【计算机网络-网络层】路由选择协议

1 路由器与路由选择

1.1 路由器

路由器是一种具有多个输入端口和输出端口的专用计算机，其任务是转发分组和路由选择。

实现的网络模型：物理层、数据链路层、网络层。

路由器的结构分为两个部分：

• 路由选择部分（控制部分）：核心是路由选择处理机，它根据路由选择协议构造出路由表，路由表需要对网络拓扑变化的计算最优化。
• 分组转发部分：由三部分组成：交换结构、输入端口、输出端口。
  • 输入端口：物理层的比特流–>数据链路层中解析出帧–>网络层中解析出 IP 数据报–>输入端口。
  • 输出端口：输出端口–>网络层封装 IP 首部–>数据链路层封装帧首部–>物理层传输比特流。
  • 交换结构：路由器的关键部件，它根据转发表对分组进行处理。转发表是由路由器得来的，转发表的结构应当使查找过程最优化。

【注】实现交换结构的三种基本方式是：通过存储器、通过总线以及通过互连网络。这三种交换结构可实现的路由器转发速率依次提高。

1.2 路由表（RIB 表）

1.2.1 路由表项

路由表（Route Information Base，RIB）的主要用途是路由选择。路由表的每一表项都是一条路由信息，一般包含以下信息：

• 目的地/子网掩码（Destination/Genmask）：若掩码长度为 32，则目的地是一个目的主机地址；否则，目的地是一个目的网络地址。
• 下一跳（Next Hop）：分组到达下一个路由器的 IP 地址。
• 接口（Interface）：从该路由器的哪个接口将分组发送出去。

1.2.2 动态路由

• 动态路由：路由器通过路由选择协议自动获取路由信息。
• 动态路由选择算法（自适应路由算法）：路由器间彼此交换信息，按照路由算法优化出路由表项。
• 动态路由选择算法比较复杂、开销比较大，但能较好地适应网络状态的变化。
• 动态路由选择算法适用于大规模网络。

1.2.3 静态路由

• 静态路由：采用人工配置的方式给路由器添加网络路由、默认路由和特定主机路由等路由条目。
• 静态路由选择算法（非自适应路由算法）：管理员手工配置路由信息。
• 静态路由选择算法简单、开销小，但不能及时适应网络状态（流量、拓扑等）的变化。
• 静态路由选择算法一般只在小规模网络中采用。

静态路由有两种特殊的路由：

路由	默认路由	特定主机路由
目的网络	0.0.0.0/0	a.b.c.d/32
用途	使用一条默认路由条目，替代了去往因特网中众多网络的海量路由条目	出于某种安全问题的考虑，同时为了使网络运维人员更方便地控制网络和测试网络，指明到某一台主机的特定主机路由是十分有用的
优先级	路由器在查找转发表转发 IP 数据报时，遵循最长前缀匹配的原则，因此默认路由条目的匹配优先级最低	路由器在查找转发表转发 IP 数据报时，遵循最长前缀匹配的原则，按照匹配优先级最高的特定主机路由条目进行转发

【注】进行静态路由配置需要注意：

• 路由条目配置错误，甚至导致出现路由环路。
• 聚合路由条目时可能引入不存在的网络。

1.2.4 直连路由

• 直连路由：由链路层协议发现的，一般指去往路由器的接口地址所在网段的路径，该路径信息不需要网络管理员维护，也不需要路由器通过某种算法进行计算获得，只要该接口处于活动状态（Active），路由器就会把通向该网段的路由信息填写到路由表中去。

例如以下网络：

初始时，各路由器往路由表中填写直连路由，如下：

• 路由器 R1 的路由表：

目的网络	下一跳	接口	类型
192.168.1.0/24	接口 0	接口 0	直连
10.0.0.0/30	接口 1	接口 1	直连

• 路由器 R2 的路由表：

目的网络	下一跳	接口	类型
10.0.0.0/30	接口 0	接口 0	直连
192.168.2.0/24	接口 1	接口 1	直连

但是 R1 到目的网络 192.168.2.0/24 的路由没有配置，R2 到目的网络 192.168.1.0/24 的路由也没有配置，除此之外，R1 和 R2 去往因特网的路由也没有配置。我们可以进行人工配置，也可以依据路由选择协议（下面将详细介绍）让路由器自己获取路由。以下是人工配置后的路由表：

• 路由器 R1 的路由表：

目的网络	下一跳	接口	类型
192.168.1.0/24	接口 0	接口 0	直连
10.0.0.0/30	接口 1	接口 1	直连
192.168.2.0/24	10.0.0.2	接口 1	静态
0.0.0.0/0	10.0.0.2	接口 0	静态

