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路由追蹤/所謂的路由是什麼意思?


  路由是把資訊從源穿過網路傳遞到目的的行為,在路上,至少遇到一個中間節點。路由通常與橋接來對比,在粗心的人看來,它們似乎完成的是同樣的事。它們的主要區別在於橋接發生在OSI參考協定的第二層(鏈結層),而路由發生在第三層(網路層)。這一區別使二者在傳遞資訊的過程中使用不同的資訊,從而以不同的方式來完成其任務。

路由的話題早已在電腦界出現,但直到八十年代中期才獲得商業成功,這一時間延遲的主要原因是七十年代的網路很簡單,後來大型的網路才較為普遍。

二、路由的組成

  路由包含兩個基本的動作:確定最佳路徑和通過網路傳輸資訊。在路由的過程中,後者也稱為(資料)交換。交換相對來說比較簡單,而選擇路徑很複雜。

1、路徑選擇

  metric是路由演算法用以確定到達目的地的最佳路徑的計量標準,如路徑長度。為了幫助選路,路由演算法初始化並維護包含路徑資訊的路由表,路徑資訊根據使用的路由演算法不同而不同。

  路由演算法根據許多資訊來填充路由表。目的/下一跳位址對告知路由器到達該目的最佳方式是把分組發送給代表“下一跳”的路由器,當路由器收到一個分組,它就檢查其目標位址,嘗試將此地址與其“下一跳”相聯繫。下表為一個目的/下一跳路由表的例子。

表5-1 目的/下一跳對應表決定資料的最佳路徑

route1.gif

路由表還可以包括其他資訊。路由表比較metric以確定最佳路徑,這些metric根據所用的路由演算法而不同,下面將介紹常見的metric。路由器彼此通信,通過交換路由資訊維護其路由表,路由更新資訊通常包含全部或部分路由表,通過分析來自其他路由器的路由更新資訊,該路由器可以建立網路拓撲細圖。路由器間發送的另一個資訊例子是鏈結狀態廣播資訊,它通知其他路由器發送者的鏈結狀態,鏈結資訊用於建立完整的拓撲圖,使路由器可以確定最佳路徑。

2、交換

  交換演算法相對而言較簡單,對大多數路由協議而言是相同的,多數情況下,某主機決定向另一個主機發送資料,通過某些方法獲得路由器的位址後,源主機發送指向該路由器的物理(MAC)位址的資料包,其協定位址是指向目的主機的。

  路由器查看了資料包的目的協定位址後,確定是否知道如何轉發該包,如果路由器不知道如何轉發,通常就將之丟棄。如果路由器知道如何轉發,就把目的物理位址變成下一跳的物理位址並向之發送。下一跳可能就是最終的目的主機,如果不是,通常為另一個路由器,它將執行同樣的步驟。當分組在網路中流動時,它的物理位址在改變,但其協議位址始終不變,如下圖所示。

route2.gif

上面描述了源系統與目的系統間的交換,ISO定義了用於描述此過程的分層的術語。在該術語中,沒有轉發分組能力的網路設備稱為端系統(ES--end system),有此能力的稱為仲介系統(IS--intermediate system)。IS又進一步分成可在路由域內通信的域內IS(intradomain IS)和既可在路由域內有可在域間通信的域間IS(interdomain IS)。路由域通常被認為是統一管理下的一部分網路,遵守特定的一組管理規則,也稱為自治系統(autonomous system)。在某些協議中,路由域可以分為路由區間,但是域內路由協議仍可用於在區間內和區間之間交換資料。

三、路由演算法

  路由演算法可以根據多個特性來加以區分。首先,演算法設計者的特定目標影響了該路由協議的操作;其次,存在著多種路由演算法,每種演算法對網路和路由器資源的影響都不同;最後,路由演算法使用多種metric,影響到最佳路徑的計算。下面的章節分析了這些路由演算法的特性。

1、設計目標

路由演算法通常具有下列設計目標的一個或多個:

