基础通信学习之路由技术

网络层路由技术
移动承载网络中的网络层协议应用。

在无线业务的承载中，2G/3G 的业务模型更多的是点到点的模式．直接实现基站和基站控制器之间的数据传送。

而在4GLTE的业务模型中，业务模式发生了变化，一为核心网侧的服务器集中化部署，基站允许在某一业务服务器出现故障的情况下同另一业务服务器进行通信；二为基站和基站之间的业务转发需求出现。在这两种业务的实现中，都需要基站能够实现一对多的业务通信。为满足基站的一对多通信需求，在无线回传网络中引入了三层路由技术。

路由技术工作在TCP/IP模型中的第三层，为网络中设备提供了基于IP通信的功能，实现不同网段设备之间的互联互通。为满足无线基站的访问需求．在移动承载的方案中部署了OSPF、 IS-IS、BGP等路由协议。
路由基础

路由技术是Internet得以持续运转的关键所在，是一个极其有趣而又复杂的课题，一个永远的话题。本节内容作为基础课程对于读者对不同路由协议的了解有着极其重要的意义，在之前课程的基础之上，本节将会介绍IP路由选路过程、路由的来源及路由协议的分类。
IP路由选择

如图所示，路由器RTA有一个数据包需要发送到目标网络N，路由器RTA根据目的地址查找路由表，找到去往目标网络N的出接口为E0/0，下一跳路由器为RTB，于是数据包从E0/0接口发出、送往路由器RTB，路由器RTB采用同样的方法将数据包转发到路由器RTC，网络中的最后一个路由器RTC将数据包发送给目标网络N。数据包在网络中转发的路径是路由器RTA→路由器RTB→路由器RTC→目标网络N。

通过这个例子可以发现，路由器提供了将不同网络互联的机制，实现将一个数据包从一个网络发送到另一个网络。数据包在网路上的传输就好像是接力赛跑一样，每一个路由器负责将数据包按照最优的路径向下一跳路由器进行转发，通过多个路由器一站一站的接力将数据包通过最优路径转发到目的地。当然有时候由于实施一些路由策略，数据包通过的路径可能并不一定是最佳路径。存放在路由器上的这些指导IP数据包转发的路径信息称为路由。

接下来通过图中的RTA、RTB、RTC 这3台路由器上的路由信息来说明IP路由的过程。如下图所示，RTA左侧连接网络10.3.1.0, RTC右侧连接网络10.4.1.0。当10.3.1.0 网络有一个数据包要发送到10.4.1.0网络时，IP路由的过程有以下3步。

1.10.3.1.0网络的数据包被发送到与网络直接相连的RTA的E1端口，E1端口收到数据包后查找自己的路由表，找到去往目的地址的下一跳为10.1.2.2，出接口为EO，于是数据包从EO接口发出，交给下一跳10.1.2.2。

2. RTB的EO接口地址为10.1.2.2，收到数据包后，同样根据数据包的目的地址查找自己的路由表，查找到去往目的地址的下一跳为10.2.1.2，出接口为E1，同样，数据包被RTB从E1 接口发出，交给下一跳10.2.1.2。

3. RTC的EO接口地址为10.2.1.2，收到数据包后，依旧根据数据包的目的地址查找自己的路由表，查找目的地址是自己的直连网段，并且去往目的地址的下一跳为10.4.1.1，接口是E1。最后数据包从E1接口发出，发送到目的地址。

IP 路由过程清晰地表明了路由器转发数据包依赖于路由表。路由器要想很好地完成路由的功能，则要做以下相关的工作。
1. 检查数据包的目的地。该功能主要用于确定路由器是否了解目的地信息。
2. 确定信息源。路由器从哪里获得给定目的地的路径？由管理员静态指定的，还是动态地从其他路由器那里得到的？
3. 发现可能的路由。到目的地的可能路由有哪些？
4. 选择最佳路由。到目的地的最佳路径是哪条？路由器是否应在多条路径之间均衡负载？
5. 验证和维护路由信息。到目的地的路径是否有效。是否是最新的。路由器除了生成路由表外还会定期地验证和维护路由信息，确保路由表中的条目有效。
路由的来源

路由器转发数据包的关键是路由。每个路由器中都保存着张由路由表项形成的路由表，表中的每条路由项都指明数据包到某子网或某主机应通过本路由器的哪个物理端口发送，以及可通过该路径到达哪个下一条路由器，或者不再经过别的路由器而传送到直接相连的网络中的目的主机。根据路由来源不同，路由器表中的路由通常可分为以下三类。
1. 链路层协议发现的路由（也称为接口路由或者直连路由）
2. 由网络管理员手工配置的静态路由
3. 动态路由协议发现的路由
接下来通过不同的例子分别介绍路由的三种不同来源。
1. 路由的来源---链路层发现的路由
路由表的第三项Proto字段表明了路由的起源，路由有3种来源，其中Proto 字段的值为Direct的是链路层发现的路由，当链路层协议UP后，就会产生这种类型的路由。

