互聯(lián)網(wǎng)的路由選擇協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)通信的核心，它決定了數(shù)據(jù)包如何在網(wǎng)絡(luò)中傳遞和到達(dá)目的地。本文將介紹幾種常用的路由選擇協(xié)議及其路由選擇算法，幫助基礎(chǔ)小白快速入門(mén)這一重要領(lǐng)域。

路由選擇協(xié)議的基本概念

1. 理想的路由選擇算法

一個(gè)理想的路由選擇算法應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

• 正確性和完整性：算法必須確保沿著各路由表所指引的路由，數(shù)據(jù)包能夠最終到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)和目的主機(jī)。
• 計(jì)算簡(jiǎn)單：路由選擇的計(jì)算不應(yīng)增加過(guò)多的額外通信量。
• 自適應(yīng)性：算法能適應(yīng)通信量和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?#xff0c;及時(shí)調(diào)整路由以均衡各鏈路的負(fù)載。
• 穩(wěn)定性：在網(wǎng)絡(luò)通信量和拓?fù)湎鄬?duì)穩(wěn)定的情況下，路由選擇算法應(yīng)收斂于一個(gè)可接受的解。
• 公平性：路由選擇算法應(yīng)對(duì)所有用戶（除優(yōu)先級(jí)高的用戶）公平。
• 最佳性：路由選擇算法應(yīng)找出最優(yōu)路由，使分組平均時(shí)延最小、網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大。

例如，假設(shè)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)由五個(gè)路由器組成，每個(gè)路由器之間的距離如下圖所示：

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在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，路由選擇算法的任務(wù)就是計(jì)算從某個(gè)結(jié)點(diǎn)（比如A）到其他所有結(jié)點(diǎn)（B、C、D、E）的最短路徑。

路由選擇算法的分類

1. 靜態(tài)路由選擇

靜態(tài)路由選擇，也叫非自適應(yīng)路由選擇，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單和開(kāi)銷較小，但不能及時(shí)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。適用于簡(jiǎn)單的小網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)人工配置每條路由實(shí)現(xiàn)。

2. 動(dòng)態(tài)路由選擇

動(dòng)態(tài)路由選擇，也叫自適應(yīng)路由選擇，其特點(diǎn)是能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，開(kāi)銷也較大。適用于復(fù)雜的大網(wǎng)絡(luò)。例如，動(dòng)態(tài)路由選擇算法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)的通信量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，自動(dòng)調(diào)整路由表，以確保數(shù)據(jù)包能夠通過(guò)最優(yōu)路徑到達(dá)目的地。

分層次的路由選擇協(xié)議

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互聯(lián)網(wǎng)采用分層次的路由選擇協(xié)議，主要分為兩個(gè)類別：

1. 內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Interior Gateway Protocol, IGP）

在一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)部使用的路由選擇協(xié)議，如RIP和OSPF。

2. 外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（External Gateway Protocol, EGP）

在不同自治系統(tǒng)之間使用的路由選擇協(xié)議，如BGP-4。

路由信息協(xié)議（RIP）

1. 距離向量路由選擇算法

RIP是一種分布式的基于距離向量的路由選擇協(xié)議。其要點(diǎn)如下：

• 每個(gè)結(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)距離向量，記錄本結(jié)點(diǎn)到所有目的結(jié)點(diǎn)的最短距離。
• 當(dāng)與相鄰結(jié)點(diǎn)的距離發(fā)生變化，或收到相鄰結(jié)點(diǎn)發(fā)送的距離向量時(shí)，更新自己的距離向量。
• 當(dāng)距離向量發(fā)生變化時(shí)，向相鄰結(jié)點(diǎn)廣播自己的距離向量。

例如，假設(shè)有三個(gè)路由器R1、R2和R3，初始狀態(tài)下每個(gè)路由器只知道與相鄰路由器之間的距離。經(jīng)過(guò)若干次更新后，所有路由器最終都會(huì)知道到達(dá)任何一個(gè)路由器的最短距離。

2. RIP的工作過(guò)程

• 周期性更新：路由器每隔約30秒向所有相鄰路由器發(fā)送路由更新報(bào)文，并接收相鄰路由器發(fā)送的路由更新報(bào)文。
• 報(bào)文處理：對(duì)收到的路由更新報(bào)文進(jìn)行處理，修改項(xiàng)目中的“下一跳”字段和“距離”字段，然后更新路由表。
• 故障處理：若一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到某條路由項(xiàng)目的更新報(bào)文，則將該路由項(xiàng)目記為無(wú)效。

3. 壞消息傳播得慢

RIP的一個(gè)缺點(diǎn)是壞消息傳播得慢。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能將此信息傳遞到所有路由器。這是RIP的主要缺點(diǎn)之一。

例如，假設(shè)有兩個(gè)路由器R1和R2，R1連接網(wǎng)絡(luò)1和網(wǎng)絡(luò)2，R2連接網(wǎng)絡(luò)2和網(wǎng)絡(luò)3。如果R1到網(wǎng)絡(luò)1的鏈路出現(xiàn)故障，R1需要將此信息傳播給R2。然而，由于RIP的壞消息傳播得慢，R2可能會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)誤以為可以通過(guò)R1到達(dá)網(wǎng)絡(luò)1。

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內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議：OSPF

1. 鏈路狀態(tài)路由選擇算法

OSPF（Open Shortest Path First）是一種基于鏈路狀態(tài)的路由選擇協(xié)議。其要點(diǎn)如下：

• 鏈路狀態(tài)廣播：每個(gè)路由器都向所有其他路由器通告其鏈路狀態(tài)。
• 鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)：每個(gè)路由器都維護(hù)一個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，記錄網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的狀態(tài)。
• Dijkstra算法：每個(gè)路由器使用Dijkstra算法計(jì)算到所有其他路由器的最短路徑。

