實驗五、網路路由器
實驗目的：
1.
經由自行操作、設定Accelar-1100 switch router及連接PC，了解Internet中routing的運作機制，並對網管人員的工作有初步體會。
2.
以SmartBit產生測試封包，比較Accelar-1100和用Linux架設的router的運作效能，對網路設備的測試培養初步概念。
3.
練習以Linux作業系統架設router，並學習手動設定它的routing table，以及執行routed常駐程序（daemon
process），利用RIP routing protocol動態修改routing table，了解簡單的router管理。
實驗設備：
Ø
硬體部分：
1.
Accelar-1100 switch router
2.
SmartBit(封包產生器)
3.
兩台有兩張網路卡的個人電腦（架設router用）
4.
兩台一般個人電腦
5.
一個switching hub
6.
幾條網路線
7.
兩個網路線crossover轉接頭 or crossover之網路線
Ø
軟體部分：
1.
Accelar-1100 Device Manager
2.
SmartBit控制程式SmartWindow
實驗原理：
Routing and routing table
Routing protocols
Accelar-1100
switch router
SmartBit
l
Routing
and routing table
當網路上非直接相連的兩台電腦間需要進行通訊時，封包必須經由其它電腦的遞送才能順利到達目的地。封包在網路中尋找到達目的地的路徑的過程，稱之為routing，是網路通訊極重要的一環。
對一台主機而言，routing是怎麼一回事呢？Linux Networking HOWTO文件中寫道：「routing是指具兩個以上網路連線的電腦，決定如何遞送收到的封包的程序」。簡單地說∼主機從網路卡收到封包，根據它的目的地來查看自己的routing table，找到其中最符合這個目的地的項目，並依據這個項目來遞送封包。
以下是一台linux主機的routing table範例：
Kernel IP
routing table
|
Destination
|
Gateway
|
Genmask
|
Flags
|
Metric
|
Ref
|
Use
|
Iface
|
|
192.168.21.0
|
0.0.0.0
|
255.255.255.0
|
U
|
0
|
0
|
0
|
eth1
|
|
140.112.21.0
|
0.0.0.0
|
255.255.255.0
|
U
|
0
|
0
|
0
|
eth0
|
|
0.0.0.0
|
140.112.21.254
|
0.0.0.0
|
UG
|
1
|
0
|
0
|
eth0
|
由上例可知，routing table中的一個項目包括有destination address、network mask、gateway、interface以及一些flags。
它們的意義是：
destination
address/network mask：這兩個field加起來用來判斷收到的封包是否適用於這個項目。我們把封包上的destination IP address和每一個network
mask做bit-by-bit and運算，結果若符合routing table該項目的destination address，這個封包即適用該項目。若不只一個項目適用時，應選用network
mask最長的那一項。
gateway/interface：這兩個field指出當封包依據這個項目遞送時，應從主機的哪一個interface（網路介面）送出，及它的next
hop address是什麼。
Flags：這裡常見的一些字母意義如下
U—這個路徑目前是可用狀態
H—這個路徑的destination是一台主機而非一個網路
G—這個路徑的next hop是一台router
D—此一路徑是經由動態更新routing table的協定學到的
M—此路徑曾被動態更新routing table的協定修改過
Routing table的最後一定會有一項default
route，當之前所有的項目都不符合時，封包就依據default route的內容遞送。
在linux主機的表示法中，default route的destination address和network mask都是0.0.0.0。為何要如此表示呢？注意任何IP和這個mask做and運算都是0.0.0.0，即不論封包的目的為何一定適用default
route，而0.0.0.0的mask是所有可能的network mask中最短的，也就只有在其它項目都不適用時，才會用到default route。
