IP : 路由信息协议 (RIP)

TCP/IP概述

2016 年 10 月 24 日 - 机器翻译
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简介

自它们发明二十年以来,网络的异构性由于以太网、令牌环、光纤分布式数据接口(FDDI)、X.25、帧中继、交换多兆位数据服务(SMDS)、综合业务数字网络(ISDN)的配置和异步传输模式(ATM)的发展进一步扩大。互联网协议是互联LAN和WAN不同技术范围的最可靠方法。

Internet 协议簇不仅包括较低层的规范(例如,传输控制协议 (TCP) 和 Internet Protocol (IP)),也包括电子邮件、终端仿真和文件传输等常见应用程序的规范。图 1 显示与 OSI 参考模型相关的 TCP/IP 协议簇。图 2 显示部分重要的 Internet 协议及其与 OSI 参考模型的关系。有关 OSI 参考模型和每层的角色的信息,请参阅文档“互联网络基础”。

Internet 协议是现在最广泛采用的多供应商协议簇。几乎每个计算机厂商均可提供至少部分的 Internet 协议簇支持。

TCP/IP 技术

此部分描述TCP、IP和相关协议的技术方面和这些协议的运行环境。由于本文的主要焦点是路由(第三层功能),关于TCP (第四层协议)的论述相对简要。

TCP

TCP 是面向连接的传输协议,可以按无特定结构的字节流形式发送数据。通过使用序号和应答消息,TCP能提供给发送节点关于发送到目的地节点的信息包传输信息。当数据在从源到目的地的传输中丢失时,TCP能重新传输数据,直到发生超时情况或实现成功交付为止。TCP 也可以识别重复的消息,并适时丢弃它们。如果发送计算机对接收计算机而言传输速度太快,TCP可以使用流量控制机制减慢数据传输。TCP 还可以将传输信息发送到所支持的上层协议和应用程序。所有这些特性使 TCP 成为端到端的可靠传输协议。TCP 在 RFC 793 中指定。leavingcisco.com

图 1 - 与 OSI 参考模型相关的 TCP/IP 协议簇

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图 2 - 与 OSI 参考模型相关的重要 Internet 协议

http://www.cisco.com/c/dam/en/us/support/docs/ip/routing-information-protocol-rip/13769-fig-1.gif

有关详细信息,请参阅 Internet 协议TCP 部分。

IP

IP 是 Internet 套件中最主要的第 3 层协议。除网间路由之外,IP提供错误报告和称为数据报的信息单元的分段和重组,以便用不同最大数据单元尺寸在网络中传输。IP 代表 Internet 协议簇的核心。

注意: 在本部分中,术语 IP 是指 IPv4,除非另有明确的说明。

IP 地址是全局唯一的、由网络信息中心指定的 32 位数字。全局唯一的地址允许世界上任意位置的 IP 网络彼此通信。

IP 地址分两部分。第一部分指定网络地址,第二部分指定主机地址。

IP 地址空间分为不同的网络分类。A类网络主要用于少数几个大型网络上,因为它们仅为网络地址字段提供8位。B 类网络分配 16 位,C 类网络分配网络地址字段的 24 位。C类网络只为主机字段提供8位,因此每个网络的主机数量可能是一个限制因素。在所有三个案件中,最左边的位指示网络分类。IP 地址以点分十进制格式编写;例如,34.0.0.1。图 3 显示 A、B、C 类 IP 网络的地址格式。

图 3 - A、B、C 类 IP 网络的地址格式

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IP 网络也可以分为较小的单位,称为子网络或“子网”。子网为网络管理员提供额外的灵活性。例如,假设网络分配到A类地址并且网络上所有节点都使用A类地址。进一步假设,此网络地址的点分十进制表示法为 34.0.0.0。(地址的主机字段全部为零表示整个网络。)管理员可以使用子网细分网络。这可以通过从地址的主机部分“借用”位,并将它们用作子网字段来完成,如图 4 所述。

图 4 -“借用”位

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如果网络管理员选择使用8位子网划分,A类IP 地址的第二个8位位组提供子网号码。在我们的示例中,地址 34.1.0.0 是指网络 34,子网 1;地址 34.2.0.0 是指网络 34,子网 2,以此类推。

