路由選擇協(xié)議基礎(chǔ)

所有路由選擇協(xié)議都是圍繞著一種算法而構(gòu)建的。通常，一種算法是一個逐步解決問題的過程。一種路由算法至少應(yīng)指明以下內(nèi)容:

• 向其他路由器傳送網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性信息的過程。
• 從其他路由器接收可達(dá)性信息的過程。
• 基于現(xiàn)有可達(dá)性信息決策最優(yōu)路由的過程以及在路由表中記錄這些信息的過程。
• 響應(yīng)、修正和通告網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)渥兓倪^程。

對所有路由選擇協(xié)議來說，幾個共同的問題是路徑?jīng)Q策、度量、收斂和負(fù)載均衡。

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路徑?jīng)Q策

在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有子網(wǎng)都必須連接到一臺路由器上， 無論什么情況下，只要路由器有接口連接到一個網(wǎng)絡(luò)上,那么該接口必須具有一個屬于該網(wǎng)絡(luò)的地址。這個地址就是可達(dá)性信息的起始點(diǎn)。

圖41給出了一個包含3臺路由器的網(wǎng)絡(luò)。路由器A知道網(wǎng)絡(luò)192.168.1.0、192.168.2.0和192.168.3.0的存在，因?yàn)槁酚善饔薪涌谶B接到這些網(wǎng)絡(luò)上，并 且配置了相應(yīng)的地址和掩碼。同樣的，路由器B知道網(wǎng)絡(luò)192.168.3.0、 192.168.4.0、 192.168.5.0 和192.168.6.0的存在，路由器C知道網(wǎng)絡(luò)192.168.6.0、192.168.7.0 和192.168.1.0的存在。由于每個接口都實(shí)現(xiàn)了所連接網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路和物理層協(xié)議，因此路由器也知道網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)(工作正常“up”或發(fā)生故障“down").

信息共享過程看上去很簡單?？紤]路由器A：

• 步驟1:路由器A檢查自己的IP地址和相關(guān)掩碼，然后推導(dǎo)出與自身所連接的網(wǎng)絡(luò)是192.168.1.0、192.168.2.0 和192.168.3.0.
• 步驟2:路由器A將這些網(wǎng)絡(luò)連同某種標(biāo)記-起保存到路由表中，其中標(biāo)記指明了網(wǎng)絡(luò)是直連網(wǎng)絡(luò)。
• 步驟3:路由器A向數(shù)據(jù)包中加入以下信息:“我的直連網(wǎng)絡(luò)是 192.168.1.0、192.168.2.0和192.168.3.0.
• 步驟4:路由器A向路由器B和路由器C發(fā)送這些路由信息數(shù)據(jù)包的拷貝，或者叫做路由選擇更新。

路由器B和路由器C執(zhí)行與路由器A完全相同的步驟，并且也向路由器A發(fā)送帶有與它們直接相連的網(wǎng)絡(luò)的更新信息。路由器A將接收到的信息連同發(fā)送路由器的源地址一起寫入路由表?，F(xiàn)在，路由器A知道了所有的網(wǎng)絡(luò)，而且還知道連接這些網(wǎng)絡(luò)的路由器的地址。

這個過程看似非常簡單。那么為什么路由選擇協(xié)議比這更復(fù)雜呢?讓我們重新看一下圖4-1。

• 路由器A將來自路由器B和路由器C的更新信息保存到路由表之后，它應(yīng)該用這些信息作什么?例如,路由器A是否應(yīng)該將路由器C的數(shù)據(jù)包信息傳遞給路由器B,還是將路由器B的路由選擇信息包傳遞給路由器C呢?
• 如果路由器A沒有轉(zhuǎn)發(fā)這些更新消息，那么就不能完成信息共享。例如，如果路由器B和路由器C之間的鏈路不存在，那么這兩臺路由器就無法知道對方的網(wǎng)絡(luò)。因此路由器A必須轉(zhuǎn)發(fā)那些更新信息，但是這樣做又產(chǎn)生了新的問題。
• 如果路由器A從路由器B和路由器C那里知道網(wǎng)絡(luò)192.168.4.0, 那么為了到達(dá)該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該使用哪一臺路由器呢?它們都合法嗎?誰是最優(yōu)路徑呢?
• 什么機(jī)制可以確保所有路由器能接收到所有的路由選擇信息，而且這種機(jī)制還可以阻止更新數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中無休止地循環(huán)下去呢?
• 如果路由器共享某個直連網(wǎng)絡(luò)(192.168.1.0、 192.168.3.0 和192.168.6.0) ，那么路由器是否仍舊應(yīng)該通告這些網(wǎng)絡(luò)呢?

