1 验证试验

1.1 实验目的

卷一中，讲到静态路由时，对于出接口与下一跳地址联合使用进行配置的情况有这么一句描述：当出接口失效时，即使下一跳地址通过路由递归查询可达，关于该目标的路由信息依然会删除。因此做本实验目的是为验证此话的正确性。

1.2 实验拓扑

图1  实验拓扑

1.3 实验设计

相关链路信息如拓扑中所示，根据拓扑与实验目的，设计在R1上进行验证，对于网络中静态路由配置的设计如下：

Ø  R1去往R3的lo1（IP为3.3.3.3/24）使用下一跳地址192.168.1.194，并验证其可达性及数据转发途径，此步用于验证下一跳地址可达。R1去往R3的lo0联合使用s1/1接口及下一跳地址192.168.1.194，并检查数据发送途径。接着再关闭 s1/1接口，查看路由表情况。

Ø  R1去往其余非直连网段的路由使用下一跳地址192.168.2.2。

Ø  其余路由器的静态路由可随意配置，保证全网可达即可。

1.4 实验过程

实验相关配置略去。

首先，验证下一跳192.168.1.194的可达性，并检验此时数据转发路径。通过ping 3.3.3.3来检查。此时，先查看一下R1的路由表，如图2所示。

图2表明，此时R1去往3.3.3.0/24网络的下一跳是192.168.1.194，去往10.1.0.0/16网络的下一跳是192.168.1.194，并且其下一跳为s1/1，去往其余非直连网段的下一跳均为192.168.2.2。

 

图2  R1路由表

 

 

接着，执行ping 3.3.3.3验证下一跳可达性，如图3所示。

 

图3  R1上执行ping 3.3.3.3

 

因为与3.3.3.3对应的下一跳地址为192.168.1.94，此时能ping通，意即下一跳地址也是可达的。同时对R1的f0/0抓包如图4所示。

 

图4  R1 f0/0接口抓包图

 

 

    由图中可以看出，f0/0接口只有ICMP的ping请求信息，却无ICMP的ping应答信息，结合图3及本实验的拓扑可知，ICMP的ping应答消息由R1的s1/1接口接收到。因为3.3.3.3的下一跳为192.168.1.194，路由器经过递归查询，发现去往192.168.1.192/27网络的下一跳地址为192.168.2.2，故使用f0/0将数据发出；对于其他路由器，由于进行静态配置时均考虑优选具有最小cost的路径，故在返回ping应答时使用192.168.1.64/27数据链路。

然后，执行ping 10.1.5.1，验证目标可达性，如图5所示。

图5  R1上执行ping 10.1.5.1

 

    由图5可知，10.1.5.1对于R1是可达的。从路由表中可发现，对于去往该目标的数据，对应的出接口为s1/1，而下一跳地址为192.168.1.194。但经分析发现，去往下一跳192.168.1.194将使用下一跳192.168.2.2，即使用出接口f0/0。故此时，在进行数据发送时该如何选择？

 

图6  R1 s1/1口抓包

 

    由图6可发现，此时路由器选择了出接口地址发出数据。那么当R1的s1/1接口发生故障时，将会是设么情况？

最后关闭 R1的s1/1接口，查看路由表情况，如图7所示。

 

图7  关闭R1的s1/1接口后的路由表

   

由图7可发现此时，虽然下一跳地址192.168.1.194经过递归查询仍然可达，但是关于10.1.0.0/16网络的路由信息依然被删除，这也验证了卷一中所述内容。

2 改进实验

为验证书中所述的那句话，本实验至此已经完成实验目的。但是这其中还有很多值得思索的地方。

首先，就是为何要存在这么一种静态路由的配置方式？留意一下上面的验证实验，就会发现下一跳地址192.168.1.194的设定显得相当鸡肋，因为上述实验的重心全围绕在R1的接口s1/1上，由实验反馈的结果也可发现，无论是否存在此下一跳，去往R3环回0的数据总是基于出接口的，意即联合使用与单独使用出接口根本没有区别。这让我很怀疑，因为不可能会存在如此一条鸡肋的命令，因此我又仔细阅读了一下TCP/IP中的内容，发现了这么一句话：“减少查表”。经本人仔细思索后发现，对于本实验，原拓扑的设计存在一定缺陷，某些地方其实应使用以太网，因此本人修改了一下拓扑，并进行了进一步的改进实验。