子网地址可以借用的位数各不相同。在指定可用于代表地址的网络和子网部分的具体位数时,可通过 IP 来提供子网掩码。子网掩码使用的格式和表示方法与 IP 地址一样。除了指定主机字段的那些位数之外,子网掩码所有位数的数字相同。例如,为A类地址34.0.0.0指定8位分支子网的子网掩码是255.255.0.0。指定 16 位 A 类子网地址 34.0.0.0 的子网掩码是 255.255.255.0。这两个子网掩码都会在图 5 中显示。子网掩码可以根据需要通过网络进行传递,以便新节点了解其网络上使用了多少位的子网。

图 5 - 子网掩码

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通常,同一网络编号的所有子网都使用相同的子网掩码。换句话说,网络管理器将为网络中的所有子网选择一个八比特掩码。此策略对网络管理员和路由协议来说都易于管理。但是,此做法在部分网络中会浪费地址空间。有些子网有许多主机,而有些却很少,但每个子网都要使用一个完整的子网编号。串联线是最极端的例子,因为每个串联线只有两台可以通过串联线子网连接的主机。

随着IP子网的增长,管理员在寻找更高效地使用地址空间的办法。因此便产生了许多技术,其中之一称为可变长度子网掩码 (VLSM)。有了VLSM,网络管理员可以在带有少量主机的网络上使用长掩码,在带有许多主机的网络上使用短掩码。然而,此技术比统一它们更为复杂,并且必须仔细分配地址。

当然,为了使用 VLSM,网络管理员必须使用支持它的路由协议。Cisco 路由器支持具有 Open Shortest Path First (OSPF)、Integrated Intermediate System to Intermediate System (Integrated IS-IS)、Enhanced Interior Gateway Routing Protocol (Enhanced IGRP) 和静态路由的 VLSM。有关 IP 编址和子网划分的详细信息,请参阅 IP 编址和子网划分入门指南

在部分媒介(如IEEE 802 LAN)中,IP地址是通过使用互联网协议套件的另外二个成员动态发现的:地址解析协议 (ARP) 和 Reverse Address Resolution Protocol (RARP)。ARP使用广播消息,以确定与一个特定网络层地址对应的硬件(MAC控制层)地址。ARP是十分通用的,允许使用几乎带任何底层媒介访问机制的IP。RARP使用广播消息,以确定与一个特定硬件地址相关的网络层地址。RARP对无磁盘的节点特别重要,在引导时间这些节点通常不知道网络层地址。

IP 环境中的路由

“Internet”是一组互联的网络。另一方面,互联网是提供全球大多数研究机构、大学和许多其他机构通信的网络集合。Internet 中的路由器可以按层次进行组织。部分路由器被用来移动相同管理授权和控制下的一组特殊网络的信息。(此类实体称为自治系统。)用于在自治系统内交换信息的路由器称为内部路由器,它们使用各种 Interior Gateway Protocol (IGP) 来实现此结果。在自治系统之间移动信息的路由器称为外部路由器;它们使用 Exterior Gateway Protocol (EGP) 或边界网关协议 (BGP)。图 6 显示 Internet 体系结构。

图 6 - Internet 体系结构的表示法

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与 IP 一起使用的路由协议本质上是动态的。动态路由要求使用路由设备中的软件来计算路由。动态路由算法可以适应网络中的变化,并会自动选择最佳路由。与动态路由相比,静态路由要求通过网络管理员建立路由。静态路由不会发生更改,只能由网络管理员进行更改。

IP 路由表由目标地址/下一跳对组成。来自 Cisco 路由器的此示例路由表显示,第一个条目解释为“目标是到达网络 34.1.0.0(网络 34 上的子网 1),下个站点是地址 54.34.23.12 处的节点”:

R6-2500# show ip route
   Codes: C - connected, S - static, I - IGRP, R - RIP, M - mobile, B - BGP
   D - EIGRP, EX - EIGRP external, O - OSPF, IA - OSPF inter area
   N1 - OSPF NSSA external type 1, N2 - OSPF NSSA external type 2
   E1 - OSPF external type 1, E2 - OSPF external type 2, E - EGP
   i - IS-IS, su - IS-IS summary, L1 - IS-IS level-1, L2 - IS-IS level-2
   ia - IS-IS inter area, * - candidate default, U - per-user static route
   o - ODR, P - periodic downloaded static route
Gateway of last resort is not set
	 34.0.0.0/16 is subnetted, 1 subnets
O		 34.1.0.0 [110/65] via 54.34.23.12, 00:00:51, Serial0
   54.0.0.0/24 is subnetted, 1 subnets
C		 54.34.23.0 is directly connected, Serial0
R6-2500#

