1、课件制作人：谢希仁6.5 因特网的路由选择协议6.5.1 有关路由选择协议的几个基本概念1.理想的路由算法n算法必须是正确的和完整的。n算法在计算上应简单。n算法应能适应通信量和网络拓扑的变化，这就是说，要有自适应性。n算法应具有稳定性。n算法应是公平的。n算法应是最佳的。课件制作人：谢希仁代价 n在研究路由选择时，需要给每一条链路指明一定的代价。n这里“代价”并不是指“钱”，而是由一个或几个因素综合决定的一种度量(metric)，如链路长度、数据率、链路容量、是否要保密、传播时延等，甚至还可以是一天中某一个小时内的通信量、结点的缓存被占用的程度、链路差错率等。课件制作人：谢希仁最佳路由 n不
2、存在一种绝对的最佳路由算法。n所谓“最佳”只能是相对于某一种特定要求下得出的较为合理的选择而已。n实际的路由选择算法，应尽可能接近于理想的算法。n路由选择是个非常复杂的问题n它是网络中的所有结点共同协调工作的结果。n路由选择的环境往往是不断变化的，而这种变化有时无法事先知道。课件制作人：谢希仁从路由算法 的自适应性考虑n静态路由选择策略即非自适应路由选择，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。n动态路由选择策略即自适应路由选择，其特点是能较好地适应网络状态的变化，但实现起来较为复杂，开销也比较大。课件制作人：谢希仁2.分层次的路由选择协议n因特网采用分层次的路由选择协议。n因特
3、网的规模非常大。如果让所有的路由器知道所有的网络应怎样到达，则这种路由表将非常大，处理起来也太花时间。而所有这些路由器之间交换路由信息所需的带宽就会使因特网的通信链路饱和。n许多单位不愿意外界了解自己单位网络的布局细节和本部门所采用的路由选择协议（这属于本部门内部的事情），但同时还希望连接到因特网上。课件制作人：谢希仁自治系统(autonomous system)n因特网将整个互联网划分为许多较小的自治系统 AS。n一个自治系统是一个互联网，其最重要的特点就是自治系统有权自主地决定在本系统内应采用何种路由选择协议。n一个自治系统内的所有网络都属于一个行政单位(例如，一个公司，一所大学，政府的一
4、个部门，等等)来管辖。n一个自治系统的所有路由器在本自治系统内都必须是连通的。课件制作人：谢希仁因特网有两大类路由选择协议 n内部网关协议 IGP(Interior Gateway Protocol)即在一个自治系统内部使用的路由选择协议。目前这类路由选择协议使用得最多，如 RIP 和 OSPF 协议。n外部网关协议EGP(External Gateway Protocol)若源站和目的站处在不同的自治系统中，当数据报传到一个自治系统的边界时，就需要使用一种协议将路由选择信息传递到另一个自治系统中。这样的协议就是外部网关协议 EGP。在外部网关协议中目前使用最多的是 BGP-4。课件制作人：谢
5、希仁R1H1H2内部网关协议IGP（例如，RIP）自治系统 A自治系统 B自治系统 CIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPIGPEGPEGPEGP内部网关协议IGP（例如，OSPF）外部网关协议EGP（例如，BGP-4）IGPR3R2自治系统和内部网关协议、外部网关协议 课件制作人：谢希仁因特网的路由选择协议 n内部网关协议 IGP：具体的协议有多种，如 RIP 和 OSPF 等。n外部网关协议 EGP：目前使用的协议就是 BGP。课件制作人：谢希仁6.5.2 内部网关协议 RIP(Routing Information Protocol)1.工作原理n路由信息协
