1 路由協(xié)議
1.1   什么是路由
路由器收到數(shù)據(jù)報文，查看報文目的地址并依據(jù)路由表將報文轉發(fā)到下一個路由器。報文經過路由器多次轉發(fā)后到達目的主機，路由器的轉發(fā)路徑就構成了路由的路徑信息。由此可知，路由就是指網絡將數(shù)據(jù)報文從源地址傳輸?shù)侥康牡刂返穆窂剑顑?yōu)路徑將會以路由條目的形式存儲在路由表中。路由過程發(fā)生在TCP/IP協(xié)議棧的網絡層，將具有路由轉發(fā)功能的網絡設備統(tǒng)稱為廣義上的路由器，這些網絡設備可以是路由器、三層交換機、防火墻等。
1.2   什么是路由表
路由器如果想要實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的轉發(fā)，需要借助于路由表和轉發(fā)表。路由器根據(jù)路由表進行路徑規(guī)劃，通過轉發(fā)表執(zhí)行數(shù)據(jù)報文轉發(fā)。路由表是指路由器中存儲的一張路由信息表，路由表中存儲著各種路由協(xié)議計算的路由信息。路由表中包含的關鍵項有目的地址、網絡掩碼、路由協(xié)議、管理距離、路由開銷、下一跳IP地址以及轉發(fā)接口。直連路由、靜態(tài)路由和動態(tài)路由協(xié)議計算出的路由會存儲于路由表中。在路由表中選擇出最優(yōu)路由路徑后，路由表會將激活路由下發(fā)到轉發(fā)表中，當數(shù)據(jù)報文到達路由器時，會通過查找轉發(fā)表來進行數(shù)據(jù)報文的轉發(fā)。
1.3   為什么需要動態(tài)路由協(xié)議
為實現(xiàn)路由轉發(fā)功能，路由器通過靜態(tài)路由配置和動態(tài)路由協(xié)議兩種方式來獲取路由路徑并維護路由表。面向當前日益變更的網絡結構，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絡管理員手工配置固定的路由信息，由此實現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的轉發(fā)。靜態(tài)路由配置方便，但每當網絡拓撲結構發(fā)生變化，都需要重新手工配置其路由信息，不能自動適應于網絡的更迭。因此靜態(tài)路由配置適用于網絡拓撲結構簡單并且結構穩(wěn)定的小型網絡。靜態(tài)路由配置的局限性如下所示：
●    配置和維護耗費時間和人力資源。
●    隨著網絡的擴展，維護工作會變得復雜。
●    配置過程容易出現(xiàn)差錯，特別是對于一些大型且結構復雜的網絡。
●    如果網絡中某個網段出現(xiàn)錯誤，無法自適應的變更路徑，將導致包含該條路由路徑上的數(shù)據(jù)報文轉發(fā)出錯。
1.3.2  動態(tài)路由協(xié)議
通過網絡管理員配置靜態(tài)路由會產生巨大的工作量，且后續(xù)維護工作也難以高效進行。為解決這個問題，動態(tài)路由協(xié)議應運而生。通過動態(tài)路由協(xié)議，路由器采用鄰居間交換路由或鏈路狀態(tài)信息通告的方式學習遠方的路由，并保持動態(tài)更新。相比于靜態(tài)路由配置，采用動態(tài)路由協(xié)議生成路由表信息的方式具有如下幾點優(yōu)勢：
●    網絡管理員只需要對動態(tài)路由協(xié)議執(zhí)行配置和維護工作即可，相比于靜態(tài)配置，工作量大大減少。
●    當網絡拓撲結構發(fā)生變更時，動態(tài)路由協(xié)議會自適應地更新路由表信息。
●    配置過程不容易出現(xiàn)差錯。
●    網絡中出現(xiàn)鏈路故障時，動態(tài)路由協(xié)議將重新規(guī)劃路線，繞開出錯的網絡。
1.4   動態(tài)路由協(xié)議分類
常見的動態(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，內部網關協(xié)議）：在一個AS（Autonomous System，自治系統(tǒng)）內運行的協(xié)議，包括RIP，OSPF和IS-IS。
●    EGP（Exterior Gateway Protocol，外部網關協(xié)議）：在不同AS間運行的協(xié)議，有BGP。
圖1-1    IGP和EGP的關系示意圖

