IP 连接 (IP Connectivity)

1. 路由器的工作原理 (Router Operation)

路由器工作在 OSI 模型的网络层（第三层），其核心功能是转发数据包，并在不同的网络（或称子网）之间进行寻址。

a. 转发决策的依据

路由器不依赖 MAC 地址表，而是基于数据包的 目的 IP 地址 来进行转发决策。

  1. 数据包进入： 路由器接口收到一个数据包。
  2. 解封装： 路由器移除第二层（以太网）头部，检查第三层（IP）头部。
  3. 查找路由表： 路由器检查数据包的目的 IP 地址，并将其与路由表中的所有条目进行匹配。
  4. 最长前缀匹配 (Longest Prefix Match)： 路由器选择与目的 IP 地址匹配度最高的条目，即子网掩码（或前缀长度）最长的路由条目。这是路由器的核心决策原则。
  5. 转发： 根据选定的路由条目，路由器确定下一跳 IP 地址和出接口。
  6. 重新封装： 路由器使用出接口的 MAC 地址作为源 MAC 地址，并使用下一跳设备的 MAC 地址作为目的 MAC 地址，重新封装数据包（将 IP 数据包封装到新的二层帧中）。
  7. 发送： 路由器通过出接口发送新的二层帧。

b. 路由表结构 (Routing Table Structure)

路由表是路由器做出转发决策的基础。一个典型的路由表条目包含以下关键信息：

  • 目的网络 (Destination Network): 数据包要到达的网络地址和子网掩码（如 192.168.1.0/24）。
  • 下一跳 (Next-Hop): 数据包应该发送到的邻居路由器的 IP 地址。
  • 出接口 (Egress Interface): 数据包应该离开本路由器的物理接口（如 GigabitEthernet0/0）。
  • 管理距离 (Administrative Distance, AD): 衡量路由源的可信度，值越小越可信。
  • 度量值 (Metric): 衡量到达目的网络的路径优劣，值越小越好。

c. 路由表的建立方式

路由器通过三种主要方式学习路由信息：

学习方式来源特点AD 值 (Cisco 默认)
直连路由 (Connected)路由器接口上配置的 IP 地址路由器接口启用后直接形成，最可信。0
静态路由 (Static)管理员手动配置的路由条目简单、高效，但无法适应拓扑变化。1
动态路由 (Dynamic)动态路由协议（如 OSPF, EIGRP）路由器之间自动交换信息，能适应拓扑变化。OSPF: 110

2. 配置和验证基本路由器接口

配置路由器的接口，使其能够参与三层转发：

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Router> enable
Router# configure terminal
Router(config)# interface GigabitEthernet0/0
Router(config-if)# description WAN_Interface_to_ISP
Router(config-if)# ip address 203.0.113.1 255.255.255.252 
! 配置 IP 地址和子网掩码
Router(config-if)# no shutdown
! 启用接口
Router(config-if)# end

Router# show ip interface brief
! 验证接口的 IP 地址和状态
Router# show ip route
! 验证路由表是否已经包含了直连路由

好的，我们继续学习 IP 连接 中的 **静态路由 (Static Routing)**。

3. 静态路由 (Static Routing)

静态路由是由网络管理员手动配置在路由器上的路由条目，指导路由器如何将数据包转发到目标网络。

优点与缺点

特性优点缺点
安全性高，因为路由信息不会在网络中广播。N/A
资源消耗低，路由器无需运行复杂的路由算法，CPU 和内存占用少。N/A
可扩展性低，在大规模网络中，手动配置和维护成百上千条静态路由非常耗时且容易出错。低
拓扑变化无法适应拓扑变化。如果指定的路径中断，静态路由会失效，需要管理员手动修改。高

静态路由的类型和配置

静态路由的配置命令都是 ip route，但根据指定下一跳的方式，可以分为以下几种：

a. 标准静态路由 (Standard Static Route)

这是最常见的类型，用于指导数据包到达特定的目的网络。

  • 配置语法： ip route [目的网络] [子网掩码] [下一跳IP]

    • 示例： 告诉路由器，要到达 192.168.20.0/24 这个网络，应该将数据包发送给邻居路由器 10.1.1.2。
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    Router(config)# ip route 192.168.20.0 255.255.255.0 10.1.1.2

  • 配置语法（带出接口）： ip route [目的网络] [子网掩码] [出接口]

    • 示例： 告诉路由器，到达 192.168.20.0/24，从 GigabitEthernet0/0 发出。
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    Router(config)# ip route 192.168.20.0 255.255.255.0 GigabitEthernet0/0

    ❗ 注意 (出接口 vs. 下一跳)： 在配置静态路由时，如果出接口是点对点 (Point-to-Point) 链路（如串行链路或隧道），通常使用出接口或下一跳 IP。但如果出接口是多点访问 (Multi-Access) 链路（如以太网），则必须使用下一跳 IP 地址，以避免路由器对该网段上的每个数据包都执行 ARP 查找。

b. 默认路由 (Default Route)

