路由器原理及路由協議

根據是否在一個自治域內部使用，動態路由協議分為內部網關協議（IGP）和外部網關協議（EGP）。這里的自治域指一個具有統一管理機構、統一路由策略的網絡。自治域內部采用的路由選擇協議稱為內部網關協議，常用的有RIP、OSPF；外部網關協議主要用于多個自治域之間的路由選擇，常用的是BGP和BGP-4。下面分別進行簡要介紹。

3.1 RIP路由協議

RIP協議最初是為Xerox網絡系統的Xerox parc通用協議而設計的，是Internet中常用的路由協議。RIP采用距離向量算法，即路由器根據距離選擇路由，所以也稱為距離向量協議。路由器收集所有可到達目的地的不同路徑，并且保存有關到達每個目的地的最少站點數的路徑信息，除到達目的地的最佳路徑外，任何其它信息均予以丟棄。同時路由器也把所收集的路由信息用RIP協議通知相鄰的其它路由器。這樣，正確的路由信息逐漸擴散到了全網。

RIP使用非常廣泛，它簡單、可靠，便于配置。但是RIP只適用于小型的同構網絡，因為它允許的最大站點數為15，任何超過15個站點的目的地均被標記為不可達。而且RIP每隔30s一次的路由信息廣播也是造成網絡的廣播風暴的重要原因之一。

3.2 OSPF路由協議

80年代中期，RIP已不能適應大規模異構網絡的互連，0SPF隨之產生。它是網間工程任務組織（1ETF）的內部網關協議工作組為IP網絡而開發的一種路由協議。

0SPF是一種基于鏈路狀態的路由協議，需要每個路由器向其同一管理域的所有其它路由器發送鏈路狀態廣播信息。在OSPF的鏈路狀態廣播中包括所有接口信息、所有的量度和其它一些變量。利用0SPF的路由器首先必須收集有關的鏈路狀態信息，并根據一定的算法計算出到每個節點的最短路徑。而基于距離向量的路由協議僅向其鄰接路由器發送有關路由更新信息。

與RIP不同，OSPF將一個自治域再劃分為區，相應地即有兩種類型的路由選擇方式：當源和目的地在同一區時，采用區內路由選擇；當源和目的地在不同區時，則采用區間路由選擇。這就大大減少了網絡開銷，并增加了網絡的穩定性。當一個區內的路由器出了故障時并不影響自治域內其它區路由器的正常工作，這也給網絡的管理、維護帶來方便。

3.3 BGP和BGP-4路由協議

BGP是為TCP／IP互聯網設計的外部網關協議，用于多個自治域之間。它既不是基于純粹的鏈路狀態算法，也不是基于純粹的距離向量算法。它的主要功能是與其它自治域的BGP交換網絡可達信息。各個自治域可以運行不同的內部網關協議。BGP更新信息包括網絡號／自治域路徑的成對信息。自治域路徑包括到達某個特定網絡須經過的自治域串，這些更新信息通過TCP傳送出去，以保證傳輸的可靠性。

為了滿足Internet日益擴大的需要，BGP還在不斷地發展。在最新的BGp4中，還可以將相似路由合并為一條路由。

3.4 路由表項的優先問題

在一個路由器中，可同時配置靜態路由和一種或多種動態路由。它們各自維護的路由表都提供給轉發程序，但這些路由表的表項間可能會發生沖突。這種沖突可通過配置各路由表的優先級來解決。通常靜態路由具有默認的最高優先級，當其它路由表表項與它矛盾時，均按靜態路由轉發。

4.路由算法

路由算法在路由協議中起著至關重要的作用，采用何種算法往往決定了最終的尋徑結果，因此選擇路由算法一定要仔細。通常需要綜合考慮以下幾個設計目標：

（1）最優化：指路由算法選擇最佳路徑的能力。

（2）簡潔性：算法設計簡潔，利用最少的軟件和開銷，提供最有效的功能。

（3）堅固性：路由算法處于非正常或不可預料的環境時，如硬件故障、負載過高或操作失誤時，都能正確運行。由于路由器分布在網絡聯接點上，所以在它們出故障時會產生嚴重后果。最好的路由器算法通常能經受時間的考驗，并在各種網絡環境下被證實是可靠的。

