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计算机网络协议系列(十五)—— 网络层路由协议篇:动态路由相关协议

自治系统

开始之前,我们先介绍下自治系统的概念。

互联网连接着世界各地的组织结构,不仅包括语言不相通的,甚至包括宗教信仰完全不同的组织,这里面没有管理者,也没有被管理者,每个组织之间保持着平等的关系。制定自己的路由策略,并以此为准在一个或多个网络群体中采用的较小单位叫做自治系统(AS:Autonomous System)。

说到自治系统,区域网络、ISP(网络服务提供商,如电信、联通、移动) 都是典型的例子。在区域网络或及ISP内部,由构造、管理和运维网络的管理员、运营者制定出路由控制相关方针,然后根据此方针进行具体路由控制的设定。而接入到区域网络或 ISP 的组织机构,则必须根据管理员的指示进行路由控制设定,否则会给自己或其他使用者带来负面影响,甚至无法通信。

每个自治系统都有边界路由器,通过它和外面的世界建立联系。

自治系统内部动态路由采用的协议是内部网关协议(Interior Gateway Protocol),简称 IGP。而自治系统之间的路由控制采用的是外部网关协议(Exterior Gateway Protocol),简称 EGP。

IP 地址分为网络地址和主机地址,它们有各自的分工,EGP 和 IGP 的关系和 IP 地址的两部分类似。就像 IP 地址的网络部分用于在网络之间进行路由选择、主机部分用于链路内主机识别一样,可以根据 EGP 在自治系统之间进行路由选择,根据 IGP 在自治系统内部进行主机识别。

由此,路由协议分为 EGP 和 IGP 两个层次,没有 EGP 就不可能有世界上不同组织机构之间的通信,没有 IGP 机构内部也就不能通信。

IGP 中可以使用 RIP、OSPF 等众多协议。与之相对的,EGP 使用的是 BGP 协议。

下面我们就来详细介绍上面三个常见的路由协议。

RIP

RIP(Routing Information Protocol,路由信息协议)基于距离向量算法,是距离向量型的一种路由协议,广泛用于局域网。

RIP 将路由控制信息定期(30秒)向全网广播。如果没有收到路由控制信息,连接就会被断开,不过这有可能是丢包导致的,所以 RIP 规定等待 5 次。

RIP 基于距离向量算法决定路径。距离的单位为跳数(Metrics),跳数是指所经过路由器的个数。RIP希望尽可能少经过路由器将数据包转发到目标 IP 地址。

OSPF

OSPF(Open Shortest Path First,开放式最短路径优先)基于链路状态算法,是一种链路状态型路由协议,主要用在自治系统内部进行路由决策。由于采用链路状态类型,所以即使网络中有环路,也能够进行稳定的路由控制。

OSPF 支持子网掩码,为了减少网络流量,还引入了「区域」这一概念,将一个自治网络划分为若干个更小的范围。

在 OSPF 中,路由器之间交换链路状态生成网络拓扑信息,然后再根据这个拓扑信息生成路由控制表。

RIP 的路由选择,要求途中所经过的路由器个数越少越好,但路由器个数最少不一定是最优路径,与之相比,OSPF 可以给每条链路赋予一个权重,并始终选择一个权重最小的路径作为最终路由。

BGP

BGP(Border Gateway Protocol,边界网关协议)是连接不同自治系统的协议,属于外部网关协议。主要用于 ISP(网络服务提供商) 之间相连接的部分。

只有 BGP、RIP 和 OSPF 共同进行路由控制,才能进行整个互联网的路由控制。

在 RIP 和 OSPF 中根据 IP 地址的网络地址部分进行路由控制,然而 BGP 则需要放眼整个互联网进行路由控制。BGP 的路由控制表最终由网络地址和下一站的路由器组来表示,不过它会根据所要经过的 AS 个数进行路由控制。

ISP、区域网络会将每个网络区域编配成一个个自治系统进行管理,它们为每个自治系统分配一个 16 比特的 AS 编号。BGP 就是根据这个编号进行相应的路由控制。

BGP 协议使用的算法是路径向量算法,它是距离向量算法的升级版,解决了坏消息传递慢(某个路由器故障系统感知慢)的问题,将单个自治系统看作一个整体,不区分自治系统内部的路由器,因此规模有限。

小结

从某种角度来说,路由控制是跨越整个互联网的分布式系统。

互联网中的路由控制,以网络中所有路由器都持有正确的路由信息为基础,使这些路由器的信息保持正确的协议就是路由协议,没有路由协议的协同工作,就无法实现互联网上正确的路由控制。路由协议散布于互联网的各个角落,是支撑互联网运行的巨大的分布式系统。

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