网络层：路由、IPv6 与网络层设备

本节导读

接着第 29 节，这一节讲大纲「网络层」的其余部分：路由算法（静态与动态路由、距离-向量、链路状态、层次路由）、IPv6（主要特点、地址）、路由协议（自治系统、域内与域间路由、RIP、OSPF、BGP）、IP 组播、移动 IP、网络层设备（路由器的组成和功能、路由表与分组转发），以及功能部分的 SDN 基本概念。

计算主要是按距离-向量算法更新路由、用 Dijkstra 算法求最短路径、组播地址到 MAC 地址的映射；其余以比较几种协议的特点为主。

路由算法与层次路由

静态路由由管理员手工配置，简单但不能适应网络变化；动态路由由路由器之间交换信息自动计算。两类动态路由算法：

比较项	距离-向量	链路状态
和谁交换	只和相邻路由器	用洪泛法发给本区域内所有路由器
交换什么	自己到各目的网络的距离（整个路由表）	本路由器与哪些路由器相邻、链路代价是多少
怎样计算	到目的 y 的距离 = 对各相邻路由器 v 取「到 v 的代价 + v 到 y 的距离」的最小值	每个路由器都得到全网拓扑，用 Dijkstra 算法求最短路径
典型协议	RIP	OSPF

距离-向量算法「好消息传得快、坏消息传得慢」：某个网络不可达后，相邻路由器可能都以对方为下一跳，距离一次次加 1，要很久才确认不可达，这叫计数到无穷。

因特网采用层次路由，划分为许多自治系统 AS。自治系统内部用内部网关协议（如 RIP、OSPF），自治系统之间用外部网关协议（如 BGP）。

RIP、OSPF 与 BGP

比较项	RIP	OSPF	BGP
类型	距离-向量，域内	链路状态，域内	路径向量，域间
距离或代价	跳数，最多 15，16 表示不可达	可按费用、时延、带宽等设置	不求最短，找一条能到达且较好、不兜圈子的路由
交换时机	每 30 s 交换一次路由表	链路状态变化时才洪泛	建立连接后交换全部，之后只发变化部分
承载	UDP（端口 520）	直接用 IP 数据报	TCP（端口 179）

RIP 更新时，把相邻路由器 X 发来的每一项距离加 1、下一跳改为 X：原来没有这个目的网络就加进去；原来的下一跳就是 X，则一律替换；否则只有新距离更小时才替换。OSPF 还可以把一个自治系统划分为若干区域，由主干区域连接其他区域，以减少洪泛的范围；代价相同的多条路径可以分担负载。BGP 的每个自治系统选一个 BGP 发言人，交换的是到达某个网络要经过的自治系统序列。

IPv6

IPv6 地址 128 位，用冒号十六进制记法，每组前导 0 可以省略，连续的全 0 组可以用一次「::」压缩。主要变化：

• 首部固定 40 B，可选的功能放在扩展首部中，路由器处理更快；
• 取消了首部检验和；
• 分片只在源点进行，中间路由器不分片，分组太大时丢弃并回送 ICMPv6 差错报文；
• 地址分单播、组播、任播三类，没有广播地址；支持即插即用的自动配置。

从 IPv4 过渡到 IPv6 可以用双协议栈（同时装两种协议），或用隧道技术（把 IPv6 数据报封装在 IPv4 数据报里穿过 IPv4 网络）。

IP 组播与移动 IP

组播把一个分组同时交付给一组主机，源点只发一份，到分岔处才复制。IP 组播地址是 D 类地址（224.0.0.0 至 239.255.255.255），前 4 位固定为 1110，其余 28 位是组号。以太网组播 MAC 地址的前 25 位固定（01-00-5E 再加一个 0 位），后 23 位取自组播 IP 地址的低 23 位；组号中有 5 位没有映射，所以不同的组播地址可能对应同一个 MAC 地址，收到后还要在 IP 层过滤。主机与本地组播路由器之间用 IGMP 报告自己加入了哪些组。

移动 IP 让主机移到别的网络后仍保持原来的 IP 地址（永久地址）通信。移动站在归属网络有归属代理；到了外地网络，从外地代理得到一个转交地址并向归属代理登记。通信者照旧向永久地址发送，数据报到达归属网络后被归属代理截获，经隧道转发到转交地址，再由外地代理交给移动站；移动站发出的数据报可以直接发往通信者。