路由選擇,路由選擇過程和原理是什么?

路由選擇是發(fā)生在互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(如通過路由器連接的獨立網(wǎng)絡(luò))上的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)過程,如下圖所示。當主機發(fā)送數(shù)據(jù)分組時,它或者是對于同一網(wǎng)絡(luò)上的本地主機或者是對于遠程網(wǎng)絡(luò)上的主機。如果數(shù)據(jù)分組沒有本地IP網(wǎng)絡(luò)地址,則主機將它發(fā)送到默認路由器,該路由器再將它轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)絡(luò)。

下圖中的網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜。它包括一個提供多路由路徑的相互連接的網(wǎng)絡(luò)組成的網(wǎng)狀網(wǎng)。盡管每個路由器可能有其自己掛接的網(wǎng)絡(luò)和主機,但為簡單起見,僅表示出兩個主機。主機A希望將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到主機B。這存在多個路徑。主機A將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到它的本機掛接的路由器并讓路由器處理轉(zhuǎn)發(fā)。

路由器如何選擇路徑?它查看借助路由協(xié)議創(chuàng)建的路由表。通過查看其路由表,路由器A將發(fā)現(xiàn)兩條路徑。一個是首選路徑,另一個在首選路徑出故障時使用。管理員可通過設(shè)定度量標準來指定首選路徑。

路由器的主要工作就是為經(jīng)過路由器的每個數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數(shù)據(jù)有效地傳送到目的站點。路由器使數(shù)據(jù)分組到達其目的地的下一跳,而不是到目的地的完整路徑。基本IP路由選擇稱為逐跳或者基于目的地的路由選擇。該技術(shù)類似于問路,一個人在十字路口為某人指出正確的方向。在下一個十字路口,另一個人為該人指出正確的方向。最終,到達想要去的地方,但不是從一開始就知道準確的路徑,而是沿著別人指出的方向前進。某人可能為他人指出一個避開建筑物或死胡同的方向。在龐大的網(wǎng)狀網(wǎng)中存在很多可能的路徑, 路由器根據(jù)路由選擇協(xié)議（Routing Protocol）提供的功能，自動學(xué)習(xí)和記憶網(wǎng)絡(luò)運行情況，在需要時自動計算數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴崖窂?，避開擁塞或暫時禁用鏈路的路徑。

基于路由器的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)對于構(gòu)建可伸縮網(wǎng)絡(luò)是重要的。它促進分級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)尋址方案.數(shù)據(jù)鏈路層LAN受主機大小和數(shù)目的限制。路由選擇有助于網(wǎng)絡(luò)超越這些限制而發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者可以使用路由選擇將多個LAN連接到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中。在因特網(wǎng)上,路由器允許獨立管理的自治系統(tǒng)(AS)在保持每個網(wǎng)絡(luò)的自治性的同時互相連接并交換通信。

路由選擇過程

對早期因特網(wǎng)上的路由器(最初稱為“網(wǎng)關(guān)”)的原始要求是,作為一種設(shè)備,可以檢查輸入的數(shù)據(jù)分組并讀取其目的地址,在一個表中查找此地址,然后相應(yīng)地轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)分組。路由器可能需要將數(shù)據(jù)分組分段以適合基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的幀大小。路由器在溢出的情況下可能丟棄數(shù)據(jù)分組。TCP負責檢測和恢復(fù)丟棄的數(shù)據(jù)分組。

最初,查找表由網(wǎng)絡(luò)管理員手動配置,該過程稱為靜態(tài)路由選擇。也就是說，該路由是預(yù)先設(shè)定的，而且不是由“路由信息協(xié)議”（RIP）發(fā)現(xiàn)的。利用靜態(tài)路由選擇功能，您可以為某個IP地址或網(wǎng)絡(luò)指派網(wǎng)關(guān)。在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上，如果某些路由器無法以RIP1或2運行，那么您可以為這些路由器設(shè)定靜態(tài)路由。靜態(tài)路由選擇適合于小型網(wǎng)絡(luò)和某些專用鏈路,但對于大型網(wǎng)絡(luò),則要求動態(tài)路由選擇。當鏈路失效或者重新配置鏈路度量標準時,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)會隨時更改。動態(tài)路由協(xié)議必須發(fā)現(xiàn)這些更改并更新路由表。

互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)路由選擇過程如圖R-5所示。為簡單起見,網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字IP地址、主機和路由器用縮寫代替。

圖R-5 穿越混合網(wǎng)絡(luò)的IP數(shù)據(jù)分組

1.在源(Al)處,數(shù)據(jù)報與目的主機(C1)的IP地址一起創(chuàng)建。

2.由于目的網(wǎng)絡(luò)地址與當前網(wǎng)絡(luò)地址不同,所以主機Al將數(shù)據(jù)報直接傳送給默認網(wǎng)關(guān)、路由器A/B。注意,數(shù)據(jù)報被放置到具有路由器A/B的MAC地址的一個或多個幀中。

