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1、TCP/IP基本原理 第五章 路由原理与协议,本章学习要求：掌握：路由器的原理 掌握：路由表的建立 掌握：Internet结构，及其基本概念 掌握：RIP、BGP协议 了解：OSPF协议 了解：组播路由,5.1 概述,所谓路由是将数据从一个地方转发到另一个地方的一个中继过程。 5.1.1 路由的任务 任务 寻路：寻径即判定到达目的地的最佳路径，由路由算法来实现。为了判定最佳路径，路由选择算法必须启动并维护包含路由信息的路由表，其中路由信息依赖于所用的路由选择算法而不尽相同。 转发：沿寻径好的最佳路径传送信息分组。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何将分组发送到下一个站点（路由器或主机），
2、如果路由器不知道如何发送分组，通常将该分组丢弃；否则就根据路由表的相应表项将分组发送到下一个站点，如果目的网络直接与路由器相连，路由器就把分组直接送到相应的端口上。这就是路由转发协议（routed protocol）。 感知并维持网络拓扑结构：路由选择算法将收集到的不同信息填入路由表中，根据路由表可将目的网络与下一站（nexthop）的关系告诉路由器。路由器间互通信息进行路由更新，更新维护路由表使之正确反映网络的拓扑变化，并由路由器根据量度来决定最佳路径。这就是路由选择协议（routing protocol），例如路由信息协议（RIP）、开放式最短路径优先协议（OSPF）和边界网关协议（BGP
3、）等。,路由转发协议(routed protocol)和路由选择协议(routing protocol)是相互配合又相互独立的概念，前者使用后者维护的路由表，同时后者要利用前者提供的功能来发布路由协议数据分组。我们说的路由协议，除非特别说明，都是指路由选择协议。 路由协议分类：根据路由表的更新方式，分为： 静态路由：即在路由器中设置的固定的路由表。除非网络管理员干预，否则静态路由不会发生变化。由于静态路由不能对网络的改变作出反映，一般用于网络规模不大、拓扑结构固定的网络中。静态路由的优点是简单、高效、可靠。在所有的路由中，静态路由优先级最高。当动态路由与静态路由发生冲突时，以静态路由为准。 动
4、态路由：根据网络中路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的过程。它能实时地适应网络结构的变化。如果路由更新信息表明发生了网络变化，路由选择软件就会重新计算路由，并发出新的路由更新信息。这些信息通过各个网络，引起各路由器重新启动其路由算法，并更新各自的路由表以动态地反映网络拓扑变化。动态路由适用于网络规模大、网络拓扑复杂的网络。当然，各种动态路由协议会不同程度地占用网络带宽和CPU资源。,根据是否在一个自治域 (指一个具有统一管理机构、统一路由策略的网络) 内部使用，动态路由协议分为： 内部网关协议(IGP)：自治域内部采用的路由选择协议称为内部网关协议，常用的有RIP
5、、OSPF； 外部网关协议(EGP)：主要用于多个自治域之间的路由选择，常用的是BGP和BGP-4。 此外，还可以分为单路和多路、平等和分级、源路由和透明路由、链路状态和距离向量。 路由表项的优先级在一个路由器中，可同时配置静态路由和一种或多种动态路由。它们各自维护的路由表都提供给转发程序，但这些路由表的表项间可能会发生冲突。这种冲突可通过配置各路由表的优先级来解决。通常静态路由具有默认的最高优先级，当其它路由表表项与它矛盾时，均按静态路由转发。,交换路由信息的最终目的在于通过路由表找到一条数据交换的“最佳”路径。每一种路由算法都有其衡量“最佳”的一套原则。大多数算法使用一个量化的参数来衡量路
6、径的优劣，一般说来，参数值越小，路径越好。该参数可以通过路径的某一特性进行计算，也可以在综合多个特性的基础上进行计算，几个比较常用的特征是： 路径所包含的路由器结点数（hop count） 网络传输费用（cost） 带宽（bandwidth） 延迟（delay） 负载（load） 可靠性（reliability） 最大传输单元MTU（maximum transmission unit）,路由协议通过度量值来决定到达目的地的最佳路径。小度量值代表优选的路径；如果两条或更多路径都有一个相同的小度量值，那么所有这些路径将被平等地分享。通过多条路径分流数据流量被称为到目的地的负载均衡。 执行路由操作所
