路由器原理及常用的路由協(xié)議、路由算法

近十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，大型互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（如Internet）的迅猛發(fā)展，路由技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中已逐漸成為關(guān)鍵部分，路由器也隨之成為最重要的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。用戶的需求推動(dòng)著路由技術(shù)的發(fā)展和路由器的普及，人們已經(jīng)不滿足于僅在本地網(wǎng)絡(luò)上共享信息，而希望最大限度地利用全球各個(gè)地區(qū)、各種類型的網(wǎng)絡(luò)資源。而在目前的情況下，任何一個(gè)有一定規(guī)模的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（如企業(yè)網(wǎng)、校園網(wǎng)、智能大廈等），無(wú)論采用的是快速以大網(wǎng)技術(shù)、FDDI技術(shù)，還是ATM技術(shù)，都離不開(kāi)路由器，否則就無(wú)法正常運(yùn)作和管理。

1 網(wǎng)絡(luò)互連

把自己的網(wǎng)絡(luò)同其它的網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)，從網(wǎng)絡(luò)中獲取更多的信息和向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布自己的消息，是網(wǎng)絡(luò)互連的最主要的動(dòng)力。網(wǎng)絡(luò)的互連有多種方式，其中使用最多的是網(wǎng)橋互連和路由器互連。

1.1 網(wǎng)橋互連的網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)橋工作在OSI模型中的第二層，即鏈路層。完成數(shù)據(jù)幀（frame）的轉(zhuǎn)發(fā)，主要目的是在連接的網(wǎng)絡(luò)間提供透明的通信。網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)是依據(jù)數(shù)據(jù)幀中的源地址和目的地址來(lái)判斷一個(gè)幀是否應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)到哪個(gè)端口。幀中的地址稱為“MAC”地址或“硬件”地址，一般就是網(wǎng)卡所帶的地址。

網(wǎng)橋的作用是把兩個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連起來(lái)，提供透明的通信。網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備看不到網(wǎng)橋的存在，設(shè)備之間的通信就如同在一個(gè)網(wǎng)上一樣方便。由于網(wǎng)橋是在數(shù)據(jù)幀上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的，因此只能連接相同或相似的網(wǎng)絡(luò)（相同或相似結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)幀），如以太網(wǎng)之間、以太網(wǎng)與令牌環(huán)（token ring）之間的互連，對(duì)于不同類型的網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)不同），如以太網(wǎng)與X.25之間，網(wǎng)橋就無(wú)能為力了。

網(wǎng)橋擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，提高了網(wǎng)絡(luò)的性能，給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用帶來(lái)了方便，在以前的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)橋的應(yīng)用較為廣泛。但網(wǎng)橋互連也帶來(lái)了不少問(wèn)題：一個(gè)是廣播風(fēng)暴，網(wǎng)橋不阻擋網(wǎng)絡(luò)中廣播消息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大時(shí)（幾個(gè)網(wǎng)橋，多個(gè)以太網(wǎng)段），有可能引起廣播風(fēng)暴（broadcasting storm），導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)全被廣播信息充滿，直至完全癱瘓。第二個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)與外部網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)，網(wǎng)橋會(huì)把內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)合二為一，成為一個(gè)網(wǎng)，雙方都自動(dòng)向?qū)Ψ酵耆_(kāi)放自己的網(wǎng)絡(luò)資源。這種互連方式在與外部網(wǎng)絡(luò)互連時(shí)顯然是難以接受的。問(wèn)題的主要根源是網(wǎng)橋只是最大限度地把網(wǎng)絡(luò)溝通，而不管傳送的信息是什么。

1.2 路由器互連網(wǎng)絡(luò)

路由器互連與網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議有關(guān)，我們討論限于TCP／IP網(wǎng)絡(luò)的情況。

路由器工作在OSI模型中的第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。路由器利用網(wǎng)絡(luò)層定義的“邏輯”上的網(wǎng)絡(luò)地址（即IP地址）來(lái)區(qū)別不同的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互連和隔離，保持各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性。路由器不轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息，而把廣播消息限制在各自的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。發(fā)送到其他網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)茵先被送到路由器，再由路由器轉(zhuǎn)發(fā)出去。

IP路由器只轉(zhuǎn)發(fā)IP分組，把其余的部分擋在網(wǎng)內(nèi)（包括廣播），從而保持各個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有相對(duì)的獨(dú)立性，這樣可以組成具有許多網(wǎng)絡(luò)（子網(wǎng)）互連的大型的網(wǎng)絡(luò)。由于是在網(wǎng)絡(luò)層的互連，路由器可方便地連接不同類型的網(wǎng)絡(luò)，只要網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行的是IP協(xié)議，通過(guò)路由器就可互連起來(lái)。

