下一代互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)路由協(xié)議機制分析與改進策略

卓廣平

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下一代互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)路由協(xié)議機制分析與改進策略

卓廣平

（太原師范學院 計算機系，山西 太原 030619）

隨著互聯(lián)網(wǎng)應用需求方式、種類及各種性能的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在的Internet正在向下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和過渡。作為互聯(lián)網(wǎng)體系結構的關鍵層次——網(wǎng)際層，其核心組成部分之一的動態(tài)路由協(xié)議協(xié)議現(xiàn)已成為園區(qū)網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)等設計組建中廣泛使用和首選的進行路由選擇和轉發(fā)功能的協(xié)議，并且也處于不斷更新和發(fā)展的過程中。本論文闡述了動態(tài)路由協(xié)議中基于Dijkstra提出的最短路徑優(yōu)先算法的設計思想并對協(xié)議本身進行了較為深入的分析和動態(tài)示例。最后，對在新一代互聯(lián)網(wǎng)中該協(xié)議在算法復雜度、消息傳遞復雜度以及IPv6的適應性方面進行了部分優(yōu)化與改進的設想。

下一代互聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡體系結構；最短路徑優(yōu)先；動態(tài)路由協(xié)議

0 引言

在計算機網(wǎng)絡中，作為網(wǎng)絡的核心部件——路由器主要功能體現(xiàn)在網(wǎng)絡層（或說網(wǎng)際層、IP層），而在整個網(wǎng)絡中，路由器從網(wǎng)絡的連通性、安全性以及高效性等視角來說，其核心地位是顯而易見的。它來負責不同區(qū)域的網(wǎng)絡連通，跨區(qū)域間的存儲轉發(fā)，高效的查詢傳遞，準確地交付目的主機等功能。在路由工作中，目前廣泛使用既高效又穩(wěn)定的動態(tài)路由協(xié)議是開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議——OSPFv2（及支持下一代互聯(lián)網(wǎng)的OSPFv3）。

1 網(wǎng)絡路由及實現(xiàn)的主要協(xié)議

在計算機網(wǎng)絡中，作為網(wǎng)絡的核心部件——路由器主要功能體現(xiàn)在網(wǎng)絡層（或說網(wǎng)際層、IP層），而在整個網(wǎng)絡中，路由器從網(wǎng)絡的連通性、安全性以及高效性等視角來說，其核心地位是顯而易見的。它來負責不同區(qū)域的網(wǎng)絡連通，跨區(qū)域間的存儲轉發(fā)，高效的查詢傳遞，準確地交付目的主機等功能。在路由工作中，目前廣泛使用既高效又穩(wěn)定的動態(tài)路由協(xié)議是開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議——OSPFv2（及支持下一代互聯(lián)網(wǎng)的OSPFv3）。

OSPF（Open Shortest Path First）路由協(xié)議[1]是開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議，也是一種十分典型的基于鏈路狀態(tài)（Link-state）算法的路由協(xié)議，旨在提升算法的收斂速度，使得可以快速適應網(wǎng)絡變化，能夠在短時間內將網(wǎng)絡變化后的全網(wǎng)一致的信息——鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫發(fā)送至網(wǎng)絡中的每一臺路由設備，同時保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性與快速收斂性。1988年，RFC成立了OSPF的研究小組，最終于1998年4月以標準形式出現(xiàn)了OSPF協(xié)議第二版（OSPFv2），它是基于IPV4的，目的是為了解決RIP協(xié)議的網(wǎng)絡規(guī)模受限、收斂速度慢等缺陷。它的核心思想之一是每個路由器在得到更新的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫之后，就默認為自己為根，進而構造最短的路徑樹——SPANNING TREE，把網(wǎng)絡中的所有其它網(wǎng)絡結點納入其中。OSPF路由器間彼此交換各自的鏈路狀態(tài)信息，并迅速達到全網(wǎng)一致的狀態(tài)，這也是OSPF廣泛使用的重要原因之一。最終，路由表通過計算得出是可以用于實現(xiàn)AS（自治系統(tǒng)）區(qū)域的通信。