3.幀到達路由器A/B的端口A。數(shù)據(jù)報被提取出來,并檢查IP地址。路由器確定可以通過路由器B匯到達目的地,于是它將數(shù)據(jù)報放置到與網(wǎng)絡(luò)B匹配的幀類型中,并附上路由器B/C的MAC地址。

4.在路由器B/C處,幀到達端口B。數(shù)據(jù)報被提取出來,并檢查IP地址。路由器確定該主機被掛接到子網(wǎng)C,于是它查找路由表或者使用ARP將伊地址解析成MAC地址。然后,路由器將數(shù)據(jù)報置于幀中,附上目標C1的MAC地址,并在網(wǎng)絡(luò)上傳輸幀。

主機C1在網(wǎng)絡(luò)上看到定址到它的幀,并接收該幀。

若要傳送大型文件,將文件分成若干部分,置于許多數(shù)據(jù)分組中。然后,如果丟失一個數(shù)據(jù)分組,則只需要重新傳輸該數(shù)據(jù)分組,而不必重傳整個文件。這種可靠性功能由TCP在后臺進行處理。

路由選擇環(huán)境

基本路由選擇概念是自治系統(tǒng),如圖R-6所示。因特網(wǎng)是以各個服務(wù)提供商和電信公司網(wǎng)絡(luò)形式存在的自治系統(tǒng)的集合,這些網(wǎng)絡(luò)通過路由器、路由協(xié)議和路由策略相互連接起來。每個自治系統(tǒng)由它自己的機構(gòu)管理并實現(xiàn)其內(nèi)部的路由選擇。一個自治系統(tǒng)基本上是一個路由選擇域。在一個域內(nèi)使用相同的內(nèi)部路由協(xié)議和算法。OSPF是最常用的內(nèi)部路由協(xié)議。自治系統(tǒng)之間的路由選擇稱為外部路由選擇。BGP是因特網(wǎng)的外部路由協(xié)議。內(nèi)部路由選擇有時稱為“域內(nèi)路由選擇”,外部路由選擇有時稱為“域間路由選擇”。

圖R-6 自治系統(tǒng)、內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)

通過邊界路由器可以與外部連接,邊界路由器提供到外界的網(wǎng)關(guān)。邊界路由器還提供關(guān)于其所有內(nèi)部路由到屬于其他AS的邊界路由器的“可達性”信息,該信息很簡潔,并且常常是包含一個單個路由表項(用于外部路由器),該項代表在邊界路由器另一側(cè)的所有內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。連續(xù)網(wǎng)絡(luò)地址的范圍可能由單個(較大)的網(wǎng)絡(luò)地址表示。該方案大大減少了必須在因特網(wǎng)上存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的路由信息量。

因特網(wǎng)由包含本地、區(qū)域和主干服務(wù)提供商的許多自治系統(tǒng)組成。

路由協(xié)議與算法

動態(tài)路由協(xié)議自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的路由并構(gòu)建路由表。路由器在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時引用該表。如上所述,有內(nèi)部和外部路由協(xié)議。

現(xiàn)在使用的主要內(nèi)部路由協(xié)議是RIP(路由信息協(xié)議)和OSPF(開放式最短路徑優(yōu)先)。RIP確保在相鄰路由器間正在進行的通信能夠被維持。因此，它為第1個鄰居維護了一張重傳表。該表指示還沒有被鄰居確認的數(shù)據(jù)包。未確認的可靠數(shù)據(jù)包最多可以被重傳1 6次或直到保持時間超時，以它們當中時間更長的那個為限。OSPF是一個內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，用于屬于單個自治體系（AS）的路由器之間的路由選擇。OSPF 采用鏈路狀態(tài)技術(shù)，路由器互相發(fā)送直接相連的鏈路信息和它所擁有的到其它路由器的鏈路信息?，F(xiàn)在OSPF在大型網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)上是最重要的,但RIP對于小型專用網(wǎng)絡(luò)仍很普遍。 在自治系統(tǒng)間交換路由信息的主要外部路由協(xié)議是BGP(邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議)。

動態(tài)路由協(xié)議針對網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化進行調(diào)整,它們以路由器間交換的更新信息來表示。如果掛接到路由器的鏈路出錯或者擁塞,則運行在該路由器中的路由協(xié)議確保其他路由器知道此變化。然后,它運行路由算法重新計算網(wǎng)絡(luò)上的路由并更新路由表。

路由器在路由表中存儲有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的信息。這些表包含每個巳知網(wǎng)絡(luò)的項以及對通向該網(wǎng)絡(luò)的接口的引用。路徑中的下一個路由器根據(jù)在已創(chuàng)建的路由表中發(fā)現(xiàn)的信息作出類似的路由決定。注意,每個路由器具有不同的路由表項,因為每個網(wǎng)絡(luò)的可達性根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中的位置不同而不同。

