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TCP/IP之路由算法

网络层的重要功能就是路由和转发。而路由是根据路由器根据所维护的路由表进行路由选择。所以,如果创建和更新转发表就是一个很重要的问题。通常,在路由时,我们总是选取所需代价最小的一条路由。

《TCP/IP之路由算法》

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首先,我们需要将网络进行抽象,最常见的抽象就是,将网络抽象成图结构。

《TCP/IP之路由算法》

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每段链路的费用可以总是1,或者是,带宽的倒数、拥塞程度等。

关键问题: 源到目的(如u到z)的最小费用路径是什么?
所谓的路由算法: 寻找最小费用路径的算法。

路由算法的分类

静态路由 vs 动态路由

静态路由就是所有路由信息由人工静态配置好,以后需要更新的话,就要重新配置。

  • 手工配置
  • 路由更新慢
  • 优先级高

动态路由就是在网络随时根据网络拓扑结构的结构的变化,进行动态更新

  • 路由更新快
  • 定期更新
  • 及时响应链路费用或网络拓扑变化

全局信息 vs 分散信息

有的路由算法需要所有路由器掌握完整的网络拓扑和链路费用信息,也就是对网络的全局有一个了解
最有代表性的就是链路状态(LS)路由算法。

有的路由算法只需要路由器只掌握物理相连的邻居以及链路费用。通过邻居间信息交换、运算的迭代过程来更新路由信息。
最有代表性的就是距离向量(DV)路由算法。

链路状态路由算法

《TCP/IP之路由算法》

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首先将网络抽象,然后利用图算法中的最短路径算法,Dijkstra 算法。

所有结点(路由器)掌握网络拓扑和链路费用

  • 通过“链路状态广播”
  • 所有结点拥有相同信息

利用Dijkstra 算法计算从一个结点(“源” )到达所有其他结点的最短路径。从而可以获得该节点的转发表。
然后对不同的节点进行迭代,就可以使所有节点都得到自己的转发表。

  • c(x,y): 结点x到结点y链路费用;如果x和y不直接相连,则=∞
  • D(v): 从源到目的v的当前路径费用值
  • p(v): 沿从源到v的当前路径, v的前序结点
  • N’: 已经找到最小费用路径的结点集合
1 初始化:
2 N' = {u}
3 for 所有结点v
4 if v毗邻u
5 then D(v) = c(u,v)
6 else D(v) = ∞
7
8 Loop
9 找出不在 N’中的w ,满足D(w)最小
10 将w加入N'
11 更新w的所有不在N’中的邻居v的D(v) :
12 D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) )
13 /*到达v的新费用或者是原先到达v的费用,或者是
14 已知的到达w的最短路径费用加上w到v的费用 */
15 until 所有结点在N’中
《TCP/IP之路由算法》

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《TCP/IP之路由算法》

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算法复杂性: n个结点

  • 每次迭代: 需要检测所有不在集合N’中的结点w
  • n(n+1)/2次比较: O(n2)
  • 更高效的实现: O(nlogn)

算法可能存在震荡现象

《TCP/IP之路由算法》

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当链路状态更新的太快并且不断变化的时候,假设我们发出一个分组,结果还没到目的地,路由表就更新了,然后这个数据报就一直在路由间切换,最后由于ttl到0,直接丢弃。这就是震荡现象。

距离向量(Distance Vector)路由算法

《TCP/IP之路由算法》

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《TCP/IP之路由算法》

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重点:结点获得最短路径的下一跳, 该信息用于转发表中!

核心思想:

  • 每个结点不定时地将其自身的DV估计发送给其邻居
  • 当x接收到邻居的新的DV估计时, 即依据B-F更新其自身的距离向量估计:
《TCP/IP之路由算法》

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Dx(y)将最终收敛于实际的最小费用 dx(y)

异步迭代:

  • 引发每次局部迭代的因素
  • 局部链路费用改变
  • 来自邻居的DV更新

分布式:

  • 每个结点只当DV变化时才通告给邻居
  • 邻居在必要时(其DV更新后发生改变)再通告它们的邻居
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距离向量路由算法:举例

《TCP/IP之路由算法》

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《TCP/IP之路由算法》

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如果链路发生变化,距离向量节点会怎么样呢?