2 動態(tài)路由計算過程及分析

在配置OSPF協(xié)議的局域網(wǎng)中，路由的功能并不是說簡單的把兩個節(jié)點或者區(qū)域內所有節(jié)點連通，是需要從多因素出發(fā)考慮計算出一條最佳路徑。整個OSPF路由計算過程可分為：

1. 路由器接口間發(fā)送hello報文建立鄰接關系；

2. DR與BDR的選舉；

3. 路由器通過LSA信息獲得網(wǎng)絡拓撲；

4. 路由表的計算與建立；

2.1 鄰接關系的建立

2.1.1 鄰接關系建立過程

建立鄰接關系，首先要說明的是“鄰接關系”并不是“鄰居關系”，這是兩種不一樣的狀態(tài)，只有在先建立了“鄰居關系”后，才有可能建立“鄰接關系”。所以先來描述下“鄰居關系”，鄰居關系的建立指的是，在初始情況下，路由A、路由B指定接口開啟了OSPF協(xié)議后，都會開始在這個接口上去發(fā)組播的OSPF Hello包，目的是為了發(fā)現(xiàn)OSPF鄰居。在Hello包中，active neighbor活躍鄰居字段，雖然是用來存儲路由器在某個路由接口上發(fā)現(xiàn)的neighbor，但是在初始環(huán)境下，Hello包里是沒有活躍鄰居的。

OSPF路由器B收到鄰居發(fā)來的Hello包，它會記錄下是誰發(fā)來的并將該路由器的狀態(tài)視為init，自己將發(fā)送出去的hello包中的active eighbor中包含該路由器的Router-ID。該路由器收到包后識別出自己的Router-ID，此時兩臺路由器的狀態(tài)變?yōu)閠wo- way。此時僅為單方向的鄰居關系已經(jīng)建立，若要建立雙向的鄰居關系需要重復上述過程，使得另外一臺路由器達到two-way的狀態(tài)。至此OSPF的第一個穩(wěn)態(tài)就達到了。雙方成功交換DD（Database Description，數(shù)據(jù)庫描述）報文，交換LSA并達到LSDB的同步之后，才形成真正意義上的鄰接關系（hello包的期限是40s，超出后視為這條通道無效）。

進而進入ex-start狀態(tài)，以及Master、Slave的協(xié)商，Router-ID是決定成為Master還是Slave的因素，較大的成為Master，相對的接口為Slave。這里要注意Master不是DR。M/S協(xié)商過程中使用的是BDB包，這個包當中，有三個關鍵位I、M、MS。

當OSPF接口收到一個DBD包，其中I位置0，表明與鄰居的ex-start階段已經(jīng)結束，從而將鄰居的狀態(tài)置為ex-change，并且存儲LSA 頭部，是由DBD包發(fā)送的，同時發(fā)送OSPF Database（DB）給鄰居，這樣兩臺路由都能交互，了解對方的DB內容。在這個過程中不止交換一次DBD報文，這些報文的I位0，且M位是1。除非是OSPF接口發(fā)送的最后一個DBD包。

當路由器收到DBD包，且M偎置為0，說明這是鄰居發(fā)來的最后的DBD包，當搜集完其中的內容后，如果發(fā)現(xiàn)有興趣的LSA，需要獲得更加詳細的LSA的信息時，則對端置為Loading狀態(tài)。此時A發(fā)送LSR報文，以求交換完整數(shù)據(jù)包LSR LSU，B在收到請求后，通過LSU報文給予回應，發(fā)送出A請求的詳細的LSA的完整的內容與信息，當A收到LSU后，將詳細信息放入自己的LSDB，回應B進行確認通過Lsack。OSPF所有的接口的所有的LSA信息全部接收到最新的狀態(tài)下，所有的鄰居置為FULL狀態(tài)。OSPF鄰接關系也正式建立。

2.1.2 鄰接關系建立的8種狀態(tài)

路由器在配置OSPF路由協(xié)議之后，需要建立鄰接狀態(tài)來實現(xiàn)相互之間跨區(qū)域的通信，在這個過程中會有八種狀態(tài)，詳解如表1所示。

