1 路由協(xié)議
1.1   什么是路由
路由器收到數(shù)據(jù)報(bào)文，查看報(bào)文目的地址并依據(jù)路由表將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)路由器。報(bào)文經(jīng)過路由器多次轉(zhuǎn)發(fā)后到達(dá)目的主機(jī)，路由器的轉(zhuǎn)發(fā)路徑就構(gòu)成了路由的路徑信息。由此可知，路由就是指網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)報(bào)文從源地址傳輸?shù)侥康牡刂返穆窂剑顑?yōu)路徑將會(huì)以路由條目的形式存儲(chǔ)在路由表中。路由過程發(fā)生在TCP/IP協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層，將具有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)稱為廣義上的路由器，這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以是路由器、三層交換機(jī)、防火墻等。
1.2   什么是路由表
路由器如果想要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，需要借助于路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表。路由器根據(jù)路由表進(jìn)行路徑規(guī)劃，通過轉(zhuǎn)發(fā)表執(zhí)行數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。路由表是指路由器中存儲(chǔ)的一張路由信息表，路由表中存儲(chǔ)著各種路由協(xié)議計(jì)算的路由信息。路由表中包含的關(guān)鍵項(xiàng)有目的地址、網(wǎng)絡(luò)掩碼、路由協(xié)議、管理距離、路由開銷、下一跳IP地址以及轉(zhuǎn)發(fā)接口。直連路由、靜態(tài)路由和動(dòng)態(tài)路由協(xié)議計(jì)算出的路由會(huì)存儲(chǔ)于路由表中。在路由表中選擇出最優(yōu)路由路徑后，路由表會(huì)將激活路由下發(fā)到轉(zhuǎn)發(fā)表中，當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)路由器時(shí)，會(huì)通過查找轉(zhuǎn)發(fā)表來進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。
1.3   為什么需要?jiǎng)討B(tài)路由協(xié)議
為實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，路由器通過靜態(tài)路由配置和動(dòng)態(tài)路由協(xié)議兩種方式來獲取路由路徑并維護(hù)路由表。面向當(dāng)前日益變更的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，靜態(tài)路由具有較大的局限性。
1.3.1  靜態(tài)路由配置的局限性
靜態(tài)路由配置是指通過網(wǎng)絡(luò)管理員手工配置固定的路由信息，由此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)。靜態(tài)路由配置方便，但每當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，都需要重新手工配置其路由信息，不能自動(dòng)適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)的更迭。因此靜態(tài)路由配置適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的小型網(wǎng)絡(luò)。靜態(tài)路由配置的局限性如下所示：
●    配置和維護(hù)耗費(fèi)時(shí)間和人力資源。
●    隨著網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，維護(hù)工作會(huì)變得復(fù)雜。
●    配置過程容易出現(xiàn)差錯(cuò)，特別是對(duì)于一些大型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。
●    如果網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)網(wǎng)段出現(xiàn)錯(cuò)誤，無法自適應(yīng)的變更路徑，將導(dǎo)致包含該條路由路徑上的數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出錯(cuò)。
1.3.2  動(dòng)態(tài)路由協(xié)議
通過網(wǎng)絡(luò)管理員配置靜態(tài)路由會(huì)產(chǎn)生巨大的工作量，且后續(xù)維護(hù)工作也難以高效進(jìn)行。為解決這個(gè)問題，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。通過動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，路由器采用鄰居間交換路由或鏈路狀態(tài)信息通告的方式學(xué)習(xí)遠(yuǎn)方的路由，并保持動(dòng)態(tài)更新。相比于靜態(tài)路由配置，采用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議生成路由表信息的方式具有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
