IP路由基础学习笔记

1.背景：网段间通信

IP地址唯一标识了网络中的一个节点，每个IP地址都拥有自己的网段，各个网段可能分布在网络的不同区域。

为实现IP寻址，分布在不同区域的网段之间要能够相互通信。

例如：主机N与主机M处于不通的网段，主机N如何访问到主机M？

在不同网段中主机N想要访问主机M，需要通过路由的指导。

2.路由

路由是指导报文转发的路径信息，通过路由可以确认转发IP报文的路径。

路由设备是依据路由转发报文到目的网段的网络设备，最常见的路由设备：路由器。

路由设备维护着一张路由表，保存着路由信息。

例如：不同网段中的主机N给主机M发送数据，会经过R1、R2和R3的转发，这些路由设备保存着网段N去往网段M的路径信息，使得主机N的报文能够抵达主机M。路由设备中的路由表相当于一张地图，能够告诉去往目的网段的报文怎么走。

3.路由信息介绍

例如：不同网段的主机N要访问主机M，报文信息到达R1后，R1要想去到目标网段10.1.1.0/24，它的下一跳是R2，而不是R3，因为R3路由表中没有去往10.1.1.0/24的路由信息，所以R1的路由表记录的路由信息去往R2的，下一跳1.1.1.2，出接口为R1路由设备本身GE0/0/0接口。

路由中包含以下信息：

目的网络：标识目的网段

掩码：与目的地址共同标识一个网段

出接口：数据包被路由后离开本路由器的接口

下一跳：路由器转发到达目的网段的数据包所使用的下一跳地址

这些信息标识了目的网段、明确了转发IP报文的路径。

4.路由表

（1）路由器通过各种方式发现路由

（2）路由器选择最优的路由条目放入路由表中

（3）路由表指导设备对IP报文的转发

（4）路由器通过对路由表的管理实现对路径信息的管理

（5）路由表就是路由器转发数据的一张“地图”

例如：R2处于R1、R3、R4和R5的中间位置，它要知道怎么去R1网段、R3网段和R4网段，它就要有一张路由表，保存着去往这些目标的信息。比如说，它要去11.0.0.0/8这个网段，怎么到它，R2的下一跳为2.2.2.2，那么把报文从GE0/0出交给2.2.2.2/30就可以了。如果想要去13.0.0.0/8这个网段，就把报文交给下一跳3.3.3.2/30就可以了，R4以此类推。

最优：例如R2去往目的网段14.0.0.0/8，它可以走R5到达R4，也可以直接到R4，如果经过R5的话，相当于绕了一圈，不够最优，所以R2的路由表直接是记录去往14.0.0.0/8的下一跳为1.1.1.2/30，而不是5.1.1.2/30。

5.路由条目生成

路由信息获取方式，路由器依据路由表进行路由转发，为实现路由转发，路由器需要发现路由，以下为常见的路由获取方式。

直连路由

直连路由指向本地直连网络的路由，由设备自动生成。

当路由器为路由转发的最后一跳路由器时，IP报文匹配直连路由，路由器转发IP报文到目的主机。

使用直连路由进行路由转发时，报文的目的IP和路由器接口IP在一个网段之中。

并不是所有接口生成的直连路由都会出现在路由表中，直连路由出现在路由表中的前提是该接口的物理状态、协议状态都为UP。

如果接口为Down状态，那么它就是消失。例如RTB的GE0/0/0接口变为Down状态，RTB的直连路由表则会减少去往目的网络的10.0.0.0/24的路由信息。

例：

（1）搭建拓扑

（2）配置PC1和PC2

（3）先查看RTB的路由表信息，原本只有自己生成的。

（4）在RTB上配置PC1和PC2的网关信息

（5）配置完成之后，再查看路由表信息，那么会产生去往PC1和PC2的直连路由

（6）做一个ping测试，PC1 ping PC2，路由转发信息，10.0.0.1到达RTB之后，会告诉它选择目的网段20.1.1.0/24 -下一跳20.1.1.2这一条路径去转发。

（7）当PC1达到RTB的线路断开，那么10.0.0.0/24这个网段路由信息就会消失，尝试删除线这个连接线，在查看路由表信息。

（8）或者说RTB的端口状态出现了Down状态，也会消失

6.路由优先级和度量值

6.1查看IP路由表

路由表中各个内容的含义

（1）Destination/Mask：表示此路由的目的网络地址与网络掩码。将目的地址和子网掩码“逻辑与”后可得到目的主机或路由器所在网段的地址。例如：目的地址为1.1.1.1，掩码为255.255.255.0的主机或路由器所在网段的地址为1.1.1.0。

