路由器概述-计算机网络工程实用技术

路由器是将局域网和其他网络（如Internet）相连的连接设备。或者说，路由器是局域网连接到主干网的网络设备。由此可见路由器也是一种在计算机网络中完成信息交换功能的网络连接设备。

“路由”是指将数据从一个地方传送到另一个地方的行为和动作。路由器则是执行这种行为和动作的机器，是一种连接多个网络或网段的网络设备。因此，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”，以使它们能够相互“读懂”对方的数据，从而构成一个更大的网络，如图4-32所示。

图4-32 路由器的概述

从计算机网络体系结构模型角度看，路由器工作在OSI的第三层（网络层）。路由器主要用于异种网络互联或多个子网互联。

（1）路由器的主要功能

路由器的主要功能就是“路由”，通俗地讲就是“向导”作用，即为数据包的转发指明一个方向。路由器的“路由”功能也可以细分为以下几个方面。

1）数据转发。在网际间接收结点发来的数据包，然后根据数据包中的源地址和目的地址，对照自己缓存中的路由表，把数据包直接转发到目的结点，这就是路由器的最主要、也是最基本的路由作用。

2）为网际间通信选择最合理的路径。这个功能其实是上述路由功能的一个扩展功能。如果有几个网络通过各自的路由器连在一起，一个网络中的用户要向另一个网络的用户发出访问请求，路由器就会分析发出请求的源地址和接收请求的目的结点地址中的网络ID号，找出一条最佳的、最经济、最快捷的一条通信路径。就像我们平时到了一个陌生的地方，不知道到目的地点的最佳走法，这时我们就得找一个向导，这个向导就会告诉这个最佳的路线，因为他熟悉各条的走法，这里所讲的路由器就相当于这里的“向导”。

3）拆分和合并数据包。这个功能也属于路由功能的附属功能。因为有时在数据包的转发过程中，由于网络带宽等因素，数据包过大，很容易造成网络堵塞。这时，路由器就要把大的数据包根据对方网络带宽的状况拆分成若干个小的数据包，到了目的网络的路由器后，目的网络的路由器会将被拆分的数据包合并成一个原来大小的数据包，再根据源网络路由器的转发信息获取目的结点的MAC地址，发给本地网络的结点。

4）实现不同协议网络之间的连接。目前多数中、高档的路由器往往都具有支持多通信协议的功能，这样就可以起到了连接两个不同协议网络的作用。如常用Windows NT操作平台所使用的通信协议主要是TCP/IP，但是如果是NetWare系统，则所采用的通信协议主要是IPX/SPX，还有一些特殊协议网段，这些都需要靠支持这些协议的路由器来连接。

5）目前许多路由器都具有防火墙功能（可配置独立IP地址的网管型路由器）。它能够起到基本的防火墙功能。也就是说，它能够屏蔽内部网络的IP地址，自由设定的IP地址，通信端口过滤，使网络更加安全。

（2）路由器的工作原理

路由器是用于连接多个网络或网段的网络设备，它能将不同网络或网段之间的数据信息进行“翻译”。这样，它们便能够相互“读懂”对方的数据，从而构成一个更大的网络。它与前面所介绍的集线器和交换机不同，它不是应用于同一网段的设备，而是应用于不同网段或不同网络之间的设备，属网际设备。路由器之所以能在不同网络之间起到“翻译”作用，是因为它不再是一个纯硬件设备，而是具有相当路由协议的软件和硬件结构的设备，如RIP、OSPF、EIGRP、IPV6等。这些路由协议就是用来实现不同网段或网络之间的相互“理解”。

在一个局域网中，如果不需与外界网络进行通信，内部网络的各工作站都能识别其他各结点，完全可以通过交换机就可以实现目的发送，根本就用不上路由器来记忆局域网的各结点MAC地址。路由器识别不同网络的方法是通过识别不同网络的网络ID号进行的，所以为了保证路由成功，每个网络都必须有一个唯一的网络编号。路由器识别另一个网络，首先要识别的就是对方网络的路由器IP地址的网络ID，看是不是与目的结点地址中的网络ID号相一致。如果是就向这个网络的路由器发送，接收网络的路由器在接收到源网络发来的报文后，根据报文中所包括的目的结点IP地址中的主机ID号来识别是发给哪一个结点的，然后再直接发送。

为了更清楚地说明路由器的工作原理，现在假设有一个如图4-33所示的简单网络。其中一个网段网络ID号为“A”，在同一网段中有4台终端设备连接在一起，这个网段的每个设备的IP地址假设为：A1、A2、A3和A4。连接在这个网段上的一台路由器是用来连接其他网段的，路由器连接于A网段的那个端口IP地址为A5。同样路由器连接另一网段为B网段，这个网段的网络ID号为“B”，连接在B网段的另几台工作站设备设的IP地址分别为B1、B2、B3、B4，同样连接于B网段的路由器端口的IP地址设为B5。

图4-33 路由器工作原理

在这样一个简单的网络中同时存在着两个不同的网段，如果A网段中的A1用户想发送一个数据给B网段的B2用户，有了路由器就非常简单了。(www.xing528.com)

