静态路由原理与配置——理论篇

静态路由原理与配置——理论篇

目标：理解路由的原理
学会配置静态路由和默认路由
学习内容：
①路由原理
②路由器的工作原理
③路由表的形成
④静态路由和默认路由
⑤路由器转发数据包的封装过程

一、路由原理
路由器工作在OSI参考模型的网络层，他的额重要作用是为数据宝选择最佳路径，最终送达目的地。
在只有一个网段的网络中，数据包可以很容易地从源主机到达目标主机。但是如果一台计算机要和非本网段的计算机进行通信，数据包可能就要经过很多路由器。如图所示，主机 A 和主机 B 所在的网段被许多路由器隔开，这时主机 A 与主机 B 的通信就要经过这些中间路由器，这就要面临一个很重要的问题——如何选择到达目的地的路径。数据包从 A 到达B 有很多条路径可供选择，但是很显然，在这些路径中在某一时刻总会有一条路径是最快的。
因此，为了尽可能地提高网络访问速度，就需要有一种方法来判断从源主机到达目标主机所经过的最佳路径，从而进行数据转发，这就是路由技术。 

二、路由器的工作原理
首先来看一下路由器是如何工作的。对于普通用户来说，能够接触到的只是局域网。通过在 PC 上设置默认网关就可以使局域网的计算机与 Internet 进行通信。其实在 PC 上所设置的默认网关就是路由器以太口的 IP 地址。如果局域网的计算机要和外面的计算机进行通信，只要把请求提交给路由器的以太口即可，接下来的工作就由路由器来完成。因此可以说路由器就是互联网的中转站，网络中的数据包就是通过一个一个的路由器转发到目的网络的。
那么路由器是如何进行数据包的转发的呢？
其实在每个路由器的内部都有一张路由表，就好比出门旅游我们所使用的地图。在这个路由表中，包含该路由器掌握的所有目的网络地址，以及通过此路由器到达这些网络的最佳路径。这个最佳路径指的是路由器的某个接口或下一跳路由器的地址。
正是由于路由表的存在，路由器才可以高效地进行数据包的转发。
如图所示，我们简单来解释一下路由器选择最佳路径的过程（此处我们将网段192.168.1.0/24简写为1.0，其他网段也同理）:

1.主机1.1要发送数据DATA给主机4.1,因为IP地址不在同一网段，所以主机户将数据包发送给本网段的网络路由器A。
2.路由器A收到数据包后，会先查看数据包IP首部中的目标IP地址，在查找自己的路由表。发现数包DATA的目标地址是4.1，属于4.0网段,S0接口，于是路由器A将数据包从接口S0发送出去。
3.同理，路由器B在收到路由器A发送的数据包后，也会先查看目标IP地址以及自己的路由表。与此同时将数据包从网段4.0，E0接口发送出去。
4.最终主机4.1接收到数据包。
这就是路由器的工作原理！

三、路由表的形成
路由表是在路由器中维护的路由条目的集合，路由器根据路由表做路径选择。
那么路由表是怎么形成的呢？
①直连网段，通俗的话就是长在自己身上的网段，当配置好IP地址后，端口处于UP状态，就形成了直连网段
②非直连网段，而对于非直连的网段，需要静态路由或动态路由，将网段添加到路由表中。
如图：

四、静态路由和默认路由
①静态路由
静态路由是由管理员在路由器中手动配置的固定路由。
它的缺点就是缺乏灵活性，但是允许对路由的行为进行精确的控制，另外它是单向的。
因此一般来说，静态路由用于网络规模不大、拓扑结构相对固定的网络中。
具体如图示：

②默认路由
默认路由是一种特殊的静态路由，是当路由表中与数据包的目的地址之间没有匹配的表项时路由器能够做出的选择。如果没有默认路由，那么目的地址在路由表中没有匹配表项的数据包将被丢弃。 
默认路由的特点，就是它在只有一个唯一的路径能够到达其他网络的时候，默认路由会大大简化路由器的配置，减轻管理员的工作负担，提高网络性能。 
具体如图所示：（末节网络就是：这个网络只有一个唯一的路径能够到达其他网络）

五、路由器转发数据包的封装过程
我们用下图来模拟数据包转发封装过程，并做步骤解释：

1.Host A 在网络层将来自上层的报文封装成 IP 数据包，其首部包含了源地址和目的地址。源地址即本机地址 192.168.1.2，目的地址为 Host B 的地址 192.168.2.2。此时发现目的地址与本机地址不在同一网段，因此发往 Host B 的数据包需要经过路由器 A 转发。
2.Host A 通过 ARP广播请求获得默认网关路由器A的E0口的MAC地址为00-11-12-21-22-22。在数据链路层 Host A 将 IP 数据包封装成以太网数据帧，在以太网数据帧首部的源 MAC 地址为 00-11-12-21-11-11，目的 MAC 地址为网关 E0 口的 MAC 地址 00-11-12-21-22-22。 此时，路由器A会根据收到的数据帧进行拆分，并查找自己的路由表，找出符合IP地址的路由表项，并重新封装，发送给下一跳地址E1接口。
3.在 E1 接口路由器 A 重新封装以太网帧，此时源 MAC 地址为路由器 A 的 E1 口 MAC地址 00-11-12-21-33-33，目的 MAC 地址为与之相连的路由器 B 的 E1 口 MAC 地址00-11-12-21-44-44。 
4.路由器 B 从 E1 口接收到数据帧，同样会把数据链路层的封装去掉，对目的 IP 地址进行检查，并与路由表进行匹配，再根据路由表的下一跳信息将数据包转发到 E0 接口。路由器 B 发现目的网段与自己的 E0 接口直接相连，通过 ARP 广播，路由器 B 获得 Host B 以太口的 MAC 地址 00-11-12-21-66-66。路由器 B 再将 IP 数据包封装成以太网帧，源 MAC 地址为路由器 B 的 E0 口的 MAC 地址 00-11-12-21-55-55，目的 MAC 地址为 Host B 的 MAC 地址00-11-12-21-66-66。封装完毕，将以太网帧从 E0 接口发往 Host B。 
因此，一般通过以上4步来进行数据包的转发封装，由此可以得出一个规律：IP地址始终不变，MAC地址一直改变！

交换域路由对比
-路由工作在网络层
根据“路由表”转发数据
路由选择
路由转发
-交换工作在数据链路层
根据"MAC地址表"转发数据
硬件转发

附：
对网络进行排错的时候需要用到的方法：
1.分层检查：
从物理层检查，查看端口状态来排除接口线缆等问题
查看IP地址和路由等的配置是否正确?
2.分段检查：
将网络划分成多个小段，逐段排除错误

总结概述
1.路由器工作在OSI参考模型的网络层，他的额重要作用是为数据宝选择最佳路径，最终送达目的地。路由表是路由器中维护的路由条目的集合，路由器根据路由表做路径选择。
2.静态路由是单向的，如果希望实现双方的通信，必须在通信双方配置双向的静态路由
3.默认路由是一种特殊的静态路由，是当路由表中与数据包的目的地址之间没有匹配的表项时路由器能够做出的选择。如果没有默认路由，那么目的地址在路由表中没有匹配表项的数据包将被丢弃。
4.在配置路由的过程中，对网络排错时要分层、分段检查。分层检查可以首先从物理层检查，分段检查则将网络划分成多个小段，逐段排除错误。