網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)基礎(chǔ)

2019-11-05 00:34:26

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供稿：網(wǎng)友

　　何為路由？
　　
　　　　所謂路由就是指通過相互連接的網(wǎng)絡(luò)把信息從源地點(diǎn)移動到目標(biāo)地點(diǎn)的活動。一般來說，在路由過程中，信息至少會經(jīng)過一個或多個中間節(jié)點(diǎn)。通常，人們會把路由和交換進(jìn)行對比，這主要是因?yàn)樵谄胀ㄓ脩艨磥韮烧咚鶎?shí)現(xiàn)的功能是完全一樣的。其實(shí)，路由和交換之間的主要區(qū)別就是交換發(fā)生在OSI參考模型的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），而路由發(fā)生在第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。這一區(qū)別決定了路由和交換在移動信息的過程中需要使用不同的控制信息，所以兩者實(shí)現(xiàn)各自功能的方式是不同的。
　　
　　　　早在40多年之間就已經(jīng)出現(xiàn)了對路由技術(shù)的討論，但是直到80年代路由技術(shù)才逐漸進(jìn)入商業(yè)化的應(yīng)用。路由技術(shù)之所以在問世之初沒有被廣泛使用主要是因?yàn)?0年代之前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都非常簡單，路由技術(shù)沒有用武之地。直到最近十幾年，大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)才逐漸流行起來，為路由技術(shù)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)和平臺。
　　
　　　　路由技術(shù)的構(gòu)成
　　
　　　　我們通常所說的路由技術(shù)其實(shí)是由兩項(xiàng)最基本的活動組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸信息單元（也被稱為數(shù)據(jù)包）。其中，數(shù)據(jù)包的傳輸和交換相對較為簡單和直接，而路由的確定則更加復(fù)雜一些。
　　
　　　　確定路由
　　
　　　　度量標(biāo)準(zhǔn)（metric），例如路徑長度等，是被路由算法用來計(jì)算和確定到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑的標(biāo)準(zhǔn)。為了幫助確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂剑酚伤惴梢越⒑途S護(hù)路由表。路由表中包含了各種路由信息。路由信息根據(jù)所使用的路由算法的不同而各異。
　　
　　　　路由算法在路由表中寫入各種不同的信息，路由器會根據(jù)數(shù)據(jù)包所要到達(dá)的目的地選擇最佳路徑把數(shù)據(jù)包發(fā)送到可以到達(dá)該目的地的下一臺路由器處。當(dāng)下一臺路由器接收到該數(shù)據(jù)包時，也會查看其目標(biāo)地址，并使用合適的路徑繼續(xù)傳送給后面的路由器。依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最終目的地。
　　
　　　　路由表中還會包含其它一些對路由的計(jì)算和選擇有價(jià)值的信息。路由器通過比較不同路徑的度量值決定最優(yōu)路徑，而具體的度量值則要視所使用的路由算法而定。我們將會在文章稍后對一些較為常用的度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行具體的介紹。
　　
　　數(shù)據(jù)包交換
　　
　　　　交換算法相對路由算法來說更加簡單，而且絕大多數(shù)的路由協(xié)議都可以使用相同的交換技術(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)包的發(fā)送方通過一定的方式獲取到路由器的地址之后，就會把數(shù)據(jù)包以該路由器的物理地址（MAC地址）發(fā)送出去，同時使用網(wǎng)絡(luò)層地址標(biāo)識數(shù)據(jù)包的最終目的地。
　　
　　　　當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包后將查看標(biāo)明其目的地的協(xié)議地址，并決定是否按照該地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到下一臺路由器。假如路由器不知道如何把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其目的地的話，一般會丟棄該數(shù)據(jù)包。假如路由器知道數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，則會將其中的物理地址改為下一臺路由器的地址，然后將其發(fā)送出去。以此類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最終的目的地。在整個過程中，數(shù)據(jù)包的物理地址會隨著移動過程中所經(jīng)過的不同的路由器而變化，但是代表目的地的協(xié)議地址一直保持不變。具體如圖所示：
　　　