2.2 DR和BDR選舉

OSPF協(xié)議定義[2-4]了指定路由器DR（Designated Router）僅在廣播網(wǎng)和NBMA網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡中同一自治區(qū)域內的路由器兩兩實現(xiàn)通信，這便需要建立n(n-1)/2個鄰居，是為了解決在不斷更新的路由信息與鏈路信息所造成的傳遞更新的過程中的帶寬浪費。所有的路由信息的更新全部發(fā)送給DR，再由DR將路由信息與鏈路狀態(tài)發(fā)送給其他的路由器。

表1 鄰接關系建立的8種狀態(tài)及說明

Tab.1 8 states and descriptions of the establishment of adjacency relationship

如果制定的DR路由器發(fā)生意外故障，則區(qū)域內的所有路由器將會重新選舉出新的DR。這段時間較長，并且還會影響路由器的正常工作，為了解決或者縮短這個不正常過程的時間，提出了BDR（Backup Designated Router，備份指定路由器）的概念。

BDR實際上是DR的替代品，在選舉DR的同時BDR也同時被選舉出來。由于DR與BDR在被選舉出來后，都會與所有的路由器建立鄰接狀態(tài)并且實時交換更新信息。當DR故障后，BDR瞬間變成DR，繼續(xù)實施轉發(fā)的任務，不會影響工作的正常進行，在這個過程中，也會選舉出另外的BDR，以備不時之需。

DR和BDR之外的路由器稱為DR Other之間將不再建立鄰接關系，也不會再次交換任何路由信息。

當網(wǎng)絡中接入新的路由器，并且激活了新的接口，也不會重新選舉DR與BDR，前提是已存在DR與BDR。它會自動接受原有的DR與BDR。如果沒有，則會重新選舉。

選舉過程是以優(yōu)先級大小來確認的，在優(yōu)先級相同的情況下，Router-ID成為新的標準，數(shù)值越高的將會成為DR，如果僅是無BDR則僅僅需要選舉BDR，過程同上，且新進的路由器接口也具有資格。

2.3 傳遞LSA

LSA（Link State Advertisement）鏈路狀態(tài)廣播數(shù)據(jù)，OSPF協(xié)議通過LSA將所有的信息更新傳遞到網(wǎng)絡中的路由器中。這是與RIP距離矢量路由協(xié)議的根本不同。距離矢量路由協(xié)議傳送的是路由表，OSPF會建立動態(tài)的狀態(tài)數(shù)據(jù)庫來尋出接口的狀態(tài)，生成最短路經(jīng)樹，進而構造路由表。

2.3.1 LSA分析

LSA都包含序列號，校驗以及老化時間。路由器發(fā)送的LSA的序號越大則視為越新，在每次發(fā)送的LSA序列號都會加1，標志著是最新的信息。

LSDB是存放LSA的動態(tài)數(shù)據(jù)庫，5 min對LSA 進行一次校驗，以確保LSA未損壞。一條LSA都是具有老化時間，如果在LSDB中，LSA一直未重新發(fā)送，也就是老化時間從未設置為0，在累計到1 h之后，便自動從LSDB中清除，這個時間的累計是由每個路由器中的InfTranDelay來實現(xiàn)操作。在配置有OSPF的網(wǎng)絡中，只有始發(fā)路由可以設置時間，來使得LSA手動的失效，清除出LSDB，方法是設置時間，將時間設置的無限大。

LSA的會接受到路由器的確認，確認方式有顯示與陰式兩種。然后才會用LSAck進行回應，LSAck僅包含LSA頭部，這是顯示確認。陰式確認相對復雜，需要始發(fā)路由器收到包含LSA信息的數(shù)據(jù)包來確認。

