路由與路由協議技術基礎概述目錄TOC\o"1-3"\h\u14740路由與路由協議技術基礎概述 1159061.1路由機制概述 110481.2OSPF協議 2248981.3Quagga開源路由引擎 4路由是數據包在網絡中傳遞的路徑，路由協議是網絡設備為了生成路由而使用的算法與規(guī)則。路由類型分為靜態(tài)路由與動態(tài)路由，靜態(tài)路由由人為指定，動態(tài)路由由路由協議生成。傳統網絡路由協議主要包括內部網關協議（InternalGatewayProtocol，IGP）和外部網關協議（ExternalGatewayProtocol，EGP），其中IGP主要負責網絡區(qū)域內部的路由，常用的有OSPF協議和ISIS協議等；EGP主要負責網絡區(qū)域之間的路由，常用的有BGP協議等。路由引擎除了實體物理網絡路由設備中的路由模塊，還有一些開源的路由引擎項目，比如Quagga、BIRD和OpenBGPd等。本節(jié)主要對路由機制、路由協議與路由引擎技術進行介紹。1.1路由機制概述主機向不同于本地IP地址之外的主機發(fā)送數據時，IP數據包將會被轉發(fā)至默認網關，即負責將數據包從本地網絡路由至遠端主機的路由器。IP數據包到路由器之后，它首先要讀去IP包頭的目標IP地址，然后查看路由表，確定轉發(fā)路徑，將數據包從對應的接口送出，各網絡設備使用相同方法，直將數據包送達目的主機。路由轉發(fā)機制如圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1路由轉發(fā)機制圖當主機A發(fā)向主機B的數據流在網絡層封裝成IP數據包，IP數據包的首部包含了源地址和目標地址。主機A首先根據IP地址與網絡掩碼確定目標網絡地址是否與本機處在同一個網段中，如果不是則將IP數據包轉發(fā)到默認網關。在發(fā)往默認網關前，主機A還會通過ARP請求獲取默認網關的MAC地址，將IP數據包封裝成以太網數據幀后發(fā)往默認網關，也就是路由器上的一個端口。當路由器接收到以太網數據幀后，確認數據幀中的目的MAC地址屬于自己某個端口的物理地址，路由器將以太網數據幀解封裝，提取數據報文的目的地址，查找匹配路由表。匹配到路由項后，將數據包重新封裝，更改目的MAC地址為下一跳路由器接口地址，并從對應接口發(fā)出。此后每一設備都重復這個過程，當數據包到達最后一跳路由器時，路由器首先將其目的地址與路由表進行對比，發(fā)現是本地網絡，則通過將MAC地址變更為本地網絡上目的主機的MAC地址，直接將數據包發(fā)送給目的主機。整個過程中數據包的源IP地址和目的IP地址不變，每一跳只會改變目的MAC地址。每一跳路由器會檢查IP協議的TTL字段，以防止由于路由環(huán)路造成的數據包無限循環(huán)，每經過一跳路由器，路由器會將數據報文中的TTL字段值減1，如果發(fā)現TTL字段值為0，則會丟棄這個報文。綜上所述，能否正確路由至目的地址，除了生成正確的路由表以外，每一跳MAC地址的轉換也至關重要，MAC地址的轉換則依靠ARP協議。路由表中的路由條目可以通過手動或自動的方式生成，通過手動方式配置的路由條目，由于其固定不可變，為靜態(tài)路由；自動方式配置的路由條目通過路由協議實現，路由條目依據網絡實時狀態(tài)進行調整，為動態(tài)路由。靜態(tài)路由與動態(tài)路由的轉發(fā)本質都是依據路由機制，只是路由表的生成過程存在差異。1.2OSPF協議OSPF（OpenShortestPathFirst，開放式最短路徑優(yōu)先）協議[23]是內部網關協議的一種，用于在一個自治系統（AutonomousSystem，AS）內進行路由規(guī)劃。OSPF協議將自治系統分為骨干區(qū)域（area0）和非骨干區(qū)域進行管理。OSPF協議是一種鏈路狀態(tài)協議。每個路由器負責發(fā)現、維護與鄰居的關系，并將已知的鄰居列表和鏈路狀態(tài)報文LSU(LinkStateUpdate)，通過可靠的泛洪與自治系統內的其他路由器周期性交互，學習到整個自治系統的網絡拓撲結構；并通過自治系統邊界的路由器注入其他AS的路由信息，從而得到整個Internet的路由信息。每隔一個特定時間，或當鏈路狀態(tài)發(fā)生變化時，重新生成LSU，路由器通過泛洪機制將新LSU通告出去，以便實現路由的實時更新。在廣播鏈路類型的網絡中，路由器角色分為指定路由器（DesignatedRouter，DR），備份指定路由器（BackupDesignatedRouter，BDR）和其它路由器（DRother），DR與BDR與其它路由以組播和單播結合的方式建立鄰接關系，通過OSFP協議報文交互鏈路狀態(tài)信息，并根據Dijkstra算法[24]計算最短路徑，形成路由表。OSPF協議報文采用IP報文封裝，協議號為89。OSPF協議報文主要有5種，具有相同的OSPF報文頭部，如圖2所示。圖SEQ圖\*ARABIC2OSPF報文頭格式圖其中版本號為2，表示支持IPv4路由。路由器標識（RouterID，RID）用來標識區(qū)域內路由器；區(qū)域標識用于指定路由器所屬區(qū)域；驗證類型用于對OSPF報文內容進行驗證；類型號常用為1到5，分別對應以下報文：（1）Hello報文：用于發(fā)現并建立鄰接關系，選舉DR、BDR。（2）DD（DatabaseDescription，數據庫描述）報文：用描述本地鏈路狀態(tài)數據庫，只包含鏈路狀態(tài)公告的頭部。（3）LSR（LinkStateRequest，鏈路狀態(tài)請求）報文：用于向其他路由器請求特定鏈路的完成狀態(tài)公告，只包含鏈路狀態(tài)公告的頭部。（4）LSU（LinkStateUpdate，鏈路狀態(tài)更新）報文：用來向對端路由器發(fā)送所需要的鏈路狀態(tài)或者通過泛洪公告。（5）LSAck（LinkStateAcknowledgment，鏈路狀態(tài)應答確認）報文：對LSU報文進行顯示確認。LSA（LinkStateAnnouncement，鏈路狀態(tài)公告）主要有5種類型，如表1所示。表SEQ表\*ARABIC1OSPF協議LSA類型表類型號名稱描述1RouterLSA所有路由器生成。描述了路由器物理接口所連接的鏈路或接口，指明了鏈路的狀態(tài)，代價等，只在產生的區(qū)域內泛洪。2NetworkLSA由DR始發(fā)，描述了一個廣播訪問網絡所有相連的網絡和子網，只在產生的區(qū)域內泛洪。3，4SummaryLSA由區(qū)域邊界路由器發(fā)出，類型3將該區(qū)域的匯總告知其他區(qū)域，在關聯區(qū)域內泛洪；類型4描述到達其他自治系統邊界路由器的路徑。5ASexternalLSA由自治系統邊界路由器生成，在整個AS內泛洪，描述到其它AS內的路徑。1.3Quagga開源路由引擎Quagga[6]是一個基于TCP/IP路由服務的項目，支持主流路由協議，包括OSPF，RIP，BGP等，可以使Linux計算機具備完整的路由功能。Quagga采用模塊化設計，每一個路由協議使用單獨的守護進程。Quagga提供了豐富的開發(fā)庫，用戶可以根據需要對Quagga源代碼進行修改，實現期望的功能。Quag