链路层发现的路由不需要维护，减少了维护的工作。而不足之处是，链路层只能发现接口所在的直连网段的路由，无法发现跨网段的路由。跨网段的路由需要用其他的方法获得。
1. 路由来源---静态路由
路由表中Proto字段的值为Static的就是路由的第二种来源--静态路由。它是由管理员手工配置的，通过配置静态路由同样可以达到网络互通的目的。

如图所示，两台路由器之间采用串口相连，两台路由器上各自配置了一个环回（ Loopback）地址，分别为10.1.1.1/32和20.1.1.1/32。

在路由器RTB上配置到达路由器RTA的环回接口网段的静态路由，可以有以下的三种形式。

ip route-static 10.1.1.1 255.255.255.255 1.1.1.1

ip route-static 10.1.1.1 32 1.1.1.1

ip route-static 10.1.1.1 32 Serial 0

第一种形式的掩码用点分十进制表示，第二种形式的掩码用网络位长度表示，第三种形式用出口，代替下一跳地址。

配置了静态路由后，可以使用命令查看路由表。在路由表中可以看到一条静态路由有以下信息：

上文中已经提到在配置到达网络目的地的路由时，如有多条路径，可指定相同优先级，实现负载分担，也可指定不同优先级，实现路由备份。如图所示，在路由器RTB上配置3条到达同一目的网络10.1.1.1/32的路由，这3条静态路由的优先级相同，采用默认值60。并且没有其他到达10.1.1.1/32网络的路由优先级比这3条高。这个时候，这3条路由是等价路由，可以实现负载分担，数据报文会在这3条链路上轮流发送。

当到达同一目的地存在多条路径时，其中一条路由优先级最高的为主路由，其余路由优先级较低的就成了备份路由。

如下图路出器RTB上配置两条静态路由到达网络10.1.1.1/32，其中一条静态路由的优先级采用默认值60，另外一条静态路由的优先级配置为100。

查看路由表时就可以发现路由表中到达 10.1.1.1/32的路由只有一条，优先级为60。这条路由作为主用路由（路由协议优先级越小越优），优先级为100的路由没有加入到路由表中。只有当优先级为60的路由失效后，优先级为100的路由才会被加入到路由表中。

使用命令查看静态路由的信息后，发现优先级为60的到达网络10.1.1.1/32的路由状态为激活( Active )，表示这条路由为主用，会被加入到路由表中；优先级为100的路由的状态为非激活（Inactive) , 表示这条路由为备用，暂时不会被加入到路由表中，也不会用来指导数据包的转发。

通常情况下，管理员可以通过手工方式配置一种特殊的路由一一默认路由。有些时候，也可以便动态路由协议生成默认路由，如OSPF和IS-IS等。使用查询路由表命令可以查看当前路由器是否设置了默认路由。在路由表中，默认路由在路由表中以目的网络0.0.0.0(掩码为0 0.0.0）的形式出现。

如果报文的目的地址不能与路由表中的路由条目严格匹配，那么该报文将选取默认路由转发。如果默认路由且报文的目的地不在路由表中。那么该报文将被丢弃，并向源端口返回一个ICMP报文，报告该目的地址或网络不可达。

在使用命令配置静态路由时，如果将目的地址与掩码配置为全零（0.0.0.0 0.0.0.0)则表示配置的是默认路由查看路由表时，默认路由的目的地址为0.0.0.0，掩码长度为0，以下为手工配置的默认路由的相关信息。

默认路由也支持路由的负载分担与路由备份。当配置多条优先级相同的默认路由时，这些路由实现负载分担。当路由优先级不同时，这些路由实现路由备份．优先使用优先级最优的路由（路由优先级越小越优），其他为备份路由。

静态路由因其配置简单，开销小而广泛应用于网络中。但静态路由不足的地方时。当一个网络发生故障后，静态路由不会自动发生改变，必须由管理员手工去改配置，因此静态路由适合于网络拓扑结构简单，网络拓扑变动不频率的网络，当网络比较复杂或者经常发生变动时，配置静态路由是一件很麻烦的事情，而且也不好维护。
1. 路由的来源—动态路由协议发现的路由
动态路由协议发现的路由是第三种来源当网络拓扑结构十分复杂时，手工配置静态路由工作量大，而且容易出现错误，这时就可用动态路由协议让其自动发现和修改路由，无须人工维护。但动态路由协议对设备性能的要求相对较高，配置相对复杂。

如图下所示，路由表中的Proto字段为RIP的路由，表示该路由是由RIP动态路由协议发现的。Proto字段为OSPF的路由，表示该路由是由OSPF动态路由协议发现的。RIP和OSPF以及其他动态路由协议。