正如我们看到的,IP数据通过互联网络,每台路由器作为一跳。在开始阶段不知道整个路由的状态。相反地,在每个终止位置,路由器下一跳都是通过将数据报目的地地址与当前节点路由表条目相匹配来实现的。在路由进程中,每个节点的作用只是根据内部信息的转发数据包。当发生路由反常现象时,IP不会向源发送错误报告。此任务会留给另一个 Internet 协议 - Internet Control Message Protocol (ICMP)。

ICMP 会在 IP 互联网络中执行许多任务。除它被创建的主要原因外(向源报告路由故障),ICMP提供在互联网测试节点可到达性的方法(ICMP回音和应答消息),增加路由效率的方法(ICMP重定向消息) ,通知来源数据报超出互联网存在的分配时间(ICMP超时消息)的方法和其他有用信息。总之,ICMP 是所有 IP 实施(特别是在路由器中运行的那些实施)的必要组成部分。请参阅本文的“相关信息”部分关于ICMP的更多信息。

内部路由协议

内部路由协议 (IGP) 在自治系统中运行。以下部分提供TCP/IP 网络当前最普遍的几种IGP的简要描述。关于这些协议的更多信息,请参考在下面“相关信息”部分的链路。

RIP

要对 IP 环境中的路由协议进行讨论,必须从 Routing Information Protocol (RIP) 开始。RIP 由 Xerox Corporation 在 20 世纪 80 年代初开发,用于 Xerox Network Systems (XNS) 网络。今天,许多 PC 网络都使用基于 RIP 的路由协议。

RIP在小环境中运行良好,但用于一个更大的互联网络环境时,就会受到严格限制。例如,RIP将任意两台主机之间的路由器跳数限制在固有的16位。RIP收敛也很慢,这意味着它需要相对较长的时间完成网络更改,并让所有路由器知道它。最后,RIP只需看两个终端节点之间的跳跃次数,就能确定经过互联网的最佳路径。此技术忽略线路速度、线路利用率和其他权值的区别,其中许多权值都是在二个节点之间选择最佳路径的重要因素。由于这个原因,许多带有大型互联网络的公司可以从RIP移植到更复杂的路由协议中。

IGRP

随着80年代内部网关路由协议(IGRP)的创建,Cisco系统是第一家解决在内部路由器间使用到路由数据包的RIP相关问题的公司。IGRP通过互联网检查路由器之间的网络带宽和延迟来确定最佳路径。IGRP比RIP的融合速度更快,从而避免了路由下一跳分歧导致路由循环。此外,IGRP 不共享 RIP 的跳数限制。由于在RIP的这些和其他方面的改进,IGRP使得许多大型、复杂以及拓扑相异的互联网络能够得到配置。

EIGRP

Cisco 使用增强型 IGRP 来处理现在设计的日益增大的、任务关键型网络。此增强型 IGRP 称为 Enhanced IGRP。高级IGRP将更新的链路状态路由协议的快速重路由功能与传统的距离矢量路由协议结合起来。

由于增强的IGRP能限制路由信息交换,进而只包括经过更改的信息,这时它使用的带宽比IGRP少很多。此外,Enhanced IGRP 可以处理 AppleTalk 和 Novell IPX 路由信息,以及 IP 路由信息。

OSPF

OSPF 由 Internet 工程任务组 (IETF) 开发,作为 RIP 的替代产品。OSPF根据John McQuillan 在70年代末期开始着手,Radia Perlman和Digital Equipment Corporation (DEC)在80年代中期继续开发的工作发展起来的。每个主要的 IP 路由供应商都支持 OSPF。

OSPF 是域内链路状态的分层路由协议。OSPF 支持自治系统中的分层路由。自治系统可以分为多个路由区域。一般来说,路由域就是密切相关的一个或更多子网的集合。所有区域必须连接到骨干区域。

OSPF 可提供快速重路由且支持可变长度子网掩码。

集成的 IS-IS

ISO 10589 (IS-IS) 是域内链路状态的分层路由协议,用作 DECnet 第 V 阶段路由算法。它在许多方面与 OSPF 类似。IS-IS 可以在各种子网(包括广播 LAN、WAN 和点对点链路)上运行。

