什麼是路由

在基于 TCP/IP 的網絡中，所有數據的流向都是由IP地址來指定的，網絡協議根據報文的目的地址将報文從适當的接口發送出去。而路由就是指導報文發送的路徑信息。

就像實際上生活中交叉路口的路标一樣，路由信息在網絡路徑的交叉點（路由器）上标明去往目标網絡的正确途徑，網絡層協議可以根據報文的目的地查找到對應的路由信息，把報文按正确的途徑發送出去。

一般一條路由信息至少包含以下幾方面内容：目标網絡，用以配置報文的目的地址，進行路由選擇；下一跳，指明路由的發送路徑；Metric、路由權，标示路徑的好環，是進行路由選擇的标準。

例如，在上圖中路由器上有一條去往目标網絡 N 的路由，下一跳是R1。所有經過此路由器的去往目标網絡 N 的報文都被轉發到路由器R1 上去，再重複這種路由過程，直到到達正确的目的地。

路由的分類

通常情況下，指導 IP 轉發的路由信息可以通過如下三種不同的途徑來獲得：

靜态路由 —— 由系統管理員手動配置的到目标網絡的唯一路徑，當網絡結構發生變化時也必須由系統管理員手動的修改配置。但合理的使用靜态路由可以改進網絡的性能，為重要的應用保存帶寬。

缺省路由 —— 由系統管理員手動配置的一種特殊路由，可以将所有找不到匹配路由的報文轉發到指定的缺省網關。

動态路由 —— 由動态路由協議從其他路由器學到的到達目标網絡的發送路徑，可以根據網絡結構的變化動态地更新路由信息。

對網絡拓撲變化的适應性

網絡的配置不同決定了其對網絡拓撲結構變化的适應能力，這取決于網絡中是否使用動态路由協議。

靜态路由信息可以指導報文的正常轉發。再如圖所示的網絡中，為到達目标網絡 N2 ，在路由器A上配置靜态路由指向路由器 D ，在路由器 D 上配置靜态路由指向路由器 C ，這樣，從網絡 N1 發往 N2 的報文就可以經過路由器A、D、C 最後到達目标網絡 N2。

但假如從路由器 A 到 D 的通路出現了問題，那麼路由器 A 就不能根據靜态路由的指示将報文發送到路由器 D 上去。如果想要保證網絡的暢通，就必須由網管員手動配置一條經由路由器B的靜态路由，這樣，報文就可以經由路由器 A、B、C ，最後到達目标網絡。

如果網絡中運行了某種動态路由協議（如 RIP 協議）情況就會有所不同。當經由路由器 D 的路由失效之後，路由器之間會通過動态路由協議的路由信息傳遞，自動的發現另外一條到達目标網絡經由路由器 B 的路由，并修改路由表，指導報文進行正确的轉發。

路由權

路由算法修改路由表的基本目的是将最好路由信息添加到路由表中，路由的好壞是由路由算法根據自己獲得的路由信息計算出來的。對于每一條路由，路由算法産生一種權值來表示路由的好壞。通常情況下，這種權值越小，該路徑越好。

路由權的計算可能基于路徑某單一特性計算，也可能基于路徑多種屬性進行計算。有幾種路徑特性經常被用于權值計算，如下：

帶寬—— 鍊路的數據容量。例如，通常情況下10M 以太網鍊路比64K 出租線路要更好。

時延—— 報文從到達目标網絡所需要的時間。

負載—— 處于活躍狀态的網絡資源數量。

可靠性—— 每條數據鍊路的出錯率。

跳數—— 報文到目的地需要經過的網絡數。

開銷—— 一種人為設定的值，通常由網絡管理員根據帶寬、線路價格或其他一些因素綜合得出。

路由優先級

前面講過，各個路由協議都有自己的标準來衡量路由的好壞（有的采用下一跳次數、有的采用帶寬、有的采用時延，一般在路由數據中用度量 Metric 來量化），并且每個路由協議都試圖将自己認為是最好的路由送到路由表中，這樣我們就有可能從不同的協議得到到達同一目标網絡的不同路由。盡管每個路由協議都給出了度量值，但是由于各個協議所采用度量值的含意不同，它們之間沒有可比性。這就需要有種策略來決定使用哪一條路由。按照策略，判斷最優的路由，我們才将它加入路由表，利用它來進行包的轉發。

通常，我們使用路由優先級來判斷不同路由協議所獲得路由的好壞。每一種路由協議都由自己的優先級，當不同路由協議之間的路由發生沖突時，選擇其中優先級最高的路由協議獲得的路由。路由優先級是根據路由算法的優劣等因素得出的經驗數值，也可以由網管員手動修改。

在上圖中，三種路由協議 RIP 、OSPF 、IGRP 各自得到了一條到達目标網絡10.0.0.0 的路由。我們假定三種協議之間的路由優先級的次序是OSPF > IGRP > RIP ，則最終選定 OSPF 路由作為最優路由。

自治系統

為了便于網絡的管理，人為地将互聯網劃分成若幹自治系統。每一個自治系統由一組在統一的機構管理下的路由器組成，整個系統對外呈現統一的路由機制，并被看成獨立的網絡組成單元。

自治系統由一個16bit 的整數标示，這個整數被稱作自治系統号。自治系統号是由 NIC（Network Information Center）統一分配和管理的。

IGP和EGP

從上一節所定義的自治系統我們可以把網絡化分成若幹區域，從而可以标示路由協議的作用範圍。根據路由協議的不同作用範圍，我們可以将路由協議劃分成域内路由協議（IGP）和域間路由協議（EGP）。

