【计算机网络】网络层-控制平面（学习笔记）

一、路由原理

1、网络层功能

1）数据平面

转发：将分组从路由器的一个输入端口移到合适的输出端口

2）控制平面

路由：确定分组从源到目标的路径

2、路由算法

1. 路径长度
2. 可靠性
3. 延迟
4. 带宽
5. 负载
6. 通信代价

3、路由的原则

1）正确性

算法必须是正确的和完整的，使分组一站一站接力，正确发向目标站

完整：目标所有的站地址，在路由表中都能找到相应的表项，没有处理不了的目标站地址

2）简单性

算法在计算机上应简单：最优但复杂的算法，时间上延迟很大，不实用，不应为了获取路由信息增加很多的通信量

3）健壮性

算法应能适应通信量和网络拓扑的变化：通信量变化，网络拓扑的变化算法能很快适应；不向很拥挤的链路发数据，不向断了的链路发送数据

4）稳定性

产生的路由不应该摇摆

5）公平性

对每一个站点都公平

6）最优性

某一个指标的接近最优，时间上，费用上，等指标，或综合指标

4、路由协议

1. 直连路由：路由器直接交付
2. 静态路由：设置固定路由表，除非网络管理员干预，否则静态路由不发生变化
3. 动态路由：路由器之间相互通信，传递路由信息，利用收到的路由信息，更新自己路由表的过程，能实时使用网络结构的变化

5、自治系统AS

自治系统AS（Autonomous System）的定义：在单一的技术管理下的一组路由器，而这些路由器使用一种AS内部的路由选择协议和共同的度量以确定分组在该AS内的路由，同时还使用一种AS之间的路由选择协议用以确定分组在AS之间的路由

现在对自治系统AS的定义是强调下面的事实：尽管一个AS使用了多种内部路由选择协议和度量，但重要的是一个AS对其他AS表现出的是一个单一的和一致的路由选择策略

二、AS的路由选择

1、RIP距离向量算法

1）RIP概述

在 1982年发布的BSD-UNIX 中实现

采用 Distance vector 算法

2）RIP通告

在邻居之间每30秒交换通告报文

定期且在改变路由的时候发送通告报文，在对方的请求下可以发送通告报文

要点

1. 仅和相邻路由器交换信息
2. 交换的信息是当前路由器所知道的全部信息，即自己的路由表
3. 按固定的时间间隔交换路由信息

3）RIP链路失效和恢复

如果180秒没有收到通告信息 => 邻居或者链路失效

1. 发现经过这个邻居的路由已失效
2. 新的通告报文会传递给邻居
3. 邻居因此发出新的通告 (如果路由变化的话)
4. 链路失效快速(?)地在整网中传输
5. 使用毒性逆转阻止ping-pong回路（不可达的距离：跳数无限 = 16 段）

4）RIP进程处理

RIP 以应用进程的方式实现，通告报文通过UDP报文传送，周期性重复

网络层的协议使用了传输层的服务，以应用层实体的方式实现

5）RIP协议优缺点

1. RIP存在一个问题就是当网络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传达到所有的路由器
2. RIP协议最大的优点就是实现简单，开销较小
3. RIP限制了网络的规模，并能使用的最大距离为15（16表示不可达）
4. 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，开销也就增大

2、OSPF内部网关协议

1）OSPF协议的基本特点

最短路径优先 是因为使用了Dijkstra提出的最短路径算法SPF

OSPF只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是最短路径优先

OSPF是分布式的链路状态协议

2）OSPF三个要点

1. 向本自治系统中所有的路由器发送消息，这里使用的方法是洪泛法
2. 发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息 => 链路状态就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的度量
3. 只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息

3）层次化的OSPF

为了使OSPF能够用于规模很大的网络，OSPF将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫做区域（area）

2个级别的层次性：本地， 骨干

1. 链路状态通告仅仅在本地区域Area范围内进行
2. 每一个节点拥有本地区域的拓扑信息
3. 关于其他区域，知道去它的方向，通过区域边界路由器

区域边界路由器： 汇总（聚集）到自己区域内网络的距离，向其它区域边界路由器通告

骨干路由器： 在骨干区域内运行OSPF路由

边界路由器： 连接其它的AS的边界路由

4）OSPF的特点

1.OSPF对不同的链路可根据IP分组的不同服务类型TOS而设置成不同的代价，因此，OSPF对于不同类型的业务可计算出不同的路由

2.如果到同一个目的网络有多条相同的路径，那么可以将通信量分配给这几条路径，这叫作多路径间的负载平衡

3.所有在OSPF路由器之间交换的分组都具有鉴别的功能

4.支持可变长度的子网划分和无分类编址CIDR

5.每一个链路状态都带上一个32位符号，序号越大，状态就越新

6.OSPF还规定了每隔一段时间，要刷新一次数据库中的链路状态

7.由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而整个互联网的规模并无直接关系，因此当互联网规模很大时，OSPF协议要距离向量协议RIP好得多

8.OSPF没有坏消息传得慢的问题，据统计，其相应网络变化的时间小于100ms

三、ISP的路由选择

1、BGP

1）BGP概述

1. BGP是不同自治系统的路由器之间交换路由信息的协议
2. BGP较新的版本是2006年1月发表的BGP-4，即RFC 4271~4278
3. BGP-4 简写为 BGP

2）BGP发言人

1. 每一个自治系统至少有一个路由器作为该自治系统的 BGP发言人
2. 两个BGP发言人都是通过一个共享网络连接在一起的，而BGP发言人往往是BGP边界路由器，但也可以不是BGP边界路由器

3）BGP交换路由信息

1.一个BGP发言人与其他自治系统中的BGP发言人要交换路由信息，就要先建立TCP连接，然后在此连接上交换BGP报文建立BGP会话，利用BGP会话交换路由信息

2.使用TCP连接可以提供可靠服务，也简化了路由选择协议

3.使用TCP连接交换路由信息的两个BGP发言人，彼此成为了对方的邻站或对等站

4）BGP协议的特点

1. BGP协议交换路由信息的节点数量级是自治系统数的量级，这要比这些自治系统中的网络数少很多
2. 每一个自治系统中BGP发言人（或边界路由器）的数目是很少的，这样就使得自治系统之间的路由选择不敢过分复杂
3. BGP支持CIDR，因此BGP的路由表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
4. 在BGP刚刚运行时，BGP的邻站是交换整个的BGP路由表，但以为只需要在发生变化时更新有变化的部分，这样做对节省网络宽带和减少路由器的处理开销方面都有好处

四、AS和ISP路由方式不同的原因

1、策略方面

Inter-AS：管理员需要控制通信路径，谁在使用它的网络进行数据传输

Intra-AS：一个管理者，所以无需策略。AS内部的各子网的主机尽可能地利用资源进行快速路由

2、规模方面

AS间路由必须考虑规模问题，以便支持全网的数据转发

AS内部路由规模不是一个大的问题

1. 如果AS太大，可将此AS分成小的AS => 规模可控
2. AS之间只不过多了一个点而已
3. AS内部路由支持层次性，层次性路由节约了表空间，降低了更新的数据流量

3、性能方面

Intra-AS：关注性能

Inter-AS：策略可能比性能更重要

五、典型的路由器的结构