路由技術基礎知識詳解

    最簡單的網絡可以想象成單線的總線，各個計算機可以通過向總線發送分組以互相通信。但隨著網絡中的計算機數目增長，這就很不可行了，會產生許多問題：
1、帶寬資源耗盡。 
2、每台計算機都浪費許多時間處理無關的廣播數據。 
3、網絡變得無法管理，任何錯誤都可能導致整個網絡癱瘓。 
4、每台計算機都可以監聽到其他計算機的通信。
把網絡分段可以解決這些問題，但同時你必須提供一種機制使不同網段的計算機可以互相通信，這通常涉及到在一些ISO網絡協議層選擇性地在網段間傳送數據，我們來看一下網絡協議層和路由器的位置。
我們可以看到，路由器位於網絡層。本文假定網絡層協議為IPv4，因為這是最流行的協議，其中涉及的概念與其他網絡層協議是類似的。
一、路由與橋接
路由相對於2層的橋接/交換是高層的概念，不涉及網絡的物理細節。在可路由的網絡中，每台主機都有同樣的網絡層地址格式（如IP地址），而無論它是運行在以太網、令牌環、FDDI還是廣域網。網絡層地址通常由兩部分構成：網絡地址和主機地址。
網橋只能連接數據鏈路層相同（或類似）的網絡，路由器則不同，它可以連接任意兩種網絡，只要主機使用的是相同的網絡層協議。
二、連接網絡層與數據鏈路層
網絡層下面是數據鏈路層，為了它們可以互通，需要“粘合”協議。ARP（地址解析協議）用於把網絡層(3層)地址映射到數據鏈路層(2層)地址，RARP(反向地址解析協議)則反之。
雖然ARP的定義與網絡層協議無關，但它通常用於解析IP地址；最常見的數據鏈路層是以太網。因此下面的ARP和RARP的例子基於IP和以太網，但要注意這些概念對其他協議也是一樣的。
1、地址解析協議
網絡層地址是由網絡管理員定義的抽象映射，它不去關心下層是哪種數據鏈路層協議。然而，網絡接口只能根據2層地址來互相通信，2層地址通過ARP從3層地址得到。
並不是發送每個數據包都需要進行ARP請求，回應被緩存在本地的ARP表中，這樣就減少了網絡中的ARP包。ARP的維護比較容易，是一個比較簡單的協議。
2、簡介
如果接口A想給接口B發送數據，並且A只知道B的IP地址，它必須首先查找B的物理地址，它發送一個含有B的IP地址的ARP廣播請求B的物理地址，接口B收到該廣播後，向A回應其物理地址。
注意，雖然所有接口都收到了信息，但只有B回應該請求，這保證了回應的正確且避免了過期的信息。要注意的是，當A和B不在同一網段時，A只向下一跳的路由器發送ARP請求，而不是直接向B發送。 接收到ARP分組後處理，注意發送者的對被存到接收ARP請求的主機的本地ARP表中，一般A想與B通信時，B可能也需要與A通信。
3、IP地址沖突
ARP產生的問題中最常見的是IP地址的沖突，這是由於兩個不同的主機IP地址相同產生的，在任何互聯的網絡中，IP地址必須是唯一的。這時會收到兩個ARP回應，分別指出了不同的硬件地址，這是嚴重的錯誤，沒有簡單的解決辦法。
為了避免出現這類錯誤，當接口A初試化時，它發送一個含有其IP地址的ARP請求，如果沒有收到回應，A就假定該IP地址沒有被使用。我們假定接口B已經使用了該IP地址，那麼B就發送一個ARP回應，A就可以知道該IP地址已被使用，它就不能再使用該IP地址，而是返回錯誤信息。這樣又產生一個問題，假設主機C含有該IP地址的映射，是映射到B的硬件地址的，它收到接口A的ARP廣播後，更新其ARP表使之指向A的硬件地址。為了解決這個錯誤，B再次發送一個ARP請求廣播，這樣主機C又更新其ARP表再次指向B的硬件地址。這時網絡的狀態又回到先前的狀態，有可能C已經向A發送了應該發送給B的IP分組，這很不幸，但是因為IP提供的是無保證的傳輸，所以不會產生大的問題。
4、管理ARP緩存表
ARP緩存表是對的列表，根據IP地址索引。該表可以用命令arp來管理，其語法包括：
向表中添加靜態表項 -- arp -s
從表中刪除表項 -- arp -d
顯示表項 -- arp -a
ARP表中的動態表項(沒有手動加入的表項)通常過一段時間自動刪除，這段時間的長度由特定的TCP/IP實現決定。
5、靜態ARP地址的使用
靜態ARP地址的典型使用是設置獨立的打印服務器，這些設備通常通過telnet來配置，但首先它們需要一個IP地址。沒有明顯的方法來把此信息告訴該設備，好象只能使用其串口來設置。但是，這需要找一個合適的終端和串行電纜，設置波特率、奇偶校驗等，很不方便。
假設我們想給一個打印服務器設置IP地址P-IP，並且我們知道其硬件地址P-hard，在工作站A上創建一個靜態ARP表項把P-IP映射到P-hard，這樣，雖然打印服務器不知道自己的IP地址，但是所有指向P-IP的數據就將被送到P-hard。我們現在就可以telnet到P-IP並配置其IP地址了，然後再刪除該靜態ARP表項。