2.1 深入分析

在开始改进实验前，首先要对原理进行相关的分析，也就是那句“减少查表”。

路由器里最基本的两张表是“路偶表”和“MAC地址缓存表”，因此，可以从这两张表上入手来理解“减少查表”这句话。

由“10.4.6.0/24 [1/0] via 192.168.2.2”这条路由来说，去往10.4.6.0/24网络使用下一跳地址192.168.2.2。那么对于路由器来说，192.168.2.2这个地址又如何到达？因此再次查路由表，发现192.168.2.2是自己的直连网络（意即知道使用哪一个出接口），而且是以太网类型，因此要去查192.168.2.2的MAC地址，查到之后封装数据并发送。那么对于“10.1.0.0/16 [1/0] via 192.168.1.194，serial1/1”这条路由，先假设其仍要查ARP表，则从该语句中即可获知其出接口为serial1/1，下一跳地址为192.168.1.194，由此便可直接查与192.168.1.194相对应的MAC地址（实际情况中串线不需查找）。和只用出接口的情况相比，就省去了一次路由查询的步骤，这也就是所说的“减少查表”。

现根据以上分析，对实验拓扑进行稍微修改，来验证上述推理。

2.2 实验拓扑

图8  修改后实验拓扑图

2.3 实验设计

    实验设计与1.3中相同，不同的仅为拓扑中的线缆类型。

2.4 实验过程

    R1相关的ARP缓存信息及路由表信息，如图9所示：

 

图9  R1相关信息

 

从图9中路由表可看出其192.168.1.64/27及192.168.2.0/24两个直连网段为以太网，且192.168.1.66及192.168.2.2两个地址均作为某些网络的下一跳地址出现在路由表中，故ARP缓存中维护了相关的信息。

如图9，首先ping 3.3.3.3，成功，这验证了R1-R4-R2-R3路径的可用性。然后ping 192.168.1.194，也成功，但是在ARP缓存中却发现了关于192.168.1.194的条目，而其状态为Incomplete。按理说，缓存状态为Incomplete时，该条目是不可被使用的，也就意味着ARP缓存表明现在192.168.1.194这个地址目前是不可达的，但是实际情况是现在192.168.1.194是可达的，这与ARP缓存中表明的信息是矛盾的。这个问题就要回归到图9中的路由表中了，查看路由表我们可发现对于192.168.1.194来说，它的下一跳是192.168.2.2，于是再查路由表发现192.168.2.2在直连的以太网网络中，因此要查关于192.168.2.2的MAC地址，这即是说查完路由表后发现192.168.1.194其实不在直连网络中，去往该目的是需经过路由器R4代理的，因此它不会使用ARP中关于192.168.1.194的缓存条目，所以ping是可以成功的。

这也说明了一点，数据转发先进行路由匹配，一直匹配到直连网络为止，在路由匹配完成之前，不会理会二层表中的信息。由此，也一定程度上解释了为何图10中10.1.5.1无法ping通。

 

图10  ping 10.1.5.1

 

对于图10中现象，另一点需要知道的是，在联合使用出接口与下一跳地址的情况下，虽然该条目仍然标记为“S-静态路由”，但是路由器会将其以直连的方式处理，因为在该路由条目中存在出接口的信息，所以对于10.1.5.1，由于其接口类型为以太网，因此需要查找下一跳192.168.1.194对应的MAC地址。而ARP缓存中指出192.168.1.194是一条“不完全”的条目，因此该条目不可用，故10.1.5.1不可达。

但是当在R1的F0/0口上进行抓包时，是接到了关于192.168.1.194的ARP应答的，如图11。

 

图11  R1的F0/0接口收到的ARP应答

 

既然接收到了ARP应答，一般来说是可以形成“完全”的ARP缓存条目的，但是ARP缓存中却一直标记为“不完全”。于是本人打开了debug功能，查看具体是何原因，如图12所示。

如信息中所示，路由器先创建了一条不完全的条目，然后发出了ARP请求，随后接收到了R2给定应答，然后该应答被过路掉，原因是“wrong cable”，本人理解为“错误的接口”，也就是说路由器认为192.168.1.194不在F0/0接口上，所以不能形成完全的条目。

 

图12  R1 debug信息

 

实际情况也是如此，192.168.1.194的路由是指向F4/0接口的，但是本人很疑惑路由器作出此判断的依据。

对于ping 192.168.1.194，第一次查询路由表找到了下一跳，第二次查询路由表找到了出接口F4/0，第三次查询找到了F4/0出接口上的下一跳MAC，所以数据发送成功。

对于ping 10.1.5.1，第一次查询路由表就找到了下一跳及出接口F0/0，然后需要获知下一跳的MAC地址，便发查询，也收到应答。在这整个过程中，能指示出下一跳接口冲突的也就在路由表中，去往10.1.0.0/16告诉192.168.1.194是与F0/0对应的，192.168.1.192/27则显示他是与出接口F4/0对应的。但关键问题是在对10.1.0.0/16进行路由查询的时候，根本用不着对下一跳192.168.1.194再进行一次路由查询（出接口与下一跳联合使用的目的就是减少查询），因此路由器也就理应不知道使用了错误的接口，也就是说路由器判断“wrong cable”的依据不应该是来自于与路由表，可能是由于某些其他的机制及算法做出了此判断。

这个问题我暂时仍未想通，留待日后解决，也欢迎同行们给予指点。

 

