计算机网络之路由器

绝代码农

路由器简介

Network（网络层）：
网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。
此外，网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。
对应的连接设备：路由器。

路由器（router）是互联网的枢纽，是连接英特网中各局域网、广域网的设备：
它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送数据。
作用在OSI模型的第三层（网络层），提供了 路由 与 转发 两种重要机制

路由：
收集网络拓扑信息并动态形成路由表
路由器控制层面的工作，决定数据包从来源端到目的端所经过的路由路径
（host到host至今的最佳传输路径）
转发：
根据转发表（FIB）转发IP数据包
路由器数据层面的工作，将路由器输入端的数据包移送至适当的路由器输出端（在路由器内部进行）

路由器实际上起到的作用是完成不同段之间网络的互联。

交换机与路由器的区别

交换机：
工作于数据链路层，能识别 MAC 地址，根据 MAC 地址转发链路层数据帧。
具有自学机制来维护 IP 地址与 MAC 地址的映射。
路由器：
位于网络层，能识别 IP 地址并根据 IP 地址转发分组。
维护着路由表，根据路由表选择最佳路线。

IP分段原理

TCP/IP V4 协议网络的分段原理：
TCP/IP协议给网络中的每一个主机都会分配一个IP地址，它包含两部分信息：
网络地址和主机地址。

TCP/IP协议中的IP地址将网络地址和主机地址包装在一个32位的域里（ TCP/IP V4），分为四类：
    a、  1-126，A类
网络地址1个字节，主机地址3个字节。
    b、  128-192，B类
网络地址2个字节，主机地址2个字节。
    c、  192-223，C类
网络地址3个字节，主机地址1个字节。
    d、  0，127，224-255
保留不用。
    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、 A类：255.0.0.0
    b、 B类：255.255.0.0
    c、 C类：255.255.255.0

IP分组交换

分组：
将数据拆分成很多小的部分，分别对这些数据加一些额外的标记(包头包尾)，然后再发送出去，
收到的一方会将收到的不同部分的数据拆包（去掉包头包尾），然后将数据拼凑在一起，得到的就是完整的数据。
应用程序拿到这个数据你就可以使用数据了。

ip分组交换技术的核心设备就是路由器。

基本原理：
第一步：将数据分成很多的份，每份就是一个分组
第二步：路由器实现网间的分组数据的交换，让数据从一个网段到另一个网段，最终通过目标ip找到目的计算机
互联网的中心是一堆的路由器，因此源计算机将这些分组数据甩给路由器，路由器会甩给下一站路由器，
直到通过目标Ip的比对，找到目标计算机。
第三步：目标计算收到所有的分组数据后，将数据拼凑在一起，就得到了完整的数据。

路由器的关键作用就是，实现分组数据在不同网段间的交换。

数据包分片（IP分组交换的体现）

分片是分组交换的思想体现，也是IP协议解决的两个主要问题之一。
在IP协议中的分片算法主要解决不同物理网络最大传输单元(MTU)的不同造成的传输问题。

IP分片是网络上传输IP报文的一种技术手段：
IP协议在传输数据包时，将数据报文分为若干分片进行传输，并在目标系统中进行重组。这一过程称为分片（fragmentation）。

IP分片原理：
IP数据包首部里，16位标识唯一记录了一个IP包的ID，具有同一个ID的IP分片将会重新组装。
13位片偏移则记录了某IP片相对整个包的位置。
这两个表中间的3位标志则标志着该分片后面是否还有新的分片。
这三个标志就组成了IP分片的所有信息，接受方就可以利用这些信息对IP数据进行重新组织。

IP数据包首部

数据包分片

路由原理

当IP子网中的一台主机发送IP分组数据给同一IP子网的另一台主机时，它将直接把IP分组数据送到网络上，对方就能收到。
送给不同IP子网上的主机时，它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把IP分组数据送给该路由器，
由路由器负责把IP分组送到目的地。
如果没有找到这样的路由器，主机就把IP分组送给一个称为 “缺省网关（default gateway）”的路由器上。
“缺省网关”是每台主机上的一个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的IP地址。 
网关：
访问路由器的IP，其他的电脑必须和网关一个IP段才能访问路由器。

路由选择方式

典型的路由选择方式有两种：
静态路由和动态路由。 

静态路由是由网络管理员手工配置的路由信息。：
除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。
由于静态路由不能对网络的改变作出反映，一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。
静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由优先级最高。
当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。 

动态路由是网络中的路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程：
它能实时地适应网络结构的变化。
动态路由机制的运作依赖路由器的两个基本功能：
对路由表的维护；
路由器之间适时的路由信息交换。
动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网络。
当然，各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源。

路由表和转发表

每个路由器中都有一个路由表和FIB(Forward Information Base)表：
路由表用来决策路由。
FIB用来转发分组。

路由表：
这里个表都用来保存路由信息，路由表通常由路由协议和路由管理模块维护，
包括更多的信息（IP地址/IP子网、下一跳、路由度量、超时间等）；
路由表中路由有三类：
（1）链路层协议发现的路由（即是直连路由）
（2）静态路由。
（3）动态路由协议发现的路由。

转发表（FIB）：
是基于路由生成的，路由器实际转发时使用转发表（只包括IP地址/IP子网和下一跳/出接口）。
转发表中每条转发项都指明：
分组到某个网段或者某个主机应该通过路由器的某个物理接口发送，
然后就可以到达该路径的下一个路由器，
或者不再经过别的路由器而传送到直接相连的网络中的目的主机。
高性能路由器转发表通常都用硬件来实现，有利于高速查找。

路由器结构

路由器工作流程