默认路由是一种特殊的静态路由，用于匹配路由表中没有明确匹配项的所有目的网络。它类似于计算机上的默认网关。

  • 配置语法： ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 [下一跳IP]

    • 作用： 匹配所有网络，目标是 0.0.0.0，子网掩码是 0.0.0.0。
    • 示例： 将所有未知目的地的流量发送给 ISP 的路由器 203.0.113.2。
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    Router(config)# ip route 0.0.0.0 0.0.0.0 203.0.113.2
c. 浮动静态路由 (Floating Static Route)

浮动静态路由是一种备份路由机制。它与主路由相同，但通过设置一个**更高的管理距离 (Administrative Distance, AD)**，使其在主路由（通常是动态路由或另一条静态路由）激活时保持非活动状态。

  • 配置语法： ip route [目的网络] [子网掩码] [下一跳IP] [AD 值]

    • 示例： 假设主路由是通过 OSPF (AD=110) 学习的。
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    ! 主路由：通过 OSPF 学习到 192.168.20.0 (AD=110)
    ! 浮动静态路由：设置 AD=130，只有当 OSPF 路由失效时，它才会被激活
    Router(config)# ip route 192.168.20.0 255.255.255.0 10.1.2.5 130
    • 作用： OSPF 路由失效（AD=110 的条目消失）时，路由器发现 AD=130 的静态路由是当前到达目的地的最优路径，将其安装到路由表中，实现自动切换。

验证命令

  • 查看路由表：

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    Router# show ip route
    ! 静态路由在路由表中以 'S' 标识

  • 验证浮动路由状态： 浮动路由在主路由激活时不会出现在路由表中。要查看配置本身，需要使用：

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    Router# show running-config | section ip route

好的，我们进入 IP 连接 中最重要的动态路由协议之一：OSPFv2 (开放最短路径优先) 的学习。

4. OSPFv2 (开放最短路径优先)

OSPFv2 是一种 链路状态 (Link-State) 内部网关协议 (IGP)，专为 IPv4 网络设计（OSPFv3 用于 IPv6）。

a. OSPF 的核心工作原理

OSPF 不依赖下一跳的距离计数，而是基于网络的拓扑信息来计算最优路径。

  1. 建立邻居关系 (Establish Neighbor Adjacencies):
    • 路由器在接口上启用 OSPF 后，会通过发送 Hello 报文来发现同一网段上的其他 OSPF 邻居。
    • Hello 报文用于协商并确保双方的 Router ID、区域 ID (Area ID)、Hello/Dead 定时器、认证等参数一致。
    • 一旦参数匹配，路由器会进入 Full 状态，表示邻居关系完全建立。
  2. 链路状态通告 (LSA, Link-State Advertisements) 交换:
    • 路由器将自身的 链路状态信息（接口状态、成本、连接的网络）打包成 LSA。
    • 路由器通过 LSDB (Link-State Database, 链路状态数据库) 相互交换 LSA，最终网络中所有路由器都拥有完全相同的拓扑图。
  3. SPF 算法计算:
    • 每台路由器以自身为根，运行 Dijkstra 的最短路径优先 (SPF) 算法。
    • 该算法计算出到达网络中所有目的地的**最短路径树 (Shortest Path Tree)**。
  4. 安装路由:
    • 根据 SPF 算法的结果，路由器将最优路径安装到 IP 路由表中。

b. 关键概念和参数

  • 区域 (Area): OSPF 采用分层结构，将网络划分为不同的区域。
    • 骨干区域 (Area 0 或 Backbone Area): 所有其他区域必须直接连接到 Area 0。
    • 非骨干区域 (Non-Backbone Area): 用于将大型网络分割成更小的管理单元，减少 LSA 泛洪的范围，提高网络稳定性。
  • Router ID (RID): 路由器在 OSPF 网络中的唯一标识符，是一个 32 位的 IP 地址格式。
    • 确定顺序： 优先使用手动配置的 Router ID；如果没有，则使用最高的 Loopback 接口 IP 地址；如果还没有，则使用最高的 活动物理接口 IP 地址。
    • 重要性： RID 在邻居关系建立后不会改变，除非重启 OSPF 进程。
  • Cost (开销): OSPF 用 Cost 来衡量路径优劣，是 SPF 算法的输入值。
    • 计算公式： $Cost = \frac{Reference_Bandwidth}{Interface_Bandwidth}$
    • 默认参考带宽 (Reference Bandwidth)： 10^8 bps (即 100 Mbps)。
    • 示例： 100 Mbps 接口 Cost=1；10 Mbps 接口 Cost=10。

c. OSPFv2 单区域配置

CCNA 级别主要关注单区域 (Single-Area) OSPFv2 的配置。

  1. 启用 OSPF 进程：

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    Router(config)# router ospf 1 
    ! '1' 是进程 ID (Process ID)，仅在本地有意义，可以任意设置

  2. 设置 Router ID (可选但推荐)：

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    Router(config-router)# router-id 1.1.1.1 
    ! 明确设置 RID

