网络路由设计的基础

原文：网络路由的设计基础

一，分组转发的基本概念

     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点。     分组转发即是指在互联网中，路由器转发IP分组的物理传输过程与数据报转发机制。分组转发可以分为直接转发，与间接转发两种。      直接转发和间接转发的示意图：

二.路由选择的概念

 (1)路由选择的参数    1)跳数    跳数即一个分组从其源主机到目的主机所要经过的路由器的个数，显而易见，经过的路由器的个数越少，即跳数越小，这个路径越好。    2)带宽    带宽是指一条链路的传输速率，一般表示为Mb/s。    3)延时    延时即为一个分组从其源主机到目的主机所要经历的时间。当然，时间越短，即延时越小，也说明这个路径越好。    4)负载     负载指的是单位时间内通过路由器或是线路的通信量。    5)可靠性    可靠性的衡量标准即为分组传输过程中的误码率，误码率是数据传输精确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数*100%，当然误码率越小，说明其可靠性越高。    6)开销    开销即为分组传输过程中的耗费。

(2)评价路由器的依据

    1)算法简单、正确、最佳    路由算法尽量简单以减少路由资源的耗费和分组转发的时延；分组沿着路由表所指引的路径能够到达正确的目的地址；分组转发的算法开销尽可能的低，它应在衡量各方面因素后，得到一个相对较为合适的传输路径。    2)稳定、公平    在网络的拓扑和通信量相对稳定的情况下，路由算法收敛于一个较好的解，并且算法对所有的用户都是公平的。    3)适应网络拓扑、通信量的变化   当网络拓扑、通信量变化时，算法能自动进行更新，改变路由，以均衡各链路的负载。

(3)路由选择的分类
路由器采用表驱动的路由选择算法，路由表是随着路由选择算法的产生而产生的，路由器要传输IP分组时，必须查询路由表来决定分组发送的下一个地址。
路由表是当路由器传输IP分组时用于查询路由以确定分组所要发送的下一个路由，它分为动态路由表和静态路由表。
1)静态路由表
静态路由表是由系统管理员事先设置好固定的路由表称之为静态路由表，管理员将每一个目的地址的路径都输入到这个路由表中，因此，它一般是系统安装时就根据网络的配置情况预先设定的，它不会随着网络结构的改变而改变，其更新工作必须由管理员手工完成。
2)动态路由表
动态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传输的最佳路径。

(4)IP路由选择与路由汇聚

IP分组的路由在使用CIDR协议后，就通过子网的划分的相反过程来汇聚。路由表的项目由“网络前缀”和“下一跳地址”两项内容组成，因此，选择路由应当从匹配结果中选择具有最长网络前缀的路由。这就是“最长前缀匹配”原则。     图4-2即为CIDR的路由汇聚图。图中，核心路由器通过两条专线S1与S2与两台汇聚路由器连接。两台汇聚路由器又分别通过Ethernet各连接了4台接入路由器，得到了8个子网。 CIDR的路由汇聚

表4-1核心路由器的路由表

   表4-2汇聚后的核心路由的路由表

三，自治系统与Internet的路由选择协议

     (1)自治系统的基本概念    1)Internet采用分层的路由选择协议，并将整个Internet划分为许多较小的自治系统(AS)，用于自治系统内部的路由选择称为域内路由选择，自治系统之间的路由选择称域间路由选择。    一个自治系统最重要的特点是它有权决定在本系统内应采用何种路由选择协议。    自治系统就是处于用户一个管理机构控制之下的路由器和网络群组。自治系统的想法是把Internet的路由分成两层          2).路由选择协议    路由选择协议是一种网络层协议，它通过提供一种共享路由选择信息的机制，它允许路由器通过其他路由器来更新和维护自己的路由表，并确定最佳的路由选择路径。

(2)Internet路由选择协议分类

   1)内部网关协议(Interior Gateway Protocol，IGP)   自治系统内部使用的路由选择协议，主要有路由信息协议(Routing Information Protocol，RIP)和开放最短路径优先协议(Open Shortest Path First，OSPF)。    2)外部网关协议(External Gateway Protocol，EGP)    自治系统之间使用的路由选择协议，主要是边界网关协议(Border Gateway Protocl，BGP)。    (3)自治系统、内部网关协议与外部网关协议的关系图

四，内部网关协议IGP

    (1)路由信息协议(RIP)的基本概念    RIP(Routing Information Protocol)是应用较早，使用最广泛的的内部网关协议(IGP)，它是一种分布式，基于距离向量的路由选择协议，特点是协议简单，适用于相对较小的自治系统，跳数一般小于15.    当同一个自治系统里的路由器数目增加时，网络的RIP变换量会大幅度增加，且往往收敛得很慢。    当路由器收到包含某表项的更新的路由更新信息时，就更新其路由表：该路径的跳数值加上1，发送者记为下一跳。同时记录该路由器可以到达的目的网络或目的主机的矢量标识。路由信息协议路由器只维护其道目的路由器的最佳路径即具有最小跳数值的路径。更新了自己的路由表后，路由器立刻发送路由更新把变化通知给其它路由器，这种更新是与周期性发送的更新信息无关的。并且，路由信息协议通过对源地址到目的地址的最大跳数的限制来防止路由环，最大值为15。如果路由器收到新更新信息，且把跳数值加1后成为16，就认为该目的网络不可到达。       RIP的思想很简单，即路由器周期性地向外发送路由报文，报文主要内容是由若干(V，D)组成的表：(V，D)表中