6、议 RIP 是内部网关协议 IGP中最先得到广泛使用的协议。nRIP 是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。nRIP 协议要求网络中的每一个路由器都要维护从它自己到其他每一个目的网络的距离记录。课件制作人：谢希仁“距离”的定义 n从一路由器到直接连接的网络的距离定义为 1。n从一个路由器到非直接连接的网络的距离定义为所经过的路由器数加 1。nRIP 协议中的“距离”也称为“跳数”(hop count)，因为每经过一个路由器，跳数就加 1。课件制作人：谢希仁“距离”的定义 nRIP 认为一个好的路由就是它通过的路由器的数目少，即“距离短”。nRIP 允许一条路径最多只能包含 15 个路由器。
7、n“距离”的最大值为16 时即相当于不可达。可见 RIP 只适用于小型互联网。nRIP 不能在两个网络之间同时使用多条路由。RIP 选择一个具有最少路由器的路由（即最短路由），哪怕还存在另一条高速(低时延)但路由器较多的路由。课件制作人：谢希仁RIP 协议的三个要点 n仅和相邻路由器交换信息。n交换的信息是当前本路由器所知道的全部信息，即自己的路由表。n按固定的时间间隔交换路由信息，例如，每隔 30 秒。课件制作人：谢希仁路由表的建立 n路由器在刚刚开始工作时，只知道到直接连接的网络的距离（此距离定义为1）。n以后，每一个路由器也只和数目非常有限的相邻路由器交换并更新路由信息。n经过若干次更新
8、后，所有的路由器最终都会知道到达本自治系统中任何一个网络的最短距离和下一跳路由器的地址。nRIP 协议的收敛(convergence)过程较快，即在自治系统中所有的结点都得到正确的路由选择信息的过程。课件制作人：谢希仁2.距离向量算法收到相邻路由器（其地址为 X）的一个 RIP 报文：(1)先修改此 RIP 报文中的所有项目：将“下一跳”字段中的地址都改为 X，并将所有的“距离”字段的值加 1。(2)对修改后的 RIP 报文中的每一个项目，重复以下步骤：若项目中的目的网络不在路由表中，则将该项目加到路由表中。否则 若下一跳字段给出的路由器地址是同样的，则将收到的项目替换原路由表中的项目。否则
9、若收到项目中的距离小于路由表中的距离，则进行更新，否则，什么也不做。(3)若 3 分钟还没有收到相邻路由器的更新路由表，则将此相邻路由器记为不可达的路由器，即将距离置为16（距离为16表示不可达）。(4)返回。课件制作人：谢希仁路由器之间交换信息 nRIP协议让互联网中的所有路由器都和自己的相邻路由器不断交换路由信息，并不断更新其路由表，使得从每一个路由器到每一个目的网络的路由都是最短的（即跳数最少）。n虽然所有的路由器最终都拥有了整个自治系统的全局路由信息，但由于每一个路由器的位置不同，它们的路由表当然也应当是不同的。课件制作人：谢希仁1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2
10、1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 一开始，各路由表只有到相邻路由器的信息网 3网 2网 4网 6网 5网 1“4”表示“从本路由器到网 4”“1”表示“距离是 1”“”表示“直接交付”课件制作人：谢希仁1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后A 说：“我到网 1 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 1，距离是 2，
11、经过 A。”课件制作人：谢希仁1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后A 说：“我到网 2 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 2，距离是 2，经过 A。”课件制作人：谢希仁1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网
12、3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后A 说：“我到网 3 的距离是 1。”但 B 没有必要绕道经过路由器 A再到达网 3，因此这一项目不变。课件制作人：谢希仁1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后C 说：“我到网 4 的距离是 1。”但 B 没有必要绕道经过