Integrated IS-IS 是 IS-IS 的实施,不仅仅针对 OSI 协议。目前,Integrated IS-IS 同时支持 OSI 和 IP 协议。

与所有集成路由协议类似,Integrated IS-IS 要求所有路由器运行单一路由算法。运行集成IS-IS的路由器发送的链路状态通告包含了运行IP或OSI网络层协议的所有目的地。为IP提供的ARP和ICMP协议以及为OSI提供的终端系统到中间系统(ES-IS)协议等都必须由运行集成IS-IS的路由器支持。

外部路由协议

EGP 允许在自治系统之间进行路由。在此部分,我们将讨论TCP/IP中最普遍的两个EGP。

EGP

第一个广泛使用的外部路由协议是 Exterior Gateway Protocol。EGP可以提供动态连接,但它假定所有自治系统都在一个树状拓扑中连接。在早期的 Internet 中是这样的,但现在情况已变。

虽然 EGP 是动态路由协议,但是它的设计非常简单。它不使用量度,因此无法进行真正的智能路由决策。EGP 路由更新包含网络可达性信息。换句话说,它们会指定可通过特定路由器到达的某些网络。由于当前的复杂互联网络的限制,EGP正被淘汰,这对BGP等路由协议非常有利。

BGP

BGP 代表尝试解决最严重的 EGP 问题。与 EGP 类似,BGP 是一种域间路由协议,创建用于 Internet 核心路由器。不同于EGP,BGP设计用来防止任意拓扑中的路由环路,允许基于策略的路由选择。

BGP由Cisco创建人合作开发,并且Cisco今后将继续积极参与BGP的开发。BGP的最新版本BGP4是设计旨在处理日益增长的互联网的扩展问题。

Cisco 的 TCP/IP 实施

除IP和TCP外、Cisco TCP/IP 实施技术支持ARP、RARP、ICMP、代理ARP (此处路由器充当另一个设备的ARP服务器)、回音、丢弃和探测(惠普公司在IEEE 802.3 网络上开发和部署的地址解析协议)。也可配置Cisco路由器,当它需要主机名称到地址的映射时可以使用域名系统(DNS)。

IP 主机需要了解如何到达某个路由器。有许多方式可以完成此操作:

  • 在指向路由器的主机中添加静态路由。

  • 在主机上运行 RIP 或某些其他 IGP。

  • 在主机中运行 ICMP 路由器发现协议 (IRDP)。

  • 在路由器上运行代理 ARP。

Cisco 路由器支持所有这些方法。

Cisco提供许多TCP/IP增值功能,从而提高应用程序的可用性,并减少拥有互联网络的总成本。这些最重要的功能会在以下部分中描述。

访问限制

大部分网络都有非常简明的访问要求。为了解决这些问题,Cisco实施访问列表,这是一种防止某些信息包进入或离开特定网络的方案。

访问控制列表是连续的指令列表,可以根据IP地址或其他标准,允许或拒绝路由器接口访问。例如,可以创建访问控制列表拒绝到某个网段所有计算机特定资源的访问,但又能允许来自其他所有分段的访问。另一个访问控制列表可以用来允许本地网段的所有主机实现到Internet上任何主机的TCP连接,但拒绝互联网的所有连接进入本地网,到一台特别指定的邮件主机的电子邮件连接除外。访问控制列表极其灵活,具有强大的安全措施,不仅适合IP,同样也适合Cisco路由器支持的许多其他协议。

其他访问限制(指定的 IP 安全扩展)由国防部制定。正如IP安全选项(IPSO)的RFC 1108中所述,Cisco支持基本和扩展的安全选项。leavingcisco.com CiscO能够支持访问控制列表和IPSO,是需要安全网络的理想选择。

建立隧道

Cisco的TCP/IP实施包括多个体系,允许外部协议通过IP网络进行隧道传输。隧道功能使网络管理员能将AppleTalk和Novell IPX网络的处理范围扩大到超过本地协议的处理范围。

