层(桥接/交换)来导引网络中的数据。在大型的A类网络中,这就成了个特殊的问题,因为在大型网络中仅使用桥接/交换使其非常难以管理。在逻辑上其解决办法是把大网络分割成若干小的网络,但在基于类的地址系统中这是不可能的。为了解决这个问题,出现了一个新的域:子网掩码。子网掩码指出地址中哪些部分是网络地址,哪些是主机地址。在子网掩码中,二进制1表示网络地址位,二进制0表示主机地址位。传统的各类地址的子网掩码为:

A类:255.0.0.0
B
类:255.255.0.0 
C
类:255.255.255.0

  如果想把一个B类网络的地址用作C类大小的地址,可以使用掩码255.255.255.0

  用较长的子网掩码把一个网络分成多个网络就叫做划分子网。要注意的是,一些旧软件不支持子网,因为它们不理解子网掩码。例如UNIXrouted路由守护进程通常使用的路由协议是版本1RIP,它是在子网掩码出现前设计的。 
 上面只介绍了三种子网掩码:255.0.0.0255.255.0.0255.255.255.0,它们是字节对齐的子网掩码。但是也可以在字节中间对其进行划分,这里不进行详细讲解,请参照相关的TCP/IP书籍。

  子网使我们可以拥有新的规模的网络,包括很小的用于点到点连接的网络(如掩码255.255.255.25230位的网络地址,2位的主机地址:两个主机的子网),或中型网络(如掩码255.255.240.020位网络地址,12位主机地址:4094个主机的子网)。

  注意DNS被设计为只允许字节对齐的IP网络(in-addr.arpa.域中)

4、超网(supernetting)

  超网是与子网类似的概念--IP地址根据子网掩码被分为独立的网络地址和主机地址。但是,与子网把大网络分成若干小网络相反,它是把一些小网络组合成一个大网络--超网。

  假设现在有16C类网络,从201.66.32.0201.66.47.0,它们可以用子网掩码255.255.240.0统一表示为网络201.66.32.0。但是,并不是任意的地址组都可以这样做,例如16C类网络201.66.71.0201.66.86.0就不能形成一个统一的网络。不过这其实没关系,只要策略得当,总能找到合适的一组地址的。

5、可变长子网掩码(VLSM)

  如果你想把你的网络分成多个不同大小的子网,可以使用可变长子网掩码,每个子网可以使用不同长度的子网掩码。例如:如果你按部门划分网络,一些网络的掩码可以为

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