（2）Proto（Protocol）：该路由的协议类型，也即路由器是通过什么协议获知该路由的。

（3）Pre（Preference）：表示此路由的路由协议优先级。针对同一目的地，可能存在不同下一跳、出接口等多条路由，这些不同的路由可能是由不同的路由协议发现的，也可以是手工配置的静态路由。优先级最高（数值最小）者将成为当前的最优路由。

（3）Cost：路由开销（度量值）。当到达同一目的地的多条路由具有相同的路由优先级时，路由开销最小的将成为当前的最优路由。

（4）NextHop：表示对于本路由器而言，到达该路由指向的目的网络的下一跳地址。该字段指明了数据转发的下一个设备。

（5）Interface：表示此路由的出接口。指明数据将从本路由器的哪个接口转发出去。

路由去往某一个目标，先看优先级（preference），再去看开销（cost）

6.2路由优先级

6.2.1基本概念

当路由器从多种不同的途径获知到达同一个目的网段的路由（这些路由的目的网络地址及网络掩码均相同）时，路由器会比较这些路由的优先级，优选优先级值最小的路由。

路由来源的优先级值（Preference）越小代表加入路由表的优先级越高。

拥有最高优先级的路由将被添加进路由表。

6.2.2比较过程

RTA通过动态路由协议OSPF和手动配置的方式都发现了到达10.0.0.0/30的路由，此时会比较这两条路由的优先级，优选优先级值最小的路由。

每一种路由协议都有相应的优先级。

OSPF拥有更优的优先级，因此通过OSPF学习到的路由被添加到路由表中。

6.2.3常见默认数值

常见路由类型的默认优先级如下：

6.3度量值

6.3.1基本概念

（1）当路由器通过某种路由协议发现了多条到达同一个目的网络的路由时（拥有相同的路由优先级），度量值将作为路由优选的依据之一。

（2）路由度量值表示到达这条路由所指目的地址的代价。

（3）一些常用的度量值有：跳数、带宽、时延、代价、负载、可靠性等。

（4）度量值数值越小越优先，度量值最小路由将会被添加到路由表中。

（5）度量值很多时候被称为开销（Cost）。

6.3.2比较过程

（1）RTA通过动态路由协议OSPF学习到了两条目的地为10.0.0.0/30的路由，学习自同一路由协议、优先级相同，因此需要继续比较度量值。

（2）两条路由拥有不同的度量值，下一跳为30.1.1.2的OSPF的路由条目拥有更小的度量值，因此被加入到路由表中。

7.最长匹配原则

当路由器收到一个IP数据包时，会将数据包的目的IP地址与自己本地路由表中的所有路由表项进行逐位（Bit-By-Bit）比对，直到找到匹配度最长的条目，这就是最长前缀匹配机制。

例如：去往目的172.16.2.1

对于路由条目1，它目的是172.16.1.0，而不是172.16.2.0的，所以不匹配；

路由条目2，它的目的是172.16.2.0，符合条件所以选择这一条路由信息。

路由条目3，它的目的是172.16.0.0，其匹配的范围太广泛，不符合最长匹配原则，路由2-172.16.2.0/24比路由3-172.16.0.0/16要长，所以不选择走路由条目3。

7.1最长匹配示例1

根据最长匹配原则进行匹配，能够匹配192.168.2.2的路由存在两条，但是路由的掩码长度中，一个为16 bit（192.168.0.0/16），另一个为24 bit（192.168.2.0/24），掩码长度为24bit的路由满足最长匹配原则，因此被选择来指导发往192.168.2.2的报文转发。

7.2最长匹配示例2

根据最长匹配原则匹配，能够匹配到192.168.3.2的路由只有一条（192.168.3.0/24，下一跳30.1.1.2），此路由为最终转发依据。

8.路由的转发流程

例如：PC1访问PC2，发送出一个数据报文，到达R1之后，R1就会去查找它的路由表去往目的IP地址40.0.1.2应该走哪一条去转发，它查找到目的网络/掩码-40.0.1.0/24，下一跳为20.0.1.2，从GE0/0口发出，然后抵达R2，以此方式R2和R3都会去查找其路由表去匹配发往目的路由信息，自始至终，数据转发的过程中，它的目的IP地址是不变。

回包路由跟去包路由相反，例如返回目的IP地址为10.0.1.2

R3 目的网络/掩码10.0.1.0/24 下一跳为30.0.1.1

R2 目的网络/掩码10.0.1.0/24 下一跳为20.0.1.1

R1 目的网络/掩码10.0.1.0/24 下一跳为10.0.1.1

9.路由选择总结

路由选择顺序：

（1）最长掩码匹配

（2）路由优先级（Preference）

（3）路由度量值 （Cost）

示例：

1. 去往目的192.168.1.10，根据最长掩码匹配，会优先走R5；
2. 假设R5线路断开，192.168.0.0/16与192168.1.0/24比较，则会走R4，R4的掩码比R2的长，所以胜出。