這些問題同開頭解釋路由選擇協(xié)議一樣顯得有點(diǎn)過分單純，但是它們給讀者的感覺卻是:正是這些問題造成了協(xié)議的復(fù)雜性。

度量

當(dāng)有多條路徑到達(dá)相同目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)時，路由器需要一種機(jī)制來計 算最優(yōu)路徑。度量(metric)是指派給路由的一種變量，作為一種手段，度量可以按最好到最壞，或按最先選擇到最后選擇的順序?qū)β酚蛇M(jìn)行等級劃分?？紤]下面的例子，了解為什么需要度量。

如圖4-1所示，假設(shè)在網(wǎng)絡(luò)中信息共享可以正常進(jìn)行，并且路由器A中的路由表如表41所示。

路由表說明了前3個網(wǎng)絡(luò)直接連接到路由器,因而從路由器A到達(dá)它們不需要進(jìn)行路由選擇。根據(jù)路由表，后4個網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)過路由器B或路由器C才能到達(dá)。這些信息同樣是正確的。但是，如果通過路由器B或路由器C都可以到達(dá)網(wǎng)絡(luò)192.168.7.0,那么優(yōu)先選擇哪一條路徑呢?這時就需要度量對這兩條路徑進(jìn)行等級劃分。

不同的路由選擇協(xié)議使用不同的度量。例如，RIP定義含有路由器跳數(shù)最少的路徑是最優(yōu)路徑; EIGRP基于路徑沿路最小帶寬和總時延定義最優(yōu)路徑。

1. 跳數(shù)

跳數(shù)(Hop Count)度量可以簡單地記錄路由器跳數(shù)。例如，如果數(shù)據(jù)包從路由器A的接口192.168.3.1發(fā)出，經(jīng)過路由器B到達(dá)網(wǎng)絡(luò)192.168.5.0,則記為!跳;如果從路由器接口192.168.1.1發(fā)出，經(jīng)路由器C和路由器B到達(dá)網(wǎng)絡(luò)192.168.5.0， 記為2跳。假設(shè)僅使用跳數(shù)作為度量，那么最優(yōu)路徑就是跳數(shù)最少的路徑，在本例中就是A-B。

但A-B是真正的最優(yōu)路徑嗎?如果A-B是一條DS-0鏈路，并且A-C和C-B都是TI鏈路，那么跳數(shù)為2的路由實(shí)際上可能是最優(yōu)路徑，因?yàn)閹拰θ绾斡行У厥沽髁客ㄟ^網(wǎng)絡(luò)影響很大。

2. 帶寬

帶寬(Bandwidth)度量將會選擇高帶寬路徑，而不是低帶寬鏈路。然而帶寬本身可能不是一個好的度量。如果兩條TI鏈路或其中一條被其他流量過多占用,那么與一個56KB的空閑鏈路相比到底誰好呢?或者一條高帶寬但時延也很大的鏈路又如何呢?

3. 負(fù)載

負(fù)載(Load)度量反應(yīng)了流量占用沿途鏈路帶寬的數(shù)量。最優(yōu)路徑應(yīng)該是負(fù)載最低的路徑。不像跳數(shù)和帶寬，路徑上的負(fù)載會發(fā)生變化，因而度量也會跟著變化。這里要當(dāng)心，如果度量變化過于頻繁，路由波動——最優(yōu)路徑頻繁變化——可能就發(fā)生了。路由波動會對路由器的CPU.數(shù)據(jù)鏈路的帶寬和全網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

4. 時延

時延(Delay)是度量數(shù)據(jù)包經(jīng)過一條路徑所花費(fèi)的時間。使用時延作度量的路由選擇協(xié)議將會選擇最低時延的路徑作為最優(yōu)路徑。有多種方法可以測量時延。時延不僅要考慮鏈路時延，而且還要考慮路由器的處理時延和隊(duì)列時延等因素。另一方面，路由的時延可能根本無法測量。因此，時延可能是沿路徑各接口所定義的靜態(tài)延時量的總和，其中每個獨(dú)立的時延量都是基于連接接口的鏈路類型估算得到的。

5. 可靠性

可靠性(Reliability)度量是用來測量鏈路在某種情況下發(fā)生故障的可能性，可靠性可以是變化的或固定的?？勺兛煽啃远攘康睦邮擎溌钒l(fā)生故障的次數(shù)，或特定時間間隔內(nèi)收到錯誤的次數(shù)。固定可靠性度量是基于管理員確定的一條鏈路的已知量.可靠性最高的路徑將會被最優(yōu)先選擇。

