路由转发表的构造流程

路由器的转发表 (Forwarding Information Base, FIB) 的构建是一个多步骤、动态且高度优化的过程。它不像路由表 (Routing Information Base, RIB) 那样只是简单的路由信息集合，而是为了实现高速、高效的数据包转发而专门设计的数据结构。

要理解转发表的构造，我们需要先理解它的“上游”——路由表 (RIB)，以及各种路由信息的来源。

转发表的构造流程概览

可以把转发表的构造理解为以下几个阶段：

信息收集： 路由器从各种来源收集路由信息。
路由选择： 路由器评估所有收集到的路由信息，选出到达每个目的网络的最佳路径，并将其放入路由表 (RIB)。
转发表生成： 路由器将路由表中选出的最佳路径进行优化和预处理，生成转发表 (FIB)。

阶段一：信息收集

路由器通过以下主要方式获取路由信息：

直连路由 (Directly Connected Routes):
- 来源： 当路由器的物理接口被配置了 IP 地址并处于“up/up”状态时，路由器会自动得知如何到达与该接口直接相连的网络。
- 特点： 这些路由具有最高的信任度（通常管理距离最小），且无需额外协议。
静态路由 (Static Routes):
- 来源： 由网络管理员手动配置的路由条目。
- 特点： 它们是固定的，不会动态变化，除非管理员手动修改。常用于特定的、不常变化的网络路径或作为默认路由 (0.0.0.0/0)。
动态路由协议 (Dynamic Routing Protocols):
- 来源： 路由器运行各种路由协议（如 RIP, OSPF, EIGRP, BGP 等），与其他路由器交换路由信息。
- 特点： 能够自动发现网络拓扑、学习路径、适应网络变化，并计算到达各个目的网络的“最佳”路径。
  - 距离矢量协议 (Distance-Vector Protocols): 如 RIP, EIGRP。路由器向其邻居发送完整的路由表，并根据邻居的更新来更新自己的路由表。
  - 链路状态协议 (Link-State Protocols): 如 OSPF, IS-IS。路由器构建整个网络的拓扑图，然后使用 SPF (最短路径优先) 算法独立计算到达所有目的地的最短路径。
  - 路径矢量协议 (Path-Vector Protocols): 如 BGP。主要用于自治系统 (AS) 之间，它不只考虑距离，还会考虑路径属性和策略。

阶段二：路由选择 => 填充路由表 (RIB)

一旦路由器从各种来源收集到路由信息，它需要决定哪条路径是“最佳”的，以便将其放入主路由表（RIB）。

这个选择过程通常遵循以下优先级原则：

管理距离 (Administrative Distance, AD):
- 定义： 衡量路由信息来源的“可信度”。AD 值越小，表示路由来源越可信。
- 示例 (思科):
  - 直连路由：0
  - 静态路由：1
  - EIGRP：90
  - OSPF：110
  - RIP：120
  - 外部 BGP：20
  - 内部 BGP：200
- 选择规则： 如果有两条或多条到达同一个目的网络的路由，路由器会选择管理距离最小的那条。
度量值 (Metric):
- 定义： 当管理距离相同时（即来自同一个路由协议或同一类型来源），路由器会使用该协议自身的度量值来选择最佳路径。度量值是衡量路径“成本”或“距离”的指标。
- 示例：
  - RIP 使用跳数 (hop count)。
  - OSPF 使用成本 (cost)，通常基于链路带宽。
  - EIGRP 使用复合度量值（带宽、延迟、可靠性、负载）。
- 选择规则： 在管理距离相同的情况下，选择度量值最小的那条路径。
最长前缀匹配 (Longest Prefix Match):
- 这个原则不是用来选择哪条路由放入路由表的，而是用来选择路由表中哪条路由用于转发数据包的。
- 当数据包到达时，路由器会查找路由表中与目的 IP 地址最匹配的条目。如果同时存在 192.168.1.0/24 和 192.168.1.128/25 两个路由条目，并且数据包的目的地址是 192.168.1.130，那么路由器会选择更具体的 /25 路由进行转发。

RIB 的内容： RIB 中存储的条目就是经过上述选择后，路由器认为到达每个目的网络的“最佳”路径。

阶段三：转发表生成

转发表 (FIB) 是从路由表 (RIB) 中派生出来的。它的主要目标是优化查找过程，使得数据包转发可以由硬件（ASIC）而非软件（CPU）来完成，从而达到线速转发。

FIB 的构造过程和优化：

复制最佳路由： 路由表中所有的最佳路径（即那些被选定用于转发的路径）会被复制到转发表中。
预计算下一跳信息：
- 递归查找消除：
  
  在复杂的网络中，路由表中的下一跳地址可能不是直接相连的。例如，“要到达 10.0.0.0/8，下一跳是 172.16.1.1”。
  
  那么路由器还需要查找如何到达 172.16.1.1。为了提高转发效率，FIB 会预先完成这些递归查找，直接将最终的出接口和直接相连的下一跳 IP 地址存储在 FIB 条目中。
- 二层重写信息 (Layer 2 Rewrite Information):
  
  FIB 不仅存储下一跳 IP 地址，还会预先包含将 IP 数据包封装到相应数据链路层帧（例如，以太网帧）所需的下一跳 MAC 地址。
  
  这些 MAC 地址通常存储在邻接表 (Adjacency Table) 中，FIB 条目会直接指向邻接表中的对应条目。这样，路由器在转发数据包时，只需一步查找即可获得所有必要的二层信息，无需再执行 ARP 请求等操作。
硬件优化格式：
- FIB 通常以一种硬件友好的格式存储，例如使用树形结构（如 IP 地址查找树 Tries 或 CAM/TCAM），以便 ASIC 芯片可以进行非常快速的查找。这使得查找时间与表的大小无关，或者查找时间极短。
- 这意味着，当一个数据包到达路由器时，路由器不需要像软件路由那样，逐条比对路由表中的每个条目，而是直接在硬件中进行一次高速查找。

举例说明 (FIB 的优化)：

假设路由表中有以下条目：

192.168.1.0/24 通过 Next-Hop 10.0.0.2 (Out Interface GigabitEthernet0/1)
而 10.0.0.0/30 是 GigabitEthernet0/1 接口的直连网络。

在构建 FIB 时，对于 192.168.1.0/24 这条路由，FIB 不仅会存储 10.0.0.2 和 GigabitEthernet0/1，还会预先查询 10.0.0.2 的 MAC 地址（假设是 AA:BB:CC:DD:EE:FF），然后将所有这些信息（目的网络、下一跳IP、出接口、下一跳MAC地址）打包成一个可以直接用于二层封装的条目。

总结

路由转发表 (FIB) 的构造是一个从各种路由信息来源开始，经过严格的路由选择算法，最终将最佳路径优化为适合硬件快速转发的数据结构的过程。

它将复杂的路由决策和地址解析过程提前完成，从而使得路由器能够以非常高的速度处理大量传入的数据包，是现代高速路由器的核心所在。

路由转发表的构造流程