何為路由？
所謂路由就是指通過相互連接的網(wǎng)絡(luò)把信息從源地點(diǎn)移動到目標(biāo)地點(diǎn)的活動。一般來說，在路由過程中，信息至少會經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)。通常，人們會把路由和交換進(jìn)行對比，這主要是因?yàn)樵谄胀ㄓ脩艨磥韮烧咚鶎?shí)現(xiàn)的功能是完全一樣的。其實(shí)，路由和交換之間的主要區(qū)別就是交換發(fā)生在OSI參考模型的第二層（數(shù)據(jù)鏈路層），而路由發(fā)生在第三層，即網(wǎng)絡(luò)層。這一區(qū)別決定了路由和交換在移動信息的過程中需要使用不同的控制信息，所以兩者實(shí)現(xiàn)各自功能的方式是不同的。
早在40多年之間就已經(jīng)出現(xiàn)了對路由技術(shù)的討論，但是直到80年代路由技術(shù)才逐漸進(jìn)入商業(yè)化的應(yīng)用。路由技術(shù)之所以在問世之初沒有被廣泛使用主要是因?yàn)?0年代之前的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都非常簡單，路由技術(shù)沒有用武之地。直到最近十幾年，大規(guī)模的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)才逐漸流行起來，為路由技術(shù)的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)和平臺。
路由技術(shù)的構(gòu)成
我們通常所說的路由技術(shù)其實(shí)是由兩項(xiàng)最基本的活動組成，即決定最優(yōu)路徑和傳輸信息單元（也被稱為數(shù)據(jù)包）。其中，數(shù)據(jù)包的傳輸和交換相對較為簡單和直接，而路由的確定則更加復(fù)雜一些。
確定路由
度量標(biāo)準(zhǔn)（metric），例如路徑長度等，是被路由算法用來計(jì)算和確定到達(dá)目的地的最優(yōu)路徑的標(biāo)準(zhǔn)。為了幫助確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂�，路由算法可以建立和維護(hù)路由表。路由表中包含了各種路由信息。路由信息根據(jù)所使用的路由算法的不同而各異。
路由算法在路由表中寫入各種不同的信息，路由器會根據(jù)數(shù)據(jù)包所要到達(dá)的目的地選擇最佳路徑把數(shù)據(jù)包發(fā)送到可以到達(dá)該目的地的下一臺路由器處。當(dāng)下一臺路由器接收到該數(shù)據(jù)包時(shí)，也會查看其目標(biāo)地址，并使用合適的路徑繼續(xù)傳送給后面的路由器。依次類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最終目的地。
除了我們在上圖中看到的兩項(xiàng)信息之外，路由表中還會包含其它一些對路由的計(jì)算和選擇有價(jià)值的信息。路由器通過比較不同路徑的度量值決定最優(yōu)路徑，而具體的度量值則要視所使用的路由算法而定。我們將會在文章稍后對一些較為常用的度量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。
路由器之間可以進(jìn)行相互通訊，而且可以通過傳送不同類型的信息維護(hù)各自的路由表。路由更新信息就是這樣一種信息，一般是由部分或全部路由表組成。通過分析其它路由器發(fā)出的路由更新信息，路由器可以掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鏈路狀態(tài)廣播是另外一種在路由器之間傳遞的信息，它可以把信息發(fā)送方的鏈路狀態(tài)及時(shí)的通知給其它路由器。
數(shù)據(jù)包交換
交換算法相對路由算法來說更加簡單，而且絕大多數(shù)的路由協(xié)議都可以使用相同的交換技術(shù)。當(dāng)數(shù)據(jù)包的發(fā)送方通過一定的方式獲取到路由器的地址之后，就會把數(shù)據(jù)包以該路由器的物理地址（MAC地址）發(fā)送出去，同時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)層地址標(biāo)識數(shù)據(jù)包的最終目的地。
當(dāng)路由器接收到數(shù)據(jù)包后將查看標(biāo)明其目的地的協(xié)議地址，并決定是否按照該地址將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到下一臺路由器。如果路由器不知道如何把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到其目的地的話，一般會丟棄該數(shù)據(jù)包。如果路由器知道數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，則會將其中的物理地址改為下一臺路由器的地址，然后將其發(fā)送出去。以此類推，直到數(shù)據(jù)包到達(dá)最終的目的地。在整個(gè)過程中，數(shù)據(jù)包的物理地址會隨著移動過程中所經(jīng)過的不同的路由器而變化，但是代表目的地的協(xié)議地址一直保持不變。