優化

簡單、低耗

健壯、穩定

快速聚合

靈活性

  優化指路由演算法選擇最佳路徑的能力,根據metric的值和權值來計算。例如有一種路由演算法可能使用跳數和延遲,但可能延遲的權值要大些。當然,路由協議必須嚴格定義計算metric的演算法。

  路由演算法也可以設計得儘量簡單。換句話說,路由協定必須高效地提供其功能,儘量減少軟體和應用的開銷。當實現路由演算法的軟體必須運行在物理資源有限的電腦上時高效尤其重要。

  路由演算法必須健壯,即在出現不正常或不可預見事件的情況下必須仍能正常處理,例如硬體故障、高負載和不正確的實現。因為路由器位於網路的連接點,當它們失效時會產生重大的問題。最好的路由演算法通常是那些經過了時間考驗,證實在各種網路條件下都很穩定的演算法。

  此外,路由演算法必須能快速聚合,聚合是所有路由器對最佳路徑達成一致的過程。當某網路事件使路徑斷掉或不可用時,路由器通過網路分發路由更新資訊,促使最佳路徑的重新計算,最終使所有路由器達成一致。聚合很慢的路由演算法可能會產生路由環或網路中斷。

  在下圖中的路由環中,某分組在時間t1到達路由器1,路由器1已經更新並知道到達目的的最佳路徑是以路由器2為下一跳,於是就把該分組轉發給路由器2。但是路由器2還沒有更新,它認為最佳的下一跳是路由器1,於是把該分組發回給路由器1,結果分組在兩個路由器間來回傳遞直到路由器2收到路由更新資訊或分組超過了生存期。

route3.gif

路由演算法還應該是靈活的,即它們應該迅速、準確地適應各種網路環境。例如,假定某網段斷掉了,當知道問題後,很多路由演算法對通常使用該網段的路徑將迅速選擇次佳的路徑。路由演算法可以設計得可適應網路帶寬、路由器佇列大小和網路延遲。

2、演算法類型

各路由演算法的區別點包括:

靜態與動態

單路徑與多路徑

平坦與分層

主機智慧與路由器智能

域內與域間

鏈結狀態與距離向量

(1)靜態與動態

  靜態路由演算法很難算得上是演算法,只不過是開始路由前由網管建立的表映射。這些映射自身並不改變,除非網管去改動。使用靜態路由的演算法較容易設計,在網路通信可預測及簡單的網路中工作得很好。

  由於靜態路由系統不能對網路改變做出反映,通常被認為不適用於現在的大型、易變的網路。九十年代主要的路由演算法都是動態路由演算法,通過分析收到的路由更新資訊來適應網路環境的改變。如果資訊表示網路發生了變化,路由軟體就重新計算路由並發出新的路由更新資訊。這些資訊滲入網路,促使路由器重新計算並對路由表做相應的改變。

  動態路由演算法可以在適當的地方以靜態路由作為補充。例如,最後可選路由(router of last resort),作為所有不可路由分組的去路,保證了所有的資料至少有方法處理。

(2)單路徑與多路徑

  一些複雜的路由協定支援到同一目的的多條路徑。與單路徑演算法不同,這些多路徑演算法允許資料在多條線路上複用。多路徑演算法的優點很明顯:它們可以提供更好的吞吐量和可靠性。

(3)平坦與分層

  一些路由協議在平坦的空間裏運作,其他的則有路由的層次。在平坦的路由系統中,每個路由器與其他所有路由器是對等的;在分層次的路由系統中,一些路由器構成了路由主幹,資料從非主幹路由器流向主幹路由器,然後在主幹上傳輸直到它們到達目標所在區域,在這裏,它們從最後的主幹路由器通過一個或多個非主幹路由器到達終點。

  路由系統通常設計有邏輯節點組,稱為域、自治系統或區間。在分層的系統中,一些路由器可以與其他域中的路由器通信,其他的則只能與域內的路由器通信。在很大的網路中,可能還存在其他級別,最高級的路由器構成了路由主幹。

  分層路由的主要優點是它類比了多數公司的結構,從而能很好地支持其通信。多數的網路通信發生在小組中(域)。因為域內路由器只需要知道本域內的其他路由器,它們的路由演算法可以簡化,根據所使用的路由演算法,路由更新的通信量可以相應地減少。

