网络协议--动态选路协议
10.1 引言
在前面各章中，我们讨论了静态选路。在配置接口时，以默认方式生成路由表项（对于直接连接的接口），并通过route命令增加表项（通常从系统自引导程序文件），或是通过ICMP重定向生成表项（通常是在默认方式出错的情况下）。
在网络很小，且与其他网络只有单个连接点且没有多余路由时（若主路由失败，可以使用备用路由），采用这种方法是可行的。如果上述三种情况不能全部满足，通常使用动态选路。
本章讨论动态选路协议，它用于路由器间的通信。我们主要讨论RIP，即选路信息协议(Routing Infromation Protocol)，大多数TCP/IP实现都提供这个应用广泛的协议。然后讨论两种新的选路协议，OSPF和BGP。本章的最后研究一种名叫无分类域间选路的新的选路技术，现在Internet上正在开始采用该协议以保持B类网络的数量。
10.2 动态选路
当相邻路由器之间进行通信，以告知对方每个路由器当前所连接的网络，这时就出现了动态选路。路由器之间必须采用选路协议进行通信，这样的选路协议有很多种。路由器上有一个进程称为路由守护程序（routing daemon），它运行选路协议，并与其相邻的一些路由器进行通信。正如图9-1所示，路由守护程序根据它从相邻路由器接收到的信息，更新内核中的路由表。
动态选路并不改变我们在9.2节中所描述的内核在IP层的选路方式。这种选路方式称为选路机制（routing mechanism）。内核搜索路由表，查找主机路由、网络路由以及默认路由的方式并没有改变。仅仅是放置到路由表中的信息改变了—当路由随时间变化时，路由是由路由守护程序动态地增加或删除，而不是来自于自引导程序文件中的route命令。
正如前面所描述的那样，路由守护程序将选路策略（routing policy）加入到系统中，选择路由并加入到内核的路由表中。如果守护程序发现前往同一信宿存在多条路由，那么它（以某种方法）将选择最佳路由并加入内核路由表中。如果路由守护程序发现一条链路已经断开（可能是路由器崩溃或电话线路不好），它可以删除受影响的路由或增加另一条路由以绕过该问题。
在像Internet这样的系统中，目前采用了许多不同的选路协议。Internet是以一组自治系统(AS，Autonomous System)的方式组织的，每个自治系统通常由单个实体管理。常常将一个公司或大学校园定义为一个自治系统。NSFNET的Internet骨干网形成一个自治系统，这是因为骨干网中的所有路由器都在单个的管理控制之下。
每个自治系统可以选择该自治系统中各个路由器之间的选路协议。这种协议我们称之为内部网关协议IGP（Interior Gateway Protocol）或域内选路协议（intradomain routing protocol）。最常用的IGP是选路信息协议RIP。一种新的IGP是开放最短路径优先OSPF（Open Shortest Path First）协议。它意在取代RIP。另一种1986年在原来NSFNET骨干网上使用的较早的IGP协议——HELLO，现在已经不用了。
外部网关协议EGP（Exterier Gateway Protocol）或域内选路协议的分隔选路协议用于不同自治系统之间的路由器。在历史上，（令人容易混淆）改进的EGP有着一个与它名称相同的协议：EGP。新EGP是当前在NSFNET骨干网和一些连接到骨干网的区域性网络上使用的是边界网关协议BGP（Border Gateway Protocol）。BGP意在取代EGP。
10.3 Unix选路守护程序
Unix系统上常常运行名为routed路由守护程序。几乎在所有的TCP/IP实现中都提供该程序。该程序只使用RIP进行通信，我们将在下一节中讨论该协议。这是一种用于小型到中型网络中的协议。
另一个程序是gated。IGP和EGP都支持它。[Fedor 1998]描述了早期开发的gated。图10-1对routed和两种不同版本的gated所支持的不同选路协议进行了比较。大多数运行路由守护程序的系统都可以运行routed，除非它们需要支持gated所支持的其他协议。
我们在下一节中描述RIP版本1，10.5节描述它与RIP版本2的不同点，10.6节描述OSPF，10.7节描述BGP。
10.4 RIP：选路信息协议
本节对RIP进行了描述，这是因为它是最广为使用（也是最受攻击）的选路协议。对于RIP的正式描述文件是RFC 1058 [Hedrick 1988a]，但是该RFC是在该协议实现数年后才出现的。