【注】最后一个路由表项即为默认路由，默认路由必须为人工配置。R2 成为该网络的默认网关，它是本网络与外网连接的设备，就像古代扼守出入的“关口”。当分组目的地址找不到对应的目的网络时，路由器 R1 便认为该分组的目的地址在互联网中，因此将该分组从接口 1 转发出去。

• 路由器 R2 的路由表：

目的网络	下一跳	接口	类型
10.0.0.0/30	接口 0	接口 0	直连
192.168.2.0/24	接口 1	接口 1	直连
0.0.0.0/0	接口 2	接口 2	静态
192.168.1.0/24	10.0.0.1	接口 0	静态

如果新增加的路由是依据路由选择协议得出的，则类型应为“动态”。

1.3 转发表（FIB 表）

转发表（Forward Information Base，FIB）是从路由表得出的，其表项和路由表项有直接的对应关系。分组抵达路由器后，解析出分组的目的地址，并根据转发表将分组从适当的端口转发出去。

转发表项的格式为：

目的地址	下一跳
分组将要发往的目的地址	下一个接收者的目的地址，实际是 MAC 地址

路由表存在下一跳非直连的表项，而转发表不存在这样的表项。

【注】转发和路由选择（路由转发）的区别：

• 转发：路由器根据 IP 数据报的要求从正确的端口转发出去。
• 路由选择：涉及很多路由器，根据从各相邻路由器得到的网络拓扑情况，动态改变自己的路由表。可以这么认为，路由表将整个网络拓扑结构都记录了下来。

1.4 自治系统 AS

• 自治系统（Autonomous System，AS）：单一技术管理下的一组路由器，这组路由器使用同一个路由选择协议，并且所有路由器都是互相连通的。同时，在自治系统的外部，采用其他的路由选择协议。
• 域内路由选择：指的是在自治系统内部的路由选择，采用内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）。IGP 不是一个具体的协议，而是一个分类名称，包括 RIP 和 OSPF。
• 域间路由选择：指的是在自治系统之间的路由选择，采用外部网关协议（External Gateway Protocol，EGP）。EGP 不是一个具体的协议，而是一个分类名称，包括 BGP。

2 内部网关协议 IGP——路由信息协议 RIP

路由信息协议（Routing Information Protocol，RIP）是内部网关协议中最先得到广泛使用的协议之一，其相关标准文档为[RFC 1058]。

RIP 是应用层协议，它使用 UDP 封装数据，UDP 端口号为 520。所以当传输到网络层时，报文将会是这个样子：

IP 首部	UDP 首部	RIP 首部	RIP 路由部分

2.1 RIP 规定

• 自治系统 AS 内的每一个路由器，都要维护从它自己到 AS 内其他每一个网络的距离记录。这是一组距离，称为距离向量（Distance-Vector，D-V）。
• 使用跳数（Hop Count）作为度量（Metric）来衡量到达目的网络的距离。
  • 路由器到直连网络的距离 ::= 1。
  • 路由器到非直连网络的距离 ::= 所经过的路由器数 + 1。
  • 距离 ≤ 15，距离 = 16表示该网络不可达。

【注 1】由于距离限制，RIP 只适用于小型互联网。规定最高跳数是为了防止出现路由环路的情况。

【注 2】哪怕存在另一条传输速率更快、路由器更多的路径，RIP 依然会选择路由器最少的路径。

• 最优路由：通过路由器数量最少的路由。
• 等价负载均衡：若有多条 RIP 距离相等的路由，则可以进行等价负载均衡，也就是将通信量均衡地分布到多条等价的路径上。
• 交换信息：和相邻路由器交换自己的路由表，每隔一段周期（比如 30s）交换一次。
• 收敛速度：指把一个信息传遍所有路由的速度。

【注 1】为了加快 RIP 的收敛速度，当网络拓扑发生变化时，路由器要及时向相邻路由器通告拓扑变化后的路由信息，这称为触发更新。

【注 2】什么是相邻路由器？例如：R1—R2—R3，则 R1 和 R2、R2 和 R3 均为相邻路由器，而 R1 和 R3 不是相邻路由器。

• 使用 RIP 的路由表：

目的网络	RIP 距离	下一跳
…	…	…

• 为方便后续讨论，我们将每一个路由表项写为<目的网络, RIP 距离, 下一跳>。

2.2 RIP 的工作原理

假设有以下自治系统 AS：

• 路由器刚开始工作时，只知道自己到直连网络的 RIP 距离为 1。如下表为各路由器的路由表：

路由表项	R1 路由表	R2 路由表	R3 路由表	R4 路由表
1
2
3

• 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自治系统 AS 内各网络的最短距离和下一跳路由器，称为收敛。如下表为收敛后各路由器的路由表：

