1.功能目的
1) 主要功能:负责点到点(point-to-point)的传输(这里的“点”指主机或路由器) 网络层是为传输层提供服务的,传送的协议数据单元称为数据包或分组。该层的主要作用是解决如何使数据包通过各结点传送的问题,即通过路径选择算法(路由)将数据包送到目的地。另外,为避免通信子网中出现过多的数据包而造成网络阻塞,需要对流入的数据包数量进行控制(拥塞控制)。当数据包要跨越多个通信子网才能到达目的地时,还要解决网际互连的问题。 2) 网络地址: 网络层地址由两部分地址组成:网络地址和主机地址。网络地址是全局唯一的。 3)路由寻址:
1.通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最佳路么.
2.网络层协议
网络层的主要协议:IP,ARP、RARP ARP协议用来找到目标主机的Ethernet网卡Mac地址,IP则承载要发送的消息。数据链路层可以从ARP得到数据的传送信息,而从IP得到要传输的数据信息。 1.IP协议IP协议是TCP/IP协议的核心,所有的TCP,UDP,IMCP,IGCP的数据都以IP数据格式传输。要注意的是,IP不是可靠的协议,这是说,IP协议没有提供一种数据未传达以后的处理机制--这被认为是上层协议--TCP或UDP要做的事情。所以这也就出现了TCP是一个可靠的协议,而UDP就没有那么可靠的区别。这是后话,暂且不提 |
IP地址 | 140.252.20.68 | 8C FC 14 44 |
子网掩码 | 255.255.255.0 | FF FF FF 00 |
网络号 | 140.252.20.0 | 8C FC 14 00 |
子网地址范围 | 140.252.20.0~140.252.20.255 |
划分子网的例子2
IP地址 | 140.252.20.68 | 8C FC 14 44 |
子网掩码 | 255.255.255.240 | FF FF FF F0 |
网络号 | 140.252.20.64 | 8C FC 14 40 |
子网地址范围 | 140.252.20.64~140.252.20.79 |
可见,IP地址与子网掩码做与运算可以得到网络号,主机号从全0到全1就是子网的地址范围。IP地址和子网掩码还有一种更简洁的表示方法,例如140.252.20.68/24,表示IP地址为140.252.20.68,子网掩码的高24位是1,也就是255.255.255.0。
如果一个组织内部组建局域网,IP地址只用于局域网内的通信,而不直接连到Internet上,理论上使用任意的IP地址都可以,但是RFC 1918规定了用于组建局域网的私有IP地址,这些地址不会出现在Internet上,如下表所示。
10.*,前8位是网络号,共16,777,216个地址
172.16.*到172.31.*,前12位是网络号,共1,048,576个地址
192.168.*,前16位是网络号,共65,536个地址
使用私有IP地址的局域网主机虽然没有Internet的IP地址,但也可以通过代理服务器或NAT(网络地址转换)等技术连到Internet上。
除了私有IP地址之外,还有几种特殊的IP地址。127.*的IP地址用于本机环回(loop back)测试,通常是127.0.0.1。loopback是系统中一种特殊的网络设备,如果发送数据包的目的地址是环回地址,或者与本机其它网络设备的IP地址相同,则数据包不会发送到网络介质上,而是通过环回设备再发回给上层协议和应用程序,主要用于测试。如下图所示)。
还有一些不能用作主机IP地址的特殊地址:
目的地址为255.255.255.255,表示本网络内部广播,路由器不转发这样的广播数据包。
主机号全为0的地址只表示网络而不能表示某个主机,如192.168.10.0(假设子网掩码为255.255.255.0)。
目的地址的主机号为全1,表示广播至某个网络的所有主机,例如目的地址192.168.10.255表示广播至192.168.10.0网络(假设子网掩码为255.255.255.0)。
下面介绍路由的过程,首先正式定义几个名词:
数据包从源地址到目的地址所经过的路径,由一系列路由节点组成。
某个路由节点为数据报选择投递方向的选路过程。
一个具有路由能力的主机或路由器,它维护一张路由表,通过查询路由表来决定向哪个接口发送数据包。
路由节点与某个网络相连的网卡接口。
由很多路由条目组成,每个条目都指明去往某个网络的数据包应该经由哪个接口发送,其中最后一条是缺省路由条目。
路由表中的一行,每个条目主要由目的网络地址、子网掩码、下一跳地址、发送接口四部分组成,如果要发送的数据包的目的网络地址匹配路由表中的某一行,就按规定的接口发送到下一跳地址。
路由表中的最后一行,主要由下一跳地址和发送接口两部分组成,当目的地址与路由表中其它行都不匹配时,就按缺省路由条目规定的接口发送到下一跳地址。
假设某主机上的网络接口配置和路由表如下:
