深入浅出路由协议
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摘 要：路由器有三种方式可以获得路由信息，包括链路层学习、人工配置、动态学习。大多路由信息都是通过动态路由协议来维护。动态路由协议根据算法和作用范围的不同又可进行分类。本文对路由和路由协议概念、原理、性能参数、常见路由等进行介绍和比较，以便大家对路由协议有更好的认识和学习。
关键词：路由协议；分类；原理；应用
1 什么是路由协议
路由协议（routing protocol）就是用来计算、维护路由信息的协议。路由协议常用一定的算法，以产生路由；并用一定的方法确定路由的有效性，来维护路由。那么何谓路由呢？路由是指网络信息从信源到信宿的路径。路由器提供了将异种网络互联起来的机制，实现将一个数据包从一个网络发送到另一个网络。路由指导IP数据包发送的路径信息。在互联网中路由选择使用路由器，路由器只是根据所收到的数据报头的目的地址选择一个合适的路径，将数据包传送到下一个路由器，整个路径的最后一个路由器负责将数据报送交目的主机。
2 路由分类
2.1 直连路由
直连路由是由链路层协议发现的。直连路由无须配置，在接口存在IP地址时，由路由进程自动生成，并以直连路由出现在路由表中。它的特点是开销小，配置简单，无需人工维护，但只能发现本接口所属网段的路由。
2.2 静态路由
由网管员手动配置而生成的路由称为静态路由。静态路由的缺点是无法自动根据网络拓扑变化而变化，当网络拓扑结构或链路的状态发生变化时，网络管理员需要手工去修改路由表中相关的静态路由信息。出于安全方面可以考虑在小型网络采用此路由。静态路由无开销，配置简单，适合简单的拓扑结构的网络。静态路由的好处在于可以减少路由器之间的数据传输量，这对于带宽紧张、线路冗余度低的网络比较适合。使用静态路由的另外一个优点在于路由的保密性好，在默认情况下是私有的，即它不会传递给其他的路由器。
2.3 动态路由
动态路由协议自动发现和维护的路由称为动态路由。动态路由的优点是无需人工配置具体的路由表项，而由协议自动发现和计算。这样当网络拓扑结构复杂时，使用动态路由可以减少管理员的配置工作，且减少配置的错误。另外动态路由协议支持路由备份，如果原有路由链路故障导致路由表项失效，协议可以自动计算和使用另外的路径，无需人工维护。但是路由器更新路由表信息使用广播报文的方式，会占用一部分链路开销。因此动态路由更新不能太频繁。其次，在使用动态路由时，需要路由器之间频繁的交换各自的路由表，而通过对路由表的分析可以揭示网络的拓扑结构和网络地址等信息。进而造成网络安全问题。
3 静态路由应用
根据如上配置我们应当注意两个点。第一：如RTA、RTD当目的地址和子网掩码都为0的时候，配置的是缺省静态路由，当路由查找失败，根据缺省路由进行数据包的转发。RTB、RTC配置的为静态路由。
第二:配置静态路由时，要注意进行双向配置，避免出现单程路由。因为Internet很多业务都是双向传输的，如HTTP。
4 动态路由协议
4.1 路由协议分类
根据作用的范围，路由协议可分为：
内部网关协议（Interrior Gateway Protocol,简称IGP）：在一个自治系统内部运行，常见的IGP协议包括RIP、OSPF和IS-IS。
外部网关协议（Exterior Gateway Protocol,简称EGP）：运行于不同自治系统之间，BGP是目前最常用的EGP。
根据使用的算法，路由协议可分为：
距离矢量协议（Distance-Vector）：包括RIP和BGP。其中，BGP也被称为路径矢量协议（Path-Vector）。
链路状态协议（Link-State）：包括OSPF和IS-IS。
4.2 路由协议工作原理
各种动态路由协议所共同的目的是计算与维护路由。通常，各种动态路由协议的工作过程大致相同，都包含以下几个阶段。
邻居发现
交换路由信息
计算路由
维护路由
5 路由协议性能参数
5.1 可伸缩性
可伸缩性是确定IP路由协议选择的最基本问题之一，即路由协议将如何有效地支持大型网络或可能增长的网络。路由协议的可伸缩性是由以下因素确定的，如它如何有效地处理路由更新以及它如何才能迅速地应对大型网络上的更改作出反应。
5.2 路由更新
IP路由协议的可伸缩性总是部分由处理路由更新的效率确定。距离矢量路由协议通过向网络中所有其他路由器定期广播它们的路由表来交换路由信息可以通过制定一些更新策略来提高距离矢量路由协议的更新速度，影响策略制定的因素有以下几个：
1）增量更新比定期交换更好；
2）多路广播比广播更好；