另外，关于下一跳MAC地址的维护问题，192.168.1.66及192.168.2.2两个下一跳地址的MAC地址信息是自动维护的，然而对于192.168.1.194，当CEF功能打开时，路由器会自动发送192.168.1.194的ARP请求，如图13，但是当CEF功能关闭时，只有在使用到该条路由条目时，才会触发192.168.1.194的ARP请求。关于CEF和ARP缓存之间的关系，也留待以后学习。

 

图13  打开CEF时自动维护192.168.1.194的MAC信息

 

图13还说明了另外一个问题，仔细观察可发现其没有了192.168.1.192/27的路由，换句话说就是192.168.1.192/27网络不可达，也就是下一跳192.168.1.194不可达，但是关于10.1.0.0/16的路由条目依然存在，这说明当出接口和下一跳地址联合使用时，当下一跳地址不可达时是不会删表的。

 

下面，实验继续，先将192.168.1.192/27的路由调整一下，指向下一跳192.168.1.66，意即使用F0/0接口，如图14。

 

图14  经调整后R1路由表及ARP缓存

 

经过调整之后，可发现10.1.5.1可以ping通了，ARP缓存中192.168.1.194也形成了完全的ARP条目。

 

在2.1的分析中，已经得出一个初步的结论，那就是出接口与下一跳联合使用时用于以太网，同时下一跳地址要是直连网段内地址，否则无任何意义。但是TCP/IP中还说了一句“路由递归查询”，虽然查出接口这一过程就是在进行路由递归查询，但是这很常见，有些简单，故我增加了这个路由递归查询的过程，将它做的复杂一些，为192.168.1.66这个下一跳做了一个主机路由。如图15。

 

如图15所示，关于192.168.1.66的主机路由被加入到了路由表中，同时进行ping 192.168.1.66的操作并开启相关的debug信息。可发现，去往192.168.1.66的数据没有使用路由表中的那条直连信息，而是选择了绕远路，使用主机理由。这说明对于被加入路由表中的路由条目，进行匹配的时候是不考虑该条目使用的是何协议，是否是直连，只进行最长匹配规则。如果对于相同的目标有不同协议的路由条目，则根据管理距离加入最优条目。

如图15 debug信息显示，此时数据由F4/0接口发出，但是R4又将该数据发回给R1，同时也发送了一条重定向消息，这是由于R4的路由表中去往192.168.1.64/27的路由是指向R1的，如图16所示，最终R1丢弃了该数据。

 

图15  添加192.168.1.66的主机路由

图16  R4路由表

图17  R4路由修改后的路由表

    为进行实验，将R4的路由进行调整，调整后路由表如图17。下面在R1上ping 192.168.1.66，成功，如图18。

 

图18  ping 192.168.1.66成功

 

这个时候ping 10.1.5.1也是成功的，不会再报“wrong cable”的错误。这种情况我称为“伪非直连”，意思是说其实192.168.1.66实际上是直连，但是在路由表中给它条路由，让它绕绕路，看起来像是非直连。这种情况与上面实验过程中的“伪直连”情况有些相似之处，但是“伪直连”情况下会报“wrong cable”错误，而“伪非直连”却没出现这种情况。

 

最后，不联合使用出接口和系一条地址，将其变为两条分开的路由语句看看会出现什么情况，如图19、20。

 

图19  使用两条命令配置出接口及下一跳

图20  配置完成后R1路由表

图21  出接口失效后，删除直连信息

将图20与图14对比，可以发现在路由条目后的表述上是有所不同的。图14中表明下一跳及出接口是相关的，当出接口失效时该条目将被删除；图20表明的则是负载均衡，当出接口失效后，只删除directly connected, FastEthernet0/0项，保留下一跳有关的路由。如图21，将F0/0接口shutdown掉之后，该路由条目依然存在。

3 结论

Ø  数据转发先进行路由匹配，一直匹配到直连网络为止，在路由匹配完成之前，不会理会二层表中的信息。

Ø  联合使用出接口及下一跳地址进行静态路由配置，当出接口失效时，会直接删除该路由条目。

Ø  联合使用出接口及下一跳地址进行静态路由配置，当下一跳地址失效时，不会删除该路由条目。

Ø  出接口和下一跳联合使用的环境是BMA网络，且指定其下一跳地址应为直连网络中的地址，否则不但配置将变得毫无意义，同时也有可能加重网络负担。

Ø  关于同一网段的、单独指下一跳地址和单独指出接口的两条路由语句同时出现时，意味着负载均衡。

Ø  关于路由表中出现的路由，匹配规则为最长匹配；和管理距离相关的为加表规则，意即管理距离小的将加表。

Ø  对于形如“10.1.0.0/16 [1/0] via 192.168.1.194 FastEthernet0/0”的路由语句，其只表明去往10.1.0.0/16网络的下一跳地址192.168.1.194是与FastEthernet0/0相关联的，并不表明去往192.168.1.194的数据就必须使用FastEthernet0/0接口。