互联网的路由选择协议是网络通信的核心，它决定了数据包如何在网络中传递和到达目的地。本文将介绍几种常用的路由选择协议及其路由选择算法，帮助基础小白快速入门这一重要领域。
路由选择协议的基本概念
1. 理想的路由选择算法
一个理想的路由选择算法应具备以下特点：
- 正确性和完整性：算法必须确保沿着各路由表所指引的路由，数据包能够最终到达目的网络和目的主机。
- 计算简单：路由选择的计算不应增加过多的额外通信量。
- 自适应性：算法能适应通信量和网络拓扑的变化，及时调整路由以均衡各链路的负载。
- 稳定性：在网络通信量和拓扑相对稳定的情况下，路由选择算法应收敛于一个可接受的解。
- 公平性：路由选择算法应对所有用户（除优先级高的用户）公平。
- 最佳性：路由选择算法应找出最优路由，使分组平均时延最小、网络吞吐量最大。
例如，假设有一个网络由五个路由器组成，每个路由器之间的距离如下图所示：
在这个网络中，路由选择算法的任务就是计算从某个结点（比如A）到其他所有结点（B、C、D、E）的最短路径。
路由选择算法的分类
1. 静态路由选择
静态路由选择，也叫非自适应路由选择，其特点是简单和开销较小，但不能及时适应网络状态的变化。适用于简单的小网络，通过人工配置每条路由实现。
2. 动态路由选择
动态路由选择，也叫自适应路由选择，其特点是能够适应网络状态的变化，但实现较为复杂，开销也较大。适用于复杂的大网络。例如，动态路由选择算法可以根据网络中实时的通信量和拓扑结构的变化，自动调整路由表，以确保数据包能够通过最优路径到达目的地。
分层次的路由选择协议
互联网采用分层次的路由选择协议，主要分为两个类别：
1. 内部网关协议（Interior Gateway Protocol, IGP）
在一个自治系统内部使用的路由选择协议，如RIP和OSPF。
2. 外部网关协议（External Gateway Protocol, EGP）
在不同自治系统之间使用的路由选择协议，如BGP-4。
路由信息协议（RIP）
1. 距离向量路由选择算法
RIP是一种分布式的基于距离向量的路由选择协议。其要点如下：
- 每个结点维护一个距离向量，记录本结点到所有目的结点的最短距离。
- 当与相邻结点的距离发生变化，或收到相邻结点发送的距离向量时，更新自己的距离向量。
- 当距离向量发生变化时，向相邻结点广播自己的距离向量。
例如，假设有三个路由器R1、R2和R3，初始状态下每个路由器只知道与相邻路由器之间的距离。经过若干次更新后，所有路由器最终都会知道到达任何一个路由器的最短距离。
2. RIP的工作过程
- 周期性更新：路由器每隔约30秒向所有相邻路由器发送路由更新报文，并接收相邻路由器发送的路由更新报文。
- 报文处理：对收到的路由更新报文进行处理，修改项目中的“下一跳”字段和“距离”字段，然后更新路由表。
- 故障处理：若一段时间内没有收到某条路由项目的更新报文，则将该路由项目记为无效。
3. 坏消息传播得慢
RIP的一个缺点是坏消息传播得慢。当网络出现故障时，需要较长时间才能将此信息传递到所有路由器。这是RIP的主要缺点之一。
例如，假设有两个路由器R1和R2，R1连接网络1和网络2，R2连接网络2和网络3。如果R1到网络1的链路出现故障，R1需要将此信息传播给R2。然而，由于RIP的坏消息传播得慢，R2可能会在很长一段时间内误以为可以通过R1到达网络1。
内部网关协议：OSPF
1. 链路状态路由选择算法
OSPF（Open Shortest Path First）是一种基于链路状态的路由选择协议。其要点如下：
- 链路状态广播：每个路由器都向所有其他路由器通告其链路状态。
- 链路状态数据库：每个路由器都维护一个链路状态数据库，记录网络中所有链路的状态。
- Dijkstra算法：每个路由器使用Dijkstra算法计算到所有其他路由器的最短路径。
2. OSPF的工作过程