的Ｖ代表“矢量”，标识该路由器可到达的信宿(网关或主机)：D代表距离，指出该路由器去往信宿的距离。距离D表示
该路由器到达信宿的跳数。其他路由器在收到某路由器的(V，D)报文后，据此按照最短路径原则对各自的路由表进行
刷新。
(2)路由信息协议的工作流程
路由信息协议的工作流程主要分为路由表的建立和路由表信息的更新两步。
1)路由表的建立
首先获取一个初始路由表，有三种方式方式
a)路由器系统启动时，从外存读入一个完整的路由表，长驻内存使用；系统关闭时再将当前路由表写回外存，供
下次使用。
b)系统启动时，只提供一个空表，通过执行显式命令来填充这个路由表。
c)系统启动时，从与本路由器直接相连的各网络地址中，推导出一组初始路由。
当路由器刚启动时，对其(V，D)路由表进行初始化。初始化的路由器只包含所有与该路由器直接相连的网络的路由。距离均为0.
2)路由表信息的更新
路由表建立之后，各路由器周期性地向外广播(V，D)路由表的内容。
(3)更新路由表的规律
1)如果自己的路由表没有的这一项，增加该项，距离加+1，路由为对方。
2)如果自己的路由表已有这一项：
a)原距离比对方的距离+1还要大，距离设置为对方的距离+1，路由为对方。
b)原距离比对方的距离+1还要小，保持不变。
c)原距离与对方的距离+1相等仍然保持不变。
设路由器1与路由器2是相邻的两个路由器，它们在同一个自治系统内。

   路由器1的更新前的路由表

路由器2发送的(V，D)报文

(4)更新路由表的总体思想
1)没有的表项，学习目的网络，距离加1，路由指向学习的路由器
2)已有的表项，若更新的路由距离加1后比原表项距离还小，则将距离加1，路由指向学习的路由器
3)已有的表项，若更新的路由距离加1后比原表项距离还大，则不学习，保留原表项信息。
五，最短路径优先协议OSPF
(1)最短路径优先协议的主要特点：
1)“开放”表明OSPF协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。
2)“最短路径优先”是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF。
(2)和RIP相比较，OSPF的主要特点：
1)OSPF是使用分布式链路状态协议。
2)链路状态度量主要是指费用，距离，延时，带宽等。
3)链路状态发生改变时用洪泛法向所有路由器发送此信息。
4)所有的OSPF路由器交换链路状态信息，最终建立一个链路状态数据库(LSDB)，这个数据库实际上就是全网的
拓扑结构图。
5)OSPF可以将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域(area)，每个区域有一个32位的区域的标识
符，一个区域路由器数不超过200个。
(3)自治系统内部的区域划分
划分区域的好处就是将利用洪泛法将链路状态信息的范围局限在每一个区域内而不是整个自治系统。因此每一个
区域内部的路由器只知道该区域没的完整的拓扑结构而不知道其他区域的网络拓扑结构。
OSPF协议使用层析结构的区域划分，讲一个自治系统划分成若干个区域与一个主干区域。主干区域内部的路由
器叫主干路由器，连接各个区域的路由器叫做区域边界路由器，区域边界路由器接收从其他区域来的信息。主干区域
中专门和其他自治系统交换路由信息的路由器叫做自治系统边界路由器。
一个自治系统划分的情况：

(4)OSPF协议的执行过程
1)初始化过程
OSPF让每一个路由器用数据库描述分组和相邻路由器交换本数据库已有的链路状态摘要信息，摘要信息主要是
指出哪些路由器的链路状态信息已经写入了数据库
2)网络运行过程
在运行的过程中，只要一个路由器的链路发生变化，该路由器就要使用链路状态更新分组，用洪泛法向全网更新
链路状态，为了确保链路状态数据库全网一致，OSPF规定每隔一段时间，例如30分钟要更新一次链路状态。
六，外部网关协议BGP
边界网关协议BGP是外部网关协议的主要内容，BGP-4是它的新版本，BGP路由选择。外部网关协议是自治系
统间的路由协议，它交换的网络可达性信息提供了足够的信息来检测路由回路并根据性能优先和策略约束对路由进行
决策。1989年，主要的外部网关协议：边界网关协议（ＢＧＰ）发布后，即越来越被广泛的应用，1995年发布了新
版本BGP-4。
(1)外部网关协议设计的基本思想
1)外部网关协议是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议
2)BGP-4采用了路由向量路由协议，每个自治系统要选择至少一个路由器作为自治系统的“发言人”，一个BGP发
言人与其他自治系统的发言人交换路由信息要先建立TCP连接。
(2)BGP发言人与自治系统的关系示意图：

(3)BGP路由选择协议的工作过程
1)BGP边界路由器的初始化过程，BGP刚刚运行时，交换整个路由表，以后只需要在发生变化时更新有变化的部
分。
2)BGP有4种分组类型：
a)打开(open)分组
与另一个BGP发言人建立关系。
b)更新(updata)分组
发送某一条路由信息，以及露出要撤销的多条路由，
c)保活(keepalive)分组
确认打开分组，以及周期证实相邻边界路由存在。
d)通知(notification)分组
发送检测到的差错。
3)BGP发言人周期(30秒)交换“保活分组”
4)“更新分组”是BGP协议的核心。