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计算机网络 —— 网络层（路由协议）

news 2025/9/11 13:29:21

计算机网络 —— 网络层（路由协议）

什么是路由协议
内部网关协议
- RIP
- - 关键特性
- OSPF
- - 主要特点
外部网关协议
- BGP
- - 关键特性

我们今天来看路由协议：

什么是路由协议

路由协议是网络设备（主要是路由器）用来决定数据包在网络中传输路径的规则集。它们通过共享路由信息来构建并维护路由表，确保数据能够从源设备有效地传输到目标设备。路由协议按照不同标准可以分为以下几类：

按工作原理分类：

距离矢量路由协议（Distance Vector Routing Protocols）：如RIP（Routing Information Protocol）和IGRP（Interior Gateway Routing Protocol），这类协议基于跳数（hop count）作为度量标准来选择路径，并且定期向邻居广播整个路由表。它们简单但容易产生路由环路和慢收敛的问题。
链路状态路由协议（Link State Routing Protocols）：如OSPF（Open Shortest Path First）和IS-IS（Intermediate System to Intermediate System），这些协议通过泛洪网络拓扑信息来构建一个完整的网络图，每个路由器基于这个图计算最佳路径。它们提供了更快的收敛速度和避免路由环路的能力。

按用途分类：

内部网关协议（IGPs，Interior Gateway Protocols）：在单个自治系统（AS）内部使用的路由协议，如RIP、OSPF和IS-IS。
外部网关协议（EGPs，External Gateway Protocols）：用于不同自治系统之间的路由传递，最著名的是BGP（Border Gateway Protocol）。

按路由表的更新方式分类：

静态路由：由网络管理员手动配置，不会随网络变化自动更新。
动态路由：路由信息会根据网络的变化自动更新，包括上述的距离矢量和链路状态协议。

按支持的协议类型分类：

单播路由协议：处理单个发送者到单个接收者的通信。
多播路由协议：设计用于支持一对多的通信，如PIM（Protocol Independent Multicast）。
组播路由协议：实质上与多播路由协议相同，术语上有时互换使用，关注于高效地向多个目的地发送数据。

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路由协议的选择取决于网络的规模、复杂性、性能要求以及管理的便捷性。动态路由协议特别适用于大型网络，因为它能自动适应网络拓扑变化，减少管理负担，而静态路由则更适合小型网络或者对安全性、简单性有特殊需求的场景。

我们这里以内部和外部进行区分：

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内部网关协议

内部网关协议（IGP，Interior Gateway Protocol）是在一个自治系统（Autonomous System, AS）内部运行的路由协议，负责在AS内部的路由器之间传播路由信息，以确定数据包在该自治系统内部的最佳传输路径。IGP的主要目标是高效、准确地更新路由表，确保数据能够在复杂的网络环境中快速、可靠地传输。几种常见的IGP包括：

RIP（Routing Information Protocol）：一种较为古老的IGP，基于距离矢量算法。RIP使用跳数（hop count）作为度量标准来确定到达目的地的最佳路径，最大跳数限制通常是15跳，超过这个值即认为网络不可达。RIP有版本1和版本2，后者支持VLSM（Variable Length Subnet Mask）和认证功能。

OSPF（Open Shortest Path First）：基于链路状态的IGP，能够提供更为快速的收敛速度和避免路由环路的能力。OSPF路由器收集整个网络的链路状态信息，并使用Dijkstra最短路径优先算法计算出到达每个网络的最短路径树。OSPF支持复杂的网络划分，包括区域划分（Area）来优化路由更新和减少带宽消耗。

IS-IS（Intermediate System to Intermediate System）：最初设计用于ISO的CLNP（ConnectionLess Network Protocol），后来扩展支持IPv4和IPv6。IS-IS也是链路状态协议，其工作原理与OSPF类似，但在某些方面更为简洁高效，特别是在大规模网络中。IS-IS支持分层的网络设计，通过Level-1（区域内）和Level-2（区域间）路由器来分割路由计算的复杂度。

EIGRP（Enhanced Interior Gateway Routing Protocol）：Cisco开发的高级距离矢量协议，结合了距离矢量和链路状态特性，支持快速收敛、负载均衡、VLSM和毒性逆转等功能。EIGRP使用度量值（Metric）来评估路径，该度量值综合考虑了带宽、延迟、可靠性、负载和最大传输单元（MTU）等因素。

