域内路由
发布于 • 作者: Ethan
一、导言：构建互联网的关键要素
路由（Routing）与转发（Forwarding）是网络层的两大核心功能。
- 转发（Forwarding）：根据目的地址与转发表选择输出端口。
- 路由（Routing）：决定转发表应如何构建，即路径选择的过程。
二、转发表与路由表的区别
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路由表（Routing Table）
- 由路由算法动态构建；
- 存储从“网络号”到“下一跳（next hop）”的映射；
- 用于生成转发表。
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转发表（Forwarding Table）
-
在数据包真正转发时使用；
-
每行包含从网络号到输出接口及下一跳 MAC 地址的映射；
-
示例：
网络号 下一跳接口 下一跳MAC地址 10.0.0.0 eth0 00:1A:2B:3C:4D:5E 192.168.1.0 eth1 00:1A:2B:3C:4D:6F
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三、网络视图与最短路径问题
将网络抽象为一个加权有向图：
- 节点（node）代表路由器；
- 边（edge）代表链路；
- 每条边的权值（cost）表示链路代价，如带宽、时延、跳数等。
目标： 找出任意两节点之间的最低代价路径。 例如：路径代价 = 所有边代价之和。
例： 若从 A → B 代价为 2，B → C 代价为 3，则路径 A→B→C 的总代价为 5。
静态配置方式存在以下缺陷：
- 无法处理节点/链路失效；
- 不支持动态拓扑变化；
- 假设链路代价恒定不变。
因此需采用 分布式、动态的路由协议。
四、两大路由协议类型
- 距离向量（Distance Vector）协议
- 链路状态（Link State）协议
五、距离向量算法（Distance Vector Algorithm）
（一）基本原理
- 每个节点维护一维向量，记录到其他所有节点的距离（cost）；
- 每个节点仅与直接邻居交换该向量；
- 初始假设：节点已知与直接邻居的链路代价。
（二）工作过程
- 每隔固定时间 (T) 秒，每个路由器向邻居发送自己的距离表；
- 每个邻居据此更新自身的距离估计；
- 重复该过程直至网络收敛。
该算法本质上是 Bellman-Ford 算法 的分布式实现。
（三）示例：节点 A 的初始与最终路由表
初始表（仅邻居距离已知）
| 目的节点 | 代价 | 下一跳 |
|---|---|---|
| B | 1 | B |
| C | 4 | C |
| D | ∞ | - |
若通过 B 到 D 的代价为 2，则更新后：
| 目的节点 | 代价 | 下一跳 |
|---|---|---|
| D | 3 | B |
六、距离向量算法的缺陷：数到无穷（Count-to-Infinity）
（一）问题现象
当某条链路失效时，错误信息可能在网络中反复传播：
- 节点 A 通知 B：E 不可达（距离∞）；
- B 收到 C 的更新（C 仍认为到 E 距离为 2），遂认为自己可达；
- A 再次根据 B 的更新恢复对 E 的可达；
- 形成循环，距离不断增长，直至达“无穷”。
（二）解决方案
-
设定“无穷”上限 例如在 RIP 协议中，无穷定义为 16 跳。
-
Split Horizon（水平分割） 节点不向某个邻居通告其通过该邻居学到的路径。
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Split Horizon with Poison Reverse（毒性逆转） 节点向邻居通告路径时，明确标注该路径不可达（距离∞），防止环路。
七、RIP 协议（Routing Information Protocol）
-
最早的 IP 动态路由协议（起源于 BSD 1982）；
-
版本：
- RIP v1: [RFC 1058]
- RIP v2: [RFC 2453]
-
特性：
- 链路代价单位为“跳数”；
- 无穷定义为 16；
- 使用 UDP 端口 520 进行更新；
- 每个更新报文可包含最多 25 条路由项。
八、链路状态路由（Link State Routing）
（一）核心思想
每个节点仅发布自己直接相连链路的信息，而非整张路由表。 这种信息称为 LSP（Link State Packet），包含：
| 字段 | 含义 |
|---|---|
| Node ID | 发送者标识 |
| Link Cost | 到每个邻居的链路代价 |
| SEQNO | 序列号（用于检测新旧） |
| TTL | 存活时间 |
（二）可靠泛洪（Reliable Flooding）
-
每个节点存储来自每个节点的最新 LSP；
-
收到新 LSP 时：
- 若是新的，则转发给除来源外的所有邻居；
-
周期性生成新的 LSP（序列号递增）；
-
TTL 递减至 0 时丢弃。
示意： 若 LSP 到达节点 X，X 将其转发至除来源外的其他邻居。 这样整个网络最终都能获得完整拓扑信息。
九、最短路径计算：Dijkstra 算法
每个节点在收集完整拓扑（所有 LSP）后，执行 Dijkstra 算法构建路由表。 常见实现：
- OSPF（Open Shortest Path First）
- IS-IS（Intermediate System to Intermediate System）
这两种算法均被广泛应用于现代 IP 网络。
十、触发泛洪的情景
-
拓扑变化
- 链路或节点失效；
- 链路或节点恢复；
-
配置变化
- 链路代价调整；
-
周期性刷新
- 通常每 30 分钟刷新一次，以防数据损坏。
十一、拓扑变化检测机制
-
Beaconing（信标探测）：
- 周期性发送 “hello” 消息；
- 若连续若干个周期未收到回复，即判定链路失效。
-
性能权衡：
- 检测速度越快 → 误报率与带宽占用越高；
- 检测间隔越长 → 响应更慢但资源消耗低。
十二、距离向量 vs. 链路状态 比较
| 维度 | 距离向量（DV） | 链路状态（LS） |
|---|---|---|
| 收敛速度 | 慢，可能出现数到无穷 | 快，拓扑变化响应迅速 |
| 鲁棒性 | 可能传播错误路径 | 路径计算更稳定 |
| 消息开销 | 定期广播整个表 | 仅更新变化部分 |
| 计算负担 | 低 | 较高（需运行 Dijkstra） |
| 实例 | RIP | OSPF, IS-IS |
十三、规模扩展：分层路由（Hierarchical Routing）
为了应对大型网络的可扩展性问题，采用分层结构：
- 将网络划分为多个 Area（区域）；
- 区域间通过核心区域（Area 0）连接；
- 在 OSPF 中称为 “Areas”，在 IS-IS 中称为 “Levels”。
示例：
Area 0（核心区域） ├─ Area 1 ├─ Area 2 └─ Area 3每个区域内部运行独立的链路状态算法，区域间仅交换汇总路由。
十四、总结
- 转发 与 路由 分工明确；
- 距离向量协议（RIP） 简单易实现但收敛慢；
- 链路状态协议（OSPF、IS-IS） 更复杂但高效稳定；
- 层次化路由 是应对大规模网络的关键机制。