路由算法
路由算法主要由幾個(gè)關(guān)鍵因素決定。首先，算法的設(shè)計(jì)意圖對路由協(xié)議的實(shí)際運(yùn)作具有很大的影響。其次，目前存在許多不同類型的路由算法，每一種算法對網(wǎng)絡(luò)和路由器資源都有不同的要求和影響。最后，路由算法使用不同的度量標(biāo)準(zhǔn)，從而使最優(yōu)路徑的計(jì)算結(jié)果不同。
設(shè)計(jì)意圖
通常，一種路由算法可以體現(xiàn)出以下幾方面的設(shè)計(jì)意圖：
最優(yōu)性
簡單，低開銷
健壯，穩(wěn)定
快速聚斂
適用性強(qiáng)
最優(yōu)性是指路由算法選擇最佳路徑的能力，這主要取決于計(jì)算最佳路徑所使用的度量標(biāo)準(zhǔn)。舉例來說，一種路由算法可以同時(shí)采用數(shù)據(jù)包經(jīng)過路由器的跳數(shù)和時(shí)延作為度量標(biāo)準(zhǔn)，而其中又以時(shí)延為主要標(biāo)準(zhǔn)。每一種路由協(xié)議都必須嚴(yán)格定義度量值的計(jì)算方法。
路由協(xié)議的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡可能的簡單。換句話說，路由算法必須能夠以最有效的方式發(fā)揮其功能，最大程度的降低軟件和使用開銷。尤其是當(dāng)實(shí)現(xiàn)路由算法的軟件只能在資源有限的機(jī)器上運(yùn)行時(shí)，有效性就變得更為重要。
路由算法必須具有良好的健壯性，能夠在出現(xiàn)異�；蛲话l(fā)事件（例如硬件損壞，負(fù)載過高以及執(zhí)行錯誤等）時(shí)正常運(yùn)行。因?yàn)槁酚善魍蔷W(wǎng)絡(luò)的連接節(jié)點(diǎn)，所以如果出現(xiàn)問題將會帶來非常嚴(yán)重的后果。因此，最好的路由算法應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)，在不同的網(wǎng)絡(luò)條件下都能夠保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。
路由算法還應(yīng)當(dāng)能夠快速聚斂。所謂聚斂就是指所有路由器就最優(yōu)路徑重新達(dá)成一致的過程。當(dāng)因?yàn)槟撤N原因使路由器出現(xiàn)問題而無法繼續(xù)正常使用時(shí)，路由器會發(fā)出路由更新信息傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，重新計(jì)算最優(yōu)路徑，并最終使所有路由器就新路徑達(dá)成一致。聚斂速度慢的路由算法可能會導(dǎo)致路由回路的出現(xiàn)。
在下圖所示的路由回路中，一個(gè)數(shù)據(jù)包在時(shí)間t1到達(dá)路由器1。因?yàn)槁酚善?中的信息已經(jīng)被更新，所以該路由器知道到達(dá)數(shù)據(jù)包目的地的最優(yōu)路徑應(yīng)當(dāng)通過路由器2。因此，路由器1把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到路由器2。但是路由器2中的信息沒有被更新，所以仍然認(rèn)為最優(yōu)路徑應(yīng)當(dāng)通過路由器1，并因此把數(shù)據(jù)包又轉(zhuǎn)發(fā)回路由器1。這樣，數(shù)據(jù)包只能在兩臺路由器之間來回傳遞，直到路由器2接收到了路由更新信息或者數(shù)據(jù)包超出了最大存活時(shí)間。
路由算法還應(yīng)當(dāng)具有非常好的適應(yīng)性，能夠快速準(zhǔn)確的適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。例如，假設(shè)某一個(gè)網(wǎng)段出現(xiàn)問題，許多路由協(xié)議都可以快速的選擇新的最佳路徑替代已經(jīng)無法使用的原由路徑。路由算法應(yīng)當(dāng)能夠通過編程，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)帶寬，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等參數(shù)變量的變化。
算法類型
路由算法可以被劃分成許多不同的類型。主要的分類標(biāo)準(zhǔn)如下：
靜態(tài)vs動態(tài)
單路徑vs多路徑
單層結(jié)構(gòu)vs分層結(jié)構(gòu)
主機(jī)智能vs路由器智能