13、路由器 C再到达网 4，因此这一项目不变。课件制作人：谢希仁1 1 2 1 3 1 FEDCBA5 1 6 1 2 1 5 1 3 1 4 1 4 1 6 1 1 1 5 1 路由器 B 收到相邻路由器 A 和 C 的路由表网 3网 2网 4网 6网 5网 11 1 2 1 3 1 4 1 6 1 1 2 A2 2 A3 1 4 1 6 2 C更新后C 说：“我到网 6 的距离是 1。”因此 B 现在也可以到网 6，距离是 2，经过 C。”课件制作人：谢希仁最终所有的路由器的路由表都更新了FEDCBA1 1 2 1 3 1 4 2 B5 2 E6 3 B1 1 2 2 A3 2 A4 3 A5
14、 1 6 2 F1 2 E2 2 D3 3 C4 2 C5 1 6 1 1 3 B2 3 B3 2 B4 1 5 2 F6 1 网 2网 6网 5网 1网 3网 41 2 A2 1 3 2 A4 3 A5 1 6 2 F1 2 A2 2 A3 1 4 1 5 3 C6 2 C课件制作人：谢希仁RIP 协议的位置 nRIP 协议使用运输层的用户数据报 UDP进行传送（使用 UDP 的端口 520）。n因此 RIP 协议的位置应当在应用层。但转发 IP 数据报的过程是在网络层完成的。课件制作人：谢希仁 4 字节RIP 报文3.RIP2 协议的报文格式 路由信息（20 字节/路由）可重复出现最多 2
15、5 个IP 数据报路由标记网络地址地址族标识符距离(1-16)IP 首部UDP 首部首部路由部分必为 0版本命令 4 字节子网掩码下一跳路由器地址UDP 用户数据报课件制作人：谢希仁RIP2 的报文由首部和路由部分组成。nRIP2 报文中的路由部分由若干个路由信息组成。每个路由信息需要用 20 个字节。地址族标识符（又称为地址类别）字段用来标志所使用的地址协议。n路由标记填入自治系统的号码，这是考虑使RIP 有可能收到本自治系统以外的路由选择信息。再后面指出某个网络地址、该网络的子网掩码、下一跳路由器地址以及到此网络的距离。课件制作人：谢希仁RIP 协议的优缺点 nRIP 存在的一个问题是当网
16、络出现故障时，要经过比较长的时间才能将此信息传送到所有的路由器。n RIP 协议最大的优点就是实现简单，开销较小。nRIP 限制了网络的规模，它能使用的最大距离为 15（16 表示不可达）。n路由器之间交换的路由信息是路由器中的完整路由表，因而随着网络规模的扩大，开销也就增加。课件制作人：谢希仁R2R1网 1网 3网 2正常情况1 1 1 2 R1R1 说：“我到网 1 的距离是 1，是直接交付。”“1”表示“从本路由器到网 1”“1”表示“距离是 1”“”表示“直接交付”课件制作人：谢希仁R2R1网 1网 3网 2正常情况1 1 1 2 R1R2 说：“我到网 1 的距离是 2，是经过 R1
17、。”“1”表示“从本路由器到网 1”“2”表示“距离是 2”“R1”表示经过 R1课件制作人：谢希仁R2R1网 1网 3网 2R2R1网 1网 3网 2网 1出了故障正常情况1 1 1 16 1 2 R11 2 R1R1 说：“我到网 1 的距离是 16（表示无法到达），是直接交付。”但 R2 在收到 R1 的更新报文之前，还发送原来的报文，因为这时 R2 并不知道 R1 出了故障。课件制作人：谢希仁R2R1网 1网 3网 2R2R1网 1网 3网 2网 1出了故障正常情况1 1 1 16 1 2 R11 2 R1R1 收到 R2 的更新报文后，误认为可经过 R2 到达网1，于是更新自己的路由
