計算機網絡網絡層（下）

一、互聯的路由選擇協議（網絡層控制層面內容）

（一）有關路由選擇協議的幾個概念

1.理想的路由算法

（1）理想路由算法應具備的特點：算法必須正確和完整的，算法在計算上應簡單，算法應能適應通信量和網絡拓撲的變化，算法應具有穩定性，算法應是公平的，算法應該是最佳的。

（2）最佳路由：不存在一種絕對的最佳路由算法；所謂“最佳”只能是相對于某一特定要求下得出的較為合理的選擇而已。

（3）路由算法非常復雜：需要所有節點共同協調工作；環境不斷變化，而這種變化有時無法事先知道；當網絡發生擁塞時，很難獲得所需的路由選擇信息。

（4）路由算法分類：

? ? ? ? 靜態路由選擇策略：非自適應路由選擇，不能及時適應網絡狀態的變化，簡單，開銷較小。

? ? ? ? 動態路由選擇策略：自適應路由選擇，能較好地適應網絡狀態的變化，實現較為復雜，開銷較大。

? ? ? ? 互聯網采用的路由選擇協議主要是自適應的（動態的）、分布式路由選擇協議。

2.分層次的路由選擇協議

（1）把整個互聯網劃分為許多較小的自治系統AS，采用分層次的路由選擇協議。?

? ? ? ? 原因：互聯網規模大，路由表將非常大且處理費時間；單位不愿意外界了解到本單位網絡布局細節及及路由選擇協議，同時希望連接到互聯網。

（2）自治系統：是在單一技術管理下的許多網絡、IP地址以及路由器，而這些路由器使用一種自治系統內部的路由選擇協議和共同的度量。每一個 AS 對其他 AS 表現出的是一個單一的和一致的路由選擇策略。

（3）分為兩個層次：自治系統之間的路由選擇（域間路由選擇），自治系統之內的路由選擇（域內路由選擇）。

（4）2大類路由選擇協議：

????????內部網關協議IGP：在自治系統內部使用的路由選擇協議，常用：RIP,OSPF。

????????外部網關協議EGP：在不同自治系統之間進行路由選擇時使用的協議，常用：BGP-4。

（二）內部網關協議RIP

1.協議RIP的工作原理

（1）路由信息協議（Routing Information Protocol）是一種分布式的，基于距離向量的路由選擇協議；互聯網的標準協；最大優點為簡單；要求網絡中的每個路由器都要維護從它自己到其他每一個目的網絡的距離記錄。

（2）RIP“距離”的定義

? ? ? ? 路由器到直接連接的網絡的距離=1；

? ? ? ? 路由器到非直接連接的網絡的距離=所經過的路由器數+1；

? ? ? ? RIP協議中的“距離”也被稱為“跳數”，每經過一個路由器，跳數就加1。

? ? ? ? 好路由=“距離短”的路由；

????????最佳路由=“距離最短”的路由。

? ? ? ? 一條路徑最多只能包含15個路由器；“距離”的最大值為16時即相當于不可達。

? ? ? ? RIP不能在兩個網絡之間同時使用多條路由，只選擇”距離最短“的路由。

（3）RIP協議的三個特點

? ? ? ? 僅和相鄰路由器交換信息。和誰交換？

? ? ? ? 交換的信息是當前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。交換什么？

? ? ? ? 按固定的時間間隔交換路由信息。什么時候交換？

（4）路由表的建立

? ? ? ? 路由器在剛剛開始工作時，路由表是空的；

? ? ? ? 得到直接連接的網絡的距離（定義為1）；

? ? ? ? 每一個路由器也只是和數量非常有限的路由去交換并更新路由信息。

? ? ? ? 經過若干次更新后，所有的路由器最終都會知道到達本自治系統中任何一個網絡的最短距離和下一跳路由的地址。

? ? ? ? RIP協議的收斂過程比較快；”收斂“就是在自治系統中所有的結點都得到正確的路由選擇信息的過程。

? ? ? ? 路由表的主要信息：

? ? ? ? 路由表更新規則：

? ? ? ? 使用距離向量算法找到到達每個目的網路的最短距離；

2.距離向量算法：

????????對每個相鄰路由器（假設其地址為 X）發送過來的 RIP 報文，路由器：

????????(1) 修改 RIP 報文中的所有項目（即路由）：把“下一跳”字段中的地址都改為 X，并把所有的“距離”字段的值加 1。

????????(2) 對修改后的 RIP 報文中的每一個項目，重復以下步驟：

??? ????????若路由表中沒有目的網絡N，則把該項目添加到路由表中。否則，若路由表中網絡 N 的下一跳路由器為 X，則用收到的項目替換原路由表中的項目。否則，若收到項目中的距離小于路由表中的距離，則用收到項目更新原路由表中的項目。否則，什么也不做。