按照路由計算算法分類：
●    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 常見的動態(tài)路由協(xié)議
2.1   RIP
在動態(tài)路由協(xié)議誕生初期，設備主要使用RIP（Routing Information Protocol，路由信息協(xié)議）。RIP是一種單播路由協(xié)議，應用于IPv4網絡。RIPng（RIP Next Generation，下一代RIP）是RIP的擴展，應用于IPv6網絡，兩者在原理實現(xiàn)以及功能上相似度較高。運行RIP的設備之間通過交換路由信息，自動獲得到達遠程網絡的路由。
RIP作為一種距離矢量路由協(xié)議，通過UDP（端口520）報文進行路由信息的交換，RIPng的UDP端口號為521。RIP使用跳數(shù)（Hop Count）作為其度量的單位來衡量到達目的網絡的距離。該協(xié)議規(guī)定當前設備與直連網絡的跳數(shù)為0，對于非直連網絡，每經過一臺路由設備跳數(shù)值加1，為限制收斂時間，RIP最多允許15跳。若大于15跳，則表示目的網絡或主機不可達。基于此限制，使得RIP在大型網絡中不適用。
由于RIP協(xié)議的簡單易用，配置和維護工作量遠低于OSPF和IS-IS，所以RIP路由協(xié)議在實際小型網絡中仍有廣泛應用，例如校園網以及結構簡單的地區(qū)性網絡。
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)的一個鏈路狀態(tài)路由協(xié)議。目前針對IPv4協(xié)議使用的是OSPF Version 2（簡稱OSPFv2），OSPF Version 3（簡稱OSPFv3）是為了支持IPv6而對OSPF協(xié)議進行的擴展。
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）來轉載和傳輸鏈路狀態(tài)信息，以此來描述網絡拓撲結構，并依據(jù)此網絡拓撲結構生成SPT（Shortest Path Tree，最短路徑樹），由此計算出到達每一個目的地址的最短路徑，并將該路徑存儲于路由表中。
OSPF具備如下特點：
●    網絡拓撲結構變更時，路由器之間能夠快速通告信息，并實現(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)路的產生。
●    OSPF支持將網絡拓撲劃分為多個區(qū)域，有助于緩解大規(guī)模網絡的計算壓力。
●    將路由分為多種類型區(qū)別對待，支持靈活的控制策略。
●    支持等價路由。
●    支持報文認證，保障協(xié)議交互過程的安全。
●    支持以組播地址發(fā)送協(xié)議報文，可以避免干擾無關者和節(jié)省系統(tǒng)資源。
基于以上特點，OSPF廣泛應用于規(guī)模適中的網絡中，即最多可支持幾百臺路由器的網絡，例如中小型企業(yè)的網絡。
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，無連接網絡服務）而設計。隨著TCP/IP協(xié)議棧成為主流，IETF組織對IS-IS進行了修改，使其能夠同時適用于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)網絡拓撲結構生成SPT，計算出到達目的地址的最短路徑。為了支持大規(guī)模網絡，IS-IS采用兩級的分層結構，并將一個大的路由域被劃分為兩個或者多個區(qū)域，劃分的區(qū)域被分成Level-1和Level-2兩類，SPF算法分別獨立運行于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：同時屬于Level-1和Level-2的路由器。
IS-IS組網分為Level-1和Level-2，如圖3-1所示，各區(qū)域及相應設備間的關系如下：
●    同一區(qū)域內的設備交換信息的結點組成Level-1，區(qū)域內的所有設備都知道整個區(qū)域的網絡拓撲結構，負責區(qū)域內的路由交換。任意一個L1路由器與同區(qū)域內的L1路由器、L1/L2路由器形成Level-1鄰居關系，維護當前所處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鄰居關系。L1/L2路由器維護Level-1和Level-2兩個鏈路狀態(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鄰居關系，維護當前所處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，負責不同區(qū)域間的通信。
圖2-1    IS-IS層次結構圖