顧名思義，域内路由協議的作用範圍被限制在自治系統内部，而域間路由協議适用于不同自治系統間的路由交換。

IGP 包括 RIP、IGRP、OSPF、IS-IS 等，而 EGP 目前隻有 BGP 協議。

按尋徑算法劃分路由協議

根據尋徑算法，單播路由協議可分成距離矢量協議（Distance-Vector）和鍊接狀态協議（Link-State）。距離矢量協議包括 RIP、IGRP、EIGRP、BGP，鍊接狀态協議包括 OSPF、IS-IS。

距離矢量算法

距離矢量算法是動态路由協議常用的一種路由算法，其基本原理就是運用矢量疊加的方式獲取和計算路由信息。

所謂距離矢量即是将一條路由信息考慮成一個由目标和距離（用 Metric 來度量）組稱的矢量，每一台路由器從其鄰居處獲得路由信息，并在每一條路由信息上疊加從自己到這個鄰居的距離矢量，從而形成自己的路由信息。

在上圖所示的例子中，路由器 I 從路由器 J 獲得到達目标網絡 N 的路由信息（N，M2），其中 N 标示目标網絡，M2 标示距離長短的 Metric 值。并且在這條矢量數據上疊加從 I 到 J 的距離矢量（J，M1），形成從I 到目标網絡 N 的路由信息（N，M），其中M = M1 M2 。

這種過程發生在路由器的各個鄰接方向上，通過這種方法路由器可以獲得到達網絡中目标網絡的途徑和距離，并從中選擇最佳路徑形成和維護自己的路由表。

距離矢量協議

距離矢量協議直接傳送各自的路由表信息。網絡中的路由器從自己的鄰居路由器得到路由信息，并将這些路由信息連同自己的本地路由信息發送給其他鄰居，這樣一級級的傳遞下去以達到全網同步。每個路由器都不了解整個網絡拓撲，它們隻知道與自己直接相連的網絡情況，并根據從鄰居得到的路由信息更新自己的路由表。

距離矢量協議無論是實現還是管理都比較簡單，但是它的收斂速度慢，報文量大，占用較多網絡開銷，并且為避免路由環路得做各種特殊處理。

目前基于距離矢量算法的協議包括 RIP、IGRP、EIGRP、BGP。其中 BGP 是距離矢量協議變種，它是一種路徑矢量協議。

鍊路狀态協議

鍊接狀态協議傳送路由器之間的連接狀态，每個路由器将自己所知道的鍊路狀态通知其他路由器。這樣網絡中的路由器都知道整個網絡拓撲結構，路由根據 SPF（Shortest Path First）算法得出。基于鍊路狀态算法的協議結構複雜，難于管理。但由于每一台路由器都了解全網的拓撲結構，所以不用擔心路由環路的影響，同時它的收斂速度快，需要傳遞的信息量少，可以節省網絡帶寬。

典型的基于鍊路狀态算法的協議有 OSPF 和 IS-IS。

路由環路問題

路由環路問題是當網絡拓撲結構發生變化，由于網絡中存在的環狀結構所引發的。上圖是一個簡單的例子。

如圖所示，路由器 D 與目标網絡 N 直接相連，而路由器 A、B、C 之間組成了一個環形網絡，連接路由器的路徑旁邊的數字顯示了路徑對應的權值。這樣在路由器 A 上就有一條經過路由器 D 的去往目标網絡的路由，權值為 1，而路由器 B、C 上分别有一條經過路由器 A 的去往目标網絡的路由，權值為2。假設，路由器 A 與 D 之間的通信出現了問題，這時候就有可能産生路由環路問題，并導緻慢收斂。為了簡單起見，我們假設所有的路由器都同時發送路由更新報文，下表顯示了路由器 A、B、C 上到達目标網絡的路由随時間的變化。

雖然算法最終收斂，但在漫長的收斂過程中在各個路由器上的路由并不能反映網絡的真實結構，A、B、C 三台路由器之間相互欺騙，把錯誤的路由信息在網絡中相互傳遞。

計算到無窮

仍然考慮如前面的網絡結構，這裡我們假設路由器 C 與 D 之間沒有直接的通路相連，這時再斷掉路由器A與D之間的連接，循環路由就會持續進行下去，錯誤的路由在路由環中一直傳播下去。在前面所述的例子中，這種循環最終會停下來是因為路由器 C 得到了一條更好的路由（D，10），從而中止了路由循環的繼續傳播。現在這個中止條件沒有了，路由信息的循環累加就會不停的繼續下去，直到路由權值累加到無窮大。這就被稱為計算到無窮問題。

解決路由環問題的幾種方法

為解決路由環問題首先要設定一個最大值作為路由權的無窮大值，這個數值通常要根據協議的路由權值的計算方法而定。比如在 RIP 中以跳數來作為路由權的度量，它的最大值就是 16，也就是說如果某條路由的 Metric 值為 16 就表示這條路由不可達。

最大值的設定隻能解決無限循環的問題，而并不能解決慢收斂問題。路由環路産生的一個重要原因就是不正确的路由信息通過獲得這條信息的接口再發送回去，替代了新的正确的路由，這也就導緻了錯誤路由信息的循環往複。如在我們前面提到的例子中，正是因為路由器 C 将從路由器A上得到的路由信息有發送回路由器 A，才會導緻路由的循環依賴。由此我們得到一個解決路由環路的方法：水平分割。水平分割就是從某個接口接收到的路由信息不再從這個接口發送回去，從而避免錯誤的路由信息被使用。

另一個方法就是路由保持法，也就是将路由的不可達狀态保持一段時間，在這段時間内不對這條路由作任何修改，直到這條路由的不可達狀态被盡可能的擴散出去。這樣也可以防止錯誤路由的傳播。

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