網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備用它們的網(wǎng)絡(luò)地址（TCP／IP網(wǎng)絡(luò)中為IP地址）互相通信。IP地址是與硬件地址無(wú)關(guān)的“邏輯”地址。路由器只根據(jù)IP地址來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。IP地址的結(jié)構(gòu)有兩部分，一部分定義網(wǎng)絡(luò)號(hào)，另一部分定義網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的主機(jī)號(hào)。目前，在Internet網(wǎng)絡(luò)中采用子網(wǎng)掩碼來(lái)確定IP地址中網(wǎng)絡(luò)地址和主機(jī)地址。子網(wǎng)掩碼與IP地址一樣也是32bit，并且兩者是一一對(duì)應(yīng)的，并規(guī)定，子網(wǎng)掩碼中數(shù)字為“1”所對(duì)應(yīng)的IP地址中的部分為網(wǎng)絡(luò)號(hào)，為“0”所對(duì)應(yīng)的則為主機(jī)號(hào)。網(wǎng)絡(luò)號(hào)和主機(jī)號(hào)合起來(lái)，才構(gòu)成一個(gè)完整的IP地址。同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)IP地址，其網(wǎng)絡(luò)號(hào)必須是相同的，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)稱為IP子網(wǎng)。

通信只能在具有相同網(wǎng)絡(luò)號(hào)的IP地址之間進(jìn)行，要與其它IP子網(wǎng)的主機(jī)進(jìn)行通信，則必須經(jīng)過(guò)同一網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)路由器或網(wǎng)關(guān)（gateway）出去。不同網(wǎng)絡(luò)號(hào)的IP地址不能直接通信，即使它們接在一起，也不能通信。

路由器有多個(gè)端口，用于連接多個(gè)IP子網(wǎng)。每個(gè)端口的IP地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)要求與所連接的IP子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)號(hào)相同。不同的端口為不同的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，對(duì)應(yīng)不同的IP子網(wǎng)，這樣才能使各子網(wǎng)中的主機(jī)通過(guò)自己子網(wǎng)的IP地址把要求出去的IP分組送到路由器上。

2 路由原理

當(dāng)IP子網(wǎng)中的一臺(tái)主機(jī)發(fā)送IP分組給同一IP子網(wǎng)的另一臺(tái)主機(jī)時(shí)，它將直接把IP分組送到網(wǎng)絡(luò)上，對(duì)方就能收到。而要送給不同IP于網(wǎng)上的主機(jī)時(shí)，它要選擇一個(gè)能到達(dá)目的子網(wǎng)上的路由器，把IP分組送給該路由器，由路由器負(fù)責(zé)把IP分組送到目的地。如果沒(méi)有找到這樣的路由器，主機(jī)就把IP分組送給一個(gè)稱為“缺省網(wǎng)關(guān)（default gateway）”的路由器上。“缺省網(wǎng)關(guān)”是每臺(tái)主機(jī)上的一個(gè)配置參數(shù)，它是接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)路由器端口的IP地址。

路由器轉(zhuǎn)發(fā)IP分組時(shí)，只根據(jù)IP分組目的IP地址的網(wǎng)絡(luò)號(hào)部分，選擇合適的端口，把IP分組送出去。同主機(jī)一樣，路由器也要判定端口所接的是否是目的子網(wǎng)，如果是，就直接把分組通過(guò)端口送到網(wǎng)絡(luò)上，否則，也要選擇下一個(gè)路由器來(lái)傳送分組。路由器也有它的缺省網(wǎng)關(guān)，用來(lái)傳送不知道往哪兒送的IP分組。這樣，通過(guò)路由器把知道如何傳送的IP分組正確轉(zhuǎn)發(fā)出去，不知道的IP分組送給“缺省網(wǎng)關(guān)”路由器，這樣一級(jí)級(jí)地傳送，IP分組最終將送到目的地，送不到目的地的IP分組則被網(wǎng)絡(luò)丟棄了。

目前TCP／IP網(wǎng)絡(luò)，全部是通過(guò)路由器互連起來(lái)的，Internet就是成千上萬(wàn)個(gè)IP子網(wǎng)通過(guò)路由器互連起來(lái)的國(guó)際性網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)稱為以路由器為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)（router based network），形成了以路由器為節(jié)點(diǎn)的“網(wǎng)間網(wǎng)”。在“網(wǎng)間網(wǎng)”中，路由器不僅負(fù)責(zé)對(duì)IP分組的轉(zhuǎn)發(fā)，還要負(fù)責(zé)與別的路由器進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，共同確定“網(wǎng)間網(wǎng)”的路由選擇和維護(hù)路由表。

路由動(dòng)作包括兩項(xiàng)基本內(nèi)容：尋徑和轉(zhuǎn)發(fā)。尋徑即判定到達(dá)目的地的最佳路徑，由路由選擇算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于涉及到不同的路由選擇協(xié)議和路由選擇算法，要相對(duì)復(fù)雜一些。為了判定最佳路徑，路由選擇算法必須啟動(dòng)并維護(hù)包含路由信息的路由表，其中路由信息依賴于所用的路由選擇算法而不盡相同。路由選擇算法將收集到的不同信息填入路由表中，根據(jù)路由表可將目的網(wǎng)絡(luò)與下一站（nexthop）的關(guān)系告訴路由器。路由器間互通信息進(jìn)行路由更新，更新維護(hù)路由表使之正確反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?，并由路由器根?jù)量度來(lái)決定最佳路徑。這就是路由選擇協(xié)議（routing protocol），例如路由信息協(xié)議（RIP）、開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF）和邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）等。

