HCIA-Datacom笔记之IP路由基础
在一个典型的数据通信网络中，往往存在多个不同的IP网段，数据在不同的IP网段之间交互是需要借助三层设备的，这些设备具备路由能力，能够实现数据的跨网段转发。
路由是数据通信网络中最基本的要素。路由信息是指导报文转发的路径信息，路由过程就是报文转发的过程。
5.1 路由
5.1.1 背景：网段间通信
通过IP地址能够寻找到一个唯一的网络节点，每个IP都有自己所属的网段，这些网络可能分布在世界各地，共同组成了全球的网络。
为了实现不同网段之间的相互通信，网络设备需要能够转发来自不同网段的IP报文，将其送达不同的IP网段。
5.1.2 路由
路由是指导报文转发的路径信息，通过路由可以确认转发IP报文的路径。
路由设备是依据路由转发报文到目的网段的网络设备，最常见的路由设备：路由器。
网关以及中间节点（路由器）根据收到的IP报文其目的地址选择一条合适的路径，并将报文转发到下一个路由器。在路径中的最后一跳路由器二层寻址将报文转发给目的主机。这个过程被称为路由转发。
5.1.3 路由表
路由设备维护着一张路由表，保存着路由信息。路由器依据路由表转发报文。
- 路由表由一条条详细的路由条目组成。
- 路由表由路由条目组成，但不代表路由表中保存了所有路由，路由表中只会保存“最优的”路由。
- 对路由表中的路由条目的管理实际上就是路由器维护、管理路由信息的具体实现。
5.1.4 路由信息
路由中包含以下信息：
- 目的网络：标识目的网段
- 掩码：与目的地址共同标识一个网段
- 出接口：数据包被路由后离开本路由器的接口
- 下一跳：路由器转发到达目的网段的数据包所使用的下一跳地址
这些信息标识了目的网段、明确了转发IP报文的路径；
通过路由中包含的信息，路由设备可以转发IP报文到相应的路径。
- 目的地址、掩码用于识别IP报文目的地址，路由设备将IP报文匹配到相应的路由之后，根据路由的出接口、下一跳确认转发的路径。
- 只有出接口并不能够确认转发IP报文的下一跳设备，还需要明确的下一跳设备地址。
5.1.5 路由条目生成
路由器依据路由表进行路由转发，为实现路由转发，路由器需要发现路由，以下为常见的路由获取方式。
1、直连路由：直连接口所在网段的路由，由设备自动生成。
当匹配中直连路由进行转发时，转发的动作不是交给下一跳，而是查询ARP表项，将报文直接转到目的地址，此时该路由器为路由转发的最后一跳路由器。
直连路由的下一跳地址并不是其他设备上的接口地址，因为该路由的目的网段为接口所在网段，本接口就是最后一跳，不需要再转发给下一跳，所以在路由表中的下一跳地址就是接口自身地址。
并不是所有接口生成的直连路由都会出现在路由表中，直连路由出现在路由表中的前提是该接口的物理状态、协议状态都为UP。
2、静态路由：由网络管理员手工配置的路由条目
3、动态路由：路由器通过动态路由协议（如OSPF、IS-IS、BGP等）学习到的路由
5.1.6 最优路由条目优选
5.1.6.1 路由表中各个内容的含义
Destination/Mask：表示此路由的目的网络地址与网络掩码。将目的地址和子网掩码“逻辑与”后可得到目的主机或路由器所在网段的地址。例如：目的地址为1.1.1.1，掩码为255.255.255.0的主机或路由器所在网段的地址为1.1.1.0。
Proto（Protocol）：该路由的协议类型，也即路由器是通过什么协议获知该路由的。
Pre（Preference）：表示此路由的路由协议优先级。针对同一目的地，可能存在不同下一跳、出接口等多条路由，这些不同的路由可能是由不同的路由协议发现的，也可以是手工配置的静态路由。优先级最高（数值最小）者将成为当前的最优路由。
Cost：路由开销。当到达同一目的地的多条路由具有相同的路由优先级时，路由开销最小的将成为当前的最优路由。
