七、路由和路由器

07. Routing and Routers

• Router Basics
• Router Startup procedure
• Routing
• Router configuration

一、Router Basics 路由器基础

1. 内部组成

1. RAM 随机存取存储器
   • 用于临时存储路由器配置文件
   • 断电或重启时RAM内容会丢失
   • 存储内容包括：
     • 路由表
     • ARP缓存
     • 快速交换缓存
     • 数据包缓冲
     • 数据包保持队列
2. NVRAM 非易失性随机存取存储器
   • 非易失性 Non-volatile 随机存取存储器
   • 存储备份/启动配置文件
   • 路由器断电或重启时内容不会丢失
3. Flash
   • EEPROM（电子可擦除可编程只读存储器）
     • Electronically Erasable Programmable Read-Only Memory
   • 存储Cisco IOS（互联网操作系统）
   • 允许在不更换Flash芯片的情况下更新软件
   • 可以存储多个版本的IOS
   • 断电时内容不会丢失
4. ROM 只读存储器 Read-Only Memory
   • 包含上电自检POST（Power On Self Test）
   • 启动程序（加载Cisco IOS）
   • 操作系统软件
   • 备份的精简版IOS
   • 升级需要安装新的芯片组
5. Interface 接口
   • 网络连接，通过这些接口连接数据包进入和退出路由器
   • 附加在主板上或作为独立模块

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Router Startup Procedure 路由器启动步骤

1. 系统启动过程: System Startup Procedure

1. 执行上电自检（POST）：
   • 在自检过程中，路由器从ROM中执行诊断，检查所有硬件模块。
2. 验证基本操作：
   • 验证CPU、内存和网络接口端口的基本操作。
3. 软件初始化：
   • 初始化操作系统和其他软件组件。

2. 软件启动过程:

1. 步骤1：通用引导加载程序在ROM中执行，在CPU卡上运行。
2. 步骤2：操作系统（Cisco IOS）可以在多个位置找到。位置在配置寄存器的引导字段中指定。
3. 步骤3：加载操作系统映像。
4. 步骤4：将保存在NVRAM中的配置文件加载到主内存中，并逐行执行。
5. 步骤5：如果NVRAM中没有有效的配置文件，则执行一个问题驱动的初始配置例程，称为系统配置对话，也称为设置模式。

3. 检验基本的路由配置

• 使用show running-config 命令
• 存储路由器基本配置copy running-config
  startup-config

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三、Routing 路由

1. 使用网络寻址进行路由

1. 路由器通常通过两个基本功能将数据包从一个数据链路中继到另一个数据链路：
   1. path determination 路径确定功能：决定数据包的最佳传输路径。
   2. switching 交换功能：将数据包从输入接口转发到适当的输出接口。
2. 交换功能允许路由器在一个接口上接受数据包并通过第二个接口转发。
3. 路径确定功能使路由器能够选择最合适的接口来转发数据包。
4. 路由器使用地址的网络部分进行路径选择，以将数据包传递到下一个路由器
5. 地址的节点部分由直接连接到目标网络的路由器 使用，以将数据包传递到正确的主机。

2. Static and Dynamic Route 静态和动态路由

2.1. 静态路由例子

• 
• 尽管（whereas）动态路由倾向于显示（reveal）有关互联网络的所有已知信息，但是出于安全原因，您可能希望隐藏互联网络的某些部分。
• 当只有一条路径可访问网络时，到网络的静态路由就足够了。
• 这种分区称为Stub Network

2.2. 静态路由配置Configuration

ip route network [mask] {address | interface} [distance]

• network：目标网络或子网
• mask：子网掩码
• address：下一跳路由器的IP地址
• interface：到达目标网络所使用的接口
• distance：管理距离 administrative distance

管理距离 Administrative Distance

• 管理距离是对路由信息源可信度的评级，以0到255的数值表示。
• 数值越高，可信度越低。
• 因此，静态路由的管理距离通常较低（默认值为1）

3. 动态路由

• 动态路由协议也可以在网络中的不同路径之间重定向流量 redirect traffic（或负载共享loadshare）。

1. 动态路由依赖于路由协议在路由器之间共享知识。
2. 动态路由取决于两个基本路由器功能：
   • 维护（maintance）路由表
   • 向其他路由器分发（distribution）路由信息

4. 收敛时间 Time to Convergence

1. 收敛时间：
   • 从刚启动到网络达到稳定的时间
   • 从（网络拓扑）发生变化到再次稳定的时间
2. 收敛时间越短，路由协议越强，网络的稳定性和可靠性也越高，需要路由器的基本硬件支持。

5. 动态路由协议分类

• 距离矢量（DV,Distance Vector）
• 链路状态（LS,Link State）
• 混合路由（HR,Hybird Routing）

5.1 距离矢量协议 Distance-Vector Protocol

• 距离矢量算法不允许路由器知道互联网络的确切拓扑结构。
• 基于距离矢量的路由算法（也称为Bellman-Ford算法）通过路由器之间定期传递路由表的副本来工作。
  • 大家交换 Routing Table
  • 只知道可达，但是不知道怎么可达（知道 where,但是不知道 how），不知道整个网路的具体拓扑