我们这里介绍RIP和OSPF

RIP

RIP（Routing Information Protocol，路由信息协议）是一种经典的内部网关协议（IGP），用于在小型到中型的同构网络中实现动态路由选择。以下是RIP协议的关键特征和工作原理：

关键特性

距离矢量协议：RIP基于距离矢量算法工作，使用跳数（hop count）作为路由度量。一个跳数代表数据必须通过的一个网络设备（通常是路由器），RIP认为最佳路径是跳数最少的路径。RIP最多支持15跳，超过这个限制的网络被视为不可达，这限制了RIP在较大网络中的应用。

周期性更新：RIP路由器周期性地（默认每30秒）广播或组播其完整的路由表给直连的邻居，即使路由信息未发生变化。这种方式有助于保持网络中所有路由器的路由信息同步，但同时也增加了网络的广播流量。

收敛慢与路由环路：由于其基于距离矢量的特性，RIP容易产生路由环路。为了解决这个问题，RIP采用了水平分割（Split Horizon）、毒性反转（Poison Reverse）、保持计时器（Hold-Down Timer）和触发更新（Triggered Update）等机制。

版本：RIP有两个主要版本，RIPv1和RIPv2。RIPv1是无类别路由选择协议，不支持VLSM和CIDR，且路由更新时不携带子网掩码信息。RIPv2是其增强版，支持VLSM、CIDR和认证，且路由更新通过组播地址发送而非广播，提高了效率。

UDP传输：RIP使用用户数据报协议（UDP）作为传输层协议，端口号为520。RIP的消息封装在UDP数据包中，然后通过IP协议传输。

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OSPF

开放最短路径优先（OSPF，Open Shortest Path First）是由互联网工程任务组（IETF）开发的一种基于链路状态的内部网关协议（IGP），主要用于在一个自治系统（AS）内部高效地分配路由信息。OSPF协议的设计初衷是为了替代早期的IGP，如RIP，以提供更强大的功能和更好的网络性能。以下是OSPF协议的一些核心特点和机制：

主要特点

链路状态路由协议：OSPF基于链路状态算法，每个路由器维护一个链路状态数据库（LSDB），包含整个网络的拓扑结构信息。通过这个数据库，每个路由器独立计算到达各个网络的最短路径树（SPT）。

快速收敛：OSPF使用Dijkstra算法计算最短路径，并通过多种机制（如SPF算法、部分路由计算、增量更新）来加速网络变更时的收敛速度，减少网络中断时间。

分层设计：OSPF支持区域（Area）的概念，允许将大型网络划分为多个区域来管理和优化路由传播。这样可以减少路由更新的流量，提升网络效率，并增强网络的可管理性。

支持VLSM和CIDR：OSPF能够处理变长子网掩码（VLSM）和无类别域间路由（CIDR），这对于高效利用IP地址空间和简化网络设计至关重要。

认证机制：提供认证功能，可以配置接口级别的认证来保护路由信息的交换，增加网络安全性。

多种类型的OSPF报文：包括Hello报文（用于发现和维护邻居关系）、数据库描述报文（DD）、链路状态请求报文（LSR）、链路状态更新报文（LSU）和链路状态确认报文（LSAck），这些报文共同协作以实现状态同步和更新。

版本兼容性：OSPF有两个主要版本，OSPFv2用于IPv4网络，定义在RFC 2328中；OSPFv3用于IPv6网络，定义在RFC 2740中，它们在基本机制上相似，但在地址处理和一些扩展特性上有所不同。

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外部网关协议

BGP

边界网关协议（BGP，Border Gateway Protocol）是一种外部网关协议（EGP），用于在不同的自治系统（AS）之间交换路由信息和实现互联网的互联互通。它是构成互联网架构的核心协议之一，负责在广泛的网络中传播可达性信息，确保数据包可以从一个AS传输到另一个AS，最终达到目的地。以下是BGP的一些关键特性和工作原理：

关键特性

自治系统间的路由：BGP的主要作用是在不同的AS之间传播路由信息。每个AS都被分配一个唯一的AS号，BGP路由器通过建立邻居关系交换路由信息，以确定如何将数据包从一个AS转发到另一个AS。

路径属性：BGP路由不仅包含目的网络前缀和下一跳信息，还携带一系列路径属性，这些属性影响路由的选择和传播。常见的属性包括Origin、AS_PATH、Next_Hop、MED（Multi-Exit Discriminator）、Local_Pref等，其中AS_PATH记录了一条路由经过的所有AS，对于防止路由环路和选择最佳路径至关重要。