路由表项	R1 路由表	R2 路由表	R3 路由表	R4 路由表
1
2
3
4
5

各路由器是通过怎样的步骤得出各自的路由表？这就是距离向量算法所处理的事情。

2.3 RIP 的距离向量算法

假设有两个相邻的路由器：路由器C--------路由器D

路由器 C 和 D 的路由表如下：

路由表项	C 路由表	D 路由表
1
2
3
4
5

现路由器 C 发送一个 RIP 更新报文给路由器 D。路由器 D 收到报文后，将该报文作修改，然后与自己的路由表对比，并修改自己的路由表。步骤如下：

• 把“下一跳”改为路由器 C，并将所有“RIP 距离”加 1。为何加 1？因为有N2----(距离4)----路由器C----(距离1)----路由器D。

路由表项	修改 C 路由表	D 路由表
1
2
3
4
5

• 若“目的网络”相同，“下一跳”相同，则更新对应条目。为什么需要更新？因为网络拓扑结构是动态变化的，需要不断更新。例如：N2----(距离2)----路由器C----(距离1)----路由器D，网络拓扑结构变化后：N2----(距离4)----路由器C----(距离1)----路由器D。

路由表项	修改 C 路由表	D 路由表
1
2
3
4
5

• 若发现新的“目的网络”，加入该条目。

路由表项	修改 C 路由表	D 路由表
1
2
3
4
5
6

• 若“目的网络”相同，“下一跳”不同，“RIP 距离”比之前的更小，则更新对应条目。如果“RIP 距离”比之前的更大，则不更新对应条目。

路由表项	修改 C 路由表	D 路由表
1
2
3
4
5
6

• 若“目的网络”相同，“下一跳”不同，“RIP 距离”相等，则加入该条目，以实现等价负载均衡。

路由表项	修改 C 路由表	D 路由表
1
2
3
4
5
6
7

• 路由器每隔大约 30 秒向其所有相邻路由器发送路由更新报文。
• 若 180 秒（默认超时时间）没有收到某条路由条目的更新报文，则把该路由条目标记为无效（即把 RIP 距离设置为 16，表示不可达），若再过一段时间（如 120 秒），还没有收到该路由条目的更新报文，则将该路由条目从路由表中删除。

2.4 RIP 存在的问题

假设网络 N1 到路由器 R1 之间出现了故障：N1----x----路由器R1--------路由器R2

路由器 R1 的路由：，路由器 R2 的路由：（R2 还不知道 N1 与 R1 之间出了故障）

• 若 R2 的 RIP 更新报文先到 R1，则 R1 被“谣言”所误导，修改了自己的路由：
• R1 向 R2 发送 RIP 更新报文，则 R2 路由：
• 30s 后，R2 向 R1 发送 RIP 更新报文，则 R1 路由：
• R1 向 R2 发送 RIP 更新报文，则 R2 路由：
• 30s 后，R2 向 R1 发送 RIP 更新报文，则 R1 路由：
• R1 向 R2 发送 RIP 更新报文，则 R2 路由：
• …
• 30s 后，R2 向 R1 发送 RIP 更新报文，则 R1 路由：
• R1 向 R2 发送 RIP 更新报文，则 R2 路由：
• 30s 后，R2 向 R1 发送 RIP 更新报文，则 R1 路由：
• R1 向 R2 发送 RIP 更新报文，则 R2 路由：

此时路由器 R2 才发现 N1 是不可达的，整个自治系统才达到收敛，即 R1 和 R2 均知道 N1 不可达。

如果一个路由器发现了 RIP 距离更短的路由，那么这种更新信息就传播得很快，即“好消息传得快”。

但一旦出现不可达的故障，则更新过程的收敛时间长，收敛速度很慢，即“坏消息传得慢”。

2.5 RIP 的优缺点

• 优点：
  • 实现简单，路由器开销小。
  • 如果一个路由器发现了 RIP 距离更短的路由，那么这种更新信息就传播得很快，即“好消息传播得快”。
• 缺点：
  • RIP 限制了最大 RIP 距离为 15，这就限制了使用 RIP 的自治系统 AS 的规模。
  • 相邻路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也随之增大。
  • “坏消息传播得慢”，使更新过程的收敛时间过长。因此，对于规模较大的自治系统 AS，应当使用 OSPF 协议。