18、表，说：“我到网 1 的距离是 3，下一跳经过 R2”。然后将此更新信息发送给 R2。1 3 R2课件制作人：谢希仁R2R1网 1网 3网 2R2R1网 1网 3网 2网 1出了故障正常情况1 1 1 16 1 2 R11 2 R1R2 以后又更新自己的路由表为“1,4,R1”，表明“我到网 1 距离是 4，下一跳经过 R1”。1 3 R21 4 R1课件制作人：谢希仁R2R1网 1网 3网 2R2R1网 1网 3网 2网 1出了故障正常情况1 1 1 16 1 3 R21 5 R21 16 R21 2 R11 2 R11 4 R11 16 R1这样不断更新下去，直到 R1 和 R2 到网 1
19、 的距离都增大到 16 时，R1 和 R2 才知道网1是不可达的。这就是好消息传播得快，而坏消息传播得慢。网络出故障的传播时间往往需要较长的时间(例如数分钟)。这是 RIP 的一个主要缺点。课件制作人：谢希仁6.5.3 内部网关协议 OSPF(Open Shortest Path First)1.OSPF 协议的基本特点n“开放”表明 OSPF 协议不是受某一家厂商控制，而是公开发表的。n“最短路径优先”是因为使用了 Dijkstra 提出的最短路径算法SPFnOSPF 只是一个协议的名字，它并不表示其他的路由选择协议不是“最短路径优先”。n是分布式的链路状态协议。课件制作人：谢希仁三个要点
20、n向本自治系统中所有路由器发送信息，这里使用的方法是洪泛法。n发送的信息就是与本路由器相邻的所有路由器的链路状态，但这只是路由器所知道的部分信息。n“链路状态”就是说明本路由器都和哪些路由器相邻，以及该链路的“度量”(metric)。n只有当链路状态发生变化时，路由器才用洪泛法向所有路由器发送此信息。课件制作人：谢希仁链路状态数据库(link-state database)n由于各路由器之间频繁地交换链路状态信息，因此所有的路由器最终都能建立一个链路状态数据库。n这个数据库实际上就是全网的拓扑结构图，它在全网范围内是一致的（这称为链路状态数据库的同步）。nOSPF 的链路状态数据库能较快地进行
21、更新，使各个路由器能及时更新其路由表。OSPF 的更新过程收敛得快是其重要优点。课件制作人：谢希仁OSPF 的区域(area)n为了使 OSPF 能够用于规模很大的网络，OSPF 将一个自治系统再划分为若干个更小的范围，叫作区域。n每一个区域都有一个 32 bit 的区域标识符（用点分十进制表示）。n区域也不能太大，在一个区域内的路由器最好不超过 200 个。课件制作人：谢希仁自治系统 ASOSPF 划分为两种不同的区域 区域 0.0.0.1区域 0.0.0.3主干区域 0.0.0.0至其他自治系统R9R7R6R5R4R3R2R1网 8网 6网 3网 2网 1网 7区域 0.0.0.2网 4网
22、 5R8课件制作人：谢希仁划分区域 n划分区域的好处就是将利用洪泛法交换链路状态信息的范围局限于每一个区域而不是整个的自治系统，这就减少了整个网络上的通信量。n在一个区域内部的路由器只知道本区域的完整网络拓扑，而不知道其他区域的网络拓扑的情况。nOSPF 使用层次结构的区域划分。在上层的区域叫作主干区域(backbone area)。主干区域的标识符规定为0.0.0.0。主干区域的作用是用来连通其他在下层的区域。课件制作人：谢希仁自治系统 AS主干路由器区域 0.0.0.1区域 0.0.0.3主干区域 0.0.0.0至其他自治系统R9R7R6R5R4R3R2R1网 8网 6网 3网 2网 1网
23、 7区域 0.0.0.2网 4网 5R8课件制作人：谢希仁自治系统 AS区域边界路由器 区域 0.0.0.1区域 0.0.0.3主干区域 0.0.0.0至其他自治系统R9R7R6R5R4R3R2R1网 8网 6网 3网 2网 1网 7区域 0.0.0.2网 4网 5R8课件制作人：谢希仁OSPF 直接用 IP 数据报传送 nOSPF 不用 UDP 而是直接用 IP 数据报传送，可见 OSPF 的位置在网络层。nOSPF 构成的数据报很短。这样做可减少路由信息的通信量。n数据报很短的另一好处是可以不必将长的数据报分片传送。分片传送的数据报只要丢失一个，就无法组装成原来的数据报，而整个数据报就必须