(4)主機智慧與路由器智能

  一些路由演算法假定源結點來決定整個路徑,這通常稱為源路由。在源路由系統中,路由器只作為存貯轉發設備,無意識地把分組發向下一跳。其他路由演算法假定主機對路徑一無所知,在這些演算法中,路由器基於自己的計算決定通過網路的路徑。前一種系統中,主機具有決定路由的智慧,後者則為路由器具有此能力。

  主機智慧和路由器智慧的折衷實際是最佳路由與額外開銷的平衡。主機智慧系統通常能選擇更佳的路徑,因為它們在發送資料前探索了所有可能的路徑,然後基於特定系統對“優化”的定義來選擇最佳路徑。然而確定所有路徑的行為通常需要很多的探索通信量和很長的時間。

(5)域內與域間

  一些路由演算法只在域內工作,其他的則既在域內也在域間工作。這兩種演算法的本質是不同的。其遵循的理由是優化的域內路由演算法沒有必要也成為優化的域間路由演算法。

(6)鏈結狀態與距離向量

  鏈結狀態演算法(也叫做短路徑優先演算法)把路由資訊散佈到網路的每個節點,不過每個路由器只發送路由表中描述其自己鏈結狀態的部分。距離向量演算法(也叫做Bellman-Ford演算法)中每個路由器發送路由表的全部或部分,但只發給其鄰居。也就是說,鏈結狀態演算法到處發送較少的更新資訊,而距離向量演算法只向相鄰的路由器發送較多的更新資訊。

  由於鏈結狀態演算法聚合得較快,它們相對於距離演算法產生路由環的傾向較小。在另一方面,鏈結狀態演算法需要更多的CPU和記憶體資源,因此鏈結狀態演算法的實現和支援較昂貴。雖然有差異,這兩種演算法類型在多數環境中都可以工作得很好。

3、路由的metric

  路由表中含有由交換軟體用以選擇最佳路徑的資訊。但是路由表是怎樣建立的呢?它們包含資訊的本質是什麼?路由演算法怎樣根據這些資訊決定哪條路徑更好呢?

  路由演算法使用了許多不同的metric以確定最佳路徑。複雜的路由演算法可以基於多個metric選擇路由,並把它們結合成一個複合的metric。常用的metric如下:

路徑長度

可靠性

延遲

帶寬

負載

通信代價

  路徑長度是最常用的路由metric。一些路由協定允許網管給每個網路鏈結人工賦以代價值,這種情況下,路由長度是所經過各個鏈結的代價總和。其他路由協議定義了跳數,即分組在從源到目的的路途中必須經過的網路產品,如路由器的個數。

  可靠性,在路由演算法中指網路鏈結的可依賴性(通常以位誤率描述),有些網路鏈結可能比其他的失效更多,網路失效後,一些網路鏈結可能比其他的更易或更快修復。任何可靠性因素都可以在給可靠率賦值時計算在內,通常是由網管給網路鏈結賦以metric值。

  路由延遲指分組從源通過網路到達目的所花時間。很多因素影響到延遲,包括中間的網路鏈結的帶寬、經過的每個路由器的埠佇列、所有中間網路鏈結的擁塞程度以及物理距離。因為延遲是多個重要變數的混合體,它是個比較常用且有效的metric。

  帶寬指鏈結可用的流通容量。在其他所有條件都相等時,10Mbps的乙太網鏈結比64kbps的專線更可取。雖然帶寬是鏈結可獲得的最大吞吐量,但是通過具有較大帶寬的鏈結做路由不一定比經過較慢鏈結路由更好。例如,如果一條快速鏈路很忙,分組到達目的所花時間可能要更長。

  負載指網路資源,如路由器的繁忙程度。負載可以用很多方面計算,包括CPU使用情況和每秒處理分組數。持續地監視這些參數本身也是很耗費資源的。

  通信代價是另一種重要的metric,尤其是有一些公司可能關係運作費用甚於性能。即使線路延遲可能較長,他們也寧願通過自己的線路發送資料而不採用昂貴的公用線路。

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