互联网的路由选择协议

本篇主要讨论的是路由表中的路由是如何得出来的。

路由选择协议的几个概念

✨理想路由算法应该具有的一些特点：

• 算法必须是正确的和完整的 “正确”指的是：沿着路由表所指引的路由，分组一定能够最终到达目的网络和目的主机。
• 算法在计算上应简单 路由选择的计算不应使网络通信量增加太多
• 算法你能适应通信量和网络拓扑结构的变化 换个说法是自适应性
• 算法应具有稳定性 在网络拓扑结构相对稳定的情况下，路由算法应该收敛于一个可接受的解。
• 算法是公平的 路由选择算法应对所有的用户都是平等的。
• 算法应是最佳的 路由选择算法应能够找出最好的路由。所谓的“最佳”只能是相对于某一种网络特定要求下得出的较为合理的选择。

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对路由算法按照能否根据网络的通信量或拓扑结构自适应地进行调整变化来分，可以分为静态路由选择策略和动态路由选择策略

静态路由选择也叫做非自适应路由选择，特点是简单开销小，但不能即使适应网络状态的变化。比较适用于简单的小网络。

动态路由选择也叫做自适应路由选择，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。

分层次路由选择协议

互联网采用分层次的路由选择协议，有两个原因：

1. 互联网的规模非常大，如果让所有的路由器知道所有的网络应该怎么表达，这种路由表将会非常大。
2. 单位不愿意外界了解自己网络单位的布局细节和本部门所采用的路由选择协议。

所以将整个互联网划分为许多个自治系统 AS （autonomous system）。

互联网把路由选择协议划分为两大类：

1. 内部网关协议 IGP(Interior Gateway Protocol) 目前这类路由选择协议使用得最多，如RIP和OSPF协议。
2. 外部网关协议EGP(External Gateway Protocol) 可以联系不同的AS。最常用的是BGP。

自治系统之间的的路由选择叫做域间路由选择(interdomain routing),而在自治系统内部的路由选择叫做域内路由选择(interdomain routing)。

内部网关协议RIP协议

**RIP（Routing Information Protocol）**是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。RIP协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。RIP协议中的距离即跳数。

RIP协议的特点：

1. 仅和相邻的路由器交换信息
2. 路由器交换的信息是当前本路由器知道的全部信息，即现在的路由表
3. 按照固定的时间交换路由信息

在路由器刚开始工作的时候，它的路由表是空的。然后路由器就得出到直接相连的几个网络的距离。接着，每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。

距离向量算法

对每一个相邻路由器发送过来的RIP报文，按照以下步骤：

1. 对地址为X的相邻路由发来的RIP报文，先修改报文中的所有项目：把吓一跳字段中地址都改为X，并把所有的“距离”字段值加1.每一个项目都有三个关键数据，即：到目的网络N，距离是d，下一跳路由是X
2. 对修改后的RIP报文中的每一个项目，进行以下步骤：
   • 若原来的路由表中没有目的网络N，就把该项目添加到路由表中
   • 否则（这个项目在路由表中的项目是：到目的网络N，但下一跳路由器不是X）
     • 若收到的项目中的距离d西澳娱路由表中的距离，则进行更新
     • 否则什么也不做
3. 若3分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则把此相邻路由记为不可达的路由器，即把距离置为16
4. 返回

RIP协议的报文格式

下图是RIP2的报文格式，它和RIP1的首部相同，但后面路由部分不一样。RIP协议使用运输层的UDP进行传送。

RIP的首部占4个字节：

• 命令 占1字节，指出报文段的意义。1表示请求消息；取值为2时表示是响应消息
• 版本 占1字节，指出RIP报文的版本
• 保留 占两字节，用0填充

路由部分：

• 地址族标识符(地址类别) 用来标志所使用的地址协议。如采用IP地址就令这个值为2
• 路由标记 用于填入自治系统号ASN，考虑到RIP可能收到其他自治系统的路由选择信息
• 网络地址
• 子网掩码
• 下一跳路由地址
• 距离（跳数）

RIP的缺点

当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有路由器

RIP的优点

实现简单，开销小

内部网关协议OSPF

开放最短路径优先OSPF(Open Shortest Path First)采用了Dijkstra 提出的最短路径算法SPF。

OSPF最主要的特征就是使用分布式的链路状态协议。和RIP相比，OSPF的三个要点和RIP不一样：

1. 使用洪泛法，向自治系统中所有路由器发送信息。这就是先用路由器向所有输出端口向相邻的路由器发送信息，相邻的路由器又将此信息发往其相邻的路由器（但不发送给刚刚发来信息的那个路由器）
2. 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态。所谓的链路状态说的时本路由器和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”。
3. 只有当链路状态发生变化时，路由器才向所有路由用洪范法发送此消息