????????(3) 若 3 分鐘還未收到相鄰路由器的更新路由表，則把此相鄰路由器記為不可達路由器，即將距離置為 16（表示不可達）。

????????(4) 返回。

? ? ? ? 算法基礎：Bellman-Ford算法（或Ford-Fulkerson算法）

? ? ? ? 算法要點：設 X 是結點 A 到 B 的最短路徑上的一個結點。把路徑 A→B 拆成兩段路徑 A→X 和 X→B，則每一段路徑 A→X 和 X→B 也都分別是結點 A 到 X 和結點 X 到 B 的最短路徑。

3.RIP2報文

組成：首部和路由 2 個部分。

路由部分：由若干個路由信息組成。每個路由信息共 20 個字節。

????????地址族標識符（又稱為地址類別）字段用來標志所使用的地址協議。

????????路由標記填入自治系統的號碼。

????????后面為具體路由，指出某個網絡地址、該網絡的子網掩碼、下一跳路由器地址以及到此網絡的距離。

????????一個 RIP 報文最多可包括 25 個路由，因而 RIP 報文的最大長度是 4+20 x25=504 字節。如超過，必須再用一個 RIP 報文來傳送。

????????RIP2 具有簡單的鑒別功能。

4.壞消息傳播的慢：好消息傳播得快，壞消息傳播得慢（慢收斂）。當網絡出現故障時，要經過比較長的時間才能將此信息（壞消息）傳送到所有的路由器。

5.RIP協議的優缺點：

（1）優點：實現簡單，開銷較小。

（2）缺點：網絡規模有限。最大距離為 15（16 表示不可達）；交換的路由信息為完整路由表，開銷較大。；壞消息傳播得慢，收斂時間過長。

（三）內部網關協議OSPF

1.協議OSPF的基本特點

（1）開放最短路徑優先 OSPF (Open Shortest Path First)是為克服 RIP 的缺點在 1989 年開發出來的；原理很簡單，但實現很復雜;使用了 Dijkstra 提出的最短路徑算法 SPF；采用分布式的鏈路狀態協議 (link state protocol)；現在使用 OSPFv2。

（2）OSPT協議的三個特點：

????????采用洪泛法，向本自治系統中所有路由器發送信息。和誰發？

????????發送的信息是與本路由器相鄰的所有路由器的鏈路狀態，但這只是路由器所知道的部分信息；發什么？

????????鏈路狀態：說明本路由器都和哪些路由器相鄰，以及該鏈路的度量 (metric)。

????????當鏈路狀態發生變化或每隔一段時間（如30分鐘），路由器才用洪泛法向所有路由器發送此信息。什么時候發？

（3）鏈路狀態數據庫：

? ? ? ??每個路由器最終都能建立；全網的拓撲結構圖；在全網范圍內是一致的（鏈路狀態數據庫的同步）；每個路由器使用鏈路狀態數據庫中的數據構造自己的路由表（例如，Dijkstre最短路徑路由算法）