静态路由和动态路由对比。
1. 静态路由必须由管理员手工指定。当网络拓扑发生变化时，需要管理员手工更新配置。同时静态路由只适合简单小型的网络，当网络结构复杂，路由条目繁多的时候，静态路由将难以胜任。
2. 动态路由通过网络中运行的路由协议收集网络信息。当网络拓扑发生变化时，路由器会通过路由更新报文自动更新路由信息，不必管理员手工去更新。
路由协议的分类

目前常见的动态路由协议有以下几种

路由信息协议(RIP);

开放式最短路径优先协议（OSPF）；

中间系统到中间系统协议（IS-IS）

边界网关协议(BGP)

其中，RIP（路由信息协议）配置简单，收敛速度慢，常用于中小型网络。OSPF由IETF开发，协议原理本身比较复杂，使用非常广泛。IS-IS设计思想简单，扩展性好，目前在ISP的网络中被广泛配置。BGP用于AS之间交换路由信息。动态路由协议基于不同的标准有以下不同的分类。
1. 按照作用范围，路由协议可分为IGP和EGP。
内部网关协议（Interior Gateway Protocols,IGP）是在同一个自治系统内部运行的路由协议。如RIP、OSPF和IS-IS都属于IGP。IGP的主要目的是发现和计算自治区域内的路由信息。

外部网关协议（Exterior Gateway Protocols, EGP），用于连接不同的自治系统。在不同的自治系统之间交换路由信息，主要使用路由策略和路由过滤等控制路由信息在自治域间传播，例如BGP。

( 2）按照路由的寻径算法和交换路由信息的方式，路由协议可以分为距离矢量协议（Distant-Vector,D-V）和链路状态（ Link-State）协议。

距离矢量协议包括RIP和BGP，链路状态协议包括OSPF，IS-IS。BGP也被称为路径矢量协议（PathVector）。

距离矢量路由协议基于贝尔曼一福特算法，使用D-V算法的路由器通常以一定的时间间隔向相邻的路由器发送它们完整的路由表。

距离矢量路由器关心的是到目的网段的距离（ Metric ）和矢量（方向，从哪个接口转发数据）。距离矢量路由协议的优点是配置简单，占用较少的内存和CPU处理时间。它的缺点在于扩展性较差，比如，RIP最大跳数不能超过15。

链路状态路由协议基于Dijkstra算法，有时被称为最短路径优先算法；D -V算法关心网络中链路或接口的状态（UP或 DOWN 、IP地址、掩码），每个路由器将自己已知的链路状态向该区域的其他路由器通告，通过这种方式，区域内的每台路由器都建立了一个本区域的完整的链路状态数据库。然后路由器根据收集到的链路状态信息来创建它自己的网络拓扑图，形成一个到各个目的同段的带权有向图。

链路状态算法使用增量更新的机制，只有当链路的状态发生了变化时才发送路由更新信息，这种方式节省了相邻路由器之间的链路带宽。部分更新只包含改变了的链路状态信息，而不是包含整个的路由表。
1. 按照业务应用，路由协议可分为单播路由协议和多播路由协议。
单播是一种数据包传输方式。数据包的目的地址是唯一的一台主机或设备，包括RIP、OSPF、BGP和IS-IS等。

多播是另一种数据包传输方式。数据包的目的地址为多播地址，即一组主机或设备可以同时接收到数据包．包括距离向量多点广播路由选择协议（Distance Vector Multicast Routing Protocol, DVMRP）协议无关多播-稀疏模式（PIM-SM），协议无关多播-密集模式（PIM-DM）等。

在某些情况下，需要在不同的路由协议中共享路由信息，例如从RIP学到的路由信息可能要引入到OSPF中去，这种在不同路由协议中间交换路由信息的过程被称为路由引入。路由引入可以是单向的（例如将RIP引入OSPF），也可是双向的，不同路由协议之间的花销不存在可比性，也不存在换算关系，所以在引入路由时需要重新设置引入路由的Metric值（某些协议可以使用系统默认的数值）。华为VRP平台支持将一种路由协议发现的路由引入到另一种路由协议中。

不恰当的路由引入可能会加重路由器的工作负担，并可能导致路由环路的产生，所以在进行路由引入相关操作时应该谨慎使用。

不同的路由协议有各自不同的特点，那么如何衡量什么是好的动态路由协议呢？一个好的动态路由协议要求具备以下几点。

正确性，路由协议能够正确找到最优的路由，并且是无路由自环。

快收敛，当网络的拓扑结构发生变化肘，路由协议能够迅速更新路由，以适应新的网络拓扑。

低开销，要求协议自身的开销（内存、CPU、网络带宽）最小。

安全性，协议自身不易受攻击，有安全机制。

普适性，能适应各种网络拓扑结构和各种规模的网络，扩展性好。