2.3.2 LSA種類

OSPF的LSA類型種類繁多，我們不得不對它進行研究。OSPF的LSA類型一共有11種分別是：

LSA1 路由器LSA（Router LSA）

LSA2 網(wǎng)絡LSA（Network LSA）

LSA3 網(wǎng)絡匯總LSA（Network summary LSA）

LSA4 ASBR匯總LSA（ASBR summary LSA）

LSA5 自治系統(tǒng)外部LSA（Autonomous system external LSA）

LSA6 組成員LSA （Group membership LSA）

LSA7 NSSA外部LSA （NSSA External LSA）

LSA8 BGP的外部屬性LSA（External attributes LSA for BGP）

LSA9 不透明LSA（本地鏈路范圍）（opaque LSA）

LSA10 不透明LSA（本地區(qū)域范圍）（opaque LSA）

LSA11 不透明LSA（AS范圍）（opaque LSA）

在這11種LSA中，我們主要研究LSA1、LSA2、LSA3、LSA4、LSA5、LSA7。

表2 LSA的11種類型

Tab.2 11 types of LSA

2.4 OSPF路由表的計算

2.4.1 Dijkstra的最短路徑優(yōu)先算法的計算流程與基本算法

圖1 最短路徑優(yōu)先算法流程

基本的核心算法如下：

1 Initialization

2 N={A}

3 for all nodes v

4 if v adjacent to A

5 then D(v)= c(A,v)

6 else D(v)= infinity

7

8 Loop

9 find w not in N such that D(w) is a minmum

10 add w to n

11 update D(v) for all v adjacent to w and not in n;

12 D(v)= min(D(v),D(w)+c(w,v))

13 /*new cost to v is either old cost to v or known

14 shortest path cost to w plus cost from w to v*

15 until all nodes in N

在Dijkstra計算中，每個路由器維護了兩個列表：

a. PATH list,是一個節(jié)點列表，叫做路徑類列表，存放路徑中的每個節(jié)點。

b. 可能在也可能不在到達目的地的最短路徑上的下一跳類表，這個表稱為TENTative或TENT列表。

2.4.2 Dijkstra最短路徑優(yōu)先算法的實例：

計算圖中路由器A的路由表項。

圖2 路由拓撲圖例

（1）把自己加入PATH列表中，距離為0，下一跳是自己。路由器A的數(shù)據(jù)庫如下表：

PATHTENT {A,0,0}{empty}

（2）將鄰居B、C和D加入TENT列表中，下一跳為自己。

PATHTENT {A,0,0}{B,6,B} {C,3,C} {D,2,D}

（3）D的代價小于C的3和B的6，將{D,2, D}移到PATH列表中。

PATHTENT {A,0,0}{B,6,B} {D,2,D}{C,3,C}

（4）檢查D的鄰居。路由D到C的鏈路代價是5，A-D-C的代價為2+5=7，大于A-C-C的代價3，所以將{C,3,C}加入到PATH列表中：

PATHTENT {A,0,0}{B,6,B} {D,2,D} {C,3,C}

（5）檢查C的鄰居。路由C到B的鏈路代價是2，A-C-B的代價為3+2=5，小于A-B-B的代價6，所以在TENT列表中刪除{B,6,B}，添加{B,5,C}：

PATHTENT {A,0,0}{B,6,B} {D,2,D}{B,5,C} {C,3,C}

（6）將{B,5,C}加入PATH列表，這時A的所有列表已經(jīng)在PATH列表中了，TENT列表為NULL，停止計算：

PATHTENT {A,0,0} {D,2,D} {C,3,C} {B,5,C}

（7）這時候A的PATH列表就成了它的路由表項：

結點代價下一跳 A0Self B5C C3Connected D2Connected

2.4.3 路由表數(shù)據(jù)結構

路由表數(shù)據(jù)結構包含的內容：目的地址、目的類型、目的網(wǎng)絡掩碼、接口標識、域標識、路徑類型、路由度量、鏈路狀態(tài)標識、下一跳等。由于路由表是路由器轉發(fā)包任務的唯一依據(jù)，其重要性無需更多的描述。再轉發(fā)包信息的時候，通過路由表，將目的信息同表進行對比，找到最佳匹配的路由條目，從而決定路由策略。