（4）快速收斂：收斂是在最佳路徑的判斷上所有路由器達到一致的過程。當某個網絡事件引起路由可用或不可用時，路由器就發出更新信息。路由更新信息遍及整個網絡，引發重新計算最佳路徑，最終達到所有路由器一致公認的最佳路徑。收斂慢的路由算法會造成路徑循環或網絡中斷。

（5）靈活性：路由算法可以快速、準確地適應各種網絡環境。例如，某個網段發生故障，路由算法要能很快發現故障，并為使用該網段的所有路由選擇另一條最佳路徑。

路由算法按照種類可分為以下幾種：靜態和動態、單路和多路、平等和分級、源路由和透明路由、域內和域間、鏈路狀態和距離向量。前面幾種的特點與字面意思基本一致，下面著重介紹鏈路狀態和距離向量算法。

鏈路狀態算法（也稱最短路徑算法）發送路由信息到互聯網上所有的結點，然而對于每個路由器，僅發送它的路由表中描述了其自身鏈路狀態的那一部分。距離向量算法（也稱為Bellman-Ford算法）則要求每個路由器發送其路由表全部或部分信息，但僅發送到鄰近結點上。從本質上來說，鏈路狀態算法將少量更新信息發送至網絡各處，而距離向量算法發送大量更新信息至鄰接路由器。

由于鏈路狀態算法收斂更快，因此它在一定程度上比距離向量算法更不易產生路由循環。但另一方面，鏈路狀態算法要求比距離向量算法有更強的CPU能力和更多的內存空間，因此鏈路狀態算法將會在實現時顯得更昂貴一些。除了這些區別，兩種算法在大多數環境下都能很好地運行。

最后需要指出的是，路由算法使用了許多種不同的度量標準去決定最佳路徑。復雜的路由算法可能采用多種度量來選擇路由，通過一定的加權運算，將它們合并為單個的復合度量、再填入路由表中，作為尋徑的標準。通常所使用的度量有：路徑長度、可靠性、時延、帶寬、負載、通信成本等。

5.新一代路由器

由于多媒體等應用在網絡中的發展，以及ATM、快速以太網等新技術的不斷采用，網絡的帶寬與速率飛速提高，傳統的路由器已不能滿足人們對路由器的性能要求。因為傳統路由器的分組轉發的設計與實現均基于軟件，在轉發過程中對分組的處理要經過許多環節，轉發過程復雜，使得分組轉發的速率較慢。另外，由于路由器是網絡互連的關鍵設備，是網絡與其它網絡進行通信的一個“關口”，對其安全性有很高的要求，因此路由器中各種附加的安全措施增加了CPU的負擔，這樣就使得路由器成為整個互聯網上的“瓶頸”。

傳統的路由器在轉發每一個分組時，都要進行一系列的復雜操作，包括路由查找、訪問控制表匹配、地址解析、優先級管理以及其它的附加操作。這一系列的操作大大影響了路由器的性能與效率，降低了分組轉發速率和轉發的吞吐量，增加了CPU的負擔。而經過路由器的前后分組間的相關性很大，具有相同目的地址和源地址的分組往往連續到達，這為分組的快速轉發提供了實現的可能與依據。新一代路由器，如IP Switch、Tag Switch等，就是采用這一設計思想用硬件來實現快速轉發，大大提高了路由器的性能與效率。

新一代路由器使用轉發緩存來簡化分組的轉發操作。在快速轉發過程中，只需對一組具有相同目的地址和源地址的分組的前幾個分組進行傳統的路由轉發處理，并把成功轉發的分組的目的地址、源地址和下一網關地址（下一路由器地址）放人轉發緩存中。當其后的分組要進行轉發時，茵先查看轉發緩存，如果該分組的目的地址和源地址與轉發緩存中的匹配，則直接根據轉發緩存中的下一網關地址進行轉發，而無須經過傳統的復雜操作，大大減輕了路由器的負擔，達到了提高路由器吞吐量的目標。