路由與路由協(xié)議技術(shù)基礎(chǔ)概述目錄TOC\o"1-3"\h\u14740路由與路由協(xié)議技術(shù)基礎(chǔ)概述 1159061.1路由機制概述 110481.2OSPF協(xié)議 2248981.3Quagga開源路由引擎 4路由是數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳遞的路徑，路由協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(xié)議生成。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要包括內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（InternalGatewayProtocol，IGP）和外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（ExternalGatewayProtocol，EGP），其中IGP主要負責網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)部的路由，常用的有OSPF協(xié)議和ISIS協(xié)議等；EGP主要負責網(wǎng)絡(luò)區(qū)域之間的路由，常用的有BGP協(xié)議等。路由引擎除了實體物理網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)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(xié)議與路由引擎技術(shù)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(shù)據(jù)時，IP數(shù)據(jù)包將會被轉(zhuǎn)發(fā)至默認網(wǎng)關(guān)，即負責將數(shù)據(jù)包從本地網(wǎng)絡(luò)路由至遠端主機的路由器。IP數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)路徑，將數(shù)據(jù)包從對應(yīng)的接口送出，各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用相同方法，直將數(shù)據(jù)包送達目的主機。路由轉(zhuǎn)發(fā)機制如圖1所示。圖SEQ圖\*ARABIC1路由轉(zhuǎn)發(fā)機制圖當主機A發(fā)向主機B的數(shù)據(jù)流在網(wǎng)絡(luò)層封裝成IP數(shù)據(jù)包，IP數(shù)據(jù)包的首部包含了源地址和目標地址。主機A首先根據(jù)IP地址與網(wǎng)絡(luò)掩碼確定目標網(wǎng)絡(luò)地址是否與本機處在同一個網(wǎng)段中，如果不是則將IP數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到默認網(wǎng)關(guān)。在發(fā)往默認網(wǎng)關(guān)前，主機A還會通過ARP請求獲取默認網(wǎng)關(guān)的MAC地址，將IP數(shù)據(jù)包封裝成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后發(fā)往默認網(wǎng)關(guān)，也就是路由器上的一個端口。當路由器接收到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀后，確認數(shù)據(jù)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(wǎng)數(shù)據(jù)幀解封裝，提取數(shù)據(jù)報文的目的地址，查找匹配路由表。匹配到路由項后，將數(shù)據(jù)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(yīng)接口發(fā)出。此后每一設(shè)備都重復(fù)這個過程，當數(shù)據(jù)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(xiàn)是本地網(wǎng)絡(luò)，則通過將MAC地址變更為本地網(wǎng)絡(luò)上目的主機的MAC地址，直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送給目的主機。整個過程中數(shù)據(jù)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(xié)議的TTL字段，以防止由于路由環(huán)路造成的數(shù)據(jù)包無限循環(huán)，每經(jīng)過一跳路由器，路由器會將數(shù)據(jù)報文中的TTL字段值減1，如果發(fā)現(xiàn)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(zhuǎn)換也至關(guān)重要，MAC地址的轉(zhuǎn)換則依靠ARP協(xié)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(xié)議實現(xiàn)，路由條目依據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時狀態(tài)進行調(diào)整，為動態(tài)路由。靜態(tài)路由與動態(tài)路由的轉(zhuǎn)發(fā)本質(zhì)都是依據(jù)路由機制，只是路由表的生成過程存在差異。1.2OSPF協(xié)議OSPF（OpenShortestPathFirst，開放式最短路徑優(yōu)先）協(xié)議[23]是內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議的一種，用于在一個自治系統(tǒng)（AutonomousSystem，AS）內(nèi)進行路由規(guī)劃。OSPF協(xié)議將自治系統(tǒng)分為骨干區(qū)域（area0）和非骨干區(qū)域進行管理。OSPF協(xié)議是一種鏈路狀態(tài)協(xié)議。每個路由器負責發(fā)現(xiàn)、維護與鄰居的關(guān)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(tǒng)內(nèi)的其他路由器周期性交互，學習到整個自治系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；并通過自治系統(tǒng)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(xiàn)路由的實時更新。在廣播鏈路類型的網(wǎng)絡(luò)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(jié)合的方式建立鄰接關(guān)系，通過OSFP協(xié)議報文交互鏈路狀態(tài)信息，并根據(jù)Dijkstra算法[24]計算最短路徑，形成路由表。OSPF協(xié)議報文采用IP報文封裝，協(xié)議號為89。OSPF協(xié)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(nèi)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(nèi)容進行驗證；類型號常用為1到5，分別對應(yīng)以下報文：（1）Hello報文：用于發(fā)現(xiàn)并建立鄰接關(guān)系，選舉DR、BDR。（2）DD（DatabaseDescription，數(shù)據(jù)庫描述）報文：用描述本地鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)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?qū)Χ寺酚善靼l(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(yīng)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(xié)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(chǎn)生的區(qū)域內(nèi)泛洪。2NetworkLSA由DR始發(fā)，描述了一個廣播訪問網(wǎng)絡(luò)所有相連的網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)，只在產(chǎn)生的區(qū)域內(nèi)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(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)泛洪；類型4描述到達其他自治系統(tǒng)邊界路由器的路徑。5ASexternalLSA由自治系統(tǒng)邊界路由器生成，在整個AS內(nèi)泛洪，描述到其它AS內(nèi)的路徑。1.3Quagga開源路由引擎Quagga[6]是一個基于TCP/IP路由服務(wù)的項目，支持主流路由協(xié)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(shè)計，每一個路由協(xié)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(jù)需要對Quagga源代碼進行修改，實現(xiàn)期望的功能。Quag