计算机网络第六章：路由技术

内容包括：路由选择及分组分发、路由算法、Internet组播、多协议标签交换MPLS。

路由技术

• 路由选择及分组分发
  • 路由器的工作原理及路由选择的标准
    • 路由器在网络中的定位
      • 核心设备
      • 各个网络间数据转发
    • 与交换机相比
      • 交换机
        • 局域网内部通信的转发节点
        • 两层
        • 根据MAC地址转发，转发表由后向学习法生成
      • 路由器
        • 网络之间通信的转发节点
        • 解析IP地址完成转发，转发表由路由表生成
        • 三层
    • 路由选择的标准
      • 跳数
      • 地理距离
      • 带宽
      • 负载
      • 通信成本
      • 延迟
  • 网络层提供的两种服务
    • 面向连接的虚电路服务
      • 思路
        • 可靠通信应当由网络来保证
      • 连接的建立
        • 必须建立网络层连接
      • 终点地址
        • 仅在连接建立阶段使用，每个分组使用短的虚电路号
      • 分组的转发
        • 属于同一条虚电路的分组均按照同一路由进行转发
      • 当结点出故障时
        • 所有通过出故障的结点的虚电路均不能工作
      • 分组的顺序
        • 总是按发送顺序到达终点
      • 服务质量保证
        • 可以将通信资源提前分配给每一个虚电路，容易实现
    • 无连接的数据报服务
      • 思路
        • 可靠通信应当由用户主机来保证
      • 连接的建立
        • 不需要建立网络层连接
      • 终点地址
        • 每个分组都有终点的完整地址
      • 分组的转发
        • 每个分组可走不同的路由
      • 当结点出故障时
        • 出故障的结点可能会丢失分组，一些路由可能会发生变化
      • 分组的顺序
        • 到达终点时不一定按发送顺序
      • 服务质量保证
        • 很难实现
  • IP分组的发送和转发过程
    • 主机发送IP数据报
      • 两主机是否同网络
        • 若在同一个网络，则属于直接交付
        • 若不在同一个网络，则属于间接交付，传输给主机所在网络的默认网关(路由器）,由默认网关帮忙转发；
    • 路由器转发IP数据报
      • IP数据报首部是否出错
        • 若出错，则直接丢弃该IP数据报并通告源主机
        • 若没有出错，则进行转发
      • 根据IP数据报的目的地址在路由表中查找匹配的条目
        • 若找到匹配的条目，则转发给条目中指示的下一跳
        • 若找不到，则丢弃该IP数据报并通告源主机
  • 路由选择协议
    • 路由选择
      • 静态路由选择
        • 由人工配置的网络路由、默认路由、特定主机路由、黑洞路由等都属于静态路由。
        • 这种人工配置方式简单、开销小。但不能及时适应网络状态（流量、拓扑等）的变化。
        • 一般只在小规模网络中采用。
      • 动态路由选择
        • 路由器通过路由选择协议自动获取路由信息。
        • 比较复杂、开销比较大。能较好地适应网络状态的变化。
        • 适用于大规模网络
    • 协议
      • 内部网关协议IGP
        • 路由信息协议RIP
        • 内部网关路由协议IGRP
        • 基于距离向量
        • 增强型内部网关路由协议EIGRP
          • 结合距离向量和链路状态
        • 开放式最短路径优先OSPF
        • 中间系统到中间系统IS-IS
        • 基于链路状态
      • 外部网关协议EGP
        • 边界网关协议BGP
  • 静态路由配置
    • 路由环路问题
      • 配置错误
      • 聚合了不存在的网络
      • 网络故障
    • 路由条目的类型
      • 直连网络
      • 静态路由（人工配置）
      • 动态路由（路由选择协议）
    • 特殊的静态路由条目
      • 默认路由（目的网络为0.0.0.地址掩码为0.0.0)
      • 特定主机路由（目的网络为特定主机的IP地址，地址掩码为255.255.255.255)
      • 黑洞路由（下一跳为null0)
• 路由算法
  • 分类
    • 静态路由算法
      • 方法
        • 假设固定的网络拓扑
      • 特点
        • 预先设定，不会动态调整
    • 动态路由算法
      • 方法
        • 网络拓扑不固定，根据网络状态调整路由表
      • 特点
        • 需要收集网络信息
  • 最短路径算法SPF(Dijkstra)
    • 基本思路
      • 构建网络拓扑图，找出最短路径
    • 方法
      • 加权组合
  • 距离矢量路由算法
    • 更新
      • 仅和相邻路由器交换信息
      • 路由器交换的内容是自己的路由表
      • 周期性更新30s
    • 路由信息协议RIP
      • 特点
        • 要求AS内每个路由器都要维护从它自己到AS内其他每个网络的距离记录，这是一组距离，称为“距离向量D-V”
        • 好的路由就是通过路由器数量最少的路由。
      • 使用跳数作为度量来衡量距离
        • 路由器到直连网络的距离为1
        • 路由器到非直连网络的距离为所经过的路由器数加1
        • 一条路径最多包含15个路由器。等于16时不可达
      • 基本工作过程
        • 路由器刚开始工作时，只知道自己到直连网络的距离为1.
        • 每个路由器仅和相邻路由器周期性地交换并更新路由信息。
        • 若干次交换和更新后，每个路由器都知道到达本AS内各网络的最短距离和下一跳地址，称为收致
      • 三个要点
        • 和谁交换信息
          • 仅和相邻路由器交换信息
        • 交换什么信息
          • 自己的路由表
        • 何时交换信息
          • 周期性交换（例如每30秒）