7、需要的信息被包含在路由器的路由表中，它们由一个或多个路由选择协议进程生成。路由表由多个路由条目组成，每个条目指明了以下内容： 学习该路由所用的机制（动态或手动） 逻辑目的地 管理距离 度量值（它是度量一条路径的总“总开销“的一个尺度） 去往目的地下一跳的中继设备(路由器)的地址； 路由信息的新旧程度 与要去往目的地网络相关联的接口,5.1.2路由算法的设计目标,正确性(correctness)：指路由算法选择最佳路径的能力。 简单性(simplicity)：算法设计简洁，利用最少的软件和开销，提供最有效的功能。 健壮性(robustness)：路由算法处于非正常或不可预料的环境时，如硬件故障、
8、负载过高或操作失误时，都能正确运行。最好的路由器算法通常能经受时间的考验，并在各种网络环境下被证实是可靠的。 快速收敛：收敛是在最佳路径的判断上所有路由器达到一致的过程。当某个网络事件引起路由可用或不可用时，路由器就发出更新信息。路由更新信息遍及整个网络，引发重新计算最佳路径，最终达到所有路由器一致公认的最佳路径。收敛慢的路由算法会造成路径循环或网络中断。 稳定性(stability)：路由算法对网络状态的变化不能过于敏感或者过于迟缓，使得路由算法不管运行了多长时间，都一直不能趋于稳定。对网络变化的反应应该做到恰倒好处。,5.2 路由原理,当IP子网中的一台主机发送IP分组给同一IP子网的另一
9、台主机时，它将直接把IP分组送到网络上，对方就能收到。而要送给不同IP于网上的主机时，它要选择一个能到达目的子网上的路由器，把IP分组送给该路由器，由路由器负责把IP分组送到目的地。如果没有找到这样的路由器，主机就把IP分组送给一个称为“缺省网关（default gateway）”的路由器上。“缺省网关”是每台主机上的一个配置参数，它是接在同一个网络上的某个路由器端口的IP地址。 路由器转发IP分组时，只根据IP分组目的IP地址的网络号部分，选择合适的端口，把IP分组送出去。同主机一样，路由器也要判定端口所接的是否是目的子网，如果是，就直接把分组通过端口送到网络上，否则，也要选择下一个路由器来
10、传送分组。路由器也有它的缺省网关，用来传送不知道往哪儿送的IP分组。这样，通过路由器把知道如何传送的IP分组正确转发出去，不知道的IP分组送给“缺省网关”路由器，这样一级级地传送，IP分组最终将送到目的地，送不到目的地的IP分组则被网络丢弃了。 Internet就是成千上万个IP子网通过路由器互连起来的国际性网络。这种网络称为以路由器为基础的网络（router based network），形成了以路由器为节点的“网间网”。在“网间网”中，路由器不仅负责对IP分组的转发，还要负责与别的路由器进行联络，共同确定“网间网”的路由选择和维护路由表。,5.2.1 路由表的建立,建立路由涉及初始化和更新
11、两个方面。每个路由器在启动时都必须建立初始的一系列路由，还要在路由改变时更新路由表（如网络接口出故障时）。初始化的情况与操作系统有关：在某些系统中，路由器启动时从辅存储器中（如硬盘）读取初始路由表并将其驻留在主存中；在另一些系统中，操作系统把路由表初始化为空表，然后使用显式命令来赋初值；还有的系统在启动时根据本机直接相连的网络的地址推导出初始的一系列路由，并和相邻主机联络请求得到其他路由。 初始路由表建立起来之后路由器还要适应路由的变化情况来更改路由表。在小型的、变化缓慢的互联网中管理员可以用手工方式来建立和更改路由。但是，在大型的、迅速变化的环境下，人工更新的办法慢得无法接受并且容易造成人为
12、的错误，这就需要自动更新路由的协议和方法。,5.2.2 Internet的结构,最初的Internet结构与核心路由器Internet是由早期的ARPANET演变而来的。其路由器可以大致分为两类：有一小类是核心路由器 (core router) ；另一大类是非核心路由器 (non-core router)，由各个独立的群组控制。核心系统将整个Internet中的所有网点连接在一起，并提供到所有可能的目的站的可靠的、一致的、权威的路由。每个网点经过许可，获得一个Internet网络地址，再把这个地址通告给核心系统。核心系统在内部让所有核心路由器交换路由信息，使得每个路由器都具有关于到所有目的站的