除了當做router的主機有較大的routing table外，其實我們一般使用的，只有一個interface的主機也有一個小routing table，通常它至少包括三項：
n
一項是loop back address 127.0.0.1
n
一項是和主機的IP具有同樣的network prefix的其它機器，應為直接傳送不用經過router
n
還有一項即是default route
l
Routing
protocols
當網路的規模不大時，網路管理者可用手動的方式設定router中的routing table，但當網路的規模變大時，網路管理者即無力一一設定所有router。而且，網路的topology可能會隨時間而改變，如果routing table在此時不能自動因應topology做調整，而需要人工的重新設定，網路的survivability就很差，不能符合網際網路設計之初∼在核戰中維持通訊∼的目標。因此，一個router之間自動交換、更新routing table資訊的程序是必須的。
在網際網路上，不同的機構（如各ISP）只各自對自己的機器有管轄權，但無權過問別人的routing table，如此的機構稱為一個『自治系統』（autonomous
system）。routing table交換的協定又可分成在不同的autonomous system間交換，例如BGP（border
gateway protocol），和在單一的autonomous system內交換，例如RIP（routing information protocol）、OSPF（open
shortest path first）。本實驗僅著墨在RIP。
RIP是一套較簡單的routing table交換協定，但也是因為它的簡單性，在加上Unix-like作業系統中普遍implement的routed是使用RIP，使得它在目前的網路中仍相當普及。RIP是使用vector-distance的演算法，網路上使用RIP的router會分成active和passive兩種模式，active的router定期（每30秒）用broadcast來告訴別人它知道通往哪些網路的路徑及經由它通往該網路的距離（距離的單位是hop數）；passive的router不會broadcast自己知道的路徑，它只接收active routers的訊息，並當有人提供通往某網路更短的路徑時，就修改自己的routing table，把這個網路的next hop設成提供這個較短路徑的router。
這個看似簡單的協定有不少問題，count to infinity即是一例。想像有三個網路A、B、C，由R1、R2兩個router相連排成一直線：A-R1-B-R2-C，且routing table已達成steady state。此時，A和R1間的線忽然斷了，R1就不知道如何才能通到A網路，但R2會告訴R1「我有一條通往A網路的路，距離是2個hop」，於是R1將通往A網路的next
hop設為R2，距離為3。接下來R2發現從R1來的routing table資訊中，A網路的距離從1變成3，於是將自己到A網路的距離由2改成4。如此類推，一個明明到不了的網路，要過許久之後距離才會增加到反應這個事實（RIP以16為距離的infinity值），在此之前通往A網路的封包就會在R1和R2間丟來丟去，造成網路極大的負擔甚至癱瘓。
Count
to infinity的問題看來簡單，但試圖解決它的改進方案卻都會造成新的問題。有興趣的同學可以自行參考網路書籍。OSPF是另一套routing table交換的協定，請同學自己研究。
l
Accelar-1100 switch
router
Accelar-1100是一台兼具第二及第三層功能的網路交換設備。我們可以把它當做普通的switch hub來使用，此時它只發揮到第二層的功能，或者我們也可設定它內建的功能，將IP
forwarding選項開啟，它就可當router來使用。
在Accelar-1100的設定中，最核心的是VLAN的概念。我們可以將它的各個port，切分成許多個VLAN，每個VLAN構成一個獨立的broadcast
domain，也就是說儘管連在同一個switch上，IP位置可能也包含相同的network
prefix，但broadcast卻是互相不通的。這提供了網路管理者設計網路架構上更大的方便，例如下圖的網路例子中，Accelar-1100右側是一個利用NAT（Network
Address Translation，一種因應IP address不足而產生的技術）架設的實驗室內部網路，透過一台gateway連上實驗室中擁有正式IP的網路，而這兩部分的機器分屬不同VLAN，因此僅管在同一個switch上，左右兩邊是完全分開的，不致互相干擾。