10.4.1 报文格式
RIP报文包含中在UDP数据报中，如图10-2所示（在第11章中对UDP进行更为详细的描述）。
图10-3给出了使用IP地址时的RIP报文格式。
命令字段为1表示请求，2表示应答。还有两个舍弃不用的命令（3和4），两个非正式的命令：轮询（5）和轮询表项（6）。请求表示要求其他系统发送其全部或部分路由表。应答则包含发送者全部或部分路由表。
版本字段通常为1，而第2版RIP（10.5节）将此字段设置为2。
紧跟在后面的20字节指定地址系列（address family）（对于IP地址来说，其值是2）、IP地址以及相应的度量。在本节的后面可以看出，RIP的度量是以跳计数的。
采用这种20字节格式的RIP报文可以通告多达25条路由。上限25是用来保证RIP报文的总长度为20×25+4=504，小于512字节。由于每个报文最多携带25个路由，因此为了发送整个路由表，经常需要多个报文。
10.4.2 正常运行
让我们来看一下采用RIP协议的routed程序正常运行的结果。RIP常用的UDP端口号是520。
- 初始化：在启动一个路由守护程序时，它先判断启动了哪些接口，并在每个接口上发送一个请求报文，要求其他路由器发送完整路由表。在点对点链路中，该请求是发送给其他终点的。如果网络支持广播的话，这种请求是以广播形式发送的。目的UDP端口号是520（这是其他路由器的路由守护程序端口号）。 这种请求报文的命令字段为1，但地址系列字段设置为0，而度量字段设置为16。这是一种要求另一端完整路由表的特殊请求报文。
- 接收到请求。如果这个请求是刚才提到的特殊请求，那么路由器就将完整的路由表发送给请求者。否则，就处理请求中的每一个表项：如果有连接到指明地址的路由，则将度量设置成我们的值，否则将度量置为16（度量为16是一种称为“无穷大”的特殊值，它意味着没有到达目的的路由）。然后发回响应。
- 接收到响应。使响应生效，可能会更新路由表。可能会增加新表项，对已有的表项进行修改，或是将已有表项删除。
定期选路更新。每过30秒，所有或部分路由器会将其完整路由表发送给相邻路由器。发送路由表可以是广播形式的（如在以太网上），或是发送给点对点链路的其他终点的。 - 触发更新。每当一条路由的度量发生变化时，就对它进行更新。不需要发送完整路由表，而只需要发送那些发生变化的表项。
每条路由都有与之相关的定时器。如果运行RIP的系统发现一条路由在3分钟内未更新，就将该路由的度量设置成无穷大（16），并标注为删除。这意味着已经在6个30秒更新时间里没收到通告该路由的路由器的更新了。再过60秒，将从本地路由表中删除该路由，以保证该路由的失效已被传播开。
10.4.3 度量
RIP所使用的度量是以跳(hop)计算的。所有直接连接接口的跳数为1。考虑图10-4所示的路由器和网络。画出的4条虚线是广播RIP报文。
路由器R1通过发送广播到N1通告它与N2之间的跳数是1(发送给N1的广播中通告它与N1之间的路由是无用的)。同时也通过发送广播给N2通告它与N1之间的跳数为1。同样，R2通告它与N2的度量为1，与N3的度量为1。
如果相邻路由器通告它与其他网络由的跳数为1，那么我们与那个网络的度量就是2，这是因为为了发送报文到该网络，我们必须经过那个路由器。在我们的例子中，R2到N1的度量是2，与R1到N3的度量一样。
由于每个路由器都发送其路由表给邻站，因此，可以判断在同一个自治系统AS内到每个网络的路由。如果在该AS内从一个路由器到一个网络有多条路由，那么路由器将选择跳数最小的路由，而忽略其他路由。
跳数的最大值是15，这意味着RIP只能用在主机间最大跳数值为15的AS内。度量为16表示到无路由到达该IP地址。
10.4.4 问题
这种方法看起来很简单，但它有一些缺陷。首先，RIP没有子网地址的概念。例如，如果标准的B类地址中16 bit的主机号不为0，那么RIP无法区分非零部分是一个子网号，或者是一个主机地址。有一些实现中通过接收到的RIP信息，来使用接口的网络掩码，而这有可能出错。
其次，在路由器或链路发生故障后，需要很长的一段时间才能稳定下来。这段时间通常需要几分钟。在这段建立时间里，可能会发生路由环路。在实现RIP时，必须采用很多微妙的措施来防止路由环路的出现，并使其尽快建立。RFC 1058 [Hedrick 1988a]中指出了很多实现RIP的细节。
采用跳数作为路由度量忽略了其他一些应该考虑的因素。同时，度量最大值为15则限制了可以使用RIP的网络的大小。
10.4.5 举例