2.4.4 路由表的計算過程

有關路由表的計算是OSPF最為核心的部分[5]。是生成動態(tài)的內核路由表的基礎，路由表的計算要完成目的地址、目的類型、目的網(wǎng)絡掩碼、接口標識、域標識、路徑類型、路由度量、鏈路狀態(tài)標識、下一跳等的填寫，網(wǎng)絡中的鏈路狀態(tài)通告類型有：路由器鏈路狀態(tài)通告、網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)通告、摘要鏈路狀態(tài)通告、AS外部鏈路狀態(tài)通告。這些通告無疑是填寫內容的唯一依據(jù)。

整個計算過程為:

（1）域內路由的計算

域內路由計算有兩個階段組成，A、Dijkstra算法生成最短路徑優(yōu)先樹，但此時的節(jié)點僅僅是域內的各個節(jié)點且僅僅考慮路由器和傳輸網(wǎng)絡。B、最短路徑優(yōu)先樹中添加端網(wǎng)絡；最短路徑優(yōu)先樹的建立就是應用了Dijkstra算法。但在該階段，計算路由器只考慮其鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（LinkStateDataBase簡稱LSDB）中的路由器鏈路狀態(tài)通告和網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)通告。路由器鏈路狀態(tài)通告詳細描述了區(qū)域內每個路由器與相應區(qū)域的連接情況，網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)通告詳細描述了網(wǎng)絡連接中的路由器的狀況，整個的網(wǎng)絡拓撲的映射組可以完整的表現(xiàn)出來了。

通過Dijkstra算法生成最短路徑優(yōu)先樹已經(jīng)描述了路由器到達網(wǎng)絡中各個節(jié)點的最短路徑。所以，下一跳的計算成為生成域內路由表時的關鍵任務。下一跳是指路由器在“存儲—轉發(fā)”數(shù)據(jù)包時，為達到目的地址的接口應該轉發(fā)的IP地址。具體計算如下：

計算時要涉及根、父節(jié)點、目的三個參數(shù)。

如果目的和根之間最少存在有一個路由器,則下一跳只需直接從父節(jié)點獲取。

否則，目的和跟之間不存在路由器的節(jié)點，分為兩種情況的計算。

A、父節(jié)點就是根，即對點到多點網(wǎng)絡，需查看數(shù)據(jù)域（目的節(jié)點路由器鏈路狀態(tài)通告組成的），點對點則不需要下一跳地址。

B、父節(jié)點就變成了網(wǎng)絡，也需查看鏈路數(shù)據(jù)域，用來輸出的接口是從IP地址來獲取，該IP地址是指的是下一跳的IP地址。

（2）域間路由計算

域間路由分成兩種情況下的路由，分別是到達其它域網(wǎng)絡的路由和自治系統(tǒng)邊界路由器(ASBR)的路由。摘要鏈路狀態(tài)通告描述出這兩種情況在OSPF中。如果路由器連接到多個區(qū)域，則我們只考慮主干域中的摘要鏈路狀態(tài)通告，對于每條鏈路狀態(tài)通告有下面的原則：

①鏈路狀態(tài)通告的度量值或存活時間均為最大值，鏈路狀態(tài)通告是由本路由器發(fā)出，則不考慮。

②由邊界路由器ASBR產生的鏈路狀態(tài)通告，且通告描述的是一個網(wǎng)絡，則會將該通告的增加到目的的網(wǎng)絡的路由，度量值是路由器到路由器的度量值與目的網(wǎng)絡的度量值之和。

③查看路由表中優(yōu)先級最高的路由條目，若該鏈路狀態(tài)通告描述的是ASBR為目的，且優(yōu)先級最高的路由條目均低于域間路由條目，則增加相應的路由。