3 内部网关协议 IGP——开放最短路径优先协议 OSPF

开放最短路径优先（Open Shortest Path First，OSPF）协议是为了克服路由信息协议 RIP 的缺点而开发出来的。

OSPF 不使用 UDP 数据报传送，而是直接使用 IP 数据报传送。

OSPF 是基于链路状态的，而不像 RIP 是基于距离向量的。

3.1 OSPF 的相关概念

• 链路状态（Link State，LS）：指本路由器都和哪些路由器相邻，以及相应链路的“代价”。
• 代价（度量，metric）：用来表示费用、距离、时延和带宽等，这些都由网络管理人员来决定。

【注】“代价”可理解为图上的边的权重值，在 OSPF 中一般称为成本度量 metric。

• OSPF 的五种报文类型：

类型	用途
问候（Hello）	用来发现和维护邻居路由器的可达性
数据库描述（Database Description）	用来向邻居路由器给出自己的链路状态数据库中的所有链路状态项目的摘要信息
链路状态请求（Link State Request）	用来向邻居路由器请求发送某些链路状态项目的详细信息
链路状态更新（Link State Update）	路由器使用链路状态更新分组将其链路状态信息进行洪泛发送，即用洪泛法对整个系统更新链路状态
链路状态确认（Link State Acknowledgement）	对链路状态更新分组的确认分组

3.2 OSPF 的工作原理

假设有以下自治系统 AS，连线上的数值即为度量代价 metric，该自治系统连接了外部网络 N1。

R1------(1)------R2
|                |
|                |
|                |
(5)             (2)
|                |
|                |
|                |
R3------(4)------R4---(6)---N1

3.2.1 邻居关系的维护

OSPF 相邻路由器之间通过交互问候（Hello）分组来建立和维护邻居关系。

• 问候分组封装在 IP 数据报中，发往组播地址 224.0.0.5。IP 数据报首部中的协议号字段的取值为 89，表明 IP 数据报的数据载荷为 OSPF 分组：

…	目的地址	协议号	…	OSPF 问候分组
…	224.0.0.5	89	…	xxx

• 问候分组的发送周期为 10 秒。若 40 秒未收到来自邻居路由器的问候分组，则认为邻居路由器不可达。
• 每个路由器都会建立一张邻居表。比如 R1 的邻居表：

邻居 ID	接口	倒计时
R2	0	36s
R3	1	18s

• 不仅如此，每个路由器都会产生链路状态通告（Link State Advertisement，LSA），其包含两种信息：
  • 直连网络的链路状态信息；
  • 邻居路由器的链路状态信息。
• 例如，R4 的链路状态通告见下表：

路由器/网络	度量代价 metric
直连网络 N1	6
邻居路由器 R2	2
邻居路由器 R3	4

3.2.2 链路状态数据库的建立

• 链路状态通告 LSA 被封装在链路状态更新（Link State Update，LSU）分组中，采用可靠的洪泛法（Flooding）进行发送。
  • 洪泛法：路由器向自己所有的邻居路由器发送链路状态更新分组，收到该分组的各路由器又将该分组转发给自己所有的邻居路由器（但其上游路由器除外），以此类推。
  • 可靠：指收到链路状态更新分组后要发送确认，收到重复的更新分组无需再次转发，但要发送一次确认。
• 如下图所示为洪泛法（^ 和 < 表示传送方向）：

R1<<<<<<(LSU)------R2
^                  ^
^                  ^
^                  ^
(LSU)            (LSU)
|                  |
|                  |
|                  |
R3<<<<<<(LSU)------R4------N1

• 链路状态数据库（Link State Database，LSDB）：使用 OSPF 的每一个路由器都有一个链路状态数据库，用于存储链路状态通告 LSA。
• 通过各路由器洪泛发送封装有各自链路状态通告 LSA 的链路状态更新分组 LSU，各路由器的链路状态数据库 LSDB 最终将达到一致。
• 如下表为 R1 的数据库：

R1 的 LSDB
R1 的 LSA
R2 的 LSA
R3 的 LSA
R4 的 LSA

• 最后，使用 OSPF 的各路由器，基于链路状态数据库 LSDB 进行最短路径优先计算（采用 Dijkstra 算法，用来求单源最短路径），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。
• 如此往复，每隔 30 min 或链路状态变化时，都要经历以上过程，使得各路由器的链路状态数据库 LSDB 重新达到一致。