　　路由算法
　　
　　　　路由算法主要由幾個要害因素決定。首先，算法的設(shè)計(jì)意圖對路由協(xié)議的實(shí)際運(yùn)作具有很大的影響。其次，目前存在許多不同類型的路由算法，每一種算法對網(wǎng)絡(luò)和路由器資源都有不同的要求和影響。最后，路由算法使用不同的度量標(biāo)準(zhǔn)，從而使最優(yōu)路徑的計(jì)算結(jié)果不同。
　　
　　　　設(shè)計(jì)意圖
　　
　　　　通常，一種路由算法可以體現(xiàn)出以下幾方面的設(shè)計(jì)意圖：
　　
　　　　最優(yōu)性
　　
　　　　簡單，低開銷
　　
　　　　健壯，穩(wěn)定
　　
　　　　快速聚斂
　　
　　　　適用性強(qiáng)
　　
　　　　最優(yōu)性是指路由算法選擇最佳路徑的能力，這主要取決于計(jì)算最佳路徑所使用的度量標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，一種路由算法可以同時采用數(shù)據(jù)包經(jīng)過路由器的跳數(shù)和時延作為度量標(biāo)準(zhǔn)，而其中又以時延為主要標(biāo)準(zhǔn)。每一種路由協(xié)議都必須嚴(yán)格定義度量值的計(jì)算方法。
　　
　　　　路由協(xié)議的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡可能的簡單。換句話說，路由算法必須能夠以最有效的方式發(fā)揮其功能，最大程度的降低軟件和使用開銷。尤其是當(dāng)實(shí)現(xiàn)路由算法的軟件只能在資源有限的機(jī)器上運(yùn)行時，有效性就變得更為重要。
　　
　　　　路由算法必須具有良好的健壯性，能夠在出現(xiàn)異常或突發(fā)事件（例如硬件損壞，負(fù)載過高以及執(zhí)行錯誤等）時正常運(yùn)行。因?yàn)槁酚善魍蔷W(wǎng)絡(luò)的連接節(jié)點(diǎn)，所以假如出現(xiàn)問題將會帶來非常嚴(yán)重的后果。因此，最好的路由算法應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受時間的考驗(yàn)，在不同的網(wǎng)絡(luò)條件下都能夠保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。
　　
　　　　路由算法還應(yīng)當(dāng)能夠快速聚斂。所謂聚斂就是指所有路由器就最優(yōu)路徑重新達(dá)成一致的過程。當(dāng)因?yàn)槟撤N原因使路由器出現(xiàn)問題而無法繼續(xù)正常使用時，路由器會發(fā)出路由更新信息傳遍整個網(wǎng)絡(luò)，重新計(jì)算最優(yōu)路徑，并最終使所有路由器就新路徑達(dá)成一致。聚斂速度慢的路由算法可能會導(dǎo)致路由回路的出現(xiàn)。
　　
　　　　在下圖所示的路由回路中，一個數(shù)據(jù)包在時間t1到達(dá)路由器1。因?yàn)槁酚善?中的信息已經(jīng)被更新，所以該路由器知道到達(dá)數(shù)據(jù)包目的地的最優(yōu)路徑應(yīng)當(dāng)通過路由器2。因此，路由器1把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到路由器2。但是路由器2中的信息沒有被更新，所以仍然認(rèn)為最優(yōu)路徑應(yīng)當(dāng)通過路由器1，并因此把數(shù)據(jù)包又轉(zhuǎn)發(fā)回路由器1。這樣，數(shù)據(jù)包只能在兩臺路由器之間往返傳遞，直到路由器2接收到了路由更新信息或者數(shù)據(jù)包超出了最大存活時間。
　　

　　路由算法還應(yīng)當(dāng)具有非常好的適應(yīng)性，能夠快速準(zhǔn)確的適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。例如，假設(shè)某一個網(wǎng)段出現(xiàn)問題，許多路由協(xié)議都可以快速的選擇新的最佳路徑替代已經(jīng)無法使用的原由路徑。路由算法應(yīng)當(dāng)能夠通過編程，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬，網(wǎng)絡(luò)時延等參數(shù)變量的變化。
　　
　　　　算法類型
　　
　　　　路由算法可以被劃分成許多不同的類型。主要的分類標(biāo)準(zhǔn)如下：
　　
　　　　靜態(tài)vs動態(tài)
　　
　　　　單路徑vs多路徑
　　
　　　　單層結(jié)構(gòu)vs分層結(jié)構(gòu)
　　
　　　　主機(jī)智能vs路由器智能
　　
　　　　域間vs域內(nèi)
　　
　　　　鏈路狀態(tài)vs距離向量
　　
　　　　靜態(tài)vs動態(tài)
　　
　　　　靜態(tài)路由算法并不是一種真正意義上的路由算法，而只是由網(wǎng)絡(luò)治理員在啟動網(wǎng)絡(luò)路由功能之前預(yù)先建立起來的路由映射表。除非治理員人為修改，否則映射表的內(nèi)容不會發(fā)生任何變化。使用靜態(tài)路由的算法在設(shè)計(jì)上非常簡單，主要適合在那些數(shù)據(jù)流量的可猜測性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單的環(huán)境中使用。
　　
　　　　因?yàn)殪o態(tài)路由系統(tǒng)無法對網(wǎng)絡(luò)變化作出響應(yīng)，所以對今天的大型，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)來說并不適用。目前所使用的絕大多數(shù)的主流路由算法都是動態(tài)路由算法，可以通過分析接收到的路由更新信息針對變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境作出相應(yīng)的調(diào)整。假如網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，路由軟件就會重新計(jì)算新路由，并將新的路由更新信息發(fā)送出去。更新信息可以傳遍整個網(wǎng)絡(luò)，所有接收到該信息的路由器都會重新執(zhí)行各自的路由算法，對路由表作出相應(yīng)的修改。
　　
　　　　靜態(tài)路由和動態(tài)路由并不是完全對立的，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，兩者可以有機(jī)的結(jié)合在一起，互為補(bǔ)充。例如，我們可以創(chuàng)建靜態(tài)路由，指定一臺專門的路由器作為最后訴求（last resort）路由器來接收所有無法被正確路由的數(shù)據(jù)包，這樣，我們就可以保證所有的信息都能夠以某種方式被處理。

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