Cisco系列路由技术基础知识详解

　　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层)地址映射到数据链路层(2层)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ARP和RARP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ARP从3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B的IP地址，它必须首先查找B的物理地址，它发送一个含有B的IP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A和B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。

　　3、IP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A的ARP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B的IP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telnet到P-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telnet到T-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(如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中(1122/3和1009)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类(网络地址:1字节，主机地址:3字节)

　　127: 保留

　　128-191: B类(网络地址:2字节，主机地址:2字节)

　　192-223: C类(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UNIX的routed路由守护进程通常使用的路由协议是版本1的RIP，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：255.0.0.0、255.255.0.0和255.255.255.0，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