●    網(wǎng)絡(luò)管理員只需要對(duì)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議執(zhí)行配置和維護(hù)工作即可，相比于靜態(tài)配置，工作量大大減少。
●    當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變更時(shí)，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議會(huì)自適應(yīng)地更新路由表信息。
●    配置過程不容易出現(xiàn)差錯(cuò)。
●    網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)鏈路故障時(shí)，動(dòng)態(tài)路由協(xié)議將重新規(guī)劃路線，繞開出錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)。
1.4   動(dòng)態(tài)路由協(xié)議分類
常見的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議包括RIP、OSPF、IS-IS、BGP。
按照作用范圍分類：
●    IGP（Interior Gateway Protocol，內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）：在一個(gè)AS（Autonomous System，自治系統(tǒng)）內(nèi)運(yùn)行的協(xié)議，包括RIP，OSPF和IS-IS。
●    EGP（Exterior Gateway Protocol，外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）：在不同AS間運(yùn)行的協(xié)議，有BGP。
圖1-1    IGP和EGP的關(guān)系示意圖

按照路由計(jì)算算法分類：
●    距離矢量路由協(xié)議：協(xié)議包括BGP和RIP。
●    鏈路狀態(tài)路由協(xié)議：協(xié)議包括OSPF和IS-IS。

2 常見的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議
2.1   RIP
在動(dòng)態(tài)路由協(xié)議誕生初期，設(shè)備主要使用RIP（Routing Information Protocol，路由信息協(xié)議）。RIP是一種單播路由協(xié)議，應(yīng)用于IPv4網(wǎng)絡(luò)。RIPng（RIP Next Generation，下一代RIP）是RIP的擴(kuò)展，應(yīng)用于IPv6網(wǎng)絡(luò)，兩者在原理實(shí)現(xiàn)以及功能上相似度較高。運(yùn)行RIP的設(shè)備之間通過交換路由信息，自動(dòng)獲得到達(dá)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的路由。
RIP作為一種距離矢量路由協(xié)議，通過UDP（端口520）報(bào)文進(jìn)行路由信息的交換，RIPng的UDP端口號(hào)為521。RIP使用跳數(shù)（Hop Count）作為其度量的單位來衡量到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的距離。該協(xié)議規(guī)定當(dāng)前設(shè)備與直連網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)為0，對(duì)于非直連網(wǎng)絡(luò)，每經(jīng)過一臺(tái)路由設(shè)備跳數(shù)值加1，為限制收斂時(shí)間，RIP最多允許15跳。若大于15跳，則表示目的網(wǎng)絡(luò)或主機(jī)不可達(dá)?；诖讼拗?，使得RIP在大型網(wǎng)絡(luò)中不適用。
由于RIP協(xié)議的簡(jiǎn)單易用，配置和維護(hù)工作量遠(yuǎn)低于OSPF和IS-IS，所以RIP路由協(xié)議在實(shí)際小型網(wǎng)絡(luò)中仍有廣泛應(yīng)用，例如校園網(wǎng)以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的地區(qū)性網(wǎng)絡(luò)。
2.2   OSPF
OSPF（Open Shortest Path First，開放式最短路徑優(yōu)選）是IETF組織開發(fā)的一個(gè)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。目前針對(duì)IPv4協(xié)議使用的是OSPF Version 2（簡(jiǎn)稱OSPFv2），OSPF Version 3（簡(jiǎn)稱OSPFv3）是為了支持IPv6而對(duì)OSPF協(xié)議進(jìn)行的擴(kuò)展。
OSPF采用SPF（Shortest Path First，最短路徑）算法。通過LSA（Link State Advertisement，鏈路狀態(tài)通告）來轉(zhuǎn)載和傳輸鏈路狀態(tài)信息，以此來描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并依據(jù)此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成SPT（Shortest Path Tree，最短路徑樹），由此計(jì)算出到達(dá)每一個(gè)目的地址的最短路徑，并將該路徑存儲(chǔ)于路由表中。
OSPF具備如下特點(diǎn)：