NextHop：表示对于本路由器而言，到达该路由指向的目的网络的下一跳地址。该字段指明了数据转发的下一个设备。
Interface：表示此路由的出接口。指明数据将从本路由器的哪个接口转发出去。
注：
Preference用于不同路由协议间路由优先级的比较，Cost用于同一种路由协议内部不同路由的优先级的比较。在业界，Cost也被称为路由度量值（Metric）。
5.1.6.2 路由优选
当路由器从多种不同的途径获知到达同一个目的网段的路由（这些路由的目的网络地址及网络掩码均相同）时，会选择路由优先级值最小的路由；如果这些路由学习自相同的路由协议，则优选度量值最优的。总之，最优的路由加入路由表。
1、优先级比较
当路由器从多种不同的途径获知到达同一个目的网段的路由（这些路由的目的网络地址及网络掩码均相同）时，路由器会比较这些路由的优先级，优选优先级值最小的路由。
路由来源的优先级值（Preference）越小代表加入路由表的优先级越高。
拥有最高优先级的路由将被添加进路由表。
常见路由类型的默认优先级
2、度量值比较
当路由器通过某种路由协议发现了多条到达同一个目的网络的路由时（拥有相同的路由优先级），度量值将作为路由优选的依据之一。
路由度量值表示到达这条路由所指目的地址的代价。
一些常用的度量值有：跳数、带宽、时延、代价、负载、可靠性等。
度量值数值越小越优先，度量值最小路由将会被添加到路由表中。
度量值很多时候被称为开销（Cost）。
5.1.7 路由转发
最长匹配原则
当路由器收到一个IP数据包时，会将数据包的目的IP地址与自己本地路由表中的所有路由表项进行逐位（Bit-By-Bit）比对，直到找到匹配度最长的条目，这就是最长前缀匹配机制。
路由转发流程
来自10.0.1.0/24网段的IP报文想要去往40.0.1.0/24网段，首先到达网关，网关查找路由表项，确定转发的下一跳、出接口，之后报文转发给R2。报文到达R2之后，R2通过查找路由表项转发给R3，R3收到后查找路由表项，发现IP报文目的IP属于本地接口所在网段，直接本地转发。
注意：
- 当路由器收到一个数据包时，会在自己的路由表中查询数据包的目的IP地址。如果能够找到匹配的路由表项，则依据表项所指示的出接口及下一跳来转发数据；如果没有匹配的表项，则丢弃该数据包。
- 路由器的行为是逐跳的，数据包从源到目的地沿路径每个路由器都必须有关于目标网段的路由，否则就会造成丢包。
- 数据通信往往是双向的，因此要关注流量的往返（往返路由）。
5.2 静态路由
5.2.1 静态路由应用场景：
静态路由由网络管理员手动配置，配置方便，对系统要求低，适用于拓扑结构简单并且稳定的小型网络。
缺点是不能自动适应网络拓扑的变化，需要人工干预。
5.2.2 静态路由配置
[Huawei] ip route-static ip-address { mask | mask-length } interface-type interface-number nexthop-address
在创建静态路由时，可以同时指定出接口和下一跳。对于不同的出接口类型，也可以只指定出接口或只指定下一跳。
对于点到点接口（如串口），必须指定出接口。
对于广播接口（如以太网接口）和VT（Virtual-template）接口，必须指定下一跳。
5.2.3 缺省路由
缺省路由是一种特殊的路由，当报文没有在路由表中找到匹配的具体路由表项时才使用的路由。如果报文的目的地址不能与路由表的任何目的地址相匹配，那么该报文将选取缺省路由进行转发。
缺省路由在路由表中的形式为0.0.0.0/0，缺省路由也被叫做默认路由。
5.2.4 缺省路由应用场景
缺省路由一般用于企业网络出口，配置一条缺省路由让出口设备能够转发前往Internet上任意地址的IP报文。
5.3 动态路由
5.3.1 为什么需要动态路由?
