路由選擇,路由選擇過程和原理是什么?

路由選擇是發生在互聯網絡(如通過路由器連接的獨立網絡)上的數據分組轉發過程,如下圖所示。當主機發送數據分組時,它或者是對于同一網絡上的本地主機或者是對于遠程網絡上的主機。如果數據分組沒有本地IP網絡地址,則主機將它發送到默認路由器,該路由器再將它轉發到其他網絡。

下圖中的網絡較為復雜。它包括一個提供多路由路徑的相互連接的網絡組成的網狀網。盡管每個路由器可能有其自己掛接的網絡和主機,但為簡單起見,僅表示出兩個主機。主機A希望將數據分組發送到主機B。這存在多個路徑。主機A將數據分組發送到它的本機掛接的路由器并讓路由器處理轉發。

路由器如何選擇路徑?它查看借助路由協議創建的路由表。通過查看其路由表,路由器A將發現兩條路徑。一個是首選路徑,另一個在首選路徑出故障時使用。管理員可通過設定度量標準來指定首選路徑。

路由器的主要工作就是為經過路由器的每個數據幀尋找一條最佳傳輸路徑，并將該數據有效地傳送到目的站點。路由器使數據分組到達其目的地的下一跳,而不是到目的地的完整路徑?；綢P路由選擇稱為逐跳或者基于目的地的路由選擇。該技術類似于問路,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。在龐大的網狀網中存在很多可能的路徑, 路由器根據路由選擇協議（Routing Protocol）提供的功能，自動學習和記憶網絡運行情況，在需要時自動計算數據傳輸的最佳路徑，避開擁塞或暫時禁用鏈路的路徑。

基于路由器的網絡互聯對于構建可伸縮網絡是重要的。它促進分級網絡結構和網絡尋址方案.數據鏈路層LAN受主機大小和數目的限制。路由選擇有助于網絡超越這些限制而發展。網絡設計者可以使用路由選擇將多個LAN連接到互聯網絡中。在因特網上,路由器允許獨立管理的自治系統(AS)在保持每個網絡的自治性的同時互相連接并交換通信。

路由選擇過程

對早期因特網上的路由器(最初稱為“網關”)的原始要求是,作為一種設備,可以檢查輸入的數據分組并讀取其目的地址,在一個表中查找此地址,然后相應地轉發該數據分組。路由器可能需要將數據分組分段以適合基礎網絡的幀大小。路由器在溢出的情況下可能丟棄數據分組。TCP負責檢測和恢復丟棄的數據分組。

最初,查找表由網絡管理員手動配置,該過程稱為靜態路由選擇。也就是說，該路由是預先設定的，而且不是由“路由信息協議”（RIP）發現的。利用靜態路由選擇功能，您可以為某個IP地址或網絡指派網關。在內部網絡上，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定靜態路由。靜態路由選擇適合于小型網絡和某些專用鏈路,但對于大型網絡,則要求動態路由選擇。當鏈路失效或者重新配置鏈路度量標準時,網絡拓撲結構會隨時更改。動態路由協議必須發現這些更改并更新路由表。

互聯網絡路由選擇過程如圖R-5所示。為簡單起見,網絡的數字IP地址、主機和路由器用縮寫代替。

圖R-5 穿越混合網絡的IP數據分組

1.在源(Al)處,數據報與目的主機(C1)的IP地址一起創建。

2.由于目的網絡地址與當前網絡地址不同,所以主機Al將數據報直接傳送給默認網關、路由器A/B。注意,數據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。數據報被提取出來,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,于是它將數據報放置到與網絡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。數據報被提取出來,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,路由器將數據報置于幀中,附上目標C1的MAC地址,并在網絡上傳輸幀。

主機C1在網絡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,置于許多數據分組中。然后,如果丟失一個數據分組,則只需要重新傳輸該數據分組,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。

路由選擇環境

基本路由選擇概念是自治系統,如圖R-6所示。因特網是以各個服務提供商和電信公司網絡形式存在的自治系統的集合,這些網絡通過路由器、路由協議和路由策略相互連接起來。每個自治系統由它自己的機構管理并實現其內部的路由選擇。一個自治系統基本上是一個路由選擇域。在一個域內使用相同的內部路由協議和算法。OSPF是最常用的內部路由協議。自治系統之間的路由選擇稱為外部路由選擇。BGP是因特網的外部路由協議。內部路由選擇有時稱為“域內路由選擇”,外部路由選擇有時稱為“域間路由選擇”。