●    網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變更時(shí)，路由器之間能夠快速通告信息，并實(shí)現(xiàn)路由更新。
●    在SPF算法的作用下，路由器之間僅同步鏈路狀態(tài)信息，然后生成路徑，避免路由環(huán)路的產(chǎn)生。
●    OSPF支持將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐譃槎鄠€(gè)區(qū)域，有助于緩解大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算壓力。
●    將路由分為多種類型區(qū)別對(duì)待，支持靈活的控制策略。
●    支持等價(jià)路由。
●    支持報(bào)文認(rèn)證，保障協(xié)議交互過程的安全。
●    支持以組播地址發(fā)送協(xié)議報(bào)文，可以避免干擾無關(guān)者和節(jié)省系統(tǒng)資源。
基于以上特點(diǎn)，OSPF廣泛應(yīng)用于規(guī)模適中的網(wǎng)絡(luò)中，即最多可支持幾百臺(tái)路由器的網(wǎng)絡(luò)，例如中小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)。
2.3   IS-IS
IS-IS（Intermediate System-to-Intermediate System，中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)）路由選擇協(xié)議最初是為CLNP（Connectionless Network Service，無連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）而設(shè)計(jì)。隨著TCP/IP協(xié)議棧成為主流，IETF組織對(duì)IS-IS進(jìn)行了修改，使其能夠同時(shí)適用于TCP/IP和OSI雙協(xié)議棧，改造后的IS-IS稱為Integrated IS-IS或Dual IS-IS。
IS-IS與OSPF一樣，采用SPF算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成SPT，計(jì)算出到達(dá)目的地址的最短路徑。為了支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，IS-IS采用兩級(jí)的分層結(jié)構(gòu)，并將一個(gè)大的路由域被劃分為兩個(gè)或者多個(gè)區(qū)域，劃分的區(qū)域被分成Level-1和Level-2兩類，SPF算法分別獨(dú)立運(yùn)行于Level-1和Level-2中。且根據(jù)區(qū)域劃分定義了三種路由器角色。
●    L1路由器：用于管理區(qū)域內(nèi)的路由。
●    L2路由器：用于管理區(qū)域間的路由。
●    L1/L2路由器：同時(shí)屬于Level-1和Level-2的路由器。
IS-IS組網(wǎng)分為L(zhǎng)evel-1和Level-2，如圖3-1所示，各區(qū)域及相應(yīng)設(shè)備間的關(guān)系如下：
●    同一區(qū)域內(nèi)的設(shè)備交換信息的結(jié)點(diǎn)組成Level-1，區(qū)域內(nèi)的所有設(shè)備都知道整個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的路由交換。任意一個(gè)L1路由器與同區(qū)域內(nèi)的L1路由器、L1/L2路由器形成Level-1鄰居關(guān)系，維護(hù)當(dāng)前所處Level-1的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。
●    L1/L2路由器是不同區(qū)域的邊界設(shè)備，用于提供區(qū)域連接，L1路由器必須通過L1/L2路由器才能連接至其他區(qū)域。任意一個(gè)L1/L2路由器可以與同區(qū)域的L1和L1/L2路由器形成Level-1鄰居關(guān)系，也可以與同區(qū)域或其他區(qū)域的L1/L2路由器、L2路由器形成Level-2鄰居關(guān)系。L1/L2路由器維護(hù)Level-1和Level-2兩個(gè)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。
●    區(qū)域之間通過L2路由器相連接，任意一個(gè)L2路由器與同區(qū)域或其他區(qū)域的L2、L1/L2路由器形成Level-2鄰居關(guān)系，維護(hù)當(dāng)前所處Level-2的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。所有的L2路由器與L1/L2路由器一同組成路由域的骨干網(wǎng)，負(fù)責(zé)不同區(qū)域間的通信。
圖2-1    IS-IS層次結(jié)構(gòu)圖

IS-IS具備OSPF特點(diǎn)的同時(shí)，在擴(kuò)展性方面，通過路由器擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)路由支撐能力，即采用劃分區(qū)域來構(gòu)造兩級(jí)層次化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在區(qū)域之間使用路由匯總來減少路由器的負(fù)擔(dān)。IS-IS廣泛應(yīng)用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的互通。
2.4   BGP