④路由表中是否增加或者替換相應路由條目，由路由表中到達目的地址的路由的優(yōu)先級決定。

（3）通過傳輸域的摘要鏈路狀態(tài)通告去選擇最優(yōu)的的路由

這一步只在某個區(qū)域的邊界路由器上執(zhí)行，該邊界路由器連接了多個不同的域。目的是：

①檢查是否存在更加優(yōu)化的路由存在，代替之前形成的路由條目；

②為更新后的主干區(qū)域內的路由與ASBR之間的虛擬鏈路尋找真正的下一跳地址。

如圖3所示。

圖3 虛擬鏈路圖示

圖3中，網(wǎng)絡N1是主干區(qū)域，為了保障主干區(qū)域的通信，在R2與ASBR R0之間配置了一條虛擬鏈路。從圖5中可看出，路由器R1到達N1的度量5要遠比R0的度量40小。因此，R1成為了傳輸區(qū)域1的DR，所有的路由器會通過它來轉發(fā)所有去向網(wǎng)絡N1的包。但通過路由表計算過程中第（1）步的計算，R2已經(jīng)得到了通過R0將包轉發(fā)給N1的路徑，顯然與實際情況不符。因此，通過第（3）步計算，R2將選擇R1作為轉發(fā)包的途徑。

（4）AS外部路由的計算

通信目的是AS區(qū)域[6-7]之外的路由或者其他設備的路由器稱為AS外部路由，通過AS外部鏈路狀態(tài)通告計算得到它。AS外部路由的計算相對來說較為簡單。對每一條鏈路狀態(tài)通告，只需經(jīng)過下面的一些判斷：

①通告路由器、度量值、存活時間三者中有一個不符合條件，不予處理。

②不存在到通告路由器的路由，則不予處理。

③轉發(fā)路由器IP地址0.0.0.0，是一條缺省路由，數(shù)據(jù)包則應轉交給通ASBR，按照缺省路由增加相應路由。

④若轉發(fā)路由器不為0，但其不可達，則不予處理。

此時，按照上述的過程進行完畢之后，OSPF的LSDB（鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫）便會根據(jù)內容生成路由表，但是這是OSPF自身的路由表，區(qū)別于通信時路由器的內核路由表。

3 結語

OSPF作為一種重要的內部網(wǎng)關協(xié)議,得到了普遍應用,極大地增強了網(wǎng)絡的靈活性與穩(wěn)定性。同時也反映出動態(tài)路由協(xié)議功能的強悍及實現(xiàn)的復雜。在下一代互聯(lián)網(wǎng)中的動態(tài)路由協(xié)議如OSPFv3[8-9]，基本功能雖與OSPEv2相同，但更好地支持了IPv6協(xié)議（如128位二進制數(shù)的IP地址以及更好的認證及加密的安全保證），在實現(xiàn)中利用到更多的鏈路狀態(tài)通告來保障具體的通信成功和安全保證。此外，比這認為在計算復雜度和消息傳遞的復雜度方上還有更好的優(yōu)化改進策略。同時，我們也看到，如何更高效地解決層次化路由、網(wǎng)絡拓撲的聚合、以及鏈路狀態(tài)更廣泛和靈活的描述仍將是網(wǎng)絡研究的重要方向。

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Dynamic Routing Protocol Mechanism Analysis and Improved Strategy for Next Generation Internet

ZHUO Guang-ping

(Taiyuan Normal University, Department of computer science, ShanXi Tai yuan 030619)

With the growing demand for Internet applications, types and performance, Internet is developing and transferring to the next generation of Internet. As the key layer of the Internet Architecture - the Internet layer, the dynamic routing protocol, one of the core components of the Internet, has now become a widely used and preferred protocol for routing and forwarding functions in the design and establishment of park, man, and wide area network, and is also in the process of continuous updating and development. This paper describes the design idea of the shortest path priority algorithm based on Dijkstra in dynamic routing protocol and carries out a more in-depth analysis and dynamic example of the protocol itself. Finally, some optimization and improvement are made for the complexity of the algorithm, the complexity of message transfer and the adaptability of IPv6 in the new generation of Internet.

Next generation Internet; Network architecture; Shortest path first; Dynamic routing protocol

TP393.02

J

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.07.043

卓廣平(1972-)，男，計算機應用技術專業(yè)工學博士副教授，主要研究方向：網(wǎng)絡體系結構、協(xié)議機制與優(yōu)化、人工智能。

本文著錄格式：卓廣平. 下一代互聯(lián)網(wǎng)動態(tài)路由協(xié)議機制分析與改進策略[J]. 軟件，2018，39（7）：202-207