有時會在一個子網裡配置打印服務器，而在另一個子網裡使用它，方法與上面類似。假設其IP地址為P-IP，我們分配一個本網的臨時IP地址T-IP給它，在工作站A上創建臨時ARP表項把T-IP映射到P-hard，然後telnet到T-IP，給打印服務器配以IP地址P-IP。接下來就可以把它放到另一個子網裡使用了，別忘了刪除靜態ARP表項。
6、代理ARP
可以通過使用代理ARP來避免在每台主機上配置路由表，在使用子網時這特別有用，但注意，不是所有的主機都能理解子網的。基本的思想是即使對於不在本子網的主機也發送ARP請求，ARP代理服務器（通常是網關）回應以網關的硬件地址。
代理ARP簡化了主機的管理，但是增加了網絡的通信量(不是很 明顯)，並且可能需要較大的ARP緩存，每個不在本網的IP地址都被創建一個表項，都映射到網關的硬件地址。在使用代理ARP的主機看來，世界就象一個大的沒有路由器物理網絡。
三、IP地址
在可路由的網絡層協議中，協議地址必須含有兩部分信息：網絡地址和主機地址。存貯這種信息最明顯的方法是用兩個分離的域，這樣我們必須考慮到兩個域的最大長度，有些協議(如IPX)就是這樣的，它在小型和中型的網絡裡可以工作的很好。
另一種方案是減少主機地址域的長度，如24位網絡地址、8位主機地址，這樣就有了較多的網段，但每個網段內的主機數目很少。這樣一來，對於多於256個主機的網絡，就必須分配多個網段，其問題是很多的網絡給路由器造成了難以忍受的負擔。
IP把網絡地址和主機地址一起包裝在一個32位的域裡，有時主機地址部分很短，有時很長，這樣可以有效利用地址空間，減少IP地址的長度，並且網絡數目不算多。有兩種將主機地址分離出來的方法：基於類的地址和無類別的地址。
1、主機和網關
主機和網關的區別常產生混淆，這是由於主機意義的轉變。在RFC中(1122/3和1009)中定義為：
主機是連接到一個或多個網絡的設備，它可以向任何一個網絡發送和從其接收數據，但它從不把數據從一個網絡傳向另一個。
網關是連接到多於一個網絡的設備，它選擇性的把數據從一個網絡轉發到其它網絡。
換句話說，過去主機和網關的概念被人工地區分開來，那時計算機沒有足夠的能力同時用作主機和網關。主機是用戶工作的計算機，或是文件服務器等。現代的計算機的能力足以同時擔當這兩種角色，因此，現代的主機定義應該如此：
主機是連接到一個或多個網絡的設備，它可以向任何一個網絡發送和從其接收數據。它也可以作為網關，但這不是其唯一的目的。
路由器是專用的網關，其硬件經過特殊的設計使其能以極小的延遲轉發大量的數據。然而，網關也可以是有多個網卡的標准的計算機，其操作系統的網絡層有能力轉發數據。由於專用的路由硬件較便宜，計算機用作網關已經很少見了，在只有一個撥號連接的小站點裡，還可能使用計算機作為非專用的網關。
2、基於類的地址
最初設計IP時，地址根據第一個字節被分成幾類：
0: 保留 
1-126: A類(網絡地址:1字節，主機地址:3字節) 
127: 保留 
128-191: B類(網絡地址:2字節，主機地址:2字節) 
192-223: C類(網絡地址:3字節，主機地址:1字節) 
224-255: 保留
3、子網劃分
雖然基於類的地址系統對因特網服務提供商來說工作得很好，但它不能在一個網絡內部做任何路由，其目的是使用第二層(橋接/交換)來導引網絡中的數據。在大型的A類網絡中，這就成了個特殊的問題，因為在大型網絡中僅使用橋接/交換使其非常難以管理。在邏輯上其解決辦法是把大網絡分割成若干小的網絡，但在基於類的地址系統中這是不可能的。為了解決這個問題，出現了一個新的域：子網掩碼。子網掩碼指出地址中哪些部分是網絡地址，哪些是主機地址。在子網掩碼中，二進制1表示網絡地址位，二進制0表示主機地址位。傳統的各類地址的子網掩碼為：
A類：255.0.0.0
B類：255.255.0.0
C類：255.255.255.0
如果想把一個B類網絡的地址用作C類大小的地址，可以使用掩碼255.255.255.0。
用較長的子網掩碼把一個網絡分成多個網絡就叫做劃分子網。要注意的是，一些舊軟件不支持子網，因為它們不理解子網掩碼。例如UNIX的routed路由守護進程通常使用的路由協議是版本1的RIP，它是在子網掩碼出現前設計的。
上面只介紹了三種子網掩碼：255.0.0.0、255.255.0.0和255.255.255.0，它們是字節對齊的子網掩碼。但是也可以在字節中間對其進行劃分，這裡不進行詳細講解，請參照相關的TCP/IP書籍。
子網使我們可以擁有新的規模的網絡，包括很小的用於點到點連接的網絡（如掩碼255.255.255.252，30位的網絡地址，2位的主機地址：兩個主機的子網），或中型網絡（如掩碼255.255.240.0，20位網絡地址，12位主機地址：4094個主機的子網）。
注意DNS被設計為只允許字