13、最短路由的全部信息，从而消除了默认路由，避免了可能低效率的路由。非核心路出器中只包含本网络的部分路由信息。与本网络以外的通信都采用默认路由的方式交由核心路由器去处理，典型结构如右图所示。,从核心结构到对等结构随着美国国家科学基金网 NSFNET(National Science Foundation Network) 引人Internet并成为 Internet的主要组成部分，原有的核心路由结构就无法满足要求了，这时，ARPANET与NSFNET之间建立有多个连接，如右图所示。称这两个网络为对等主干网络 (peer backbone network) 或简称为对等网络(peers)。对等网的I
14、P路由变得非常复杂。随着骨干网的进一步增多和Internet规模的扩展，核心路由器越来越难以保证路由信息的一致。曾经有一些尝试，将骨干网分割成几大块并在核心路由器中引入默认路由，但是这将导致出现潜在的环路。为了解决这些问题，Internet引人了自治系统的概念。,自治系统从路由的目的来看，将处于同一个管理机构控制之下的网络和路由器群组称为一个自治系统(autonomous system)，简称为AS。在一个AS内的路由器可以自由选择一种协议来发现路由、传播路由以及检测路由的一致性。在Internet的最上层保留核心路由的结构，各AS通过核心路由器接入Internet。核心路由器群组本身也构成一
15、个AS，由专门的机构INOC (Internet Network Operation Center) 统一管理，可以保证极高的可靠性，并且互相交换信息，以保证Internet路由的一致性。其拓扑结构如右图所示。,为了能通过Internet到达隐藏在各个AS中的网络，每个AS在内部通过RIP、OSPF等内部网关协议来控制路由表的变化，并收集路由数据AS内部中所有路由器必须把隐藏网络的信息通告给AS中的主路由器。 用以BGP、EGP等外部网关协议将收集的网络可达信息传播给其他AS。 为了能区分各个AS，每一个AS都被赋予一个AS编号，该编号由负责分配Internet地址的中央管理机构分发。当两个A
16、S中的路由器交换路由信息时，报文中都携带有该路由器所代表的AS的系统编号。AS号分为私有AS号和公有AS号。在一个管理机构管理的大型网络中，为了便于管理也会划分不同的AS，这些AS使用私有AS号。 为了减少对核心系统的依赖关系，使Internet的管理和控制尽可能分散化进而提高可靠性，在各自治系统之间可以建立信任关系，信任度高的自治系统之间可以通过EGP协议直接交换路由信息，而不需要通过核心系统。,5.3 内部网关路由协议,5.3.1 路由信息协议(RIP)路由信息协议 (RIP，Routing Information Protocol) 是内部网关协议IGP中使用得最广泛的一个。RIP是一个
17、基于距离向量的分布式路由选择协议，它的最大优点就是简单。 RIP报文格式RIP报文包含在UDP数据报中，如下图所示。,RIP报文格式见下图所示RIP报文中命令字段的含义： 1：请求部分或全部路由信息 2：响应，包含发送方路由表内的网络距离序偶 3：启动跟踪模式 4：关闭跟踪模式 5：保留，由Sun Microsystem公司内部使用,5.3.2 RIP操作 初始化：在启动一个路由守护程序时，它先判断启动了哪些接口，并将这些接口所在的网络信息填入路由表，然后在每个接口上发送一个请求报文，要求其他路由器发送完整路由表。在点对点链路中，该请求是发送给其他终点的。如果网络支持广播的话，这种请求是以广播形式发送的。目的UDP端口号是520(这是其他路由器的路由守护程序端口号)。这种请求报文的命令字段设为1，但网络协议族字段设置为0，而到网络的距离字段设置为16。这是一种要求另一端发送完整路由表的请求报文。 接收到请求报文：如果报文是请求完整路由表，那么路由器就将内部的完整的路由表发送给请求者。如果该报文是请求部分路由，就处理请求报文中的每一个表项。如果路由表中有连接到该指明网络地址的路由，则将到该网络的距离设置成相应的值，否则将其置为16(在RIP中，距离为16是一种称为“无穷大”的特殊值它意味着没有到达目的的路由），然后给请求方发回响应。,