24、重传。课件制作人：谢希仁OSPF 的其他特点 nOSPF 对不同的链路可根据 IP 分组的不同服务类型 TOS 而设置成不同的代价。因此，OSPF 对于不同类型的业务可计算出不同的路由。n如果到同一个目的网络有多条相同代价的路径，那么可以将通信量分配给这几条路径。这叫作多路径间的负载平衡。n所有在 OSPF 路由器之间交换的分组都具有鉴别的功能。n支持可变长度的子网划分和无分类编址 CIDR。n每一个链路状态都带上一个 32 bit 的序号，序号越大状态就越新。课件制作人：谢希仁IP 数据报OSPF 分组 IP数据报首部OSPF 分组OSPF 分组首部类型 1 至类型 5 的 OSPF 分组2
25、4 字节081631版 本路 由 器 标 识 符类 型分 组 长 度检 验 和鉴 别比特鉴 别区 域 标 识 符鉴 别 类 型课件制作人：谢希仁2.OSPF 的五种分组类型 n类型1，问候(Hello)分组。n类型2，数据库描述(Database Description)分组。n类型3，链路状态请求(Link State Request)分组。n类型4，链路状态更新(Link State Update)分组，用洪泛法对全网更新链路状态。n类型5，链路状态确认(Link State Acknowledgment)分组。课件制作人：谢希仁OSPF的基本操作 问候问候数据库描述数据库描述数据库描述数
26、据库描述链路状态请求链路状态更新链路状态确认确定可达性达到数据库的同步新情况下的同步课件制作人：谢希仁OSPF 使用的是可靠的洪泛法 t更新报文ACK报文RRRRt1t2t3t4课件制作人：谢希仁OSPF 的其他特点 nOSPF 还规定每隔一段时间，如 30 分钟，要刷新一次数据库中的链路状态。n由于一个路由器的链路状态只涉及到与相邻路由器的连通状态，因而与整个互联网的规模并无直接关系。因此当互联网规模很大时，OSPF 协议要比距离向量协议 RIP 好得多。nOSPF 没有“坏消息传播得慢”的问题，据统计，其响应网络变化的时间小于 100 ms。课件制作人：谢希仁指定的路由器(designat
27、ed router)n多点接入的局域网采用了指定的路由器的方法，使广播的信息量大大减少。n指定的路由器代表该局域网上所有的链路向连接到该网络上的各路由器发送状态信息。课件制作人：谢希仁OSPF 支持三种网络的连接(1)两个路由器之间的点对点连接(2)具有广播功能的局域网(3)无广播功能的广域网课件制作人：谢希仁局域网 L1局域网 L2(a)网络拓扑(b)有向图L1L2W1W3W2DBCAIHGFE12422233341312167788810W4W64W56522544333288131212107616ABHGFECDI广域网 W5广域网 W3广域网 W2广域网 W6广域网 W1广域网 W4
28、课件制作人：谢希仁有向图L1L2W1W3W2DBCAIHGFE12422233341312167788810W4W64W565L1L2W1W3W2DBAIGFE4331216788W4W6W5654以路由器F为根的最短路径树 课件制作人：谢希仁6.7.2 网络地址转换 NAT(Network Address Translation)n网络地址转换 NAT 方法于1994年提出。n需要在专用网连接到因特网的路由器上安装 NAT 软件。装有 NAT 软件的路由器叫做 NAT路由器，它至少有一个有效的外部全球地址 IPG。n所有使用本地地址的主机在和外界通信时都要在 NAT 路由器上将其本地地址转换成 IPG 才能和因特网连接。课件制作人：谢希仁网络地址转换的过程n内部主机 X 用本地地址 IPX 和因特网上主机 Y 通信所发送的数据报必须经过 NAT 路由器。nNAT 路由器将数据报的源地址 IPX 转换成全球地址 IPG，但目的地址 IPY 保持不变，然后发送到因特网。nNAT 路由器收到主机 Y 发回的数据报时，知道数据报中的源地址是 IPY 而目的地址是 IPG。n根据 NAT 转换表，NAT 路由器将目的地址 IPG 转换为 IPX，转发给最终的内部主机 X。