（4）優點：鏈路數據庫能較快地進行更新，使各個路由器能及時更新其路由表；OSPT更新過程收斂速度快。

（5）OSPF將自治系統劃分為兩個不同的區域：

????????主干區域（標識符=0.0.0.0 用來連接其他下層區域）、其他區域

? ? ? ? 劃分區域優缺點：

? ? ? ? 優點：減少了整個網絡上的通信量、減少了需要維護的狀態數量。

? ? ? ? 缺點：交換信息的種類增多了、使OSPF協議更加復雜了。

（6）OSPF中的路由器：

? ? ? ? 區域邊界路由器ABR、主干路由器BR、自治系統邊界路由器ASBR

（7）其他特點

????????對于不同類型的業務可計算出不同的路由。

????????可實現多路徑間的負載均衡（load balancing）。

????????所有在 OSPF 路由器之間交換的分組都具有鑒別的功能。

????????支持可變長度的子網劃分和無分類編址 CIDR。

????????32 位的序號，序號越大狀態就越新。全部序號空間在 600 年內不會產生重復號。

2.OSPF的五種分組類型

（1）問候分組

（2）數據庫描述分組

（3）鏈路狀態請求分組

（4）鏈路狀態更新分組

（5）鏈路狀態確認分組

3.OSPF工作過程

（1）確認鄰戰可達

? ? ? ? 相鄰路由器每隔10秒要交換一次問候分組；

? ? ? ? 若有40秒沒收到某個相鄰路由器發來的問候分組，則認為該相鄰路由器是不可達的。

（2）同步鏈路狀態數據庫

? ? ? ??同步：指不同路由器的鏈路狀態數據庫內容是一樣的。

? ? ? ? 兩個同步的路由器叫做完全鄰接的路由器。

? ? ? ? 不是完全鄰接的路由器：它們雖然是物理上相鄰的，但是其鏈路狀態數據庫并沒有達成一致。

（3）更新鏈路狀態

????????只要鏈路狀態發生變化，路由器就使用鏈路狀態更新分組，采用可靠的洪泛法向全網更新鏈路狀態；為確保鏈路狀態數據庫與全網的狀態保持一致，OSPF 還規定：每隔一段時間，如 30 分鐘，要刷新一次數據庫中的鏈路狀態。

4.OSPF優點：OSPF 鏈路狀態只涉及相鄰路由器，與整個互聯網的規模并無直接關系，因此當互聯網規模很大時，OSPF 協議要比距離向量協議 RIP 好得多；OSPF 沒有“壞消息傳播得慢”的問題，收斂數度快。

5.指定路由器DR：多點接入的局域網采用了指定的路由器 DR (designated router) 的方法，使廣播的信息量大大減少。指定的路由器代表該局域網上所有的鏈路向連接到該網絡上的各路由器發送狀態信息。

（四）外部網關協議BGP

由于（1）互聯網的規模太大，使得自治系統AS之間路由選擇十分困難；

? ? ? ?（2）自治系統AS之間的路由選擇必須考慮到有關策略。所以不同的自治系統AS之間不能使用內部網關協議。

BGP是不同自治系統的路由器之間的交換路由信息的協議，現在使用的是第4個版本BGP-4。

1.協議BGP的主要特點：

（1）用于自治系統AS之間的路由選擇（也要運行在AS內部）；

（2）只能是力求選擇出一條能夠到達目的網絡且比較好的路由（不能兜圈子），而并非要計算出一條最佳路由；

（3）這里所說的BGP路由，是指經過哪些自治系統AS，可以到達目的網絡前綴；

（3）采用了路徑向量路由選擇協議。

2.BGP路由

????????在一個自治系統AS中有兩種不同功能的路由器即邊界路由器（邊界網關）和內部路由器；一個AS至少有一個邊界路由器和相鄰的AS的邊界路由器直接相連。

（1）BGP發言者：

????????對等BGP發言者（邊界路由器）在AS之間交換信息；在兩個邊界路由器進行通信時，必須先建立TCP連接，這種TCP連接又被稱為半永久性連接（雙方交換完信息后仍然保持著連接狀態）

（3）eBGP連接和iBGP連接：

?????????eBGP連接：

????????????????在AS自治系統之間，BGP發言者在半永久性TCP連接上建立BGP會話，這種連接又稱為eBGP連接；運行eBGP協議，在不同AS之間交換路由信息。

????????iBGP連接：

????????????????在AS自治系統內部，任何相互通信的兩個路由器之間必須有一個邏輯連接（也使用TCP連接）。

????????????????AS內部所有的路由器之間的通信是全連通的，這種連接常被稱為iBGP連接；運用iBGP協議，在AS內部的路由器之間交換BGP路由信息；協議BGP規定，在一個AS內部所有的iBGP必須是全連通的，即使兩個路由器之間沒有物理連接，但是它們之間仍然有iBGP連接。

????????同一個協議BGP使用的報文類型、使用的屬性、使用的狀態機等都完全一樣，但是他們在通報前綴時采用的規則不同：在eBGP連接的對等端得知的前綴信息可以通報給一個iBGP連接的對等端，反過來也是可以的；從iBGP連接的對等端得知的前綴信息，則不能通報給另一個iBGP連接的對等端。