圖R-6 自治系統、內部系統和外部系統

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關。邊界路由器還提供關于其所有內部路由到屬于其他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的所有內部網絡。連續網絡地址的范圍可能由單個(較大)的網絡地址表示。該方案大大減少了必須在因特網上存儲和轉發的路由信息量。

因特網由包含本地、區域和主干服務提供商的許多自治系統組成。

路由協議與算法

動態路由協議自動發現網絡上的路由并構建路由表。路由器在轉發數據分組時引用該表。如上所述,有內部和外部路由協議。

現在使用的主要內部路由協議是RIP(路由信息協議)和OSPF(開放式最短路徑優先)。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據包。未確認的可靠數據包最多可以被重傳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是一個內部網關協議，用于屬于單個自治體系（AS）的路由器之間的路由選擇。OSPF 采用鏈路狀態技術，路由器互相發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在OSPF在大型網絡和因特網服務提供商網絡上是最重要的,但RIP對于小型專用網絡仍很普遍。 在自治系統間交換路由信息的主要外部路由協議是BGP(邊界網關協議)。

動態路由協議針對網絡拓撲的變化進行調整,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絡上的路由并更新路由表。

路由器在路由表中存儲有關網絡的信息。這些表包含每個巳知網絡的項以及對通向該網絡的接口的引用。路徑中的下一個路由器根據在已創建的路由表中發現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,因為每個網絡的可達性根據其在網絡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,并且繼續將數據分組轉發到以前的錯誤路由(通常稱為“黑洞”)中。

數年來,已經開發了一些路由協議。這些協議包括距離-向量路由協議和鏈接狀態路由協議,后者是現今大型互聯網絡的首選協議。

? 距離-向量路由選擇 距離-向量路由協議將路由決定建立在距離(跳數)和向量(方向)基礎上。該協議就路徑的遠近判斷其是否最佳。距離可以是中轉的站點（路由或是主機）的數目或是一套經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議有：路由信息協議（RIVv1和v2）和內部網關路由協議IGRP（由 Cisco公司開發）。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可用路由的信息后計算路由。

? 鏈接狀態路由選擇 鏈接狀態路由選擇提供一種構建描述更為精確的互聯網路由的拓撲數據庫的方法。它所進行的工作就是讓網絡中的路由器告知該網絡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布出去，它們只發布其中與相鄰路由器相關的部分。這些協議更適于大型網絡,現在是大多數組織和因特網服務提供商的首選路由選擇方法。Dijkstra算法用于計算路由。

VRRP(虛擬路由器冗余協議)在出現路由器故障的情況下提供不中斷的變更路由。它依賴于靜態配置的冗余路由器。VRRP 協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關集合。如果其中一臺路由器出現故障，會自動啟用另外一臺。兩個或多個路由器建立起一個動態的虛擬集合，每一個路由器都可以參與處理數據，這個集合最大不能超過255個虛擬路由器。

在ATM上的IP環境中處理一些其他路由技術,其中ATM網絡為IP網絡提供數據鏈路層。在該環境中,需要可以發現在ATM網絡邊緣的路由器之間通過ATM網絡的路由的方法。切入路由選擇(有時稱為“快捷路由選擇”)是以通過ATM交換結構的虛電路在端系統之間創建切入路由的方法。前幾個數據分組首先進行路由選擇,但是如果檢測到一個很長的流,則數據源獲得目的地的ATM地址,然后數據源建立通過ATM結構直接到目的地的虛擬連接,交換所有后續數據分組并避開路由器。

MPLS(多協議標記交換)是在IP網絡間傳送QoS和業務流量工程設計的最新解決方案。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境中的虛電路特性。對傳統逐跳路由選擇的另一替代方案是顯式路由選擇。在發送數據分組之前,通過網絡在兩點之間創建路徑。數據分組被附上路徑標記并通過網絡進行交換。

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網絡負載、帶寬特性和抖動/延遲特性的信息。然后,根據不同的約束選擇路徑。管理員可能僅希望平衡通過網絡的負載,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計路由的概念。相反地,高級路由軟件基于當前網絡環境動態地選擇路由。