路由及路由协议

路由及路由协议

路由器收到一个分组后的操作

1. 打开分组到第3层（网络层），提取IP地址，
2. 确定目标网络，查找路由表，
3. 重新封装转发，其中TTL-1，置换目的和源MAC地址，计算校验和，可选分片等操作。

路由分类

1. 直连路由
   

直连路由是将路由连接到网络后，可以自动将其所连接的子网写到路由表中
2. 静态路由

静态路由需要手工配置路由表，适合用于比较小的、简单的网络，而不适合用于
较大的网络，因为较大的网络手工配置比较繁琐、容易出错，而且一旦网络拓扑结构发生改变就需要重新调整路由表；另外静态路由的安全性比较好,因为不用发出通告；最后，静态路由比较稳定，有固定的的路由路径。

一种常用的静态路由：默认/缺省路由，是默认的路径，找不到路的时候可以从这里通过，避免错误丢包；缩短路由表的规模，减伤路由器的运行负担
3. 动态路由

动态路由可以自动学习来生成、更新、维护路由表，但路由器中必须有CPU、RAM、带宽等开销来维护。

这三种路由在网络中都有，但动态路由占多数，产生动态路由的路由协议由算法计算最优路径，并且将最优路径装载到路由表中，引导IP分组的转发。
路由选择协议如何度量路径是否最优呢？
路径长度（跳数）、带宽、延迟、可靠性、负载和通信代价。

路由选择算法（routing protocol）

1. 距离矢量路由选择（DV）RIP：路由信息协议
2. 链路状态路由选择（LS）OSPF：开发的最短路径优先

距离矢量路由选择（DV）

它常被用于小型网络。
DV的工作原理

1. 每个路由器维护两个向量$D_i和S_i$，分别表示该路由其它路由器的距离和相应的下一跳
2. 在邻居路由器之间交换路由信息（矢量）
3. 每个路由器根据收到的矢量信息，更新自己的路由表
   

优点	缺点
简单	交换的信息量大
	路由信息传播慢，可能导致路径信息不一致
	收敛慢，度量计数到无穷、路径环
	不适合大型网络

RIP路由信息协议（很少用了）

RIP位于UDP之上。
特点

• RIP是一种典型的DV路由选择协议；
• 采用跳数作为度量
• 但度量超过15跳，目的网络被认为不可达
• 默认的，每30秒钟交换一次失利/向量信息（全部路由表）
  
  

优点	缺点
简单	不能到达量度超过15跳的地方
	度量是跳数（有时候不合理，不能真正反映网络状况）
	收敛慢，路径环

RIP衰落的原因

• 好消息传的快，坏消息传得慢
• 可能传播、学习错误的过时的信息。

链路状态路由选择（LS）

主要思想：发现、设置、构造、发送、计算

• 发现：发现他的邻居
• 设置：自动发现设置或人工配置 链路代价（常见量度：链路带宽的反比；延迟：发送一个特别的ECHO分组，另一端立刻回送一个应答，通过测量往返时间RTT，可以获得一个合理地延迟估计值，可多次测量取平均值）
• 构造：链路状态分组/公告（LSP/LSA）,这个分组包括他上边侦查到的信息，它周边的状况、地图信息。包含发送方的标识，序列号，年龄，邻居列表，到邻居的成本（可周期性构造或在发生特殊事件的时候在构造）
• 发送：发送构造产生的分组（十分重要，关系到是否能够分发到所有的路由器，分发不完整将导致路由器构造的拓扑图不完整即对网络的认识不完整。）
  发送的步骤：

1. 每个LSP分组都包含一个序列号，递增
2. 路由器记录下他所看见的所有（源路由器、序列号）对
3. 当一个新的分组到达时，路由器根据记录判断：如果该分组是新的，就广播；如果是重复分组，即被丢弃；如果是过时的，则拒绝。这个过程中可能导致新的问题：序列号回转问题：路由器无法甄别那个是新的那个是过时的，解决方法是序列号为32位。路由器崩溃：序列号从零开始，那么新的分组会被当做旧的分组而被拒绝。序列号被破坏：传输过程中出现错误，导致序列号出现错误，新的分组被当做过时的分组而被拒绝，为了解决这俩个问题，在每一个序列号之后加上一个age，每过一秒，age-1，当age=0，丢掉对应的LSP。

• 计算:路由器获得了全部的链路状态分组，就可以构造出全网图，使用最短路径算法，遍历图，计算出以该路由器为根的生成树，根据树，生成路由表。
  为了防止路由器到路由器的链路状态错误，所有的lsp分组都要求被确认，路由器空闲时间，扫描保留区，已选择LSP或确认进行发送。

开放的最短路径优先（OSPF）

位于IP层之上，有以下的特点：

• 可以使用在大型网络之中
• 无路由自环
• 支持VLSM、CIDR等技术，具有现代路由选择协议的特征
• 使用带宽作为度量值
• 收敛速度快
• 通过分区实现高效的网络管理
  

在一个区域上运行OSPF叫单区域OSPF，关于单区域OSPF运行时的一些术语：Router ID，32位无符号整数，在自治系统内一台路由器的唯一标识；协议号：值为89，OSPF报文直接封装在IP分组里边的；TTL 通常为1，意味着他只被传递1跳，只传给他的邻居，虚连接除外。

OSPF在运行时的5种分组

OSPF数据包类型	描述
Hello	与邻居建立和维护毗邻关系
数据库描述包（DD）	描述一个OSPF路由器的链路状态数据库内容
链路状态请求（LSR）	请求相邻路由器发送其链路状态数据库中的具体条目
链路状态更新（LSU）	向邻居路由器发送链路状态通告
链路状态确认（LSAck）	确认收到了邻居路由器的LSU

OSPF运行分为5步

1. 建立路由器毗邻关系（最重要）
2. 选举DR和BDR（备份DR）（选举DR减少同步的次数）
3. 发现路由
4. 选择最佳路由
5. 维护路由信息

OSPF采用了一些措施来维护路由信息：

1. 采用触发更新机制：任何事件都发送LSU通告
2. hello分组发送的间隔：缺省10秒
3. hello分组失效间隔：40秒
4. LSA/LSP分组发送间隔：缺省30分钟

无类域间路由CIDR

IP主要面临两大问题
（1） 分类造成了数百万个地址浪费
- A类地址网络：16M个地址（太大）
- C类地址网络：256个地址（太小）
- B类地址网络：65536个地址（够用）

导致大多公司申请B类地址，而又不能充分利用，导致地址大量浪费。

（2） 路由表膨胀
早期网络数不多，现在网络数超过百万，查表时间增长，增加了端到端的时延。
所以就提出了CIDR技术。CIDR2技术缓解了地址枯竭的趋势尤其是B类地址枯竭的趋势

CIDR的基本思想

• 分配地址方法：按需分配
  实例:用户需要2000个IP地址
• CIDR出现之前：分一个B类地址才可以使用，
• CIDR出现之后：分一个块地址x.x.x.x/21 21代表网络位，剩下11位主机位，$2^{11}-2=2046$

路由表必须扩展
有了CIDR后，路由表必须扩展一个32位的子网掩码，当一个分组达到路由器之后：首先提取目标IP地址，然后与路由表中的子网掩码进行按位与操作，若路由表中有多条路由与之相匹配，选择最长地址前缀匹配。
CIDR缩减了路由表的规模:子网在向上层路由器进行路由时，可以进行聚合，即找出子网共同的前缀。