2. OSPF的工作過(guò)程

• 鏈路狀態(tài)更新：路由器向所有其他路由器發(fā)送鏈路狀態(tài)更新報(bào)文，包含其所有鏈路的狀態(tài)信息。
• 鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)更新：路由器接收到鏈路狀態(tài)更新報(bào)文后，更新其鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。
• 最短路徑計(jì)算：路由器使用Dijkstra算法計(jì)算到所有其他路由器的最短路徑，并更新路由表。

例如，假設(shè)有四個(gè)路由器R1、R2、R3和R4，每個(gè)路由器都有若干鏈路相連。每個(gè)路由器會(huì)向其他路由器通告其鏈路狀態(tài)，所有路由器維護(hù)一個(gè)相同的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)。然后，每個(gè)路由器使用Dijkstra算法計(jì)算到所有其他路由器的最短路徑。

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3. OSPF的優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：由于OSPF采用鏈路狀態(tài)算法，它能迅速適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?#xff0c;收斂速度快。此外，OSPF支持可變長(zhǎng)子網(wǎng)掩碼（VLSM）和區(qū)域劃分，適合大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
• 缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，配置和維護(hù)需要較多的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

4. OSPF的區(qū)域劃分

OSPF引入了區(qū)域（Area）的概念，將一個(gè)自治系統(tǒng)（AS）劃分為多個(gè)區(qū)域。區(qū)域之間通過(guò)骨干區(qū)域（Area 0）互連。這樣做的好處是減少了路由表的大小和鏈路狀態(tài)更新報(bào)文的傳播范圍，減少了網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷。

外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議：BGP

1. 路徑向量路由選擇算法

BGP（Border Gateway Protocol）是一種基于路徑向量的路由選擇協(xié)議。其要點(diǎn)如下：

• 自治系統(tǒng)之間的路由選擇：BGP主要用于不同自治系統(tǒng)之間的路由選擇。
• 路徑向量：每個(gè)BGP路由器維護(hù)一個(gè)路徑向量，記錄到達(dá)每個(gè)目的網(wǎng)絡(luò)的路徑。
• 路徑屬性：BGP路由器根據(jù)路徑屬性選擇最優(yōu)路徑，如路徑長(zhǎng)度、下一跳、自治系統(tǒng)路徑等。

2. BGP的工作過(guò)程

• 路徑通告：BGP路由器向相鄰BGP路由器通告其路徑向量。
• 路徑選擇：BGP路由器根據(jù)路徑屬性選擇最優(yōu)路徑，更新其路徑向量。
• 路徑更新：BGP路由器向相鄰BGP路由器通告其新的路徑向量。

例如，假設(shè)有兩個(gè)自治系統(tǒng)AS1和AS2，AS1中的BGP路由器需要選擇一條路徑到達(dá)AS2中的某個(gè)網(wǎng)絡(luò)。AS1中的BGP路由器會(huì)根據(jù)路徑屬性，如路徑長(zhǎng)度、下一跳、自治系統(tǒng)路徑等，選擇最優(yōu)路徑，并將其通告給相鄰的BGP路由器。

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3. BGP的優(yōu)缺點(diǎn)

• 優(yōu)點(diǎn)：BGP能夠處理非常大的網(wǎng)絡(luò)，適用于互聯(lián)網(wǎng)這樣的大規(guī)模分布式網(wǎng)絡(luò)。它提供了靈活的路徑選擇機(jī)制，能夠根據(jù)多種屬性選擇最優(yōu)路徑。
• 缺點(diǎn)：BGP的配置和維護(hù)較為復(fù)雜，需要專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。由于其收斂速度較慢，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)，可能導(dǎo)致較長(zhǎng)時(shí)間的路由不穩(wěn)定。

4. BGP的路徑屬性

BGP使用多個(gè)路徑屬性來(lái)選擇最優(yōu)路徑，包括：

• AS-PATH：記錄路徑經(jīng)過(guò)的自治系統(tǒng)序列，用于防止環(huán)路。
• NEXT-HOP：下一跳路由器的IP地址。
• LOCAL-PREF：本地優(yōu)先級(jí)，用于選擇出口路由。
• MED（多出口鑒別） ：用于在不同自治系統(tǒng)之間進(jìn)行路由選擇。

5. BGP的應(yīng)用場(chǎng)景

BGP主要用于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商（ISP）之間的路由選擇，以及大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)與ISP之間的路由選擇。它能夠處理復(fù)雜的路由策略和路徑選擇，是互聯(lián)網(wǎng)的核心路由協(xié)議。

互聯(lián)網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際的互聯(lián)網(wǎng)中，路由選擇協(xié)議的選擇和配置非常重要。不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和需求可能需要不同的路由選擇協(xié)議。例如，一個(gè)小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能使用RIP，而一個(gè)大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)或ISP可能使用OSPF和BGP的組合。

總結(jié)

通過(guò)本文的介紹，我們了解了互聯(lián)網(wǎng)中幾種常用的路由選擇協(xié)議及其路由選擇算法。理想的路由選擇算法應(yīng)具備正確性、計(jì)算簡(jiǎn)單、自適應(yīng)性、穩(wěn)定性、公平性和最佳性?；ヂ?lián)網(wǎng)采用分層次的路由選擇協(xié)議，主要分為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。RIP作為一種基于距離向量的路由選擇協(xié)議，雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但也存在壞消息傳播得慢的缺點(diǎn)。OSPF作為一種基于鏈路狀態(tài)的路由選擇協(xié)議，能夠更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化。BGP作為一種基于路徑向量的路由選擇協(xié)議，主要用于不同自治系統(tǒng)之間的路由選擇。
圖文來(lái)源：《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教程》第六版微課版