- 链路状态更新：路由器向所有其他路由器发送链路状态更新报文，包含其所有链路的状态信息。
- 链路状态数据库更新：路由器接收到链路状态更新报文后，更新其链路状态数据库。
- 最短路径计算：路由器使用Dijkstra算法计算到所有其他路由器的最短路径，并更新路由表。
例如，假设有四个路由器R1、R2、R3和R4，每个路由器都有若干链路相连。每个路由器会向其他路由器通告其链路状态，所有路由器维护一个相同的链路状态数据库。然后，每个路由器使用Dijkstra算法计算到所有其他路由器的最短路径。
3. OSPF的优缺点
- 优点：由于OSPF采用链路状态算法，它能迅速适应网络拓扑的变化，收敛速度快。此外，OSPF支持可变长子网掩码（VLSM）和区域划分，适合大规模复杂网络。
- 缺点：实现复杂，配置和维护需要较多的专业知识和经验。
4. OSPF的区域划分
OSPF引入了区域（Area）的概念，将一个自治系统（AS）划分为多个区域。区域之间通过骨干区域（Area 0）互连。这样做的好处是减少了路由表的大小和链路状态更新报文的传播范围，减少了网络的开销。
外部网关协议：BGP
1. 路径向量路由选择算法
BGP（Border Gateway Protocol）是一种基于路径向量的路由选择协议。其要点如下：
- 自治系统之间的路由选择：BGP主要用于不同自治系统之间的路由选择。
- 路径向量：每个BGP路由器维护一个路径向量，记录到达每个目的网络的路径。
- 路径属性：BGP路由器根据路径属性选择最优路径，如路径长度、下一跳、自治系统路径等。
2. BGP的工作过程
- 路径通告：BGP路由器向相邻BGP路由器通告其路径向量。
- 路径选择：BGP路由器根据路径属性选择最优路径，更新其路径向量。
- 路径更新：BGP路由器向相邻BGP路由器通告其新的路径向量。
例如，假设有两个自治系统AS1和AS2，AS1中的BGP路由器需要选择一条路径到达AS2中的某个网络。AS1中的BGP路由器会根据路径属性，如路径长度、下一跳、自治系统路径等，选择最优路径，并将其通告给相邻的BGP路由器。
3. BGP的优缺点
- 优点：BGP能够处理非常大的网络，适用于互联网这样的大规模分布式网络。它提供了灵活的路径选择机制，能够根据多种属性选择最优路径。
- 缺点：BGP的配置和维护较为复杂，需要专业的网络知识和经验。由于其收敛速度较慢，在网络拓扑发生变化时，可能导致较长时间的路由不稳定。
4. BGP的路径属性
BGP使用多个路径属性来选择最优路径，包括：
- AS-PATH：记录路径经过的自治系统序列，用于防止环路。
- NEXT-HOP：下一跳路由器的IP地址。
- LOCAL-PREF：本地优先级，用于选择出口路由。
- MED（多出口鉴别） ：用于在不同自治系统之间进行路由选择。
5. BGP的应用场景
BGP主要用于互联网服务提供商（ISP）之间的路由选择，以及大型企业网络与ISP之间的路由选择。它能够处理复杂的路由策略和路径选择，是互联网的核心路由协议。
互联网中的实际应用
在实际的互联网中，路由选择协议的选择和配置非常重要。不同的网络环境和需求可能需要不同的路由选择协议。例如，一个小型企业网络可能使用RIP，而一个大型企业网络或ISP可能使用OSPF和BGP的组合。
总结
通过本文的介绍，我们了解了互联网中几种常用的路由选择协议及其路由选择算法。理想的路由选择算法应具备正确性、计算简单、自适应性、稳定性、公平性和最佳性。互联网采用分层次的路由选择协议，主要分为内部网关协议和外部网关协议。RIP作为一种基于距离向量的路由选择协议，虽然实现简单，但也存在坏消息传播得慢的缺点。OSPF作为一种基于链路状态的路由选择协议，能够更好地适应网络状态的变化。BGP作为一种基于路径向量的路由选择协议，主要用于不同自治系统之间的路由选择。
图文来源：《计算机网络教程》第六版微课版