（3）BGP路由的一般格式

BGP路由=[前綴，BGP屬性]=[前綴，AS-PATH，NEXT-HOP]

（1）前綴：通告的BGP路由終點（子網前綴），指明到哪一個子網。

（2）BGP屬性：自治系統路徑（AS-PATH）；下一跳（NEXT-HOP）

3.三種不同的自治系統AS

（1）末梢AS：不會把來自其他AS的分組在轉發到另一個AS,必須向所連接的AS付費。

（2）多歸屬AS：同時連接到兩個或兩個以上的AS，增加連接的可靠性。

（3）穿越AS：為其他的AS有償轉發分組。

（4）對等AS：經過實現協商的兩個AS，彼此之間的發送或接收分組都不收費。

*在屬性AS-PASH中不允許出現相同的AS號可以有效避免兜圈子

4.BGP的路由選擇

（1）本地偏好值最高的路由（默認值=100）：LOCAL-PREF值較高的路由優先；

（2）AS條數最小的路由；

（3）使用熱土豆路由選擇算法（分組在AS內的轉發次數最少）；

（4）路由器BGP ID數值最小的路由，具有多個接口的路由器有多個IP地址。BGP ID就使用該路由器的IP地址中數值最大的一個。

5.BGP-4的四種報文

（1）OPEN（打開）：用來與相鄰的另一個BGP發言者建立關系，使通信初始化。

（2）UPDATE（更新）：用來通告某一路由的信息，以及列出要撤銷的多條路由。

（3）KEEPALIVE（保活）：用來周期性地證實鄰站的連通性。

（4）NOTIFICATION（通知）：用來發送檢測到的差錯。

6.BGP報文具有通用首部

（五）路由器的構成

? ? ? ? 路由器是一種具有多個輸入端口和輸出端口的專用計算機，路由器工作在網絡層，用于互連網絡；是互聯網中的關鍵設備；路由器的主要工作：轉發分組，把從某個輸入端口收到的分組，按照分組要去的目的地（目的網絡），把該分組從路由器的某個合適的輸出端口轉發給下一跳路由器。

1.路由器的結構

????????整個的路由器結構可以劃分為“路由選擇”和“分組轉發”兩大部分。

（1）路由選擇部分：

? ? ? ? 涉及很多路由器；

????????路由選擇部分也叫做控制部分，或控制層面，其核心構件是路由選擇處理機；

? ? ? ? 路由選擇處理機的任務是根據所選定的路由選擇協議構造出路由表，同時經常或定期地和相鄰路由器交換路由信息而不斷地更新和維護路由表。

????????根據路由選擇算法，根據網絡拓撲的變化情況，動態地改變所選擇的路由，并由此構造出整個的路由表；涉及到很多路由器；路由表一般僅包括從目的網絡到下一跳（用IP地址表示）的映射。

（2）分組轉發部分：

? ? ? ? 僅涉及一個路由器；

????????分組轉發部分也叫做數據層面；

????????根據轉發表將用戶的IP數據報從合適的端口轉發出去；僅涉及到一個路由器；轉發表是從路由表得出的；轉發表必須包含完成轉發功能所需的信息；每一行必須包含從要到達的目的網絡到輸出端口和某些MAC地址信息（如下一跳的以太網地址）的映射；

? ? ? ? 它由三部分組成：交換結構、一組輸入端口和一組輸出端口；

2.交換結構

????????交換結構又稱為交換組織，它的作用就是根據轉發表對分組進行處理，將從某個輸入端口進入的分組從一個合適的輸出端口轉發出去。交換結構可以看成“在路由器中的網絡”。