当网络规模越来越大时，使用手动配置静态路由的方式获取路由条目将变得越发复杂，同时在拓扑发生变化时不能及时、灵活响应。
动态路由协议能够自动发现和生成路由，并在拓扑变化时及时更新路由，可以有效减少管理人员工作量，更适用于大规模网络。
5.3.2 动态路由分类
1、根据路由信息传递的内容、计算路由的算法，可以将动态路由协议分为两大类
距离矢量协议（Distance-Vector Protocol）:RIP、BGP
链路状态协议（Link-State Protocol）：OSPF、IS-IS
注意：
BGP使用一种基于距离矢量算法修改后的算法，该算法被称为路径适量（Path Vector）算法。因此在某些场合下，BGP也被称为路径矢量路由协议。
2、根据工作范围不同，又可以分为
内部网关协议IGP（Interior Gateway Protocol）:在一个自治系统内部运行。RIP、OSPF、ISIS为常见的IGP协议。
外部网关协议EGP（Exterior Gateway Protocol）：运行于不同自治系统之间。BGP是目前最常用的EGP协议。
5.4 路由高级特性
5.4.1 路由递归
路由必须有直连的下一跳才能够指导转发，但是路由生成时下一跳可能不是直连的，因此需要计算出一个直连的下一跳和对应的出接口，这个过程就叫做路由递归。
路由递归也被称为路由迭代。
5.4.2 等价路由
来源相同、开销相同的路由都会被加入路由表，形成的路由为等价路由（两个路由条目指向的目的网段相同，但是具有不同的下一跳地址），路由转发会将流量分布到多条路径上。
路由表中存在等价路由之后，前往该目的网段的IP报文路由器会通过所有有效的接口、下一跳转发，这种转发行为被称为负载分担。
5.4.3 浮动路由
静态路由支持配置时手动指定优先级，可以通过配置目的地址/掩码相同、优先级不同、下一跳不同的静态路由，实现转发路径的备份。
浮动路由是主用路由的备份，保证链路故障时提供备份路由。主用路由下一跳可达时该备份路由不会出现在路由表。
5.4.4 路由汇总
5.4.4.1 CIDR
CIDR（classless inter-domain routing，无类别域间路由）采用IP地址加掩码长度来标识网络和子网，而不是按照传统A、B、C等类型对网络地址进行划分。
CIDR容许任意长度的掩码长度，将IP地址看成连续的地址空间，可以使用任意长度的前缀分配，多个连续的前缀可以聚合成一个网络，该特性可以有效减少路由表条目数量。
5.4.4.2 路由汇总背景
对于一个大规模的网络来说，路由器或其他具备路由功能的设备势必需要维护大量的路由表项，为了维护臃肿的路由表，这些设备就不得不耗费大量的资源。同时，由于路由表的规模变大，会导致路由器在查表转发时效率降低。
因此在保证网络中的路由器到各网段都具备IP可达性的同时，需要减小设备的路由表规模。一个网络如果具备科学的IP编址，并且进行合理的规划，是可以利用多种手段减小设备路由表规模的。
一个非常常见而又有效的办法就是使用路由汇总（Route Summarization）。
路由汇总又被称为路由聚合（Route Aggregation），是将一组有规律的路由汇聚成一条路由，从而达到减小路由表规模以及优化设备资源利用率的目的，我们把汇聚之前的这组路由称为精细路由或明细路由，把汇聚之后的这条路由称为汇总路由或聚合路由。
5.4.4.3 路由汇总简介
路由汇总将一组具有相同前缀的路由汇聚成一条路由，从而达到减小路由表规模以及优化设备资源利用率的目的。
路由汇总采用了CIDR的思想：将相同前缀的地址聚合成一个。
我们把汇聚之前的这组路由称为精细路由或明细路由，把汇聚之后的这条路由称为汇总路由或聚合路由。
5.4.4.4 汇总计算
基于一系列连续的、有规律的IP网段，如果需计算相应的汇总路由，且确保得出的汇总路由刚好“囊括”上述IP网段，则需保证汇总路由的掩码长度尽可能长。
诀窍在于：将明细路由的目的网络地址都换算成二进制，然后排列起来，找出所有目的网络地址中“相同的比特位”。
5.4.4.5 汇总引发的问题
1、路由汇总带来的环路问题
路由汇总带来的环路问题 – 解决方案
一般来说一条路由，无论是静态的或者是动态的，都需要关联到一个出接口，路由的出接口指的是设备要到达一个目的网络时的出站接口。路由的出接口可以是该设备的物理接口，例如百兆、千兆以太网接口，也可以是逻辑接口，例如VLAN接口（VLAN Interface），或者隧道（Tunnel）接口等。
在众多类型的出接口中，有一种接口非常特殊，那就是Null（无效）接口，这种类型的接口只有一个编号，也就是0。Null0是一个系统保留的逻辑接口，当网络设备在转发某些数据包时，如果使用出接口为Null0的路由，那么这些报文将被直接丢弃，就像被扔进了一个黑洞里，因此出接口为Null0的路由又被称为黑洞路由。
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