$ ifconfig eth0 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0C:29:C2:8D:7E inet addr:192.168.10.223 Bcast:192.168.10.255 Mask:255.255.255.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:10 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:100 RX bytes:0 (0.0 b) TX bytes:420 (420.0 b) Interrupt:10 Base address:0x10a0 eth1 Link encap:Ethernet HWaddr 00:0C:29:C2:8D:88 inet addr:192.168.56.136 Bcast:192.168.56.255 Mask:255.255.255.0 UP BROADCAST RUNNING MULTICAST MTU:1500 Metric:1 RX packets:603 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:110 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:100 RX bytes:55551 (54.2 Kb) TX bytes:7601 (7.4 Kb) Interrupt:9 Base address:0x10c0 lo Link encap:Local Loopback inet addr:127.0.0.1 Mask:255.0.0.0 UP LOOPBACK RUNNING MTU:16436 Metric:1 RX packets:37 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0 TX packets:37 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0 collisions:0 txqueuelen:0 RX bytes:3020 (2.9 Kb) TX bytes:3020 (2.9 Kb) $ route Kernel IP routing table Destination Gateway Genmask Flags Metric Ref Use Iface 192.168.10.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 eth0 192.168.56.0 * 255.255.255.0 U 0 0 0 eth1 127.0.0.0 * 255.0.0.0 U 0 0 0 lo default 192.168.10.1 0.0.0.0 UG 0 0 0 eth0
这台主机有两个网络接口,一个网络接口连到192.168.10.0/24网络,另一个网络接口连到192.168.56.0/24网络。路由表的Destination是目的网络地址,Genmask是子网掩码,Gateway是下一跳地址,Iface是发送接口,Flags中的U标志表示此条目有效(可以禁用某些条目),G标志表示此条目的下一跳地址是某个路由器的地址,没有G标志的条目表示目的网络地址是与本机接口直接相连的网络,不必经路由器转发,因此下一跳地址处记为*号。
如果要发送的数据包的目的地址是192.168.56.3,跟第一行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0,与第一行的目的网络地址不符,再跟第二行的子网掩码做与运算得到192.168.56.0,正是第二行的目的网络地址,因此从eth1接口发送出去,由于192.168.56.0/24正是与eth1接口直接相连的网络,因此可以直接发到目的主机,不需要经路由器转发。
如果要发送的数据包的目的地址是202.10.1.2,跟前三行路由表条目都不匹配,那么就要按缺省路由条目,从eth0接口发出去,首先发往192.168.10.1路由器,再让路由器根据它的路由表决定下一跳地址。
路由器在网络层,所以是第三层设备。Internet上有大量路由器负责根据IP地址选择合适的路径转发数据包,数据包从Internet上的源主机到目的主机往往要经过十多个路由器。路由器是工作在第三层的网络设备,同时兼有交换机的功能,可以在不同的链路层接口之间转发数据包,因此路由器需要将进来的数据包拆掉网络层和链路层两层首部并重新封装。IP协议不保证传输的可靠性,数据包在传输过程中可能丢失,可靠性可以在上层协议或应用程序中提供支持。
