计算机网络原理（15）—— 路由算法（LSDV层次）、RIP协议OSPF协议BGP协议

一、路由算法分类

路由算法

• 路由算法（协议）确定去往目的网络的最佳路径。
• 转发表确定在本路由器如何转发分组。
• 网络抽象：图、费用、最小费用路径。

1. 静态路由 vs 动态路由

静态路由:

• 手工配置

• 路由更新慢

• 优先级高

动态路由:

• 路由更新快
  • 定期更新
  • 及时响应链路费用或网络拓扑变化

2. 全局信息vs分散信息

全局信息

• 所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息

  E.g. 链路状态(LS)路由算法

分散(decentralized)信息:

• 路由器只掌握物理相连的邻居以及链路费用

• 邻居间信息交换、运算的迭代过程

  E.g. 距离向量(DV)路由算法

二、常用的路由算法

1. 链路状态(LS)路由算法——Dijkstra算法（全局信息）

• 所有结点(路由器)掌握网络拓扑和链路费用

  • 通过“链路状态广播“
  • 所有结点拥有相同信息

• 计算从一个结点(“源" )到达所有其他结点的最短路径

  • 获得该结点的转发表

• 迭代: k次迭代后，得到到达k个目的结点的最短路径

2. 距离向量(DV)路由算法——分散信息

• 动态规划
• 一个结点维护到达自己的邻居的费用，并且维护其所有邻居的距离向量。

核心思想：

• 每个结点不定时地将其自身的DV估计发送给其邻居

• 当x接收到邻居的新的DV估计时，即依据B-F更新其自身的距离向量估计:

  D_x(y)←min_v{c(x,v) + D_v(y)} for each node y∈N

三、层次路由算法

将任意规模网络抽象为一个图计算路由——过于理想化

• 标识所有路由器
• 扁平”网络

在实际网络(尤其是大规模网络)中，不可行!

• 网络规模
• 管理自治

聚合路由器为一个区域：自治系统AS（autonomous systems）

• 同一AS内的路由器运行相同的路由协议（算法）
  • 自治系统内部路由协议
  • 不同自治系统内的路由器可以运行不同的AS内部路由协议
• 网关路由器：位于AS边缘，通过链路连接其他AS的网关路由器。
• 转发表由AS内部路由算法和AS间路由算法共同配置。

Internet采用层次路由

AS内部路由协议也称为内部网络协议IGP(interior gateway protocols)

最常见的AS内部路由协议

• 路由信息协议: RIP(Routing Information Protocol)
• 开放最短路径优先: OSPF(Open Shortest Path First)
• 内部网关路由协议: IGRP(Interior Gateway Routing Protocol)
  • Cisco私有协议

四、RIP协议（Routing Information Protocol，路由信息协议）

早于1982年随BSD-UNIX操作系统发布。

1. 距离向量路由算法

• 距离度量:跳步数(max= 15 hops),每条链路1个跳步——防止无穷计数问题
• 每隔30秒，邻居之间交换- -次DV，成为通告(advertisement)
• 每次通告:最多25个目的子网(IP地址形式)

2. 链路失效、恢复

如果180秒没有收到通告-→邻居/链路失效

• 经过该邻居的路由不可用
  • 重新计算路由
• 向邻居发送新的通告
• 邻居再依次向外发送通告( 如果转发表改变)
• 链路失效信息能否快速传播到全网?——可能发生无穷计数问题。
• 毒性逆转技术用于乒乓环路。无穷大距离 = 16 hops。

3. 路由表的处理

• RIP路由表是利用一个称作route-d (daemon)的应用层进程进行管理
  • 应用进程实现
• 通告报文周期性地通过UDP数据报发送。

三、OSPF协议(Open Shortest Path First，开放最短路径优先)

• ”开放”:公众可用
• 采用链路状态路由算法（LS）
  • LS分组扩散(通告)
  • 每个路由器构造完整的网络(AS)拓扑图
  • 利用Djkstra算法计算路由
• OSPF通告中每个入口对应一个邻居
• OSPF通告在整个AS范围泛洪
  • OSPF报文直接封装到IP数据报中
• 与OSPF极其相似的一个路由协议：IS-IS路由协议

OSPF优点（RIP不具备）

• 安全：所有OSPF报文可以被认证，预防恶意入侵；
• 允许使用多条相同费用的路径（RIP只能选一条）；
• 对于每条链路，可以针对不同的TOS设置多个不同的费用度量；
• 集成单播路由和多播路由；
• OSPF支持对大规模AS分层（局部区、主干区）。

四、BGP协议（Border Gateway Protocol，边界网关协议）

• BGP协议（Border Gateway Protocol，边界网关协议）：事实上的标准域间路由协议
  • 将Internet“粘合”为一个整体的关键
• BGP为每个AS提供了一种手段:
  • eBGP: 从邻居AS获取子网可达性信息.
  • iBGP: 向所有AS内部路由器传播子网可达性信息.
  • 基于可达性信息与策略，确定到达其他网络的“好”路径.
• 容许子网向Internet其余部分通告它的存在:“我在这儿!”

1. BGP基础

• BGP会话（session）：两个BGP路由器（Peers）交换BGP报文。
  • 通告去往不同目的前缀的路径；
  • 报文交换基于半永久的TCP连接。
• BGP报文：
  • OPEN：与peer建立TCP连接，并认证发送方；
  • UPDATE：通告新路径(或撤销原路径)；
  • KEEPALIVE：在无UPDATE时，保活连接;也用于对OPEN请求的确认
  • NOTIFICATION：报告先前报文的差错；也被用于关闭连接。

2. 路径属性和BGP路由

• 通告的前缀信息包括BGP属性：前缀 + 属性= 路由
• 两个重要属性:
  • AS-PATH(AS路径)：包含前缀通告所经过的AS序列；
  • NEXT-HOP(下一跳)：开始一个AS-PATH的路由器接口，指向下一跳AS。

3. BGP路由选择

• 网关路由器收到路由通告后，利用其输入策略(import policy)决策接受/拒绝该路由。
  • 基于策略(policy-based)路由
• 路由器可能获知到达某目的AS的多条路由，基于以下准则选择:
  • 本地偏好(preference)值属性: 策略决策(policy decision)
  • 最短AS-PATH
  • 最近NEXT-HOP路由器：热土豆路由(hot potato routing)
  • 附加准则

4. 为什么采用不同的 AS内 与 AS间 路由协议

策略(policy):

• inter-AS: 期望能够管理控制流量如何被路由，谁路由经过其网络等.
• intra-AS: 单一管理，无需策略决策

规模(scale):

• 层次路由节省路由表大小，减少路由更新流量
• 适应大规模互联网

性能(performance):

• intra-AS: 侧重性能
• inter-AS: 策略主导