路由器的工作原理和安装配置.docx
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路由器的工作原理和安装配置
路由器的工作原理和安装配置
最简单的网络可以想象成单线的总线，各个计算机可以通过向总线发送分组以互相通信。
但随着网络中的计算机数目增长，这就很不可行了，会产生许多问题：
1、带宽资源耗尽。
2、每台计算机都浪费许多时间处理无关的广播数据。
3、网络变得无法管理，任何错误都可能导致整个网络瘫痪。
4、每台计算机都可以监听到其他计算机的通信。
把网络分段可以解决这些问题，但同时你必须提供一种机制使不同网段的计算机可以互相通信，这通常涉及到在一些ISO网络协议层选择性地在网段间传送数据，我们来看一下网络协议层和路由器的位置。
我们可以看到，路由器位于网络层。
本文假定网络层协议为IPv4，因为这是最流行的协议，其中涉及的概念与其他网络层协议是类似的。
一、路由与桥接
路由相对于2层的桥接/交换是高层的概念，不涉及网络的物理细节。
在可路由的网络中，每台主机都有同样的网络层地址格式（如IP地址），而无论它是运行在以太网、令牌环、FDDI还是广域网。
网络层地址通常由两部分构成：
网络地址和主机地址。
网桥只能连接数据链路层相同（或类似）的网络，路由器则不同，它可以连接任意两种网络，只要主机使用的是相同的网络层协议。
路由器<二>
二、连接网络层与数据链路层
网络层下面是数据链路层，为了它们可以互通，需要“粘合”协议。
ARP（地址解析协议）用于把网络层（3层）地址映射到数据链路层（2层）地址，RARP（反向地址解析协议）则反之。
虽然ARP的定义与网络层协议无关，但它通常用于解析IP地址；最常见的数据链路层是以太网。
因此下面的ARP和RARP的例子基于IP和以太网，但要注意这些概念对其他协议也是一样的。
1、地址解析协议
网络层地址是由员定义的抽象映射，它不去关心下层是哪种数据链路层协议。
然而，网络接口只能根据2层地址来互相通信，2层地址通过ARP从3层地址得到。
并不是发送每个数据包都需要进行ARP请求，回应被缓存在本地的ARP表中，这样就减少了网络中的ARP包。
ARP的维护比较容易，是一个比较简单的协议。
2、简介
如果接口A想给接口B发送数据，并且A只知道B的IP地址，它必须首先查找B的物理地址，它发送一个含有B的IP地址的ARP广播请求B的物理地址，接口B收到该广播后，向A回应其物理地址。
注意，虽然所有接口都收到了信息，但只有B回应该请求，这保证了回应的正确且避免了过期的信息。
要注意的是，当A和B不在同一网段时，A只向下一跳的路由器发送ARP请求，而不是直接向B发送。
下图为接收到ARP分组后的处理，注意发送者的对被存到接收ARP请求的主机的本地ARP表中，一般A想与B通信时，B可能也需要与A通信。
3、IP地址冲突
ARP产生的问题中最常见的是IP地址的冲突，这是由于两个不同的主机IP地址相同产生的，在任何互联的网络中，IP地址必须是唯一的。
这时会收到两个ARP回应，分别指出了不同的硬件地址，这是严重的错误，没有简单的解决办法。
为了避免出现这类错误，当接口A初试化时，它发送一个含有其IP地址的ARP请求，如果没有收到回应，A就假定该IP地址没有被使用。
我们假定接口B已经使用了该IP地址，那么B就发送一个ARP回应，A就可以知道该IP地址已被使用，它就不能再使用该IP地址，而是返回错误信息。
这样又产生一个问题，假设主机C含有该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广播后，更新其ARP表使之指向A的硬件地址。
为了解决这个错误，B再次发送一个ARP请求广播，这样主机C又更新其ARP表再次指向B的硬件地址。
这时网络的状态又回到先前的状态，有可能C已经向A发送了应该发送给B的IP分组，这很不幸，但是因为IP提供的是无保证的传输，所以不会产生大的问题。
4、管理ARP缓存表
ARP缓存表是对的列表，根据IP地址索引。
该表可以用命令arp来管理，其语法包括：
向表中添加静态表项--arp-s
从表中删除表项--arp-d
显示表项--arp-a
ARP表中的动态表项（没有手动加入的表项）通常过一段时间自动删除，这段时间的长度由特定的TCP/IP实现决定。
5、静态ARP地址的使用
静态ARP地址的典型使用是设置独立的打印服务器，这些设备通常通过telnet来配置，但首先它们需要一个IP地址。
没有明显的方法来把此信息告诉该设备，好象只能使用其串口来设置。
但是，这需要找一个合适的终端和串行电缆，设置波特率、奇偶校验等，很不方便。
假设我们想给一个打印服务器设置IP地址P-IP，并且我们知道其硬件地址P-hard，在工作站A上创建一个静态ARP表项把P-IP映射到P-hard，这样，虽然打印服务器不知道自己的IP地址，但是所有指向P-IP的数据就将被送到P-hard。
我们现在就可以telnet到P-IP并配置其IP地址了，然后再删除该静态ARP表项。
有时会在一个子网里配置打印服务器，而在另一个子网里使用它，方法与上面类似。
假设其IP地址为P-IP，我们分配一个本网的临时IP地址T-IP给它，在工作站A上创建临时ARP表项把T-IP映射到P-hard，然后telnet到T-IP，给打印服务器配以IP地址P-IP。
接下来就可以把它放到另一个子网里使用了，别忘了删除静态ARP表项。
6、代理ARP
可以通过使用代理ARP来避免在每台主机上配置路由表，在使用子网时这特别有用，但注意，不是所有的主机都能理解子网的。
基本的思想是即使对于不在本子网的主机也发送ARP请求，ARP代理服务器（通常是网关）回应以网关的硬件地址，见下图，注意与上面的图比较一下。