為便于管理網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)被分割為多個(gè)AS。在早期的互聯(lián)網(wǎng)中，AS間動(dòng)態(tài)交換路由信息使用的是EGP（Exterior Gateway Protocol，外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議），EGP是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性協(xié)議，只適用于樹狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，無法滿足日漸復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理需求，因此EGP最終被BGP（Border Gateway Protocol，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）取代。BGP可以實(shí)現(xiàn)環(huán)路避免和路由優(yōu)選，在路由傳輸功能上更為高效，并提供了更好的擴(kuò)展性。
BGP是一種在AS間自動(dòng)交換無環(huán)路路由信息的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。BGP經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，早期發(fā)布過三個(gè)版本，分別是BGP-1（RFC 1105）、BGP-2（RFC 1163）以及BGP-3（RFC 1267）。目前使用的版本BGP-4（RFC 4271）作為當(dāng)前AS間的標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議被廣泛應(yīng)用。
在每個(gè)AS內(nèi)運(yùn)行BGP協(xié)議并發(fā)送BGP報(bào)文的設(shè)備稱為BGP Speaker（BGP發(fā)言者）。相同AS內(nèi)的BGP Speaker之間的鄰居關(guān)系，稱為IBGP（Internal BGP，內(nèi)部邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）鄰居，從IBGP鄰居學(xué)習(xí)到的路由稱為IBGP路由，IBGP用于完成路由信息在本AS內(nèi)的過渡。不同AS間的BGP Speaker之間的鄰居關(guān)系，稱為EBGP（External BGP，外部邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）鄰居，從EBGP鄰居學(xué)習(xí)到的路由稱為EBGP路由，EBGP用于完成不同AS間路由信息的交換。
動(dòng)態(tài)路由協(xié)議之間的優(yōu)先級(jí)順序?yàn)镋BGP高于IGP，而IGP又高于IBGP。
BGP協(xié)議的特性如下：
●    不同于RIP、OSPF、IS-IS等IGP著重于計(jì)算路由，BGP重點(diǎn)在于在AS間選擇最佳路由和控制路由的傳輸，適用于承載大規(guī)模路由的網(wǎng)絡(luò)。
●    BGP使用TCP協(xié)議作為傳輸協(xié)議，通過TCP協(xié)議的可靠傳輸機(jī)制保證BGP傳輸?shù)目煽啃浴?br />●    BGP作為距離矢量路由協(xié)議，將本地選取的最優(yōu)路由傳輸給鄰居路由器，避免環(huán)路的產(chǎn)生。
BGP是為處于不同AS間的路由器實(shí)現(xiàn)路由信息交換提供保障，但并不是所有情況都需要運(yùn)行BGP。
需要使用BGP的情況如下：
●    BGP的應(yīng)用場(chǎng)景如圖3-2所示，當(dāng)設(shè)備或主機(jī)需要同時(shí)連接兩個(gè)或者多個(gè)ISP（Internet Service Provider，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商）時(shí)，ISP需要向設(shè)備或主機(jī)提供完整或者部分Internet路由，此時(shí)，需要通過BGP來決定選擇哪個(gè)ISP的AS來到達(dá)目的地址更具經(jīng)濟(jì)性。
●    設(shè)備或主機(jī)之間需要傳輸AS間的路由。
●    設(shè)備或主機(jī)需要通過三層VPN傳輸私網(wǎng)路由。
●    設(shè)備或主機(jī)需要傳輸組播路由，構(gòu)造組播拓?fù)洹?br />圖2-2    BGP應(yīng)用場(chǎng)景圖

不需要使用BGP的情況如下：
●    設(shè)備或主機(jī)只與一個(gè)ISP相連。
●    ISP不需要向設(shè)備或主機(jī)提供Internet路由。
●    AS間使用了缺省路由進(jìn)行連接。

3 總結(jié)
為實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，路由器、路由表以及路由協(xié)議缺一不可。在路由表中保存著各種路由信息，用于指導(dǎo)路由器轉(zhuǎn)發(fā)。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議用于計(jì)算路由、學(xué)習(xí)路由，并將路由信息加入路由表。動(dòng)態(tài)路由協(xié)議的產(chǎn)生解決了靜態(tài)路由配置的局限性，面對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，需要應(yīng)用不同的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)效益最大化。

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