我们将使用ripquery程序来查询一些路由器中的路由表，该程序可以从gated中得到。ripquery程序通过发送一个非正式请求（图10-3中命令字段为5的“poll”）给路由器，要求得到其完整的路由表。如果在5秒内未收到响应，则发送标准的RIP请求（command字段为1）（前面提到过的，将地址系列字段置为0，度量字段置为16的请求，要求其他路由器发送其完整路由表）。
图10-5给出了将从sun主机上查询其路由表的两个路由器。如果在主机sun上执行ripquery程序，以得到其下一站路由器netb的选路信息，那么可以得到下面的结果：
正如我们所猜想的那样，netb告诉我们子网的度量为1。另外，与netb相连的位于机端的以太网（140.252.1.0）的metric也是1（-n参数表示直接打印IP地址而不需要去查看其域名）。在本例中，将netb配置成认为所有位于140.252.13子网的主机都与其直接相连—即，netb并不知道哪些主机真正与140.252.13子网相连。由于与140.252.13子网只有一个连接点，因此，通告每个主机的度量实际上没有太大意义。
图10-6给出了使用tcpdump交换的报文。采用-i s10选项指定SLIP接口。
第1个请求发出一个RIP轮询命令（第1行）。这个请求在5秒后超时，发出一个常规的RIP请求（第2行）。第1行和第2行最后的24表示请求报文的长度：4个字节的RIP首部（包括命令和版本），然后是单个20字节的地址和度量。
第3行是第一个应答报文。该行最后的25表示包含了25个地址和度量对，我们在前面已经计算过，其字节数为504。这是上面的ripquery程序所打印出来的结果。我们为tcpdump程序指定-s600选项，以让它从网络中读取600个字节。这样，它可以接收整个UDP数据报（而不是报文的前半部），然后打印出RIP响应的内容。该输出结果省略了。
第4行是来自路由器的第二个响应报文，它包含后面的12个地址和度量对。可以计算出该报文的长度为12×20+4=244，这正是ripquery程序所打印出来的结果。
如果越过netb路由器，到gateway，那么可以预测到我们子网（140.252.13.0）的度量为2。可以运行下面的命令来进行验证：
这里，位于图10-5上面的以太网（140.252.1.0）的度量依然是1，这是因为该以太网直接与gateway和netb相连。而我们的子网140.252.13.0正如预想的一样，其度量为2。
10.4.6 另一个例子
现在察看以太网上所有非主动请求的RIP更新，以看一看RIP定期给其邻站发送的信息。图10-7是noao.edu网络的多种排列情况。为了简化，我们不用本文其他地方所采用的路由器表示方式，而以Rn来代表路由器，其中n是子网号。以虚线表示点对点链路，并给出了这些链路对端的IP地址。
在主机solaris上运行Solaris 2.x的snoop程序，它与tcpdump相类似。我们可以在不需要超用户权限的条件下运行该程序，但它只捕获广播报文、多播报文以及发送给主机的报文。图10-8给出了在60秒内所捕获的报文。在这里，我们将大部分正式的主机名以Rn来表示。
-P标志以非混杂模式捕获报文，-tr打印出相应的时戳，而udp port 520只捕获信源或信宿端口号为520的UDP数据报。
来自R6、R4、R2、R7、R8和R3的前6个报文，每个报文只通告一个网络。查看这些报文，可以发现R2通告前往140.252.6.0的跳数为1的一条路由，R4通告前往140.252.4.0的跳数为1的一条路由，等等。
但是，gateway路由器却通告了15条路由。我们可以通过运行snoop程序时加上-v参数来查看RIP报文的全部内容（这个标志输出全部报文的全部内容：以太网首部、IP首部、UDP首部以及RIP报文。我们只保留了RIP信息而删除了其他信息）。图10-9给出了输出结果。
把这些子网140.252.1上通告报文经过的路由与图10-7中的拓扑结构进行比较。
使人迷惑不解的一个问题是为什么图10-8输出结果中，R10通告其有4个网络而在图10-7中显示的只有3个。如果查看带snoop的RIP报文，就会得到以下通告路由：
前往B类网络140.251的路由是假的，不应该通告它（它属于其他机构而不是noao.edu）。
图10-8中，对于R10发送的RIP报文，snoop输出“BROADCAST”符号，它表示目的IP地址是有限的广播地址255.255.255.255（12.2节），而不是其他路由器用来指向子网的广播地址（140.252.1.255）。