二层交换机和三层路由器是性能和功能的矛盾体,交换机交换速度快,但控制功能弱,路由器控制性能强,但报文转发速度慢。解决这个矛盾的最新技术是三层交换,既有交换机线速转发报文能力,又有路由器良好的路由和寻址控制功能。
1)异种网络的互联
可用完全不同的数据分组和介质访问方法互联各种子网。只接收源站或其他路由器的信息,而不关心各子网所用的硬件设备(但要求运行与网络层协议相一致的软件)。
2)网络地址判断、最佳路由选择和数据处理(加密/优先级/过滤等)
3)支持复杂的网络拓扑结构
4)络互联和路由选择(中间节点路由器)
5)分隔子网和隔离广播(边界路由器)
路由器主要任务是接收来自一个网络接口的数据包,根据其中所含的目的地址,决定转发到下一个目的地址。因此,路由器首先得在转发路由表中查找它的目的地址,若找到了目的地址,就在数据包的帧格前添加下一个MAC地址,同时IP数据包头的TTL (Time To Live)域也开始减数,并重新计算校验和。当数据包被送到输出端口时,它需要按顺序等待,以便被传送到输出链路上。
路由器在工作时能够按照某种路由通信协议查找设备中的路由表。如果到某一特定节点有一条以上的路径,则基本预先确定的路由准则是选择最优(或最经济)的传输路径。由于各种网络段和其相互连接情况可能会因环境变化而变化,因此路由情况的信息一般也按所使用的路由信息协议的规定而定时更新。
网络中,每个路由器的基本功能都是按照一定的规则来动态地更新它所保持的路由表,以便保持路由信息的有效性。为了便于在网络间传送报文,路由器总是先按照预定的规则把较大的数据分解成适当大小的数据包,再将这些数据包分别通过相同或不同路径发送出去。当这些数据包按先后秩序到达目的地后,再把分解的数据包按照一定顺序包装成原有的报文形式。路由器的分层寻址功能是路由器的重要功能之一,该功能可以帮助具有很多节点站的网络来存储寻址信息,同时还能在网络间截获发送到远地网段的报文,起转发作用;选择最合理的路由,引导通信也是路由器基本功能;多协议路由器还可以连接使用不同通信协议的网络段,成为不同通信协议网络段之间的通信平台。
一般来说,路由器的主要工作是对数据包进行存储转发,具体过程如下:
第一步:当数据包到达路由器,根据网络物理接口的类型,路由器调用相应的链路层功能模块,以解释处理此数据包的链路层协议报头。这一步处理比较简单,主要是对数据的完整性进行验证,如CRC校验、帧长度检查等。
第二步:在链路层完成对数据帧的完整性验证后,路由器开始处理此数据帧的IP层。这一过程是路由器功能的核心。根据数据帧中IP包头的目的IP地址,路由器在路由表中查找下一跳的IP地址;同时,IP数据包头的TTL(Time To Live)域开始减数,并重新计算校验和(Checksum)。
第三步:根据路由表中所查到的下一跳IP地址,将IP数据包送往相应的输出链路层,被封装上相应的链路层包头,最后经输出网络物理接口发送出去。
简单地说,路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据包寻找一条最佳传输路径,并将该数据包有效地传送到目的站点。由此可见,选择最佳路径策略或叫选择最佳路由算法是路由器的关键所在。为了完成这项工作,在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路由表(Routing Table),供路由选择时使用。上述过程描述了路由器的主要而且关键的工作过程,但没有说明其它附加性能,例如访问控制、网络地址转换、排队优先级等。
首先来看一下路由器是怎么工作的。对于普通用户来说,所能够接触到的只是局域网的范围,通过在PC上设置默认网关就可以是局域网的计算机与Internet进行通信,
其实在计算机上所设置的默认网关就是路由器以太口的IP地址,如果局域网的计算机要和外面的计算机进行通信,只要把请求提交给路由器的以太口就可以了,接下来的工作就由路由器来完成了。因此可以说路由器就是互联网的中转站,网络中的包就是通过一个一个的路由器转发到目的网络的。
那么路由器是如何 进行包的转发的呢?就像一个人如果在去某个地方,一定要在他的脑海里有一张地图,在每个路由器的内部也有一张地图,这张地图就是路由表。
在这个路由表中包含有该路由器掌握的所有目地网络地址,以及通过此路由器到达这些网络中最佳路径,这个最佳路径指的是路由器的某个接口或下一条路由器的地址。
这是由于路由表的存在,路由器才可以依据路由表进行包的转发,如下面图所示网络为例。介绍路由器转发数据的过程。为了方便,将网段192.168.1.0/24简写为0,其他网段也做类似处理。
主机1.1要发送数据包给主机4.1,因为IP地址不再同一网段,主机会将数据包发送给本网段的网关路由器A。
路由器A接收到数据包,查看数据包IP中的目标IP地址,在查找自己的路由表,数据包的目标IP地址是4.1,属于4.0网段,路由器A在路由表中查到4。0网段转发的接口是SO接口。于是,路由表A将数据包从SO接口转发出去。
网络中的每个路由器都是按这样的步骤去转发数据,直到到达了路由器B,用同样的转发方法,从EO口转发出去,4.1主机接收发哦这个数据包。