域間vs域內(nèi)
鏈路狀態(tài)vs距離向量
靜態(tài)vs動態(tài)
靜態(tài)路由算法并不是一種真正意義上的路由算法，而只是由網(wǎng)絡(luò)管理員在啟動網(wǎng)絡(luò)路由功能之前預(yù)先建立起來的路由映射表。除非管理員人為修改，否則映射表的內(nèi)容不會發(fā)生任何變化。使用靜態(tài)路由的算法在設(shè)計(jì)上非常簡單，主要適合在那些數(shù)據(jù)流量的可預(yù)測性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單的環(huán)境中使用。
因?yàn)殪o態(tài)路由系統(tǒng)無法對網(wǎng)絡(luò)變化作出響應(yīng)，所以對今天的大型，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)來說并不適用。目前所使用的絕大多數(shù)的主流路由算法都是動態(tài)路由算法，可以通過分析接收到的路由更新信息針對變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境作出相應(yīng)的調(diào)整。如果網(wǎng)絡(luò)發(fā)生變化，路由軟件就會重新計(jì)算新路由，并將新的路由更新信息發(fā)送出去。更新信息可以傳遍整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，所有接收到該信息的路由器都會重新執(zhí)行各自的路由算法，對路由表作出相應(yīng)的修改。
靜態(tài)路由和動態(tài)路由并不是完全對立的，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下，兩者可以有機(jī)的結(jié)合在一起，互為補(bǔ)充。例如，我們可以創(chuàng)建靜態(tài)路由，指定一臺專門的路由器作為最后訴求（last resort）路由器來接收所有無法被正確路由的數(shù)據(jù)包，這樣，我們就可以保證所有的信息都能夠以某種方式被處理。
單路徑vs多路徑
一些復(fù)雜的路由協(xié)議可以支持到同一目的地的多條路徑。與單路徑算法不同，多路徑算法可以在多條路徑之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的多路復(fù)用。多路徑路由算法的優(yōu)勢是非常明顯的，可以提供更大的數(shù)據(jù)吞吐量，同時(shí)增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
單層結(jié)構(gòu)vs分層結(jié)構(gòu)
在單層次的路由系統(tǒng)中，所有的路由器都是對等的；而在分層路由系統(tǒng)中，則是由一部分路由器組成路由主干。任何一臺主機(jī)發(fā)送出的數(shù)據(jù)包首先經(jīng)過非主干路由器到達(dá)主干路由器，然后沿著路由主干傳遞。當(dāng)?shù)竭_(dá)目的地的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域時(shí)，從主干路由器轉(zhuǎn)入非主干路由器，并最終抵達(dá)目標(biāo)接收方。
通常，我們把路由系統(tǒng)中的本地節(jié)點(diǎn)群稱為域，自主系統(tǒng)，或區(qū)域。在分層路由系統(tǒng)中，一個(gè)域中的某些路由器可以與位于其它域中的路由器進(jìn)行通訊，而另外一些路由器則只能與本域中的路由器通訊。在規(guī)模更大的網(wǎng)絡(luò)中，可能會存在更多的路由等級，而路由主干一般都是由位于最高等級的路由器組成。
分層路由的最大優(yōu)勢就在于其組成結(jié)構(gòu)與我們在現(xiàn)實(shí)企業(yè)中所采用的管理和組織結(jié)構(gòu)相符，因而可以非常好的支持公司內(nèi)部的數(shù)據(jù)流量和模式。舉例來說，在企業(yè)網(wǎng)中，絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)通訊都發(fā)生在小范圍內(nèi)的組或域中，所以域內(nèi)路由器只需要知道如何與本域中的其它路由器通訊即可，不必關(guān)心其它域中的路由器。這樣，就可以使路由算法得到簡化，并相應(yīng)降低了路由的更新流量。
主機(jī)智能vs路由器智能
所謂主機(jī)智能算法就是指由數(shù)據(jù)包的發(fā)送方?jīng)Q定整個(gè)傳輸過程中的完整路由，通常也被稱為源路由。在源路由系統(tǒng)中，路由器的作用只是簡單的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。
路由器智能算法的基礎(chǔ)就是假定數(shù)據(jù)包的發(fā)送方對路由沒有任何決定能力，完全由路由器基于各自的計(jì)算方法選擇和確定數(shù)據(jù)的傳輸路徑。