常用交換方法：通過存儲器、通過總線、通過縱橫交換結構。

（1）通過存儲器

????????當路由器的某個輸入端口收到一個分組時，就用中斷方式通知路由選擇處理機，然后分組就從輸入端口復制到存儲器中；

? ? ? ? 路由器處理機從分組首部提取到目的地址，查找路由表，再將分組復制到合適的輸出端口的緩存中。

? ? ? ? 若存儲器的帶寬（讀或寫）為每秒M個分組，那么路由器的交換速率（即分組從術后如端口傳送到輸出端口的速率）一定小于M/2。

（2）通過總線

? ? ? ? 數據從輸入端口通過共享的總線直接傳送到合適的輸出端口，而不需要路由選擇處理機的干預。

? ? ? ? 當分組到達輸入端口時若發現總線忙，則被阻塞而不能通過交換結構，并在輸入端口排隊等待。

? ? ? ? 因為每一個要轉發的分組都要通過這一條總線，因此路由器的轉發帶寬就受總線速率的限制。

（3）通過縱橫交換結構

? ? ? ? 常被稱為互連網絡；

? ? ? ? 它有2N條總線，控制交叉點可以使N個輸入端口和N個輸出端口相連接；

? ? ? ? 當輸入端口收到一個分組時，就把它發送到水平總線上；

? ? ? ? 若通向輸出端口的垂直總線空閑，則將垂直總線與水平總線接通，把該分組轉發到這個輸出端口。若輸出端口已被占用，分組在輸入端口排隊等待；

? ? ? ? 是一種無阻塞的交換結構，分組可以轉發到任何一個輸出端口，只要這個輸出端口沒有被別的分組占用。

二、IP多播

（一）IP多播的基本概念

? ? ? ? 1.IP多播：1988年（時間點）首次提出IP多播的概念，曾被譯為組播，目的是更好地支持一對多通信（一對多通信：一個源點發送到許多個終點）；

????????在互聯網上進行多播就叫做IP多播，能夠運行多播協議的路由器稱為多播路由器，多播路由器也能轉發普通的單播IP數據報。1992 年起，在互聯網上開始試驗虛擬的多播主干網 MBONE。

? ? ? ? 2.多播可大大節約網絡資源：采用單播方式向90臺主機傳送同樣的視頻節目，需要發送90個單播；而采用多播方式只需要發送一次到多播組，路由器復制分組，局域網具有硬件多播功能不需要復制分組。當多播組的主機數很大時，采用多播方式就可明顯地減輕網絡中各種資源的消耗。

? ? ? ? 3.多播IP地址：在IP多播數據報的目的地址需要寫入多播組的標識符，多播組的標識符就是IP地址中的D類地址（多播地址），地址范圍：224.0.0.0~239.255.255.255，每一個D類地址標志一個多播組。（多播地址只能用于目的地址，不能用于源地址）

? ? ? ? 4.多播數據報：與一般的IP數據報相比，目的地址使用D類IP地址；協議字段=2，表明使用網際組管理協議IGMP。盡最大努力交付，不保證一定能夠交付多播組內的所有成員；對多播數據報不產生ICMP差錯報文；在PING命令后面鍵入多播地址，將永遠不會收到響應。

（二）在局域網上進行硬件多播

????????IANA 擁有的以太網地址塊的高 24 位為 00-00-5E；TCP/IP 協議使用的以太網地址塊的范圍是00-00-5E-00-00-00~00-00-5E-FF-FF-FF IANA 只拿出 01-00-5E-00-00-00 到 01-00-5E-7F-FF-FF （223 個地址）作為以太網多播地址。或者說，在 48 位的多播地址中，前 25 位都固定不變，只有后 23 位可用作多播。

（三）網際管理協議IGMP和多播路由選擇協議

????????1.IP多播兩種協議：

? ? ? ? （1）網際組管理協議IGMP：使多播路由器知道多播組成員信息（有無成員）。IGMP協議是讓連接到本地局域網上的路由器知道本局域網上是否有主機參加或退出某個多播組，IGMP不知道IP多播組包含的成員數，也不知道這些成員分布在哪些網絡。

? ? ? ? （2）多播路由選擇協議：使多播路由器協同工作，把多播數據報最小代價傳送給多播組的所有成員。

????????2.網際組管理協議IGMP：IGMP協議是讓連接到本地局域網上的路由器知道本局域網上是否有主機參加或退出某個多播組，IGMP不知道IP多播組包含的成員數，也不知道這些成員分布在哪些網絡。

? ? ? ? 3.多播路由器選擇協議：

????????多播轉發必須動態地適應多播組成員的變化（這時網絡拓撲并未發生變化），因為每一臺主機可以隨時加入或離開一個多播組。多播路由器在轉發多播數據報時，不能僅僅根據多播數據報中的目的地址，還要考慮這個多播數據報從什么地方來和要到什么地方去。多播數據報可以由沒有加入多播組的主機發出，也可以通過沒有組成員的接入網絡。