首先，A1用户把所发送的数据及发送报文准备好，以数据帧的形式通过左边的集线器广播发给同一网段的所有结点（集线器都是采取广播方式，而交换器因为不能识别这个地址，也采取广播方式），路由器在侦听到A1发送的数据帧后，从中分析出目的结点的IP地址信息（路由器在得到数据包后总是要先进行分析），得知不是本网段的地址，就把数据帧接收下来，根据其路由表进一步分析可知，接收结点的网络ID号与B5端口的网络ID号相同。这时路由器的A5端口就直接把数据帧发给路由器B5端口。B5端口再根据数据帧中的目的结点IP地址信息中的主机ID号来确定最终的目的结点B2，然后再发送数据到右边的集线器，该集线器将数据帧以广播方式发给其他的所有结点，从而将结点A1发送的数据发送给结点B2，由此顺利地到达目的结点，这样一个完整的数据帧的路由转发过程就完成了。

当然，这样的网络算是非常简单的，路由器的功能还不能从根本上体现出来，一般一个网络都会同时连接其他多个网段或网络，就像如图4-34所示一样，A、B、C、D这4个网络通过路由器连接在一起。

图4-34 四个网络通过路由器连接在一起

现在再来看如图4-34所示的网络环境下路由器又是如何发挥其路由、数据转发作用的。假设网络A中有一个用户A1要向网络C中的一个用户C3发送数据，其数据传输的步骤如下。

1）用户A1将用户C3的地址C3、连同数据信息以数据帧的形式通过集线器A以广播的方式发送给同一网络中的所有结点，当路由器端口A5侦听到这个数据帧后，分析得知所发目的结点不是本网段的，需要路由转发，就把数据帧接收下来。

2）路由器端口A5接收到用户A1的数据帧后，先从报头中取出目的用户C3的IP地址，并根据路由表计算出发往用户C3的最佳路径。因为从分析得知到C3的网络ID号与路由器端口C5的网络ID号相同，所以路由器的A5端口直接发向路由器的C5端口应是信号传递的最佳路径。

3）路由器的端口C5再次取出目的用户C3的IP地址，找出C3的IP地址中的主机ID号，并将数据发送给集线器C；集线器C直接以广播方式把数据帧分发到其所有端口；用户C3侦听到并接受该数据帧后，经分析可知是发送给自己的，用户C3便接收该数据帧。这样一个完整的数据通信转发过程就完成了。

不管网络有多么复杂，路由器其实所做的工作就是这么几步，所以整个路由器的工作原理都差不多。当然实际的网络远比以上所述的网络复杂得多，实际的步骤也不会像上述那么简单，但总的过程是这样的。

路由器的主要工作就是为经过路由器的每个数据帧寻找一条最佳传输路径，并将该数据有效地传送到目的站点。由此可见，选择最佳路径的策略即路由算法是路由器的关键所在。为了完成“路由”的工作，在路由器中保存着各种传输路径的相关数据——路由表（Rou-ting Table），供路由选择时使用。路由表中保存着子网的标志信息、网上路由器的个数和下一个路由器的名字等内容。路由表可以由系统管理员设置，也可以由系统动态修改，可以由路由器自动调整，也可以由主机控制。

在路由器中涉及两个有关地址的名字概念，那就是：静态路由表和动态路由表。由系统管理员事先设置好固定的路由表称之为静态（Static）路由表，一般是在系统安装时就根据网络的配置情况原先设定的，它不会随着未来网络结构的改变而改变。动态（Dynamic）路由表是路由器根据网络系统的运行情况而自动调整的路由表，路由器根据路由选择协议（Routing Protocol）提供的功能，自动学习和记忆网络运行情况，在需要时自动计算数据运输的最佳路径。

（3）路由器和交换机的区别

路由器是产生于交换机之后，就像交换机产生于集线器之后，所以路由器与交换机也有一定联系，并不是完全独立的两种设备。路由器主要克服了交换机不能路由转发数据包的不足。总的来说，路由器与交换机的主要区别体现在以下几个方面。

1）工作层次不同。最初的交换机是工作在OSI/RM开放体系结构的数据链路层，也就是第二层，而路由器一开始就设计工作在OSI模型的网络层。由于交换机工作在OSI的第二层（数据链路层），所以它的工作原理比较简单，而路由器工作在OSI的第三层（网络层），可以得到更多的协议信息，路由器可以做出更加智能的转发决策。

2）数据转发所依据的对象不同。交换机是利用物理地址或者说MAC地址来确定转发数据的目的地址。而路由器则是利用不同网络的ID号（即IP地址）来确定数据转发的地址。IP地址是在软件中实现的。描述的是设备所在的网络，有时这些第三层的地址也称为协议地址或者网络地址。MAC地址通常是硬件自带的，由网卡生产商来分配的，而且已经固化到了网卡中去，一般来说是不可更改的。而IP地址则通常由网络管理员或系统自动分配。

3）传统的交换机只能分割冲突域，不能分割广播域；而路由器可以分割广播域。由于交换机连接的网段仍属于同一个广播域，广播数据包会在交换机连接的所有网段上广播，在某些情况下会导致通信拥挤和安全漏洞。连接到路由器上的网段会被分配成不同的广播域，广播数据不会穿过路由器。

虽然第三层以上交换机具有VLAN功能，也可以分割广播域，但在各子广播域之间是不能通信交流的，它们之间的交流仍然需要路由器。

4）路由器可以内置防火墙的服务，它仅仅转发特定地址的数据包，不传送不支持路由协议的数据包传送和未知目标网络数据包的传送，从而可以防止广播风暴。