IP 组播

使用 TCP/IP 协议簇的应用程序从来没有停止过发展。下一组应用程序包括使用视频和音频信息的那些应用程序,可以完成很多工作。Cisco 会继续积极参与 Internet 工程任务组 (IETF) 的标准定义活动,这些标准将允许网络管理员将音频和视频应用程序添加到现有网络。Cisco 支持独立于协议的多播 (PIM) 标准。此外,Cisco 的实施会提供与 MBONE(现在存在的一种研究组播骨干网)的互操作性。

IP组播(在逻辑组中把IP数据报发送到多个节点的能力)是应用程序(例如视频)的重要组成模块。例如,视频电话会议要求能够将视频信息发送到多个电话会议站点。如果包含视频信息的IP组播数据包可以发送到多个电话会议站点上,那么网络带宽将被保存,并且时间同步更接近最佳状态。

抑制网络信息

某些情况下,抑制某些网络的相关信息可能十分有用。Cisco路由器提供了广泛的配置选项,允许管理员定制特定的路由协议中的路由信息交换。可以使用为此设计的一组命令来控制传入和传出信息。例如,网络可以从路由通告屏蔽,防止某些网络实现路由更新。还可以采取其他类似操作。

管理距离

在大型网络中,一些路由器和路由协议是比其他设备和协议更可靠的路由信息源。借助Cisco IP路由软件,网络管理员可以使用管理距离权值,量化信息源的可靠性。指定管理距离时,可以根据来源的可靠性在路由信息的来源之间选择路由器。例如,如果路由器同时使用IGRP和RIP,你也许会设置管理距离来及大地反映IGRP信息。然后,路由器会在允许时使用 IGRP 信息。如果IGRP信息的来源发生故障,路由器将自动使用RIP信息作为备份信息,直到可以再次使用IGRP 来源为止。

路由协议再分配

使用不同路由协议在二个环境之间进行转换要求由一个协议生成的路由再分配到第二个路由协议环境。路由再分配使公司能在每个都特别有效的工作组或区域内运行不同路由协议。Cisco的路由再分配功能没有限制用户只能使用单个路由协议,从而通过多样化,最大程度提高技术优势,同时将成本降至最低。

Cisco 允许在其支持的所有路由协议间重分配路由协议。也可以对静态路由信息进行重分配。而且,默认值可以指定,以便一个路由协议为所有的重新分配的路由使用同样权值,从而简化路由重新分配机制。

无服务器网络支持

Cisco 倡导推广允许网络管理员建立无服务器网络的机制。帮助地址、RARP和BOOTP使网络管理员能从依靠它们的工作站远程放置服务器,从而缓和网络设计限制。

网络监视和调试

在当今复杂的、多样化的网络拓扑中,路由器帮助监控和调试程序的能力十分关键。作为多个分段的交叉点,路由器比其它设备能看到整个网络的更多内容。使用定期通过路由器的信息,可以发现和/或者解决很多问题。

Cisco IP 路由实施提供的命令可显示:

  • 路由表的当前状态,包括派生路由的路由协议、源的可靠性、要发送到的下一个 IP 地址、要使用的路由器接口、网络是否分子网、相关网络是否直接连接,以及是否有任何路由度量等。

  • 活动的路由协议进程的当前状态,包括更新间隔、公制重量(如果适用的话)、路由进程发挥作用的激活网络以及路由信息源。

  • 活动的记帐数据库,包括在特定源和目标之间进行交换的数据包和字节的数量。

  • IP 缓存的内容,包括目标 IP 地址、达到目标所通过的接口、使用的封装方法,以及在该目标处找到的硬件地址。

    与 IP 相关的接口参数,包括是否已启动接口和接口物理层硬件、是否已启用特定的协议(例如,ICMP 和代理 ARP)以及当前的安全级别。

  • IP相关的协议统计数据,包括通过以下协议接收和发送的信息包数量和错误数量:IP、TCP、User Datagram Protocol (UDP)、EGP、IGRP、Enhanced IGRP、OSPF、IS-IS、ARP 和 Probe。

  • 所有 BGP、EGP、ICMP、IGRP、Enhanced IGRP、OSPF、IS-IS、RIP、TCP 和 UDP 事务的记录。

  • 视为经过网络的数据包的中间跳数量。

  • 在节点之间的可达性信息。

摘要

IP 是可以同时由所有 Cisco 路由器路由和桥接的 20 多个协议之一。Cisco在IP实施过程中添加了一些功能,使得Cisco路由器性能在更大的企业范围互联网络中得到优化。


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