3.2.3 链路状态路由算法

下面来总结 OSPF 的工作流程。

链路状态数据库的建立：

• 每个路由器发送问候分组，了解邻居的地址和 metric。
• 路由器 A 发送数据库描述分组，向邻居 B 给出自己数据库中的摘要信息。
• 路由器 B 收到邻居 A 发来的数据库描述分组，解析其中的摘要：
  • 若自己数据库都有，则不作处理；
  • 若存在缺失的或需要更新的，发送链路状态请求分组，请求新的信息。
• 路由器 A 收到邻居 B 发来的链路状态请求分组后，向 B 发送链路状态更新分组。
• 路由器 B 收到邻居 A 发来的链路状态更新分组后，B 更新自己的信息，再向邻居 A 发送链路状态确认分组。
• 每个路由器根据自己的数据库，使用 Dijkstra 算法构造去往其他路由器的最优路径。

只要有一个路由器的链路状态发生变化：

• 该路由器泛洪发送链路状态更新分组。
• 更新完毕后，每个路由器返回链路状态确认分组进行确认。
• 每个路由器根据自己的数据库，使用 Dijkstra 算法构造去往其他路由器的最优路径。

【注】OSPF 没有“坏消息传得慢”的问题，收敛速度很快。

3.2.4 多点接入网络中的 OSPF 路由器

为了减少洪泛发送问候分组和链路状态更新分组的数量，OSPF 选举指定路由器（Designated Router，DR）和备用指定路由器（Backup Designated Router，BDR）。

• 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。

3.3 OSPF 划分区域

为使 OSPF 协议能够用于规模很大的网络，OSPF 把一个自治系统 AS 再划分为若干个更小的范围，称为区域（area）。

• 优点：将洪泛的范围限制在每个区域而非整个自治系统中，减少了网络的通信量。
• 缺点：交换信息的种类增多，同时也使 OSPF 协议更加复杂。

• 自治系统边界路由器（AS Border Router，ASBR）：R6
• 主干路由器（Backbone Router，BBR）：R3、R4、R5、R6
• 区域内路由器（Internal Router，IR）：区域 1 的 R1、R2，区域 2 的 R8，区域 3 的 R9
• 区域边界路由器（Area Border Router，ABR）：R3、R4、R7

4 外部网关协议 EGP——边界网关协议 BGP

边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）属于外部网关协议 EGP，用于自治系统 AS 之间的路由选择协议。

对于 AS 之间的路由选择，使用统一的“代价”作为度量来寻找最佳路由是不行的。因为不同的 AS 可能使用不同的 IGP，且不是每个 AS 都允许经过。

4.1 BGP 的工作原理

• 在配置 BGP 时，每个 AS 的管理员要选择至少一个路由器作为该 AS 的“BGP 发言人”。
• 使用 TCP 连接交换路由信息的两个 BGP 发言人，彼此称为对方的邻站（neighbor）或对等站（peer）。
• BGP 发言人除了运行 BGP 协议外，还必须运行自己所在 AS 所使用的内部网关协议 IGP，例如 RIP 或 OSPF。
• BGP 发言人交换网络可达性的信息，也就是要到达某个网络所要经过的一系列自治系统。
• 为了与其他 AS 中的 BGP 发言人交换路由信息，就要先建立 TCP 连接，然后在此连接上交换 BGP 报文以建立 BGP 会话，利用 BGP 会话交换路由信息。
• BGP 采用路径向量算法：

• BGP 支持 CIDR，因此 BGP 的路由表也就应当包括目的网络前缀、下一跳路由器，以及到达该目的网络所要经过的各个自治系统序列。
• 在 BGP 刚刚运行时，BGP 的邻站是交换整个的 BGP 路由表。但以后只需要在发生变化时更新有变化的部分（交换路径向量）。这样做对节省网络带宽和减少路由器的处理开销都有好处。

4.2 BGP 的报文类型

报文	用途
打开（Open）	用来与相邻的另一个BGP发言人建立关系，使通信初始化
更新（Update）	用来周期性地证实邻站的连通性
保活（Keepalive）	用来通告某一条路由的信息，以及列出要撤销的多条路由
通知（Notification）	用来发送检测到的差错

5 路由选择协议总结

协议	RIP	OSPF	BGP
类型	IGP	IGP	EGP
传递协议	UDP	IP	TCP
路由算法	距离向量算法	链路状态路由算法	路径向量算法
路径选择	跳数（hop）最小	代价（metric）最低	较好
收敛速度	好消息快，坏消息慢	快	慢
交换结点	本网络中的相邻路由器	本网络中的所有路由器	相邻路由器
交换内容	整个路由表	相邻路由器的链路状态信息	首次：整个路由表；非首次：变化部分