      • RIP的路由条目的更新规则
        • 发现了新的网络，添加
        • 到达目的同络
          • 相同下一跳
            • 最新消息，更新
          • 不同下一跳
            • 新路由优势，更新
            • 新路由劣势，不更新
            • 距离相等，等价负载均衡
      • 缺点
        • 只适用于小型互联网
        • 坏消息传播得慢
          • 又称路由环路或距离无穷计数问题，是距离向量算法的固有问题
          • 减少出现概率或危害的措施
            • 限制最大路径距离为15(16表示不可达）
            • 当路由表发生变化时就立即发送更新报文(即“触发更新”)，而不仅是周期性发送
            • 让路由器记录收到某特定路由信息的接口，而不让同一路由信息再通过此接口向反方向传送(即“水平分割”)
  • 链路状态路由算法
    • 更新
      • 把链路信息发送给网络中其他所有路由器，并建立自己的链路状态数据库
      • 重构拓扑结构图
    • 测量
      • 发现邻居，测量与邻居间链路
    • 计算
      • 根据最短路径算法计算汇集树
      • 生成路由表
    • 开放最短路径优先协议OSPF
      • 特点
        • 基于链路状态
          • 本路由器都和哪些路由器相邻，以及相应链路的“代价“
          • 代价
            • 费用
            • 距离
            • 时延
            • 带宽
        • 每个路由器都会产生链路状态通告LSA(Link Sate Advertisemen)
          • 直连网络的链路状态信息
          • 邻居路由器的链路状态信息
        • LSA被封装在链路状态更新分组LSU中，采用洪泛法发送。
        • 每个路由器都有一个链路状态数据库LSDB,用于存储LSA.
        • 通过各路由器洪泛发送封装有自己LSA的LSU分组，各路由器的LSDB最终达到一致
        • 各路由器基于LSDB进行最短路径优先SPF计算，构建出各自到达其他各路由器的最短路径，即构建各自的路由表。
      • 五种分组类型
        • 问候（Hello)分组
        • 数据库描述（Database Description)分组
        • 链路状态请求（Link State Request)分组
        • 链路状态更新（Link State Update）分组
        • 链路状态确认（Link State Acknowledgment)分组
      • 多点接入网络中路由器邻居关系的建立
        • 选举指定路由器DR(designed route)和备用的指定路由器BDR(backup designed router)
        • 所有的非DR/BDR只与DR/BDR建立邻居关系
        • 非DR/BDR之间通过DR/BDR交换信息
      • 区域（Area)
        • 为使OSPF能用于大规模网络，把自治系统划分为若干区域
        • 把利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于区域而不是整个自治系统，减少了整个网络上的通信量
      • 优点
        • OSPF采用SPF算法计算路由，从算法上保证了不会产生路由环路。
        • OSPF不限制网络规模，更新效率高，收纳速度快
        • 路由信息一致性好，坏消息也一样传播得快
        • 状态分组得长度较短，传输所耗用得网络带宽不大，适用于大型网络
      • 缺点
        • 每个路由器需要有较大的存储空间
        • 计算工作量大，每次都必须计算最短路径
• 内部网关协议和外部网关协议
  • 自治系统（AS,Autonomous System)
    • 一个独立的机构
    • 有权自主地决定在本系统中应采用何种路由协议的独立单位
    • 是互联网的基本构成单元
  • 内部网关协议（IGP,Interior Gateway Protocol)
    • AS内部路由选择的协议
    • 只以效率为衡量标准，不需要考虑与其他AS的关系
    • 关注路径开销
    • 例子：RIP/OSPF
  • 外部网关协议（EGP,Exterior Gateway Protocol)
    • AS与AS之间如何进行路由选择
    • 主要考虑的不是效率而是AS之间的关系
    • 关注路由策略
    • 例子：国家之间、企业之间
    • 边界网关协议(BGP,Border Gateway Protocol)
      • 距离矢量路由为基础
      • 增加路径信息--路径矢量
        • 防止环路
        • 坏消息传的也快
      • BGP-4的四种报文
        • OPEN(打开）报文
          • 用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，使通信初始化。
        • UPDATE(更新）报文
          • 用来通告某一路由的信息，以及列出要撤销的多条路由。
        • KEEPALIVE(保活）报文
          • 用来周期性地证实邻站的连通性。
        • NOTIFICATION(通知）报文
          • 用来发送检测到的差错。
• 多协议标签交换MPLS
  • 路由器转发的速度受限于软件处理速度
  • 数据多的时候，排队时间长
  • 速度慢
  • 解决思路
    • 用硬件完成查表转发过程
    • 简化地址--使用简单数字（标签Label）对路径编号
    • 步骤
      • 确定路径LSP，使用普通IP地址路由
      • IP分组进入MPLS域时添加标签
      • MPLS域内按照标签转发
      • 离开MPLS域时去除标签
• Internet组播
  • 一个发送方发送数据给大量接收方
  • 解决思路
    • 每个接收方发一份数据
    • 组播
  • 工作原理
    • 组播地址224.0.0.0-239.255.255.255，一个地址表示一个组
    • 发送者发送一份数据
    • 在适当地点分叉：赋值和分发
    • 减少重复数据