图解系列--路由器和它庞大的功能-编程知识

03.01 何为路由器

路由器是指主要负责 OSI参考模型中网络层的处理工作，并根据路由表信息在不同的网络之间转发IP 分组的网络硬件(图3-1)。这里的网络一般是指IP 子网，也可以称为广播域。此外，现在的路由器还会搭载其他各种各样的功能。
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03.01.01 路由器的必要性

在某个组织的内部网络中，如果其中的一个LAN 希望连接另一个LAN, 就需要使用路由器设备。另外，构建大型的LAN 时虽然可以不用路由器，但需要使用交换机或主机等设备来管理大量的 MAC地址信息，不过，当频繁进行广播通信时，设备的负担就会非常大。这种情况下，为了减轻设备的负担，需要将LAN 划分成一个个子网，而每一个子网之间的通信就需要依靠路由器进行了。在为了连接互联网而与互联网服务供应商建立连接时，也同样需要用到路由器设备。

03.01.02 什么是路由选择

路由器进行IP分组路径选择的处理即为路由选择(routing)。
路由器从输入接口处收到IP 分组后，根据其首部包含的发送目的地址信息进行路径选择，并按照选择结果将IP 分组转发到流出接口处。其中转发的路线叫做路径，而路由器在路由选择处理时所参考的信息叫做路由表(routing table)(表3-1)。路由器通过这些信息可以决定将收到的IP 分组转发到哪个网络。路由表由多个路由表表项构成，其中每个表项都可以由管理者手动设置(即静态路由)，也可以根据路由协议自动生成(即动态路由)。
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03.01.03 转发

路由选择的处理需要根据目的地IP 地址中的信息，判断将分组转发到哪个网络。发送至不同网络就是指在路由器中的某个流入接口处接收分组，然后将其发送到其他的某个流出接口。将分组从流入接口发送到流出接口的物理发送过程叫做转发(图3-3)。
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03.01.04 路由器的功能

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03.05 IP 路由选择的基础知识

03.05.01 IP 地址管理

复习IP 地址：
IP 协议存在 IPv4 和IPv6之分，二者没有互换性，地址的表示方式也大相径庭。
IPv4地址是采用类似192.168.0.12的形式，用点“.”将地址分成4个部分，并使用十进制数字表示的32bit 的值。因此每个部分的长度都是8bit, 可以用0~255的数字来表示。
地址分类与自然掩码
IPv4地址中前三类地址网络部分与主机部分的bit位数是分配好的。A 类地址的范围是 0.0.0.0，127.255.255.255 ，其中8bit 表示网络部分，剩余24bit 表示主机部分。B 类地址的范围是 128.0.0.0，191.255.255.255，其中使用16bit 表示网络部分，16bit 表示主机部分。C 类地址的范围是192.0.0.0，223.255.255.255，其中使用24bit 表示网络部分，8bit 表示主机部分。另外还有用于多播的、范围是224.0.0.0，239.255.255.255的 D类地址，和用于研究的、范围是240.0.0.0，255.255.255.255的E 类地址。
CIDR 与子网掩码
CIDR(Classless Inter-Domain Routing，无类别域间路由)不再采用以往的地址分类，而是基于可变长子网掩码进行任意长度的IP 地址前缀，即网络部分的分配(可变长子网掩码在RFC950 标准中定义了详细内容)。以往的地址分类只能将网络部分分成24bit 、16bit 或 8bit 三种，而通过 CIDR 进行任意长度的分配后，主机部分也可是任意长度，于是出现了新的子网掩码。IP 地址的网络部分也可以称为前缀(prefix)，网络部分的长度通常以“前缀长度为Nbit” 的形式来表述，而前缀则通过子网掩码来表示。子网掩码和IP 地址一样分成4个部分、由十进制表示，如果网络部分的长度为24bit, 子网掩码则为255.255.255.0。和IP 地址不同的是，当使用二进制表示时，子网掩码一定是以连续的1开始，以连续的0结束。另外，使用CIDR 的表示法时，还可以在IP 地址后面添加斜线“/”和表示子网的bit 数。例如IP 地址为10.1.1.1，子网掩码为255.255.0.0时，可以记为10.1.1.1/16。

不使用CIDR，A 类地址到C 类地址仍然使用8bit 、16bit 和24bit 来表示网络部分的子网掩码，也称为自然掩码( natural mask)。
使用分类地址称为有类路由选择(classful), 使用无类地址则称为无类路由选择(classless)。网络部分相同的 IPv4 地址可以认为它们归属同一子网。

私有地址与全局地址
由于IPv4 中地址枯竭的问题，出现了只在组织内部网络(intranet)中使用的IP 地址，即私有地址(private address)。私有地址在 RFC1918 中定义了详细信息，并针对每个地址分类提供了不同的地址范围，以供不同规模的内部网络选择(表3-10)。

A 类地址到C 类地址中，除了私有地址外的所有地址都称为全局地址(global address)。如果要在互联网上使用全局地址，需要在ICANN 下属的 Internet Registry机构中注册。

单播、广播、多播、任播
IP 地址也可以按照拓扑结构分类，如表3-11所示。

IPv6地址的值增加到了128bit, 用冒号“:”将地址分成八个部分，每个部分长16bit, 使用十六进制数字(从0000到 FFFF) 表示。IPv6 地址有条简写规则，即前导并连续的0可以省略。
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能够设置 IP 地址的接口
IP 地址是在OSI 参考模型的网络层上使用的逻辑地址。从管理接口能够手动设置表3-12所列的接口类型。MAC 地址属于数据链路层使用的物理地址，该地址与每个物理接口一一对应，因此无法变更，也不会存在重复的地址。
访问列表与 NAT
路由器在转发或丢弃分组时会使用访问列表(access list)来进行分组的过滤(filtering) 操作。而将分组从私有地址转发到全局地址，进行地址转换操作时，则会使用NAT技术。这两个功能的详细信息可参考05.07节。