“路由擺動”指的是路由可用性的頻繁變化。當路由變化時,某些路由器可能無法獲得新的路由信息,并且繼續(xù)將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到以前的錯誤路由(通常稱為“黑洞”)中。

數(shù)年來,已經(jīng)開發(fā)了一些路由協(xié)議。這些協(xié)議包括距離-向量路由協(xié)議和鏈接狀態(tài)路由協(xié)議,后者是現(xiàn)今大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的首選協(xié)議。

? 距離-向量路由選擇 距離-向量路由協(xié)議將路由決定建立在距離(跳數(shù))和向量(方向)基礎(chǔ)上。該協(xié)議就路徑的遠近判斷其是否最佳。距離可以是中轉(zhuǎn)的站點（路由或是主機）的數(shù)目或是一套經(jīng)過計算能夠代替距離的量度。如今仍在使用中的 IP 距離向量路由選擇協(xié)議有：路由信息協(xié)議（RIVv1和v2）和內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議IGRP（由 Cisco公司開發(fā)）。Bellman-Ford算法用于在每個路由器接收到來自鄰居路由器的有關(guān)可用路由的信息后計算路由。

? 鏈接狀態(tài)路由選擇 鏈接狀態(tài)路由選擇提供一種構(gòu)建描述更為精確的互聯(lián)網(wǎng)路由的拓撲數(shù)據(jù)庫的方法。它所進行的工作就是讓網(wǎng)絡(luò)中的路由器告知該網(wǎng)絡(luò)中其它路由器哪個與它相鄰最近。所有的路由器都不會將整張路由表全部發(fā)布出去，它們只發(fā)布其中與相鄰路由器相關(guān)的部分。這些協(xié)議更適于大型網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)在是大多數(shù)組織和因特網(wǎng)服務(wù)提供商的首選路由選擇方法。Dijkstra算法用于計算路由。

VRRP(虛擬路由器冗余協(xié)議)在出現(xiàn)路由器故障的情況下提供不中斷的變更路由。它依賴于靜態(tài)配置的冗余路由器。VRRP 協(xié)議保證訪問一些資源不會中斷，即通過多臺路由器組成一個網(wǎng)關(guān)集合。如果其中一臺路由器出現(xiàn)故障，會自動啟用另外一臺。兩個或多個路由器建立起一個動態(tài)的虛擬集合，每一個路由器都可以參與處理數(shù)據(jù)，這個集合最大不能超過255個虛擬路由器。

在ATM上的IP環(huán)境中處理一些其他路由技術(shù),其中ATM網(wǎng)絡(luò)為IP網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)鏈路層。在該環(huán)境中,需要可以發(fā)現(xiàn)在ATM網(wǎng)絡(luò)邊緣的路由器之間通過ATM網(wǎng)絡(luò)的路由的方法。切入路由選擇(有時稱為“快捷路由選擇”)是以通過ATM交換結(jié)構(gòu)的虛電路在端系統(tǒng)之間創(chuàng)建切入路由的方法。前幾個數(shù)據(jù)分組首先進行路由選擇,但是如果檢測到一個很長的流,則數(shù)據(jù)源獲得目的地的ATM地址,然后數(shù)據(jù)源建立通過ATM結(jié)構(gòu)直接到目的地的虛擬連接,交換所有后續(xù)數(shù)據(jù)分組并避開路由器。

MPLS(多協(xié)議標記交換)是在IP網(wǎng)絡(luò)間傳送QoS和業(yè)務(wù)流量工程設(shè)計的最新解決方案。它提供顯式路由選擇和基于約束的路由選擇。顯示路由具有交換環(huán)境中的虛電路特性。對傳統(tǒng)逐跳路由選擇的另一替代方案是顯式路由選擇。在發(fā)送數(shù)據(jù)分組之前,通過網(wǎng)絡(luò)在兩點之間創(chuàng)建路徑。數(shù)據(jù)分組被附上路徑標記并通過網(wǎng)絡(luò)進行交換。

基于約束的路由選擇使此概念更進一步,它定義智能路由軟件如何收集有關(guān)網(wǎng)絡(luò)負載、帶寬特性和抖動/延遲特性的信息。然后,根據(jù)不同的約束選擇路徑。管理員可能僅希望平衡通過網(wǎng)絡(luò)的負載,確保當一個鏈路過度使用時另一個鏈路也充分使用。同時還可能選擇路徑,因為它提供足夠的帶寬來傳送特定流。這超出使用度量標準來設(shè)計路由的概念。相反地,高級路由軟件基于當前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境動態(tài)地選擇路由。