IS-IS具備OSPF特點的同時，在擴展性方面，通過路由器擴展網絡路由支撐能力，即采用劃分區(qū)域來構造兩級層次化的網絡拓撲結構，并在區(qū)域之間使用路由匯總來減少路由器的負擔。IS-IS廣泛應用于大規(guī)模網絡的互通。
2.4   BGP
為便于管理網絡，網絡被分割為多個AS。在早期的互聯(lián)網中，AS間動態(tài)交換路由信息使用的是EGP（Exterior Gateway Protocol，外部網關協(xié)議），EGP是一種簡單的網絡可達性協(xié)議，只適用于樹狀拓撲網絡，無法滿足日漸復雜的網絡管理需求，因此EGP最終被BGP（Border Gateway Protocol，邊界網關協(xié)議）取代。BGP可以實現(xiàn)環(huán)路避免和路由優(yōu)選，在路由傳輸功能上更為高效，并提供了更好的擴展性。
BGP是一種在AS間自動交換無環(huán)路路由信息的動態(tài)路由協(xié)議。BGP經歷了不同的發(fā)展階段，早期發(fā)布過三個版本，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）作為當前AS間的標準路由協(xié)議被廣泛應用。
在每個AS內運行BGP協(xié)議并發(fā)送BGP報文的設備稱為BGP Speaker（BGP發(fā)言者）。相同AS內的BGP Speaker之間的鄰居關系，稱為IBGP（Internal BGP，內部邊界網關協(xié)議）鄰居，從IBGP鄰居學習到的路由稱為IBGP路由，IBGP用于完成路由信息在本AS內的過渡。不同AS間的BGP Speaker之間的鄰居關系，稱為EBGP（External BGP，外部邊界網關協(xié)議）鄰居，從EBGP鄰居學習到的路由稱為EBGP路由，EBGP用于完成不同AS間路由信息的交換。
動態(tài)路由協(xié)議之間的優(yōu)先級順序為EBGP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著重于計算路由，BGP重點在于在AS間選擇最佳路由和控制路由的傳輸，適用于承載大規(guī)模路由的網絡。
●    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)路的產生。
BGP是為處于不同AS間的路由器實現(xiàn)路由信息交換提供保障，但并不是所有情況都需要運行BGP。
需要使用BGP的情況如下：
●    BGP的應用場景如圖3-2所示，當設備或主機需要同時連接兩個或者多個ISP（Internet Service Provider，互聯(lián)網服務提供商）時，ISP需要向設備或主機提供完整或者部分Internet路由，此時，需要通過BGP來決定選擇哪個ISP的AS來到達目的地址更具經濟性。
●    設備或主機之間需要傳輸AS間的路由。
●    設備或主機需要通過三層VPN傳輸私網路由。
●    設備或主機需要傳輸組播路由，構造組播拓撲。
圖2-2    BGP應用場景圖

不需要使用BGP的情況如下：
●    設備或主機只與一個ISP相連。
●    ISP不需要向設備或主機提供Internet路由。
●    AS間使用了缺省路由進行連接。

3 總結
為實現(xiàn)不同網絡間的數(shù)據(jù)報文轉發(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，用于指導路由器轉發(fā)。動態(tài)路由協(xié)議用于計算路由、學習路由，并將路由信息加入路由表。動態(tài)路由協(xié)議的產生解決了靜態(tài)路由配置的局限性，面對不同的網絡場景，需要應用不同的動態(tài)路由協(xié)議，從而實現(xiàn)效益最大化。

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