  3. 通告网络 (宣告)：

    使用 network 命令指定哪些接口要参与 OSPF 进程。

    • 配置语法： network [网络地址] [通配符掩码] area [区域ID]
    • 通配符掩码 (Wildcard Mask)： 与子网掩码相反，用于指定 IP 地址中哪些位需要匹配（0 表示必须匹配，1 表示可以忽略）。
      • 示例： 192.168.1.0 0.0.0.255 表示匹配 192.168.1.x 网段中的所有 IP 地址。
    • 示例配置：
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    Router(config-router)# network 192.168.1.0 0.0.0.255 area 0 
    ! 宣告 192.168.1.x 网段加入 Area 0
    Router(config-router)# network 10.1.1.1 0.0.0.0 area 0 
    ! 宣告特定接口 10.1.1.1 (使用精确匹配) 加入 Area 0

    ❗ 注意： network 命令的真正作用是：在匹配的接口上启用 OSPF 进程，并决定将该接口所属的网络作为 LSA 发送出去。

d. 验证命令

  • 查看 OSPF 邻居状态：

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    Router# show ip ospf neighbor
    ! 检查邻居的 RID、状态 (State 应为 FULL)、邻接关系建立时间

  • 查看 OSPF 进程和 RID：

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    Router# show ip ospf
    ! 查看 OSPF 进程 ID, RID, 区域信息

  • 查看 OSPF 路由表：

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    Router# show ip route ospf
    ! 仅显示通过 OSPF 学习到的路由 (在路由表中以 'O' 标识)

  • 查看 LSDB：

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    Router# show ip ospf database
    ! 查看路由器收到的所有 LSA 详情，即拓扑图的原始数据

5. 冗余协议 (First-Hop Redundancy Protocols, FHRP)

在任何局域网 (LAN) 中，默认网关都是单点故障。一旦路由器接口或整个路由器失效，局域网中的所有设备都将无法与外部网络通信。

FHRP 的目的就是消除默认网关的单点故障，提供网关冗余。

a. FHRP 工作原理

FHRP 通过创建一个虚拟路由器来实现冗余：

  1. 虚拟 MAC 地址和 IP 地址： FHRP 组中的所有物理路由器共享一个虚拟 IP 地址和一个虚拟 MAC 地址。
  2. 默认网关配置： 终端设备的默认网关地址被配置为这个虚拟 IP 地址。
  3. 主/备选举： 协议在 FHRP 组中的路由器之间选举一个**活动路由器 (Active Router)（或称主路由器）和一个或多个备用路由器 (Standby Router)**。
  4. 流量转发： 活动路由器负责响应 ARP 请求，并使用虚拟 MAC 地址转发所有发送到虚拟 IP 地址的数据包。
  5. 故障切换： 如果活动路由器失效，备用路由器会在几秒钟内接管虚拟 IP 地址和 MAC 地址，成为新的活动路由器，网络连通性得以快速恢复。

b. 常见的 FHRP 协议

CCNA 中主要关注以下两种协议：

HSRP (Hot Standby Router Protocol)
  • 特点： 思科私有协议。
  • 路由器角色： Active (活动) 和 Standby (备用)。
  • 选举机制： 比较优先级 (Priority)（默认 100，范围 0-255，值越高越优先）。如果优先级相同，则比较接口的IP 地址（IP 地址越高越优先）。
  • 抢占 (Preemption)：
    • 默认情况下，HSRP 不启用抢占。这意味着即使一台具有更高优先级的路由器加入，它也会保持 Standby 状态。
    • 启用抢占后，如果一台具有更高优先级的路由器上线，它将立即抢夺 Active 角色。
  • 版本： HSRPv1 和 HSRPv2 (支持 IPv6 和更高的组编号)。

配置示例 (HSRP)：

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RouterA(config)# interface GigabitEthernet0/0
RouterA(config-if)# standby 1 ip 192.168.1.254 
! 配置 FHRP 组号 1 的虚拟 IP 地址
RouterA(config-if)# standby 1 priority 150 
! 设置优先级高于默认值 (100)，使其成为主 Active 路由器
RouterA(config-if)# standby 1 preempt 
! 启用抢占
VRRP (Virtual Router Redundancy Protocol)
  • 特点： IETF 开放标准协议 (RFC 3768)。
  • 路由器角色： Master (主) 和 Backup (备份)。
  • 选举机制： 与 HSRP 类似，也是基于优先级（默认 100）。最高优先级的路由器成为 Master。
  • 抢占： 默认启用抢占。
  • 认证： 支持明文或 MD5 认证。

配置示例 (VRRP)：

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RouterB(config)# interface GigabitEthernet0/0
RouterB(config-if)# vrrp 1 ip 192.168.1.254 
! 配置 FHRP 组号 1 的虚拟 IP 地址
RouterB(config-if)# vrrp 1 priority 120 
! 设置优先级
RouterB(config-if)# vrrp 1 preempt 
! 启用抢占

c. 验证命令

  • 验证 FHRP 状态：

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    Router# show standby brief 
    ! 查看 HSRP 组号、状态、活动/备用 IP、虚拟 IP

  • 详细验证：

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    Router# show standby 
    ! 查看详细信息，包括计时器和抢占状态