域間vs域內(nèi)
有些路由算法只能在單獨(dú)的域中使用，而另外一些路由算法則既可以在域間也可以在域內(nèi)使用。這兩種算法的性質(zhì)是不同的，因此，一種好的域內(nèi)路由算法往往并不一定能夠在域間環(huán)境下使用。
鏈路狀態(tài)vs距離向量
鏈路狀態(tài)算法（又稱為最短路徑優(yōu)先算法）可以把路由信息傳遞到網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)。不過每一臺路由器只是向外界發(fā)送描述自己鏈路狀態(tài)的那一小部分路由表信息。距離向量算法（又稱為Bellman-Ford算法）要求每一臺路由器向外發(fā)送全部或絕大部分的路由表信息，不過該信息只能發(fā)送給臨近的路由器。因此，兩者的區(qū)別就是鏈路狀態(tài)算法可以向整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍發(fā)送數(shù)據(jù)量較小的更新信息，而距離向量算法則是只能向臨近的路由器發(fā)送大批量的更新信息。
因?yàn)殒溌窢顟B(tài)算法的聚斂速度相對較快，所以要比距離向量算法更能有效的避免路由回路的出現(xiàn)。不過，從另一方面來說，鏈路狀態(tài)算法需要占用更多的CPU處理時(shí)間和系統(tǒng)內(nèi)存，因此比距離向量算法的實(shí)現(xiàn)和支持成本更高。除了我們在這里所提到的區(qū)別之外，兩種路由算法都可以在絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用。
路由度量標(biāo)準(zhǔn)
路由算法使用很多不同的度量標(biāo)準(zhǔn)來確定最佳路徑。一些復(fù)雜的路由算法更是可以把幾個(gè)獨(dú)立的度量標(biāo)準(zhǔn)綜合起來，作出更為全面和準(zhǔn)確的路由決定。以下是最為常用的路由度量標(biāo)準(zhǔn)：
路徑長度
可靠性
時(shí)延
帶寬
負(fù)載
通訊成本
路徑長度是最為常用的一種路由度量標(biāo)準(zhǔn)。有些路由協(xié)議可以允許網(wǎng)絡(luò)管理人員為每一條網(wǎng)絡(luò)連接指定路由成本。在這種情況下，路徑長度就是所有有關(guān)連接的路由成本的總和。其它一些路由協(xié)議還可以定義跳數(shù)，即數(shù)據(jù)包從源地址到目的地所必須經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備（如路由器等）的個(gè)數(shù)。
在路由算法的范疇內(nèi)，可靠性主要是指每一條網(wǎng)絡(luò)連接的可使用性（通常使用誤碼率表示）。一些網(wǎng)絡(luò)連接可能比其它連接更容易出現(xiàn)問題。在網(wǎng)絡(luò)故障修復(fù)之后，有些網(wǎng)絡(luò)連接可能比其它連接的恢復(fù)速度更快或更方便。網(wǎng)絡(luò)管理人員可以把任何可靠性因素考慮在內(nèi)，并據(jù)此為每一條網(wǎng)絡(luò)連接指定相應(yīng)的可靠值。
路由時(shí)延是指通過網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)包從源地址移動到目的地所需要的時(shí)間總和。有許多因素可以造成路由時(shí)延，其中包括網(wǎng)絡(luò)連接的帶寬，每一臺途經(jīng)路由器的負(fù)載，網(wǎng)絡(luò)擁擠狀況以及數(shù)據(jù)包所需要經(jīng)過的物理距離等。因?yàn)槁酚蓵r(shí)延是多項(xiàng)重要變量的綜合反映，所以被普遍的采用。
帶寬是指一條網(wǎng)絡(luò)連接所能提供的流量吞吐能力。很明顯，10-Mbps以太網(wǎng)的帶寬要大大高出64-kbps專線的帶寬。雖然帶寬反映了一條網(wǎng)絡(luò)連接所能夠提供的最大速率，但是有時(shí)使用寬帶連接的路由并不一定是最優(yōu)路徑。例如，如果一條高速連接非常繁忙，那么實(shí)際等待發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間可能會更長。
負(fù)載是指象路由器這樣的網(wǎng)絡(luò)資源和設(shè)備的繁忙程度。我們可以通過多種方式計(jì)算負(fù)載，例如CPU的使用率以及每秒鐘可以處理的數(shù)據(jù)包的數(shù)目等。對路由負(fù)載進(jìn)行長期的持續(xù)監(jiān)控可以更加有效的管理和配置網(wǎng)絡(luò)資源。
通訊成本是另外一種非常重要的路由度量標(biāo)準(zhǔn)，尤其是對那些相對于網(wǎng)絡(luò)性能更加關(guān)注運(yùn)行成本的企業(yè)來說，其重要性就更加明顯。舉例來說，有時(shí)企業(yè)會為了節(jié)省公用線路的使用成本而改用延遲更大的私人線路，這就是通訊成本的具體體現(xiàn)。 |