代理ARP简化了主机的管理，但是增加了网络的通信量（不是很明显），并且可能需要较大的ARP缓存，每个不在本网的IP地址都被创建一个表项，都映射到网关的硬件地址。
在使用代理ARP的主机看来，世界就象一个大的没有路由器物理网络。
路由器<三>
三、IP地址
在可路由的网络层协议中，协议地址必须含有两部分信息：
网络地址和主机地址。
存贮这种信息最明显的方法是用两个分离的域，这样我们必须考虑到两个域的最大长度，有些协议（如IPX）就是这样的，它在小型和中型的网络里可以工作的很好。
另一种方案是减少主机地址域的长度，如24位网络地址、8位主机地址，这样就有了较多的网段，但每个网段内的主机数目很少。
这样一来，对于多于256个主机的网络，就必须分配多个网段，其问题是很多的网络给路由器造成了难以忍受的负担。
IP把网络地址和主机地址一起包装在一个32位的域里，有时主机地址部分很短，有时很长，这样可以有效利用地址空间，减少IP地址的长度，并且网络数目不算多。
有两种将主机地址分离出来的方法：
基于类的地址和无类别的地址。
1、主机和网关
主机和网关的区别常产生混淆，这是由于主机意义的转变。
在RFC中（1122/3和1009）中定义为：
主机是连接到一个或多个网络的设备，它可以向任何一个网络发送和从其接收数据，但它从不把数据从一个网络传向另一个。
网关是连接到多于一个网络的设备，它选择性的把数据从一个网络转发到其它网络。
换句话说，过去主机和网关的概念被人工地区分开来，那时计算机没有足够的能力同时用作主机和网关。
主机是用户工作的计算机，或是文件服务器等。
现代的计算机的能力足以同时担当这两种角色，因此，现代的主机定义应该如此：
主机是连接到一个或多个网络的设备，它可以向任何一个网络发送和从其接收数据。
它也可以作为网关，但这不是其唯一的目的。
路由器是专用的网关，其硬件经过特殊的使其能以极小的延迟转发大量的数据。
然而，网关也可以是有多个网卡的标准的计算机，其的网络层有能力转发数据。
由于专用的路由硬件较便宜，计算机用作网关已经很少见了，在只有一个拨号连接的小站点里，还可能使用计算机作为非专用的网关。
2、基于类的地址
最初设计IP时，地址根据第一个字节被分成几类：
0:
保留
1-126:
A类（网络地址:
1字节，主机地址:
3字节）
127:
保留
128-191:
B类（网络地址:
2字节，主机地址:
2字节）
192-223:
C类（网络地址:
3字节，主机地址:
1字节）
224-255:
保留
3、子网划分
虽然基于类的地址系统对因特网服务提供商来说工作得很好，但它不能在一个网络内部做任何路由，其目的是使用第二层（桥接/交换）来导引网络中的数据。
在大型的A类网络中，这就成了个特殊的问题，因为在大型网络中仅使用桥接/交换使其非常难以管理。
在逻辑上其解决办法是把大网络分割成若干小的网络，但在基于类的地址系统中这是不可能的。
为了解决这个问题，出现了一个新的域：
子网掩码。
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类：
255.0.0.0
B类：
255.255.0.0
C类：
255.255.255.0
如果想把一个B类网络的地址用作C类大小的地址，可以使用掩码255.255.255.0。
用较长的子网掩码把一个网络分成多个网络就叫做划分子网。
要注意的是，一些旧软件不支持子网，因为它们不理解子网掩码。
例如的routed路由守护进程通常使用的路由协议是版本1的RIP，它是在子网掩码出现前设计的。
上面只介绍了三种子网掩码：
255.0.0.0、255.255.0.0和255.255.255.0，它们是字节对齐的子网掩码。
但是也可以在字节中间对其进行划分，这里不进行详细讲解，请参照相关的TCP/IP书籍。
子网使我们可以拥有新的规模的网络，包括很小的用于点到点连接的网络（如掩码255.255.255.252，30位的网络地址，2位的主机地址：
两个主机的子网），或中型网络（如掩码255.255.240.0，20位网络地址，12位主机地址：
4094个主机的子网）。
注意DNS被设计为只允许字节对齐的IP网络（在in-addr.arpa.域中）。
4、超网（supernetting）
超网是与子网类似的概念--IP地址根据子网掩码被分为独立的网络地址和主机地址。
但是，与子网把大网络分成若干小网络相反，它是把一些小网络组合成一个大网络--超网。
假设现在有16个C类网络，从201.66.32.0到201.66.47.0，它们可以用子网掩码255.255.240.0统一表示为网络201.66.32.0。
但是，并不是任意的地址组都可以这样做，例如16个C类网络201.66.71.0到201.66.86.0就不能形成一个统一的网络。
不过这其实没关系，只要策略得当，总能找到合适的一组地址的。
5、可变长子网掩码（VLSM）
如果你想把你的网络分成多个不同大小的子网，可以使用可变长子网掩码，每个子网可以使用不同长度的子网掩码。
例如：
如果你按部门划分网络，一些网络的掩码可以为255.255.255.0（多数部门），其它的可为255.255.252.0（较大的部门）。
6、无类别地址（CIDR）
因特网上的主机数量增长超出了原先的设想，虽然还远没达到232，但地址已经出现匮乏。
2020年发表的RFC1519--无类别域间路由CIDR（ClasslessInter-DomainRouting）--是一个尝试解决此问题的方法。
CIDR试图延长IPv4的寿命，与128位地址的IPv6不同，它并不能
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