靜態(tài)路由原理與配置——理論篇

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目標(biāo)：理解路由的原理
學(xué)會(huì)配置靜態(tài)路由和默認(rèn)路由
學(xué)習(xí)內(nèi)容：
①路由原理
②路由器的工作原理
③路由表的形成
④靜態(tài)路由和默認(rèn)路由
⑤路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的封裝過(guò)程

一、路由原理
路由器工作在OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，他的額重要作用是為數(shù)據(jù)寶選擇最佳路徑，最終送達(dá)目的地。
在只有一個(gè)網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)包可以很容易地從源主機(jī)到達(dá)目標(biāo)主機(jī)。但是如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)要和非本網(wǎng)段的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)包可能就要經(jīng)過(guò)很多路由器。如圖所示，主機(jī) A 和主機(jī) B 所在的網(wǎng)段被許多路由器隔開(kāi)，這時(shí)主機(jī) A 與主機(jī) B 的通信就要經(jīng)過(guò)這些中間路由器，這就要面臨一個(gè)很重要的問(wèn)題——如何選擇到達(dá)目的地的路徑。數(shù)據(jù)包從 A 到達(dá)B 有很多條路徑可供選擇，但是很顯然，在這些路徑中在某一時(shí)刻總會(huì)有一條路徑是最快的。
因此，為了盡可能地提高網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)速度，就需要有一種方法來(lái)判斷從源主機(jī)到達(dá)目標(biāo)主機(jī)所經(jīng)過(guò)的最佳路徑，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，這就是路由技術(shù)。

二、路由器的工作原理
首先來(lái)看一下路由器是如何工作的。對(duì)于普通用戶(hù)來(lái)說(shuō)，能夠接觸到的只是局域網(wǎng)。通過(guò)在 PC 上設(shè)置默認(rèn)網(wǎng)關(guān)就可以使局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)與 Internet 進(jìn)行通信。其實(shí)在 PC 上所設(shè)置的默認(rèn)網(wǎng)關(guān)就是路由器以太口的 IP 地址。如果局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)要和外面的計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，只要把請(qǐng)求提交給路由器的以太口即可，接下來(lái)的工作就由路由器來(lái)完成。因此可以說(shuō)路由器就是互聯(lián)網(wǎng)的中轉(zhuǎn)站，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包就是通過(guò)一個(gè)一個(gè)的路由器轉(zhuǎn)發(fā)到目的網(wǎng)絡(luò)的。
那么路由器是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)的呢？
其實(shí)在每個(gè)路由器的內(nèi)部都有一張路由表，就好比出門(mén)旅游我們所使用的地圖。在這個(gè)路由表中，包含該路由器掌握的所有目的網(wǎng)絡(luò)地址，以及通過(guò)此路由器到達(dá)這些網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑。這個(gè)最佳路徑指的是路由器的某個(gè)接口或下一跳路由器的地址。
正是由于路由表的存在，路由器才可以高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。
如圖所示，我們簡(jiǎn)單來(lái)解釋一下路由器選擇最佳路徑的過(guò)程（此處我們將網(wǎng)段192.168.1.0/24簡(jiǎn)寫(xiě)為1.0，其他網(wǎng)段也同理）:

1.主機(jī)1.1要發(fā)送數(shù)據(jù)DATA給主機(jī)4.1,因?yàn)镮P地址不在同一網(wǎng)段，所以主機(jī)戶(hù)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給本網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)路由器A。
2.路由器A收到數(shù)據(jù)包后，會(huì)先查看數(shù)據(jù)包IP首部中的目標(biāo)IP地址，在查找自己的路由表。發(fā)現(xiàn)數(shù)包DATA的目標(biāo)地址是4.1，屬于4.0網(wǎng)段,S0接口，于是路由器A將數(shù)據(jù)包從接口S0發(fā)送出去。
3.同理，路由器B在收到路由器A發(fā)送的數(shù)據(jù)包后，也會(huì)先查看目標(biāo)IP地址以及自己的路由表。與此同時(shí)將數(shù)據(jù)包從網(wǎng)段4.0，E0接口發(fā)送出去。
4.最終主機(jī)4.1接收到數(shù)據(jù)包。
這就是路由器的工作原理！

三、路由表的形成
路由表是在路由器中維護(hù)的路由條目的集合，路由器根據(jù)路由表做路徑選擇。
那么路由表是怎么形成的呢？
①直連網(wǎng)段，通俗的話(huà)就是長(zhǎng)在自己身上的網(wǎng)段，當(dāng)配置好IP地址后，端口處于UP狀態(tài)，就形成了直連網(wǎng)段
②非直連網(wǎng)段，而對(duì)于非直連的網(wǎng)段，需要靜態(tài)路由或動(dòng)態(tài)路由，將網(wǎng)段添加到路由表中。
如圖：

四、靜態(tài)路由和默認(rèn)路由
①靜態(tài)路由
靜態(tài)路由是由管理員在路由器中手動(dòng)配置的固定路由。
它的缺點(diǎn)就是缺乏靈活性，但是允許對(duì)路由的行為進(jìn)行精確的控制，另外它是單向的。
因此一般來(lái)說(shuō)，靜態(tài)路由用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)固定的網(wǎng)絡(luò)中。
具體如圖示：