为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域。

OSPF使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫做主干区域，用于连通其他在下层区域。其他区域的信息都来自区域边界路由器进行概括。主干区域内的路由器都是主干路由器。主干区域中专门和其他自治系统相连的路由器叫做自治系统边界路由器。

OSPF的报文格式

OSPF直接使用IP数据报传送（其IP数据报首部的协议字段值为89）.

OSPF首部各字段含义：

1. 版本 当前的版本号为2

2. 类型 5种类型

   • 问候（Hello），用来发现和维持邻站的可达性

     OSPF规定每隔10s要与相邻的路由器交换问候分组，以确保邻站的可达。若有40s未收到邻站的问候分组，则认为该邻站不可达，机会修改链路状态数据库

   • 数据库描述（Database Description） 向邻站给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息

   • 链路状态请求（Link State Request） 向对方请求发送某些链路状态项目的详细信息

   • 链路状态更新（Link State Update） 用洪范法对全网更新链路状态

   • 链路状态确认（Link State Acknowledgment） 对链路更新分组的确认

3. 分组长度 包括OSPF首部在内的分组长度，以字节为单位

4. 路由器标识符 标志发送给该分组的路由器的接口IP地址

5. 区域标识符 分组属于的区域的标识符

6. 检验和 检验分组中的差错

7. 鉴别类型 目前只有两种：0——不用，1——口令

8. 鉴别 鉴别类型为0时就填入0，鉴别类型为1则填入8个字符的口令

除了问候类型的OSPF报文其他四种类型都是用来进行链路数据库的同步。下图给出了OSPF的基本操作，说明了两个路由器需要交换各种类型的分组。

下图为可靠的洪范法发送更新分组的过程

✨OSPF的特点

1. OSPF 允许管理员给每条路由指派不同的代价
2. 如果到同一个目的的网络有多条相同代价的路径，那么可以将通信量分配给这几条路径。这叫做负载平衡。
3. 所有在OSPF路由器之间交换分组，都有鉴别的功能
4. OSPF支持可变长度的子网划分和无分类的编址CIDR
5. 由于网络中的链路状态可能发生变化，因此OSPF让每个链路状态都带上一个32位的序号，序号越大状态就越新。

外部网关协议BGP

边界网关协议BGP只是为了寻找一条能够到达目的网络比较好的路由，而不是要找一条最佳路由。BGP采用了路径向量路由选择协议

在配置BGP的时候，每个自治系统的管理员至少选择一个路由器作为该自治系统的BGP发言人。一般来说有两个BGP发言人都是通过一个共享网络连接在一起的。BGP发言人往往就是BGP边界路由器。

简化后可变成

BGP发言人构造的自治系统是树形结构，不存在回路。

BGP的报文格式

BGP使用TCP进行发送

BGP的通用报文包含三个字段。

• 标记 字节，用于鉴别收到的BGP报文
• 长度 2字节，指出把包含通用首部在内的整个BGP报文以字节位为长度
• 类型 1字节，现在对应四种类型
  • 类型1 OPEN报文 共6个字段。用来和相邻的另一个BGP发言人建立关系，通信初始化。
    • 版本号 1字节
    • 本自治系统号 2字节
    • 保持时间 2字节
    • BGP标识符 4字节
    • 可选参数长度 1字节
    • 可选参数
  • 类型2 UPDATE报文共5个字段。用于通告某一路由信息，以及要列出要撤销的多条路由。
    • 不可行路由长度 2字节，指明下一个字段的长度
    • 撤销路由 列出所有要撤销的路由
    • 路径属性总长度 2字节，指明下一个字节的长度
    • 路径属性 定义在这个报文中增加的路径属性
    • 网络层可达性信息 NLRI 定义发出此报文的网络，包括网络的前缀位数，IP地址前缀
  • 类型3 KEEPLIVE报文只有BGP的19字节长的通用首部。用来周期性地证实邻站的连通性
  • 类型4 NOTIFICATION报文有3个字段。用来发送检测到的差错
    • 差错代码 1字节
    • 差错子代码 1字节
    • 差错数据 给出有关差错的诊断信息

参考

• 什么是BGP
• 《计算机网络 第7版》