Accelar-1100分割VLAN的方式除了依據設備上實體的port來分割之外，也可依收到的封包協定種類來做區分，不同協定的封包看到的VLAN也不同，如此提供了網路管理者更寬廣的設計空間。本實驗僅用到依據實體的port來切分VLAN。
但是我們實驗時不會用到VLAN這個功能，我們只會單純的將所有port都設成同一個LAN，只要設定每個有接網路線的port的資料即可。
Accelar-1100的各項設定，例如切割VLAN、更改routing table、設定監看特別事件等等，有三種不同方式皆可完成：
n
利用RS-232連接線直接接上Accelar。
n
用telnet進入Accelar。﹍此二種方法提供的是文字介面的command line。
n
用廠商提供的device manager視窗介面程式，安裝在任一台PC上即可連線進行設定。本實驗用的是第三種方法。
l
SmartBit
SmartBit是一個專門用來進行網路設備測試的封包流（packet
flow）產生裝置。它的功能是產生高流量的封包，灌入網路之中，配合它抓取封包的功能從封包流的出口截取經過網路後的封包，可由delay、loss ratio等等項目，來評斷受測網路設備的能力。
網路設備的測試不比同學實驗專題，只要在一般情況下可運作即可過關，而是要用最嚴苛的條件來進行測試。因為在一般load之下所有設備的表現可能並無不同，唯有在接近滿載的高流量之下，不同等級的設備才會顯出performance的差距，而這一點點差距可能就是成王敗寇的關鍵。因此，測試用設備產生封包的能力一定要夠強，這就是它必須有特別製作的硬體，而非僅是灌在PC上的軟體的主因。
在本實驗中我們使用的SmartBit必須配合一台PC，兩者由RS-232連線，在notebook上執行控制SmartBit的應用程式SmartWindow。SmartBit可一次產生多個不同封包流，使用者可自行設定各封包流的第二、三層header內容，來驗證受測設備處理多個flow的能力。
預報問題：
本次預報每組只需交一份（打字，限6頁內），請針對以下預報要求項目去做分工∼
l
NAT（network address translation）的運作模式。
參考資料∼http://turtle.ee.ncku.edu.tw/~tung/nat/
l
在紙上先設計好這次實驗各電腦的ip，netmask，routing table，(mac address)。
請同學以圖說明自己的實驗網路中各台機器的IP、etmask、routing table是如何設計，及這樣設計的依據。
（如那些ip要同網域？那些要不同網域？routing table中各項的意義？）
參考實驗架構{ PART 2 }以獲得更多資訊。
l
閱讀參考資料Accelar-1100 manual、SmartBit manual、Linux Networking HOWTO。
請各撰寫約一頁的使用要點。
參考資料：
Accelar-1100
manual：”Installing the Accelar 1000 series chassis : Ch.3”，”Reference for
the Accelar Management Software : Ch.8~Ch.10 , Ch.12”Accelar-1100 manual 請看 accelar reading.pdf 和 accelar reading2.pdf 檔，是從manual中節錄出來的部分。完整的Manual
SmartBit manual：請看 smartbit reading.pdf 和 How to Test Layer3_Jan99.pdf 檔。
Linux Networking HOWTO（非常長，請自己取出和routing有關部分），可在http://www.linuxdoc.org/找到最新版，中文翻譯版可在http://www.linux.org.tw/CLDP/HOWTOs.html找到但為較舊版本。Linux
相關文件請自行至 http://www.linuxdoc.org/ 找
Linux Networking HOWTO，閱讀有關網路卡設定， routing table 設定，RIP 等部分，並熟悉實驗講義中列出的相關指令。 本次實驗用的指令有以下幾個：ifconfig，arp，route，routed，ps
aux，grep，kill﹍等。
route、routed、tcpdump。Manpage可在任何linux主機上查詢，也可從http://www.linuxdoc.org/找到相關download sites
關於routing protocol的延伸閱讀，請自行參閱相關書籍，例如”Internetworking with TCP/IP vol.1”by Douglas
E. Comer,“Computer Networks”by Andrew S. Tanenbaum