②默認(rèn)路由
默認(rèn)路由是一種特殊的靜態(tài)路由，是當(dāng)路由表中與數(shù)據(jù)包的目的地址之間沒(méi)有匹配的表項(xiàng)時(shí)路由器能夠做出的選擇。如果沒(méi)有默認(rèn)路由，那么目的地址在路由表中沒(méi)有匹配表項(xiàng)的數(shù)據(jù)包將被丟棄。
默認(rèn)路由的特點(diǎn)，就是它在只有一個(gè)唯一的路徑能夠到達(dá)其他網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，默認(rèn)路由會(huì)大大簡(jiǎn)化路由器的配置，減輕管理員的工作負(fù)擔(dān)，提高網(wǎng)絡(luò)性能。
具體如圖所示：（末節(jié)網(wǎng)絡(luò)就是：這個(gè)網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)唯一的路徑能夠到達(dá)其他網(wǎng)絡(luò)）

五、路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的封裝過(guò)程
我們用下圖來(lái)模擬數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)封裝過(guò)程，并做步驟解釋?zhuān)?br/>
1.Host A 在網(wǎng)絡(luò)層將來(lái)自上層的報(bào)文封裝成 IP 數(shù)據(jù)包，其首部包含了源地址和目的地址。源地址即本機(jī)地址 192.168.1.2，目的地址為 Host B 的地址 192.168.2.2。此時(shí)發(fā)現(xiàn)目的地址與本機(jī)地址不在同一網(wǎng)段，因此發(fā)往 Host B 的數(shù)據(jù)包需要經(jīng)過(guò)路由器 A 轉(zhuǎn)發(fā)。
2.Host A 通過(guò) ARP廣播請(qǐng)求獲得默認(rèn)網(wǎng)關(guān)路由器A的E0口的MAC地址為00-11-12-21-22-22。在數(shù)據(jù)鏈路層 Host A 將 IP 數(shù)據(jù)包封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀，在以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀首部的源 MAC 地址為 00-11-12-21-11-11，目的 MAC 地址為網(wǎng)關(guān) E0 口的 MAC 地址 00-11-12-21-22-22。 此時(shí)，路由器A會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行拆分，并查找自己的路由表，找出符合IP地址的路由表項(xiàng)，并重新封裝，發(fā)送給下一跳地址E1接口。
3.在 E1 接口路由器 A 重新封裝以太網(wǎng)幀，此時(shí)源 MAC 地址為路由器 A 的 E1 口 MAC地址 00-11-12-21-33-33，目的 MAC 地址為與之相連的路由器 B 的 E1 口 MAC 地址00-11-12-21-44-44。
4.路由器 B 從 E1 口接收到數(shù)據(jù)幀，同樣會(huì)把數(shù)據(jù)鏈路層的封裝去掉，對(duì)目的 IP 地址進(jìn)行檢查，并與路由表進(jìn)行匹配，再根據(jù)路由表的下一跳信息將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到 E0 接口。路由器 B 發(fā)現(xiàn)目的網(wǎng)段與自己的 E0 接口直接相連，通過(guò) ARP 廣播，路由器 B 獲得 Host B 以太口的 MAC 地址 00-11-12-21-66-66。路由器 B 再將 IP 數(shù)據(jù)包封裝成以太網(wǎng)幀，源 MAC 地址為路由器 B 的 E0 口的 MAC 地址 00-11-12-21-55-55，目的 MAC 地址為 Host B 的 MAC 地址00-11-12-21-66-66。封裝完畢，將以太網(wǎng)幀從 E0 接口發(fā)往 Host B。
因此，一般通過(guò)以上4步來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)封裝，由此可以得出一個(gè)規(guī)律：IP地址始終不變，MAC地址一直改變！

交換域路由對(duì)比
-路由工作在網(wǎng)絡(luò)層
根據(jù)“路由表”轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)
路由選擇
路由轉(zhuǎn)發(fā)
-交換工作在數(shù)據(jù)鏈路層
根據(jù)"MAC地址表"轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)
硬件轉(zhuǎn)發(fā)

附：
對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行排錯(cuò)的時(shí)候需要用到的方法：
1.分層檢查：
從物理層檢查，查看端口狀態(tài)來(lái)排除接口線(xiàn)纜等問(wèn)題
查看IP地址和路由等的配置是否正確?
2.分段檢查：
將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)小段，逐段排除錯(cuò)誤

總結(jié)概述
1.路由器工作在OSI參考模型的網(wǎng)絡(luò)層，他的額重要作用是為數(shù)據(jù)寶選擇最佳路徑，最終送達(dá)目的地。路由表是路由器中維護(hù)的路由條目的集合，路由器根據(jù)路由表做路徑選擇。
2.靜態(tài)路由是單向的，如果希望實(shí)現(xiàn)雙方的通信，必須在通信雙方配置雙向的靜態(tài)路由
3.默認(rèn)路由是一種特殊的靜態(tài)路由，是當(dāng)路由表中與數(shù)據(jù)包的目的地址之間沒(méi)有匹配的表項(xiàng)時(shí)路由器能夠做出的選擇。如果沒(méi)有默認(rèn)路由，那么目的地址在路由表中沒(méi)有匹配表項(xiàng)的數(shù)據(jù)包將被丟棄。
4.在配置路由的過(guò)程中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)排錯(cuò)時(shí)要分層、分段檢查。分層檢查可以首先從物理層檢查，分段檢查則將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)小段，逐段排除錯(cuò)誤。

靜態(tài)路由原理和配置實(shí)驗(yàn)案例可以參考上一篇博客哦：https://blog.51cto.com/14481836/2427239