在转发数据的过程中,如果在路由表中没有找到包的目的地地址,则根据路由器的配置转发到默认接口或者用户返回目标地址不可达的信息。
选路是IP层最重要的一个功能之一。前面的部分已经简单的讲过路由器是通过何种规则来根据IP数据包的IP地址来选择路由。这里就不重复了。首先来看看一个简单的系统路由表。
对于一个给定的路由器,可以打印出五种不同的flag。
U没啥可说的,G说明这是一个网关,如果你要发数据给Destination,IP头应该写Destination的IP地址,而数据链路层的MAC地址就应该是GateWay的Mac地址了;反之,如果没有G标志,那么数据链路层和IP层的地址应该是对应的。H说明了Destination的性质,如果是H的,则说明该地址是一个完整的地址,既有网络号又有主机号,那么再匹配的时候就既要匹配网络号,又要匹配主机号;反之,Destination就代表一个网络,在匹配的时候只要匹配一下网络号就可以了。
这样,IP选路的方式就可以更加具体化了。如下
顺便提一下那个GenMask(还记得子网掩码么),它指定了目的地址的子网号,例如第一条的子网就是11。
一般,我们在配置好一个网络接口的时候,一个路由就被直接创建好了。当然我们也可以手动添加路由。用route add命令就可以了。
而当一个IP包在某一个路由器的时候发现没有路由可走,那么该路由器就会给源主机发送“主机不可达”或者“网络不可达”的ICMP包来报错。
注意,一般的操作系统默认是没有路由功能的,这需要自己配置。这些历史原因就不细说了,
当IP包在某一个地方转向的时候,都回给发送IP报的源主机一个ICMP重定向报文,而源主机就可以利用这个信息来更新自己的路由表,这样,随着网络通信的逐渐增多,路由表也就越来越完备,数据转发的速度也会越来越快。我们需要注意的是:
在主机引导的时候,一般会发送在网内广播一个路由请求的ICMP报文,而多个路由器则会回应一个路由通告报文。而且,路由其本身不定期的在网络内发布路由通告报文,这样,根据这些报文,每一个主机都会有机会建立自己的路由表而实现网络通信。路由器在一份通告报文中可以通告多个地址,并且给出每一个地址的优先等级,这个优先等级是该IP作为默认路由的等级,至于怎么算的就不深究了。
路由器一般会在450-600秒的时间间隔内发布一次通告,而一个给定的通告报文的寿命是30分钟。而主机在引导的时候会每三秒发送一次请求报文,一旦接受到一个有效的通告报文,就停止发送请求报文。
在TCP/IP详解编写的时候,只有Solaris2.x支持这两种报文,大多数系统还不支持这两种报文。(后面还会讲到一些有用的路由报文)
前面的选路方法叫做静态选路,简要地说就是在配置接口的时候,以默认的方式生成路由表项。并通过route来增加表项,或者通过ICMP报文来更新表项(通常在默认方式出错的情况下)。 而如果上诉三种方法都不能满足,那么我们就使用动态选路。
动态选路协议是用于动态选路的重要组成部分,但是他们只是使用在路由器之间,相邻路由器之间互相通信。系统(路有选择程序)选择比较合适的路有放到核心路由表中,然后系统就可以根据这个核心路有表找到最合适的网路。也就是说,动态选路是在系统核心网络外部进行的,它只是用一些选路的策略影响路由表,而不会影响到最后通过路由表选择路由的那一部分。选路协议有一大类常用的叫做内部网关协议(IGP),而在IGP中,RIP就是其中最重要的协议。一种新的IGP协议叫做开放最短路经优先(OSPF)协议,其意在取代RIP。另一种最早用在网路骨干网上的IGP协议--HELLO,现在已经不用了。
如今,任何支持动态选路的路由器都必须同时支持OSPF和RIP,还可以选择性的支持其他的IGP协议。
Unix系统上面通常都有路由守护程序--routed。还有一个叫做gate。gate所支持的协议要比routed多,routed只是支持RIPv1版本。而gate则支持RIPv1、v2,BGPv1 等等。
它的定义可以在RFC1058内找到,这种协议使用UDP作为载体(也就是UDP的上层协议)。我们最关心的就是RIP其中的一个段,叫做度量的段,这是一个以hop作为计数器(就是以走过多少路由为计数器)的段(IP协议里面也有一个TTL不是么)。这个度量段将最终影响到路由表的建立。参考图:
一般说来routed要承担如下的工作:
这个协议看起来会工作的很好,但是,这里面其实有很多隐藏的忧患,比如说RIP没有子网的概念,比如说环路的危险。而且hop数的上限也限制了网络的大小。
因此,出现了很多RIPv1的替代品,比如说RIPv2,比如说OSPF。他们都是通过某种策略来影响路由表,所以就不说了。
5、常用命令
1、 tracert命令
tracert/ traceroute(linux) IP地址或域名
2、router配置路由
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