6. 代價

由管理員設(shè)置的代價(Cost) 度量可以反應(yīng)更優(yōu)或更差路由。通過任何策略或鏈路特性都可以對代價進(jìn)行定義，同時代價也可以反應(yīng)出網(wǎng)絡(luò)管理員對路徑的隨意判斷。因而代價是一個描述無量綱度量的術(shù)語。

每當(dāng)談?wù)撈鹇酚蛇x擇的話題時，常常會把代價作為-種通用術(shù)語。例如，“RIP基于跳數(shù)選擇代價最低的路徑”。還有一個通用術(shù)語是最短(shortest)， 如“RIP基于跳數(shù)選擇最短路徑”。當(dāng)在這種情況中使用它們時，最小代價(最高代價)或最短(最長)僅僅指的是路由選擇協(xié)議基于自己特定的度量對路徑的一種看法。

收斂

動態(tài)路由選擇協(xié)議必須包含一系列過程， 這些過程用于路由器向其他路由器通告本地的直連網(wǎng)絡(luò)，接收并處理來自其他路由器的同類信息，以及傳遞從其他路由器接收到的信息。此外，路由選擇協(xié)議還需要定義已確定的最優(yōu)路徑的度量。

對路由選擇協(xié)議來說，另一個標(biāo)準(zhǔn)是網(wǎng)絡(luò)上所有路由器的路由表中的可達(dá)性信息必須一致。在圖4-1中，如果路由器A確定了經(jīng)過路由器C到達(dá)網(wǎng)絡(luò)192.168.5.0是最優(yōu)路徑，而路由器C確定到達(dá)相同網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)路徑是經(jīng)過路由器A.那么路由器A發(fā)向192.168.5.0 的數(shù)據(jù)包到達(dá)路由器C后又被發(fā)回給路由器A.路由器A又再次發(fā)給路由器C,如此往復(fù)循環(huán)。

我們稱這種在兩個或多個目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)之間流量的持續(xù)循環(huán)為路由選擇環(huán)路(routing loop)。使所有路由表都達(dá)到-致狀態(tài)的過程叫做收斂(convergence)。全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享以及所有路由器計算最優(yōu)路徑所花費(fèi)的時間總和就是收斂時間。

圖4-2所示的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)收斂，但是現(xiàn)在拓?fù)溆职l(fā)生了變化。最左邊的兩臺路由器之間的鏈路發(fā)生故障，這兩臺直接相連的路由器都從數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議獲知鏈路故障，轉(zhuǎn)而通知它們的鄰居該鏈路不再可用。鄰接路由器立即更新路由表并通知它們的鄰居，這個過程一直持續(xù)到所有路由器都知道此變化為止。

注意，在立時刻，最左邊的3臺路由器知道拓?fù)浒l(fā)生了變化，但最右邊的3臺路由器依然不知道。最右邊的3臺路由器仍舊保存著原來的路由信息并繼續(xù)交換數(shù)據(jù)包。這時網(wǎng)絡(luò)處于未收斂狀態(tài)，正是在這段時間里可能發(fā)生路由選擇錯誤。因此，在任何路由選擇協(xié)議里收斂時間是一個重要的因素。在拓?fù)浒l(fā)生變化之后，一個網(wǎng)絡(luò)的收斂速度越快越好。

負(fù)載均衡

為了有效地使用帶寬，負(fù)載均衡作為一種手段，將流量分配到相同目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的多條路徑上。如圖4-1所示，再讓我們考慮一下這個討論負(fù)載均衡有效性的例子。圖中所有網(wǎng)絡(luò)都存在兩條可達(dá)路徑。如果網(wǎng)絡(luò)192.168.2.0.上的設(shè)備向192.168.6.0上的設(shè)備發(fā)送一組數(shù)據(jù)包流，路由器A可以經(jīng)過路由器B或路由器C發(fā)送這些數(shù)據(jù)包。在這兩種情況下，到日的網(wǎng)絡(luò)的距離都是1跳。然而，在一條路徑上發(fā)送所有的數(shù)據(jù)包不能最有效地利用可用帶寬:因此應(yīng)該執(zhí)行負(fù)載均衡交替使用兩條路徑。正加第3章所述，負(fù)載均衡可以是等代價或不等代價，基于數(shù)據(jù)包或基于目標(biāo)地址的。