DVP导致问题

1. 问题1：路由环路 Routing loops:
   • 路由环路是指数据包在网络中不断循环，无法到达目的地。距离矢量协议由于缺乏全局拓扑信息，容易导致路由环路。
2. 问题2：计数到无穷大 Couting to Infinity：
   • 当网络中某条路径失效时，路由器可能会不断增加到该路径的距离，直到达到预设的最大值（无穷大）。这会导致网络收敛时间变长，影响网络性能。
   • 当路由器在计数到无穷大时，无效信息会导致路由环路的存在。

解决方案

1. 定义最大值（最大跳数）：
   • 通过定义一个最大跳数（例如15跳），限制路由器可以传播的最大距离。当达到这个最大值时，路由器将认为路径不可达，从而避免计数到无穷大的问题。
2. 路由毒化 Route Poisoning：
   • 当路由器检测到某条路径失效时，将该路径的距离设置为无穷大，并立即通知其他路由器，从而加速收敛。
3. 水平分割 Split Horizon：
   • 路由器从某个端口收到的报文信息，不能再从该端口发送回去，从而防止路由环路。
4. 持久计时器 Hold-Down Timers：
   • 在路径失效后，路由器会等待一段时间再接受关于该路径的更新信息，从而避免无效信息的传播。

防止发送路由更新

• 为了防止接口发送任何路由更新信息，可以使用以下命令：

Router(config-router)# passive-interface f0/0

• 仅当使用距离矢量路由协议时，它才有效，因为链路状态路由协议不会直接从其邻接方的路由表中获取拓扑信息

5.2 链路状态协议 LSP Link-state Protocol

• 基于链路状态的路由算法（也称为SPF（最短路径优先）算法）维护一个复杂的拓扑信息数据库。
• 链路状态路由使用：
  • 链路状态公告（LSAs）
  • 拓扑数据库
  • SPF算法和生成的SPF树
  • 到每个网络的路径和端口的路由表
• RFC 1583包含了OSPF链路状态概念和操作的描述。
• 工作原理
  1. 交换LSAs：
     • 路由器之间交换链路状态公告（LSAs）。每个路由器从直接连接的网络开始。
  2. 构建拓扑数据库：
     • 每个路由器与其他路由器并行构建一个包含所有LSAs的拓扑数据库。
  3. SPF算法计算网络可达性：
     • SPF算法计算网络的可达性。路由器将这个逻辑拓扑构建为一棵树，以自身为根，包含到每个网络的所有可能路径。然后按最短路径优先（SPF）对这些路径进行排序。
  4. 更新路由表：
     • 路由器在路由表中列出其最佳路径和到这些目标网络的端口。它还维护其他拓扑元素和状态细节的数据库。

LSP关注点

1. 处理和内存需求：
   • 运行链路状态路由协议通常需要路由器使用更多的内存和进行更多的处理，相比于距离矢量路由协议。
2. 带宽需求：
   • 在初始链路状态数据包泛洪期间，所有使用链路状态路由协议的路由器会向其他所有路由器发送LSA数据包。这一行为会泛洪整个互联网络，增加带宽需求，并暂时减少用于传输用户数据的带宽。

问题: 链路状态更新 Link-State Updates

• 链路状态路由必须确保所有路由器都获取到所有必要的LSA数据包。
• 拥有不同LSA集合的路由器会基于不同的拓扑数据计算路由。

比较：链路状态LSP和距离矢量DVP

1. DV：距离矢量
   • 视野窄，代价小
   • 基于跳数
   • 定期交换路由表，收敛慢
   • 交换路由表
2. LS：链路状态
   • 视野宽，有一定代价
   • 基于带宽
   • 初期充分交换，收敛快
   • 交换 Linked State 的数据库

5.3 混合协议 Hybrid Protocols

1. 混合协议结合了距离矢量协议DVP和链路状态协议LSP的特性。

• 示例：
  • OSI的IS-IS（Intermediate System-to-Intermediate System）
  • Cisco的EIGRP（Enhanced Interior Gateway Routing Protocol）

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四、Routing Protocols 主动路由协议

1. IP路由协议示例
   • RIP：距离矢量路由协议
   • IGRP：Cisco的距离矢量路由协议
   • OSPF：链路状态路由协议
   • EIGRP：平衡混合路由协议
     
2. 工作在第3层——网络层
3. 路由协议的主要目标
   • 最佳路径：Optimal
     • 选择最佳路径
   • 效率：Efficiency
     • 最小化带宽和路由器处理资源的使用
   • 快速收敛：Rapid Convergence
     • 收敛速度越快越好。有些协议比其他协议收敛得更快。
   • 灵活性：Flexibility
     • 能够处理各种情况，如高使用率和路由失败
4. 动态路由配置 Dynamic Routing Configuration

router protocol [keyword] 定义一个IP路由协议
network network-number network-number：指定一个直接连接的网络

• 例如
  1. 启动RIP：router protocol [RIP...]

5. 定义默认路由

• 默认路由：保持路由表简短。
• 当路由表中不存在目标网络的条目时，数据包将被发送到默认网络。
  1. 用动态路由协议定义默认路由

  ip default-network [network-number]
  2. 用静态路由定义默认路由
  ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 [next-hop-ip address| exit-interface]