轉(zhuǎn)發(fā)即沿尋徑好的最佳路徑傳送信息分組。路由器首先在路由表中查找，判明是否知道如何將分組發(fā)送到下一個(gè)站點(diǎn)（路由器或主機(jī)），如果路由器不知道如何發(fā)送分組，通常將該分組丟棄；否則就根據(jù)路由表的相應(yīng)表項(xiàng)將分組發(fā)送到下一個(gè)站點(diǎn)，如果目的網(wǎng)絡(luò)直接與路由器相連，路由器就把分組直接送到相應(yīng)的端口上。這就是路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議（routed protocol）。

路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和路由選擇協(xié)議是相互配合又相互獨(dú)立的概念，前者使用后者維護(hù)的路由表，同時(shí)后者要利用前者提供的功能來(lái)發(fā)布路由協(xié)議數(shù)據(jù)分組。下文中提到的路由協(xié)議，除非特別說(shuō)明，都是指路由選擇協(xié)議，這也是普遍的習(xí)慣。

3 路由協(xié)議

典型的路由選擇方式有兩種：靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由。

靜態(tài)路由是在路由器中設(shè)置的固定的路由表。除非網(wǎng)絡(luò)管理員干預(yù)，否則靜態(tài)路由不會(huì)發(fā)生變化。由于靜態(tài)路由不能對(duì)網(wǎng)絡(luò)的改變作出反映，一般用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定的網(wǎng)絡(luò)中。靜態(tài)路由的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、高效、可靠。在所有的路由中，靜態(tài)路由優(yōu)先級(jí)最高。當(dāng)動(dòng)態(tài)路由與靜態(tài)路由發(fā)生沖突時(shí)，以靜態(tài)路由為準(zhǔn)。

動(dòng)態(tài)路由是網(wǎng)絡(luò)中的路由器之間相互通信，傳遞路由信息，利用收到的路由信息更新路由器表的過(guò)程。它能實(shí)時(shí)地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化。如果路由更新信息表明發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)變化，路由選擇軟件就會(huì)重新計(jì)算路由，并發(fā)出新的路由更新信息。這些信息通過(guò)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)，引起各路由器重新啟動(dòng)其路由算法，并更新各自的路由表以動(dòng)態(tài)地反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?。?dòng)態(tài)路由適用于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，各種動(dòng)態(tài)路由協(xié)議會(huì)不同程度地占用網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU資源。

靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由有各自的特點(diǎn)和適用范圍，因此在網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)路由通常作為靜態(tài)路由的補(bǔ)充。當(dāng)一個(gè)分組在路由器中進(jìn)行尋徑時(shí)，路由器首先查找靜態(tài)路由，如果查到則根據(jù)相應(yīng)的靜態(tài)路由轉(zhuǎn)發(fā)分組；否則再查找動(dòng)態(tài)路由。

根據(jù)是否在一個(gè)自治域內(nèi)部使用，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP）和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（EGP）。這里的自治域指一個(gè)具有統(tǒng)一管理機(jī)構(gòu)、統(tǒng)一路由策略的網(wǎng)絡(luò)。自治域內(nèi)部采用的路由選擇協(xié)議稱為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，常用的有RIP、OSPF；外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議主要用于多個(gè)自治域之間的路由選擇，常用的是BGP和BGP-4。下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

3.1 RIP路由協(xié)議

RIP協(xié)議最初是為Xerox網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的Xerox parc通用協(xié)議而設(shè)計(jì)的，是Internet中常用的路由協(xié)議。RIP采用距離向量算法，即路由器根據(jù)距離選擇路由，所以也稱為距離向量協(xié)議。路由器收集所有可到達(dá)目的地的不同路徑，并且保存有關(guān)到達(dá)每個(gè)目的地的最少站點(diǎn)數(shù)的路徑信息，除到達(dá)目的地的最佳路徑外，任何其它信息均予以丟棄。同時(shí)路由器也把所收集的路由信息用RIP協(xié)議通知相鄰的其它路由器。這樣，正確的路由信息逐漸擴(kuò)散到了全網(wǎng)。

RIP使用非常廣泛，它簡(jiǎn)單、可靠，便于配置。但是RIP只適用于小型的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗试S的最大站點(diǎn)數(shù)為15，任何超過(guò)15個(gè)站點(diǎn)的目的地均被標(biāo)記為不可達(dá)。而且RIP每隔30s一次的路由信息廣播也是造成網(wǎng)絡(luò)的廣播風(fēng)暴的重要原因之一。

3.2 OSPF路由協(xié)議

80年代中期，RIP已不能適應(yīng)大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互連，0SPF隨之產(chǎn)生。它是網(wǎng)間工程任務(wù)組織（1ETF）的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議工作組為IP網(wǎng)絡(luò)而開(kāi)發(fā)的一種路由協(xié)議。