《TCP/IP之路由算法》

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链路费用变化:

  • 结点检测本地链路费用变化
  • 更新路由信息,重新计算距离向量
  • 如果DV改变,通告所有邻居

交换过程

  • t0 : y检测到链路费用改变 ,更新DV,通告其邻居.
  • t1 : z收到y的DV更新,更新其距离向量表,计算到达x的最新最小费用,更新其DV,并发送给其所有邻居.
  • t2 : y收到z的DV更新, 更新其距离向量表,重新计算y的DV,未发生改变,不再向z发送DV.

“好消息传播快! ”
“坏消息会怎么样呢? ”
如果是坏消息,很可能就会出现无穷计数的问题:

《TCP/IP之路由算法》

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《TCP/IP之路由算法》

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我们发现 坏消息传播慢!—“无穷计数(count to infinity)”问题!

无穷计数问题的解决方法

毒性逆转(poisoned reverse):

如果一个结点(e.g. Z)到达某目的(e.g.X)的最小费用路径是通过某个邻居(e.g.Y),则
通告给该邻居结点到达该目的的距离为无穷大

《TCP/IP之路由算法》

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毒性逆转能否彻底解决无穷计数问题?
显然是不行的,如果过于复杂的网络,我们发现毒性逆转也需要经过很多的步骤。

定义最大度量(maximum metric)

定义一个最大的有效费用值,如15跳步, 16跳步表示∞

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层次路由

我们前面的算法是将网络抽象成一张图,但实际上,网络都是很大的,节点数量远超过我们想象,如果我们单纯的使用以上的算法显然是不可行的。

将任意规模网络抽象为一个图计算路由-过于理想化

  • 标识所有路由器
  • “扁平”网络
    ——在实际网络(尤其是大规模网络)中, 不可行!

网络规模: 考虑6亿目的结点的网络

  • 路由表几乎无法存储!
  • 路由计算过程的信息( e.g. 链路状态分组、DV)交换量巨大,会淹没链路!

另一方面,就是网络管理自治的问题,不同的网络可以采取不同的方法进行路由。
管理自治:

  • 每个网络的管理可能都期望自主控制其网内的路由
  • 互联网(internet) = 网络之网络(network of networks)

层次路由就是解决这样的问题,和网络领域中的问题是一样,继续抽象出一层网络。
聚合路由器为一个区域:自治系统AS(autonomous systems)
然后再把自治系统看成节点进行路由,对于自治系统内就采取自己的路由方法。这就是抽象成了两层。

同一AS内的路由器运行相同的路由协议(算法)

  • 自治系统内部路由协议(“ intra-AS” routing protocol)
  • 不同自治系统内的路由器可以运行不同的AS内部路由协议

网关路由器(gateway router):

  • 位于AS“边缘”
  • 通过链路连接其他AS的网关路由器
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转发表由AS内部路由算法与AS间路由算法共同配置

  • AS内部路由算法设置AS内部目的网络路由入口(entries)
  • AS内部路由算法与AS间路由算法共同设置AS外部目的网络路由入口

假设AS1内某路由器收到一个目的地址在AS1之外的数据报:
路由器应该将该数据报转发给哪个网关路由器呢?

AS1必须:
1.学习到哪些目的网络可以通过AS2到达,哪些可以通过AS3到达
2.将这些网络可达性信息传播给AS1内部路由器

以上这些都是

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例: 路由器1d的转发表设置

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假设AS1学习到(通过AS间路由协议):子网x可以通过AS3 (网关 1c)到达,但不能通过AS2到达,AS间路由协议向所有内部路由器传播该可达性信息

为了配置转发表,路由器1d必须确定应该将去往子网x的数据报转发给哪个网关?这个任务也是由AS间路由协议完成!

  • 假设AS1通过AS间路由协议学习到:子网x通过AS3和AS2均可到达
  • 为了配置转发表,路由器1d必须确定应该将去往子网x的数据报转发给哪个网关?
  • 这个任务也是由AS间路由协议完成!
  • 热土豆路由: 将分组发送给最近的网关路由器.
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