3）跳数越小越好。
5.3 路由协议的稳定性
路由协议的稳定性可在网络传输期间（如链接中断或其他形式的布局更替）进行测试。路由协议对布局更替作出反应，并通过网络传播有关更替的信息。在路由协议分发信息期间，路由器将排除不一致的信息。（即有一些路由器将知道更新而有一些将不知道）。这种不一致可能导致特定类型的路由问题，称为路由回路。
距离矢量路由协议对路由回路具有潜在的敏感性，因为它们不维护除路由表以外的有关网络布局的任何附加信息。链路状态路由协议维护网络上所有子网的数据库，并知道何种路由器附加到了子网上，因此，它不大可能在布局改变后立即按照错误信息动作。
距离矢量路由协议合并了下列功能以帮助避免路由回路：
1）定义最大量度
2）分割范围
3）路由中毒
4）停止运行计时器
5.4 收敛速度
网络收敛的定义是从网络拓扑改变到每个路由器确认该改变所消耗的时间。如果网络拓扑结构改变，如丢失或增加子网，在从第一个路由器开始更新路由信息起到全部路由器都更新了路由信息止，需要一定的时间。在依赖多种因素（路由协议本身的操作特性是最重要的因素）的网络上，收敛速度的变化很明显。收敛速度通常与路由器的错误检测机制、路由更新机制、路由运算法则以及传输介质有关。
5.5 路由量度
如果运行特定IP路由协议的路由器收到多个可到达目的站网络的公布路径，它将选择具有最佳量度的路径并将之放入路由表中。如果多条路径有最佳量度，则每个这种费用最低的路径放入路由表中，并且执行等量费用负担平衡。不同的路由协议使用不同的量度，即每个路由协议都可以按自己的方式决定到达目的站的最佳路径。
5.6 VLSM的支持
对于网络来说，若需要拥有除了足够的IP地址空间之外的条件，则可能需要使用VLSM。VLSM可有效地使用IP地址和子网空间。五类路由协议（如OSPF、RIP2版、EIGRP、IS-IS和BGP）支持VLSM，因为它们包括掩码和更新。而无类协议（如RIP1版和IGRP）不能支持VLSM。
6 常见路由协议比较
目前常见路由协议包括RIP-1/2、IGRP、OSPF、IS-IS、BGP等五种，现对其协议特点进行简单的比较。
RIP协议是最早的路由协议，基于距离矢量算法，属于内部网关协议；RIP采用广播（RIP-1）或组播（RIP-2）方式在邻居之间传送协议报文，传输层采用UDP（User Datagram Protocol）报文封装。RIP协议以到达目的地址所经过的路由器个数（跳数）为衡量路由好坏的度量值，最大跳数为15； RIP-2支持明文认证和MD5密文认证，并支持可变长子网掩码。RIP协议适用于基于IP的中小型网络。
IGRP是从RIP基础之上发展而来的。它比较RIP而言，主要有以下几点改进：
1）IGRP路由的跳数不再受16跳的限制，同时在路由更新上引入新的特性，使得IGRP协议适用于更大的网络；
2）引入了触发更新、路由保持、水平分割和毒性路由等机制，使得IGRP对网络变化有着较快的响应速度，并且在拓扑结构改变后仍然能够保持稳定；
3）在Metric值的范围和计算上有了很大的改进，使得路由的选择更加准确，同时使路由的选择可以适应不同的服务类型。
OSPF是目前应用最广泛的IGP协议。是为大中型网络提供分层次、可划分区域的路由协议。算法复杂，但能够保证无域内环路。OSPF采用IP来进行承载，所有的协议报文都由IP封装后进行传输，端口号89.由于IP是尽力而为的，不可靠、无连接的网络层协议。为了保证协议报文的传输的可靠性，OSPF采用确认机制。OSPF还支持验证，使网络安全性得到保证。
IS-IS是一种链路状态型的路由协议，采用的是SPF算法，支持路由分组管理与划分区域，同样可应用在大中型网络中，可扩展性好。IS-IS的运行直接基于链路层，其所有的协议报文通过链路层协议来承载。所以IS-IS也可以运行在无IP的网络中，如OSI网络。IS-IS同样设计了确认机制和报文验证来保证网络的可靠性、安全性。
BGP协议是唯一的EGP协议。目前最新的版本是BGP-4。BGP采用TCP来保证协议传输的可靠性，TCP端口是179.TCP，本身有三次握手机制，运行BGP的路由器首先建立可靠的TCP连接，然后通过TCP连接来交换BGP协议报文。鉴于此，BGP协议不需要自己设计可靠的传输机制，降低了协议报文的复杂度和开销。同样，BGP的安全性也有TCP来保证。
参考文献:
[1] W.R ichard Stevens.TCP / IP详解[M ].北京：机械工业出版社, 2000.
[2] 谢希仁.计算机网络（第五版）[M].北京：电子工业出版社，2009.